JP3555948B2 - Mobile robot device, operation control device and operation control method for mobile robot device - Google Patents
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Description
本発明は、多数の関節自由度を持つ移動ロボット装置、移動ロボット装置の動作制御装置及び動作制御方法に係り、特に、体幹部と、前記体幹部に接続され足部を備えた脚部、及び前記体幹部に接続される腕部を有する移動ロボット装置、移動ロボット装置の動作制御装置及び動作制御方法に関する。 The present invention relates to a mobile robot device having a large number of degrees of freedom, an operation control device and an operation control method of the mobile robot device, and in particular, a trunk, a leg connected to the trunk and having a foot, and The present invention relates to a mobile robot device having an arm connected to the trunk, an operation control device of the mobile robot device, and an operation control method.
さらに詳しくは、本発明は、ZMP(Zero Moment Point)を姿勢安定度判別規範に用いて運動中の機体の姿勢を安定化制御する移動ロボット装置、移動ロボット装置の動作制御装置及び動作制御方法に係り、特に、転倒・落下の途上における機体全体の運動制御によりロボットが被る損害を限りなく軽減するとともに、比較的少ないトルクで安定した動作により仰向けやうつ伏せなどの床上姿勢から立ち姿勢を回復する移動ロボット装置、移動ロボット装置の動作制御装置及び動作制御方法に関する。 More specifically, the present invention relates to a mobile robot device that stabilizes and controls the posture of a moving body using ZMP (Zero Moment Point) as a posture stability discrimination criterion, an operation control device of the mobile robot device, and an operation control method. In particular, movements that control the robot as a whole during the fall and fall to minimize the damage suffered by the robot as much as possible, and recover from a standing posture such as lying on his back or prone by stable operation with relatively little torque. The present invention relates to a robot device, an operation control device of a mobile robot device, and an operation control method.
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行なう機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の“ROBOTA(奴隷機械)”に由来すると言われている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは1960年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット(industrial robot)であった。 A mechanical device that performs a motion resembling a human motion using an electric or magnetic action is called a “robot”. It is said that the robot is derived from the Slavic word "ROBOTA (slave machine)". In Japan, robots began to spread from the late 1960's, but most of them were industrial robots (industrial robots) such as manipulators and transfer robots for the purpose of automation and unmanned production work in factories. Met.
最近では、イヌやネコのように4足歩行の動物の身体メカニズムやその動作を模したペット型ロボット、あるいは、ヒトのような2足直立歩行を行なう動物の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた「人間形」若しくは「人間型」と呼ばれるロボット(humanoid robot)など、脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。 Recently, it has been designed based on a pet-type robot that imitates the body mechanism and movement of a four-legged animal such as a dog or cat, or a body mechanism or movement of an animal that walks two-legged upright such as a human. Research and development on legged mobile robots such as the "humanoid" and "humanoid" robots have been progressing, and expectations for their practical use are increasing.
人間形若しくは人間型と呼ばれる2足直立歩行の脚式移動ロボットを研究・開発する意義を、例えば以下の2つの視点から把握することができよう。 The significance of researching and developing a two-legged upright legged mobile robot called a humanoid or humanoid will be understood from the following two viewpoints, for example.
1つは、人間科学的な視点である。すなわち、人間の下肢及び/又は上肢に似た構造のロボットを作り、その制御方法を考案して、人間の歩行動作をシミュレートするというプロセスを通じて、歩行を始めとする人間の自然な動作のメカニズムを工学的に解明することができる。このような研究成果は、人間工学、リハビリテーション工学、あるいはスポーツ科学など、人間の運動メカニズムを扱う他のさまざまな研究分野の進展に大いに還元することができるであろう。 One is a human science perspective. That is, through a process of creating a robot having a structure similar to a human lower limb and / or upper limb, devising a control method thereof, and simulating a human walking motion, a mechanism of natural human motion such as walking can be achieved. Can be elucidated by engineering. These findings could be greatly reduced to advances in various other disciplines that address human motor mechanisms, such as ergonomics, rehabilitation engineering, or sports science.
もう1つは、人間のパートナーとして生活を支援する、すなわち住環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動の支援を行なう実用ロボットの開発である。この種のロボットは、人間の生活環境のさまざまな局面において、人間から教わりながら個々に個性の相違する人間又は環境への適応方法を学習し、機能面でさらに成長していく必要がある。このとき、ロボットが「人間形」すなわち人間と同じ形又は同じ構造をしている方が、人間とロボットとの円滑なコミュニケーションを行なう上で有効に機能するものと考えられる。 The other is the development of a practical robot that supports life as a human partner, that is, supports human activities in various situations in a living environment and other daily lives. In various aspects of the human living environment, this type of robot needs to learn from humans to learn how to adapt to humans or the environment, each of which has a different personality, and to further grow in functionality. At this time, it is considered that the robot having the "human form", that is, the same shape or the same structure as a human, functions more effectively in performing smooth communication between the human and the robot.
例えば、踏んではならない障害物を避けながら部屋を通り抜ける方法を実地においてロボットに教示するような場合、クローラ式や4足式ロボットのように教える相手が自分と全く違う構造をしているよりも、同じような格好をしている2足歩行ロボットの方が、ユーザ(作業員)ははるかに教え易く、またロボットにとっても教わり易い筈である(例えば、非特許文献1を参照のこと)。 For example, when teaching a robot how to get through a room while avoiding obstacles that should not be stepped on, the partner who teaches like a crawler type or quadruped type robot has a completely different structure than myself. A bipedal walking robot having a similar appearance should be much easier for the user (operator) to teach and for the robot to learn (for example, see Non-Patent Document 1).
2足歩行による脚式移動を行なうタイプのロボットに関する姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に数多提案されている。ここで言う安定な「歩行」とは、「転倒することなく、脚を使って移動すること」と定義することができる。 There have already been proposed a number of techniques relating to posture control and stable walking for a type of robot that performs legged movement by biped walking. Stable “walking” here can be defined as “moving using the legs without falling over”.
ロボットの姿勢安定制御は、ロボットの転倒を回避する上で非常に重要である。何故ならば、転倒は、ロボットが実行中の作業を中断することを意味し、且つ、転倒状態から起き上がって作業を再開するために相当の労力や時間が払われるからである。また、何よりも、転倒によって、ロボット本体自体、あるいは転倒するロボットと衝突する相手側の物体にも、致命的な損傷を与えてしまう危険があるからである。したがって、脚式移動ロボットの設計・開発において、歩行やその他の脚式作業時における姿勢安定制御は最も重要な技術的課題の1つである。 The posture stability control of the robot is very important in avoiding the falling of the robot. This is because falling means that the robot interrupts the work being performed, and considerable effort and time is spent in getting up from the falling state and resuming the work. In addition, above all, there is a risk that the fall may cause fatal damage to the robot body itself or the object on the other side that collides with the fallen robot. Therefore, in the design and development of a legged mobile robot, posture stability control during walking or other legged work is one of the most important technical issues.
歩行時には、重力と歩行運動に伴なって生じる加速度によって、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが作用する。いわゆる「ダランベールの原理」によると、それらは路面から歩行系への反作用としての床反力、床反力モーメントとバランスする。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内側にピッチ及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわち「ZMP(Zero Moment Point)」が存在する。 During walking, gravity, inertial force, and these moments act on the road surface from the walking system due to gravity and acceleration caused by the walking motion. According to the so-called "Dalambert principle", they balance the floor reaction force and the floor reaction force moment as a reaction from the road surface to the walking system. As a consequence of the mechanical inference, there is a point where the pitch and roll axis moments are zero on or inside the supporting polygon formed by the sole and the road surface, that is, "ZMP (Zero Moment Point)".
脚式移動ロボットの姿勢安定制御や歩行時の転倒防止に関する提案の多くは、このZMPを歩行の安定度判別の規範として用いたものである。ZMP規範に基づく2足歩行パターン生成は、足底着地点をあらかじめ設定することができ、路面形状に応じた足先の運動学的拘束条件を考慮し易いなどの利点がある。また、ZMPを安定度判別規範とすることは、力ではなく軌道を運動制御上の目標値として扱うことを意味するので、技術的に実現可能性が高まる(例えば、非特許文献2を参照のこと)。 Many proposals relating to posture stability control of a legged mobile robot and prevention of falling during walking use this ZMP as a criterion for determining walking stability. The bipedal walking pattern generation based on the ZMP standard has an advantage that a sole landing point can be set in advance, and the kinematic constraint condition of the toe according to the road surface shape can be easily considered. In addition, using ZMP as a stability determination criterion means that a trajectory, not a force, is treated as a target value in motion control, so that technical feasibility is improved (for example, see Non-Patent Document 2). thing).
一般には、4足歩行よりもヒューマノイドのような2足歩行のロボットの方が、重心位置が高く、且つ、歩行時のZMP安定領域が狭い。したがって、このような路面状態の変化に伴う姿勢変動の問題は、2足歩行ロボットにおいてとりわけ重要となる。 In general, a bipedal walking robot such as a humanoid has a higher center of gravity and a narrower ZMP stable area during walking than a quadrupedal walking. Therefore, the problem of the posture change due to the change of the road surface condition is particularly important in a bipedal walking robot.
2足歩行ロボットの姿勢安定度判別規範にZMPを用いた提案は既に幾つかある。 There have already been some proposals using ZMP as a posture stability determination standard for a bipedal walking robot.
例えば、脚式移動ロボットは、ZMPがゼロとなる床面上の点を目標値に一致させるようにして安定歩行を行なうことができる(例えば、特許文献1を参照のこと)。 For example, a legged mobile robot can perform stable walking by matching a point on the floor at which ZMP becomes zero with a target value (for example, see Patent Literature 1).
また、脚式移動ロボットは、ZMPが支持多面体(多角形)内部、又は、着地、離床時にZMPが支持多角形の端部から少なくとも所定の余裕を有する位置にあるように構成することにより、外乱などを受けても所定距離だけZMPの余裕があり、歩行時の機体の安定性が向上する(例えば、特許文献2を参照のこと)。 Further, the legged mobile robot is configured such that the ZMP is located inside the supporting polyhedron (polygon) or at a position having at least a predetermined margin from the end of the supporting polygon at the time of landing or leaving the floor. Even after receiving the above, there is a margin of the ZMP for a predetermined distance, and the stability of the body during walking is improved (for example, see Patent Document 2).
また、脚式移動ロボットの歩き速度をZMP目標位置によって制御することができる(例えば、特許文献3を参照のこと)。すなわち、あらかじめ設定された歩行パターン・データを用い、ZMPを目標位置に一致させるように脚部関節を駆動するとともに、上体の傾斜を検出してその検出値に応じて設定された歩行パターン・データの吐き出し速度を変更する。この場合、未知の凹凸を踏んでロボットが例えば前傾するときは、吐き出し速度を速めることで姿勢を回復することができる。またZMPを目標位置に制御するので、両脚支持期で吐き出し速度を変更しても支障がない。 Further, the walking speed of the legged mobile robot can be controlled by the ZMP target position (for example, see Patent Document 3). That is, using the previously set walking pattern data, the leg joints are driven so that the ZMP coincides with the target position, and at the same time, the inclination of the upper body is detected, and the walking pattern set according to the detected value is used. Change the data ejection speed. In this case, when the robot leans forward, for example, by stepping on unknown irregularities, the posture can be recovered by increasing the discharge speed. Further, since the ZMP is controlled to the target position, there is no problem even if the discharge speed is changed during the two-leg supporting period.
また、脚式移動ロボットの着地位置をZMP目標位置によって制御することができる(例えば、特許文献4を参照のこと)。すなわち、脚式移動ロボットは、ZMP目標位置と実測位置とのずれを検出し、それを解消するように脚部の一方又は双方を駆動するか、又はZMP目標位置まわりにモーメントを検出してそれが零になる様に脚部を駆動することで、安定歩行を実現する。 Further, the landing position of the legged mobile robot can be controlled by the ZMP target position (for example, see Patent Document 4). In other words, the legged mobile robot detects a deviation between the ZMP target position and the actually measured position, and drives one or both of the legs to eliminate the deviation, or detects a moment around the ZMP target position and detects it. By driving the legs so that is zero, stable walking is realized.
また、脚式移動ロボットの傾斜姿勢をZMP目標位置によって制御することができる(例えば、特許文献5を参照のこと)。すなわち、ZMP目標位置まわりのモーメントを検出し、モーメントが生じたときは、それが零になるように脚部を駆動することで安定歩行を行なう。 Further, the inclination posture of the legged mobile robot can be controlled by the ZMP target position (for example, see Patent Document 5). That is, a moment around the ZMP target position is detected, and when a moment is generated, the leg is driven so that the moment becomes zero, thereby performing a stable walking.
ZMPを安定度判別規範に用いたロボットの姿勢安定度制御は、基本的には足底接地点と路面の形成する支持多角形の内側にモーメントがゼロとなる点を探索することにある。 The posture stability control of a robot using ZMP as a stability discrimination criterion basically consists in searching for a point where the moment becomes zero inside a support polygon formed by a sole and a road surface.
上述したように、脚式移動ロボットにおいては、ZMPを姿勢安定度規範として導入するなどして、歩行やその他の動作パターン実行中にロボットが転倒しないようにするための最大限の努力が注がれている。 As described above, in legged mobile robots, maximum efforts have been made to prevent the robot from tipping over during walking or other movement patterns, such as by introducing ZMP as a posture stability criterion. Have been.
言うまでもなく、転倒という状態はロボットが実行中の作業を中断することを意味し、且つ、転倒状態から起き上がって作業を再開するために相当の労力や時間が払われる。また、何よりも、転倒によって、ロボット本体自体、あるいは転倒するロボットと衝突する相手側の物体にも、致命的な損傷を与えてしまう危険がある。 Needless to say, the state of falling means that the robot interrupts the work being executed, and considerable labor and time are required to get up from the falling state and resume the work. Above all, there is a risk that the fall may cause fatal damage to the robot body itself or to an object on the other side that collides with the fallen robot.
転倒しないように最大限の姿勢安定制御を行なうにも拘らず、制御の不備、あるいは予期できない外的要因(例えば不測の物体との衝突や、床面上の突起や窪みなどの路面状況、障害物の出現など)などにより、姿勢の安定を失って可動脚のみでは支えきれなくなり、ロボットが転倒してしまうことがある。 Despite performing maximum posture stabilization control to prevent falling, inadequate control or unexpected external factors (for example, collision with unexpected objects, road surface conditions such as protrusions or depressions on the floor, obstacles For example, due to the appearance of an object), the stability of the posture is lost, and the movable leg alone cannot support the robot, and the robot may fall down.
特に、人間型など2足による脚式移動を行なうロボットの場合、重心位置が高く、そもそも直立した静止状態自体が不安定であるため、転倒を生じ易い。ロボットが転倒すると、ロボット自体、あるいは転倒により衝突する相手側にも致命的な損傷を与えてしまう危険がある。 In particular, in the case of a robot that performs legged movement with two feet, such as a humanoid, the position of the center of gravity is high and the standing state itself is unstable in the first place. When the robot falls, there is a danger that the robot itself or the other party colliding with the fall will cause fatal damage.
例えば、脚式移動ロボットが転倒しそうな状況で、その転倒によりロボットが受ける損傷や、その転倒時にロボットが衝突する相手側の物体の損傷を可能な限り軽減することができる(例えば、特許文献6を参照のこと)。 For example, in a situation where a legged mobile robot is likely to fall, damage to the robot due to the fall or damage to an object on the other side with which the robot collides when the fall can be reduced as much as possible (for example, Patent Document 6). checking).
しかしながら、転倒に伴なう着床時に単にロボットの重心を下げるように制御するのみでは不十分であり、実際に転倒してしまったときに、損傷を最小限に抑えるために、脚部だけでなく胴体及び腕部を含め機体全体として如何に動作させるべきかといった議論が重要である、と本発明者らは思料する。 However, it is not enough to simply control the robot's center of gravity at the time of landing when falling down, and it is not sufficient to control the robot only with the legs in order to minimize damage when it actually falls. The present inventors think that it is important to discuss how to operate the entire body including the fuselage and the arms, and not the body.
また、直立歩行型の脚式移動ロボットの場合、歩行などの機体運動を考慮した場合における基準となる姿勢は、2足で立ち上がった立ち姿勢である。例えば、立ち姿勢の中では最も安定した状態(すなわち不安定性の極小点)を基本立ち姿勢として位置付けることができる。 Further, in the case of an upright walking type legged mobile robot, a reference posture in consideration of a body motion such as walking is a standing posture standing up with two feet. For example, the most stable state (that is, the minimum point of instability) among the standing postures can be positioned as the basic standing posture.
このような基本立ち姿勢は、その姿勢を安定に維持するためには、姿勢安定制御の実行、制御指示による脚部などの関節軸モータのトルク生成が必要である。言い換えれば、無電源状態では立ち姿勢は決して安定ではないことから、ロボットは、仰向けやうつ伏せなどの物理的に最も安定した床上姿勢から起動を開始することが好ましいと思料される。 In such a basic standing posture, in order to maintain the posture stably, it is necessary to execute posture stabilization control and generate torque of a joint axis motor such as a leg according to a control instruction. In other words, since the standing posture is never stable in the no-power state, it is considered that it is preferable that the robot starts from the physically most stable on-floor posture such as a supine position or a prone position.
しかしながら、これら床上姿勢のロボットの電源を投入しても、ロボットが自律的に起き上がることができなければ、オペレータが手を貸して機体を持ち上げるなどの作業を施してあげなければならず、煩わしい。 However, even if the robots with the above-floor postures are turned on, if the robots cannot rise up autonomously, the operator must lend a hand and perform operations such as lifting the body, which is troublesome.
また、ロボットが一旦立ち姿勢となり、歩行やその他の自律的な脚式作業を行なう場合、基本的には転倒することなく、脚を使って移動するように努力するが、敢え無く転倒してしまうこともある。さまざまな障害物や不測の事態を包含する人間の住環境下でロボットが動作する上で、「転倒」は不可避である。そもそも人間自体が転倒する。このような場合も、オペレータが手を貸して機体を持ち上げなければならないのでは、やはり煩わしい。 Also, when the robot temporarily stands and performs walking or other autonomous legged work, basically try to move using the legs without falling, but do not dare to fall. It can be lost. When a robot operates in a human living environment including various obstacles and unexpected situations, "falling over" is inevitable. In the first place, human beings fall down. Even in such a case, it is troublesome if the operator must lend a hand to lift the machine.
ロボットが床上姿勢になる度に、ロボットが自分で起き上がることができなければ、結局のところ無人環境でロボットが作業できない、すなわち作業に自己完結性がないということになり、完全に自律化された環境に置くことはできない。 If the robot could not get up on its own every time it was on the floor, the robot would not be able to work in an unmanned environment, that is, the work would not be self-sufficient, and it would be completely autonomous It cannot be placed in the environment.
本発明の目的は、体幹部と、前記体幹部に接続され足部を備えた脚部、及び前記体幹部に接続される腕部を有する、優れた移動ロボット装置、移動ロボット装置の動作制御装置及び動作制御方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an excellent mobile robot device having a trunk, a leg provided with a leg connected to the trunk, and an arm connected to the trunk, and an operation control device for the mobile robot. And an operation control method.
本発明のさらなる目的は、ZMPを姿勢安定度判別規範に用いて運動中の機体の姿勢を好適に安定化制御することができる、優れた移動ロボット装置、移動ロボット装置の動作制御装置及び動作制御方法を提供することにある。 A further object of the present invention is to provide an excellent mobile robot device, an operation control device of the mobile robot device, and an operation control capable of appropriately stabilizing and controlling the posture of a moving body by using ZMP as a posture stability determination criterion. It is to provide a method.
本発明のさらなる目的は、転倒・落下の途上における機体全体の運動制御によりロボットが被る損害を限りなく軽減するとともに、比較的少ないトルクで安定した動作により仰向けやうつ伏せなどの床上姿勢から立ち姿勢を回復することができる、優れた移動ロボット装置、移動ロボット装置の動作制御装置及び動作制御方法を提供することにある。 A further object of the present invention is to reduce the damage to the robot as much as possible by controlling the motion of the entire body in the process of falling and falling, and to stably stand from a floor posture such as a supine or prone position with stable operation with relatively little torque. An object of the present invention is to provide an excellent mobile robot device, an operation control device of the mobile robot device, and an operation control method that can be recovered.
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第1の側面は、複数のリンクを長さ方向に連結したリンク構造体からなり、前記リンク構造体に接続される足部を有する複数の脚を備えた移動ロボット装置において、前記移動ロボット装置の転倒状態から復帰するときに、
前記移動ロボット装置の重心が位置する重心リンクを含む2以上のリンクが接床した床上姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形の中から最も狭い支持多角形を探索する手段と、
前記足部で形成されるZMP安定領域内にZMPを移動させることができる程度に前記最も狭い支持多角形が充分に狭いか否かを判断する手段と、
前記最も狭い支持多角形が十分に小さいと判断された場合に、前記移動ロボット装置を前記床上姿勢から起き上がらせる手段と、
を具備することを特徴とする移動ロボット装置である。
The present invention has been made in consideration of the above problems, and a first aspect thereof includes a link structure in which a plurality of links are connected in a length direction, and a foot connected to the link structure. In a mobile robot device having a plurality of legs having, when returning from a falling state of the mobile robot device,
Means for searching for the narrowest supporting polygon from among the grounding polygons formed by the floor contact links, in an on-floor posture where two or more links including the center of gravity link at which the center of gravity of the mobile robot device is located,
Means for determining whether the narrowest support polygon is sufficiently narrow to allow ZMP to be moved into a ZMP stable region formed by the foot;
Means for causing the mobile robot device to rise from the above-floor posture when the narrowest support polygon is determined to be sufficiently small;
It is a mobile robot apparatus characterized by comprising:
また、本発明の第2の側面は、複数のリンクを長さ方向に連結したリンク構造体からなる移動ロボット装置であって、前記移動ロボット装置の転倒状態から復帰するときに、
前記移動ロボット装置の重心が位置する重心リンクを含む2以上のリンクが接床した床上姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形の中から最も狭い支持多角形を探索する第1の手段と、
接地多角形を構成するリンクのうち該最も狭い支持多角形に関与しない2以上のリンクを離床するとともに、1以上の離床リンクを屈曲させてより狭い接地多角形を形成する第2の手段と、
前記第2の手段により形成された接地多角形にZMPを設定できるかを判断する第3の手段と、
前記第3の手段によりZMPを設定できると判断したことに応答してZMPを該接地多角形に移動し、新たに形成される支持多角形が充分に狭いか否かをさらに判断する第4の手段と、
前記第4の手段により支持多角形が充分に狭いと判断したことに応答して、前記移動ロボット装置を起き上がらせる第5の手段と、
を具備することを特徴とする移動ロボット装置である。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a mobile robot device including a link structure in which a plurality of links are connected in a length direction, and when the mobile robot device returns from a falling state,
First means for searching for a narrowest supporting polygon from ground contact polygons formed by floor contact links in an on-floor posture where two or more links including a center of gravity link at which the center of gravity of the mobile robot device is located are on the floor; ,
Second means for leaving two or more links among the links constituting the grounding polygon that are not involved in the narrowest supporting polygon and bending one or more of the leaving links to form a narrower grounding polygon;
Third means for determining whether a ZMP can be set in the ground polygon formed by the second means,
In response to determining that the ZMP can be set by the third means, moving the ZMP to the ground polygon and further determining whether the newly formed supporting polygon is sufficiently narrow. Means,
Fifth means for raising the mobile robot apparatus in response to determining that the supporting polygon is sufficiently narrow by the fourth means;
It is a mobile robot apparatus characterized by comprising:
また、本発明の第3の側面は、可動脚を備えた移動ロボット装置における前記移動ロボット装置の転倒及び起き上がりに関する一連の動作を制御する動作制御装置であって、前記移動ロボット装置は複数のリンクを長さ方向に連結したリンク構造体からなり、
転倒時において、前記移動ロボット装置の重心となる重心リンクを含む2以上のリンクが接床した床上姿勢において、床面に接した接床リンクが形成する接地多角形の中で最も狭い支持多角形を探索する手段と、
前記最小となる支持多角形に関与しないリンク数が最大となる部位にZMPを設定して転倒動作を行なう手段と、
前記移動ロボット装置の転倒姿勢において離床可能なリンクを探索する手段と、
離床可能なリンクをすべて離床させて起き上がり動作を行なう手段と、
を具備することを特徴とする移動ロボット装置の動作制御装置である。
According to a third aspect of the present invention, there is provided an operation control device for controlling a series of operations related to falling and rising of the mobile robot device in the mobile robot device having a movable leg, wherein the mobile robot device includes a plurality of links. Consists of a link structure that connects in the length direction,
At the time of a fall, in a posture on the floor where two or more links including the center of gravity link serving as the center of gravity of the mobile robot device touches the floor, the narrowest support polygon among the grounding polygons formed by the touching floor contacting the floor surface Means for searching for
Means for setting a ZMP at a position where the number of links not involved in the minimum supporting polygon is the maximum and performing a tipping operation;
Means for searching for a link that can leave the bed in the falling posture of the mobile robot device;
Means for raising all the links that can get out of the bed and performing a rising motion;
An operation control device for a mobile robot device, comprising:
また、本発明の第4の側面は、体幹部と、前記体幹部に接続される脚部及び前記体幹部に接続される腕部を有する移動ロボット装置であって、
前記脚部、前記体幹部、及び/又は前記腕部が床面と接床する複数の端部から形成される第1の支持多角形を検出する支持多角形検出手段と、
前記脚部を前記体幹部方向へ屈曲させることにより、前記第1の支持多角形の面積を減少させる支持多角形変更手段と、
前記変更された第1の支持多角形内にあるZMPを、前記脚部の足底面で形成する接地多角形へ、前記ZMPを移動できるか否かを判断するZMP移動制御手段と、
前記ZMP移動制御手段が前記ZMPを移動できると判断した際に、前記ZMPを前記第1の支持多角形内から、前記足底面が形成する前記接地多角形内に維持しながら転倒姿勢から基本立ち姿勢へ前記移動ロボット装置を遷移させる制御手段と、
を具備することを特徴とする移動ロボット装置である。
Further, a fourth aspect of the present invention is a mobile robot apparatus having a trunk, a leg connected to the trunk, and an arm connected to the trunk,
A support polygon detection unit configured to detect a first support polygon formed by a plurality of ends where the leg, the trunk, and / or the arm touches the floor;
A support polygon changing means for reducing the area of the first support polygon by bending the leg in the trunk direction;
ZMP movement control means for determining whether or not the ZMP in the changed first support polygon can be moved to a grounded polygon formed by the sole of the leg, and
When the ZMP movement control means determines that the ZMP can be moved, the ZMP is basically moved from the falling posture while maintaining the ZMP from within the first support polygon within the ground contact polygon formed by the sole surface. Control means for transitioning the mobile robot device to a posture,
It is a mobile robot apparatus characterized by comprising:
また、本発明の第5の側面は、少なくとも胴体と、前記胴体の上方に第1の関節を介して連結される1つ以上の腕リンクと前記胴体の下方に第2の関節を介して連結される第1の脚リンクと、前記第1の脚リンクの先端に第3の関節を介して連結される第2の脚リンクとを備えた移動ロボット装置であって、
前記腕リンクの先端と前記第2の脚リンク先端の足部を接床させて第1の支持多角形を形成する手段と、
前記腕リンクの先端と前記足部を接床させたまま、第2の関節を第3の関節よりも接床面の法線方向上方に移動させたのち、前記第1の支持多角形の面積を減少させ、その後に前記足部により形成される接地多角形内にZMPを移動させる手段と、
前記足部により形成される接地多角形内にZMPを維持しながら、前記移動ロボット装置を直立させる手段と、
を具備することを特徴とする移動ロボット装置である。
According to a fifth aspect of the present invention, at least a torso, one or more arm links connected above the torso via a first joint, and a lower joint below the torso via a second joint A first leg link to be provided, and a second leg link connected to a tip end of the first leg link via a third joint,
Means for contacting the tip of the arm link and the foot of the tip of the second leg link to form a first support polygon;
After moving the second joint above the third joint in the direction normal to the floor contact surface while keeping the tip of the arm link and the foot on the floor, the area of the first support polygon Means for subsequently reducing the ZMP into the ground polygon formed by the foot;
Means for erecting the mobile robot device while maintaining a ZMP within the grounding polygon formed by the feet;
It is a mobile robot apparatus characterized by comprising:
移動ロボット装置が仰向け姿勢やうつ伏せ姿勢などの床上姿勢からの起動を行なうため、あるいは、転倒時に自律的に起き上がって作業を再開するという作業の自己完結性のために、起き上がりオペレーションを実現することが必要である。 It is necessary to realize a rising operation in order for the mobile robot device to start up from a floor posture such as a supine posture or a prone posture, or for self-sufficiency of a work in which a worker stands up autonomously when falling and resumes work. is necessary.
ところが、無計画的な軌道により起き上がろうとすると、過大な外力モーメントが印加されてしまい、関節アクチュエータが高出力トルクを必要とする。この結果、モータの大型化が必要となり、その分駆動消費電力が増大してしまう。また、機体の重量が増すとともに製造コストが高騰してしまう。重量の増大によりさらに起き上がり動作が困難になる。あるいは、起き上がり動作の過程で発生する外力モーメントにより姿勢の安定性を維持することができず、そもそも起き上がることができない、という事態もあり得る。 However, when trying to get up due to an unplanned trajectory, an excessive external force moment is applied, and the joint actuator requires a high output torque. As a result, it is necessary to increase the size of the motor, and the driving power consumption increases accordingly. In addition, the manufacturing cost increases as the weight of the body increases. The rise in weight further makes the rising operation difficult. Alternatively, there may be a situation where the stability of the posture cannot be maintained due to an external force moment generated in the process of the rising motion, and the posture cannot be raised in the first place.
そこで、本発明では、移動ロボット装置は、外力モーメントが最小となる動作パターンよりなる起き上がり動作を行なうこととした。これは、ZMP支持多角形が最小となるような姿勢を時系列的に組み合わせることによって、実現することができる。 Therefore, in the present invention, the mobile robot device performs a rising operation having an operation pattern in which the external force moment is minimized. This can be realized by combining the postures that minimize the ZMP support polygon in a time-series manner.
また、本発明に係る移動ロボット装置は、肩関節ピッチ軸、体幹ピッチ軸、股関節ピッチ軸、膝関節ピッチ軸のように、高さ方向に複数のピッチ軸が直列的(但し横方向から眺めた場合)に連結されたリンク構造体である。そこで、これら複数の関節ピッチ軸を所定のシーケンスで同期協調的に駆動して、ZMP支持多角形が最小となるような動作パターンによる起き上がり動作を実現することとした。 In addition, the mobile robot device according to the present invention includes a plurality of pitch axes arranged in series in the height direction such as a shoulder joint pitch axis, a trunk pitch axis, a hip joint pitch axis, and a knee joint pitch axis. Link structure). Therefore, the plurality of joint pitch axes are synchronously and cooperatively driven in a predetermined sequence to realize a rising operation by an operation pattern that minimizes the ZMP support polygon.
本発明に係る移動ロボット装置によれば、支持多角形の面積を小さくしながら転倒姿勢から立位姿勢に復帰するので、脚部などの関節アクチュエータは比較的禎トルクで起き上がり動作を実現することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the mobile robot apparatus which concerns on this invention, since it returns to an upright posture from a fall posture while making the area of a support polygon small, the joint actuators, such as a leg part, can implement a rising motion with comparatively moderate torque. it can.
本発明によれば、ZMPを姿勢安定度判別規範に用いて運動中の機体の姿勢を好適に安定化制御することができる、優れた移動ロボット装置、移動ロボット装置の動作制御装置及び動作制御方法を提供することができる。 Advantageous Effects of Invention According to the present invention, an excellent mobile robot apparatus, an operation control apparatus and an operation control method for a mobile robot apparatus that can appropriately stabilize and control the posture of a moving body using ZMP as a posture stability determination standard Can be provided.
また、本発明によれば、転倒・落下の途上における機体全体の運動制御によりロボットが被る損害を限りなく軽減するとともに、比較的少ないトルクで安定した動作により仰向けやうつ伏せなどの床上姿勢から立ち姿勢を回復することができる、優れた移動ロボット装置、移動ロボット装置の動作制御装置及び動作制御方法を提供することができる。 Further, according to the present invention, the damage to the robot is reduced as much as possible by controlling the motion of the entire body in the course of falling and falling, and the standing posture from the floor such as lying on the back or prone by stable operation with relatively little torque. It is possible to provide an excellent mobile robot device, an operation control device of the mobile robot device, and an operation control method that can recover the above.
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。 Further objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from more detailed descriptions based on embodiments of the present invention described below and the accompanying drawings.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
A.脚式移動ロボットの機械的構成
図1及び図2には本発明の実施に供される「人間形」又は「人間型」の脚式移動ロボット100が直立している様子を前方及び後方の各々から眺望した様子を示している。図示の通り、脚式移動ロボット100は、胴体部と、頭部と、左右の上肢部と、脚式移動を行なう左右2足の下肢部とで構成され、例えば胴体に内蔵されている制御部(図示しない)により機体の動作を統括的にコントロールするようになっている。
A. Mechanical Structure of Legged Mobile Robot FIG. 1 and FIG. 2 show that the “humanoid” or “humanoid” legged mobile robot 100 used in the embodiment of the present invention is standing upright and forward. The view from above is shown. As shown in the figure, the legged mobile robot 100 includes a torso, a head, left and right upper limbs, and two left and right lower limbs performing legged movement. For example, a control unit built in the torso (Not shown) controls the operation of the aircraft in a comprehensive manner.
左右各々の下肢は、大腿部と、膝関節と、脛部と、足首と、足平とで構成され、股関節によって体幹部の略最下端にて連結されている。また、左右各々の上肢は、上腕と、肘関節と、前腕とで構成され、肩関節によって体幹部の上方の左右各側縁にて連結されている。また、頭部は、首関節によって体幹部の略最上端中央に連結されている。 Each of the left and right lower limbs includes a thigh, a knee joint, a shin, an ankle, and a foot, and is connected at a substantially lowermost end of the trunk by a hip joint. Each of the left and right upper limbs is composed of an upper arm, an elbow joint, and a forearm, and is connected at the left and right side edges above the trunk by a shoulder joint. The head is connected to the center of the uppermost end of the trunk by a neck joint.
制御部は、この脚式移動ロボットを構成する各関節アクチュエータの駆動制御や各センサ(後述)などからの外部入力を処理するコントローラ(主制御部)や、電源回路その他の周辺機器類を搭載した筐体である。制御部は、その他、遠隔操作用の通信インターフェースや通信装置を含んでいてもよい。 The control unit is equipped with a controller (main control unit) that processes external controls from various sensors (described later) and drive control of each joint actuator that constitutes this legged mobile robot, and a power supply circuit and other peripheral devices. It is a housing. The control unit may include a communication interface and a communication device for remote control.
このように構成された脚式移動ロボットは、制御部による全身協調的な動作制御により、2足歩行を実現することができる。かかる2足歩行は、一般に、以下に示す各動作期間に分割される歩行周期を繰り返すことによって行なわれる。すなわち、 The legged mobile robot thus configured can realize bipedal walking by controlling the whole body in a coordinated manner by the control unit. Such bipedal walking is generally performed by repeating a walking cycle divided into the following operation periods. That is,
(1)右脚を持ち上げた、左脚による単脚支持期
(2)右足が接地した両脚支持期
(3)左脚を持ち上げた、右脚による単脚支持期
(4)左足が接地した両脚支持期
(1) Right leg lifted, left leg supports single leg (2) Right leg touches both legs support period (3) Left leg lifts, right leg supports single leg period (4) Left leg touches left leg Support period
脚式移動ロボット100における歩行制御は、あらかじめ下肢の目標軌道を計画し、上記の各期間において計画軌道の修正を行なうことによって実現される。すなわち、両脚支持期では、下肢軌道の修正を停止して、計画軌道に対する総修正量を用いて腰の高さを一定値で修正する。また、単脚支持期では、修正を受けた脚の足首と腰との相対位置関係を計画軌道に復帰させるように修正軌道を生成する。 Walking control in the legged mobile robot 100 is realized by planning a target trajectory of the lower limb in advance and correcting the planned trajectory in each of the above periods. That is, in the two-leg support period, the correction of the lower limb trajectory is stopped, and the waist height is corrected to a constant value using the total correction amount for the planned trajectory. In the single leg support period, a corrected trajectory is generated so that the relative positional relationship between the ankle and the waist of the corrected leg is returned to the planned trajectory.
歩行動作の軌道修正を始めとして、機体の姿勢安定制御には、一般に、ZMPに対する偏差を小さくするための位置、速度、及び加速度が連続となるように、5次多項式を用いた補間計算により行なう。ZMPを歩行の安定度判別の規範として用いている。ZMPによる安定度判別規範は、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが路面から歩行系への反作用としての床反力並びに床反力モーメントとバランスするという「ダランベールの原理」に基づく。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形(すなわちZMP安定領域)の内側にピッチ軸及びロール軸モーメントがゼロとなるZMPが存在する。 In general, the attitude stabilization control of the fuselage, including the correction of the trajectory of the walking motion, is performed by interpolation calculation using a fifth-order polynomial so that the position, velocity, and acceleration for reducing the deviation from ZMP are continuous. . ZMP is used as a criterion for determining the stability of walking. The stability discrimination standard based on ZMP is based on the principle of “Dallambert” that gravity and inertia force from the walking system to the road surface and these moments balance the floor reaction force and the floor reaction force moment as a reaction from the road surface to the walking system. based on. As a result of the mechanical inference, there is a ZMP in which the pitch axis and the roll axis moment become zero inside the supporting polygon (that is, the ZMP stable area) formed by the sole contact point and the road surface.
図3には、この脚式移動ロボット100が具備する関節自由度構成を模式的に示している。同図に示すように、脚式移動ロボット100は、2本の腕部と頭部1を含む上肢と、移動動作を実現する2本の脚部からなる下肢と、上肢と下肢とを連結する体幹部とで構成された、複数の肢を備えた構造体である。
FIG. 3 schematically shows a configuration of the degrees of freedom of the joints included in the legged mobile robot 100. As shown in the figure, the legged mobile robot 100 connects an upper limb including two arms and a
頭部を支持する首関節(Neck)は、首関節ヨー軸1と、第1及び第2の首関節ピッチ軸2A及び2Bと、首関節ロール軸3という4自由度を有している。
The neck joint (Neck) that supports the head has four degrees of freedom: a neck
また、各腕部は、その自由度として、肩(Shoulder)における肩関節ピッチ軸4と、肩関節ロール軸5と、上腕ヨー軸6、肘(Elbow)における肘関節ピッチ軸7と、手首(Wrist)における手首関節ヨー軸8と、手部とで構成される。手部は、実際には、複数本の指を含む多関節・多自由度構造体である。
Each arm has, as its degrees of freedom, a shoulder
また、体幹部(Trunk)は、体幹ピッチ軸9と、体幹ロール軸10という2自由度を有する。 The trunk (Trunk) has two degrees of freedom: a trunk pitch axis 9 and a trunk roll axis 10.
また、下肢を構成する各々の脚部は、股関節(Hip)における股関節ヨー軸11と、股関節ピッチ軸12と、股関節ロール軸13と、膝(Knee)における膝関節ピッチ軸14と、足首(Ankle)における足首関節ピッチ軸15と、足首関節ロール軸16と、足部とで構成される。
Further, each leg constituting the lower limb includes a hip joint yaw axis 11, a hip
但し、エンターティンメント向けの脚式移動ロボット100が上述したすべての自由度を装備しなければならない訳でも、あるいはこれに限定される訳でもない。設計・製作上の制約条件や要求仕様などに応じて、自由度すなわち関節数を適宜増減することができることは言うまでもない。 However, it does not mean that the legged mobile robot 100 for entertainment must be equipped with all the degrees of freedom described above, or that the present invention is not limited to this. It goes without saying that the degree of freedom, that is, the number of joints, can be appropriately increased or decreased according to design / manufacturing constraints and required specifications.
上述したような脚式移動ロボット100が持つ各自由度は、実際にはアクチュエータを用いて実装される。外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形状に近似させること、2足歩行という不安定構造体に対して姿勢制御を行なうことなどの要請から、アクチュエータは小型且つ軽量であることが好ましい。本実施形態では、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ACサーボ・アクチュエータを搭載することとした(この種のACサーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願人に既に譲渡されている特開2000−299970号公報に開示されている)。本実施形態では、直結ギアとして低減速ギアを採用することにより、人間との物理的インタラクションを重視するタイプのロボットに求められている駆動系自身の受動的特性を得ている。 Each degree of freedom of the legged mobile robot 100 as described above is actually implemented using an actuator. It is preferable that the actuator is small and light because of requirements such as removing excess bulges from the appearance and approximating the human body shape, and performing posture control on an unstable structure such as bipedal walking. . In this embodiment, a small AC servo actuator of a type directly connected to a gear and of a type in which the servo control system is integrated into a single motor control unit and incorporated in a motor unit is mounted (for this type of AC servo actuator, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-299970, which has already been assigned to the applicant). In the present embodiment, the passive characteristics of the drive system itself required by a robot of a type that places importance on physical interaction with humans are obtained by employing a reduced speed gear as the directly connected gear.
B.脚式移動ロボットの制御システム構成
図4には、脚式移動ロボット100の制御システム構成を模式的に示している。同図に示すように、脚式移動ロボット100は、ヒトの四肢を表現した各機構ユニット30,40,50R/L,60R/Lと、各機構ユニット間の協調動作を実現するための適応制御を行なう制御ユニット80とで構成される(但し、R及びLの各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下同様)。
B. Control System Configuration of Legged Mobile Robot FIG. 4 schematically shows a control system configuration of the legged mobile robot 100. As shown in the figure, the legged mobile robot 100 has mechanism units 30, 40, 50R / L and 60R / L representing human limbs, and adaptive control for realizing a cooperative operation between the mechanism units. (Where R and L are suffixes indicating right and left, respectively. The same applies hereinafter).
脚式移動ロボット100全体の動作は、制御ユニット80によって統括的に制御される。制御ユニット80は、CPU(Central Processing Unit)やメモリ等の主要回路コンポーネント(図示しない)で構成される主制御部81と、電源回路やロボット100の各構成要素とのデータやコマンドの授受を行なうインターフェース(いずれも図示しない)などを含んだ周辺回路82とで構成される。 The operation of the entire legged mobile robot 100 is totally controlled by the control unit 80. The control unit 80 transmits and receives data and commands to and from a main control unit 81 composed of main circuit components (not shown) such as a CPU (Central Processing Unit) and a memory, and a power supply circuit and each component of the robot 100. A peripheral circuit 82 including an interface (both not shown) is provided.
本発明を実現する上で、この制御ユニット80の設置場所は特に限定されない。図4では体幹部ユニット40に搭載されているが、頭部ユニット30に搭載してもよい。あるいは、脚式移動ロボット100外に制御ユニット80を配備して、脚式移動ロボット100の機体とは有線若しくは無線で交信するようにしてもよい。 In realizing the present invention, the installation location of the control unit 80 is not particularly limited. In FIG. 4, it is mounted on the trunk unit 40, but may be mounted on the head unit 30. Alternatively, the control unit 80 may be provided outside the legged mobile robot 100 to communicate with the body of the legged mobile robot 100 by wire or wirelessly.
図3に示した脚式移動ロボット100内の各関節自由度は、それぞれに対応するアクチュエータによって実現される。すなわち、頭部ユニット30には、首関節ヨー軸1、第1及び第2の首関節ピッチ軸2A及び2B、首関節ロール軸3の各々を表現する首関節ヨー軸アクチュエータA1、第1及び第2の首関節ピッチ軸アクチュエータA2A、A2B、首関節ロール軸アクチュエータA3がそれぞれ配設されている。
Each joint degree of freedom in the legged mobile robot 100 shown in FIG. 3 is realized by an actuator corresponding to each joint. That is, the head unit 30 includes the neck joint yaw axis actuators A 1 , the first and second neck joint
また、体幹部ユニット40には、体幹ピッチ軸9、体幹ロール軸10の各々を表現する体幹ピッチ軸アクチュエータA9、体幹ロール軸アクチュエータA10が配備されている。 Further, the trunk unit 40 is provided with a trunk pitch axis actuator A 9 and a trunk roll axis actuator A 10 representing the trunk pitch axis 9 and the trunk roll axis 10, respectively.
また、腕部ユニット50R/Lは、上腕ユニット51R/Lと、肘関節ユニット52R/Lと、前腕ユニット53R/Lに細分化されるが、肩関節ピッチ軸4、肩関節ロール軸5、上腕ヨー軸6、肘関節ピッチ軸7、手首関節ヨー軸8の各々を表現する肩関節ピッチ軸アクチュエータA4、肩関節ロール軸アクチュエータA5、上腕ヨー軸アクチュエータA6、肘関節ピッチ軸アクチュエータA7、手首関節ヨー軸アクチュエータA8が配備されている。
The arm unit 50R / L is subdivided into an
また、脚部ユニット60R/Lは、大腿部ユニット61R/Lと、膝ユニット62R/Lと、脛部ユニット63R/Lに細分化されるが、股関節ヨー軸11、股関節ピッチ軸12、股関節ロール軸13、膝関節ピッチ軸14、足首関節ピッチ軸15、足首関節ロール軸16の各々を表現する股関節ヨー軸アクチュエータA11、股関節ピッチ軸アクチュエータA12、股関節ロール軸アクチュエータA13、膝関節ピッチ軸アクチュエータA14、足首関節ピッチ軸アクチュエータA15、足首関節ロール軸アクチュエータA16が配備されている。
The leg unit 60R / L is subdivided into a thigh unit 61R / L, a knee unit 62R / L, and a shin unit 63R / L. The hip joint yaw axis 11, the hip
各関節に用いられるアクチュエータA1、A2、A3…は、より好ましくは、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニット内に搭載したタイプの小型ACサーボ・アクチュエータ(前述)で構成することができる。 The actuators A 1 , A 2 , A 3 ... Used for the respective joints are more preferably small-sized AC servo actuators of the type directly connected to a gear and integrated in a motor unit with a single-chip servo control system (described above). ).
頭部ユニット30、体幹部ユニット40、腕部ユニット50、各脚部ユニット60などの機構ユニット毎に、アクチュエータ駆動制御用の副制御部35,45,55,65が配備されている。
機体の体幹部40には、加速度センサ95と姿勢センサ96が配設されている。加速度センサ95は、X、Y、Z各軸方向に配置する。機体の腰部に加速度センサ95を配設することによって、質量操作量が大きな部位である腰部を制御目標点として設定して、その位置における姿勢や加速度を直接計測して、ZMPに基づく姿勢安定制御を行なうことができる。
An
また、各脚部60R及び60Lには、接地確認センサ91及び92と、加速度センサ93及び94がそれぞれ配設されている。接地確認センサ91及び92は、例えば足底に圧力センサを装着することにより構成され、床反力の有無により足底が着床したか否かを検出することができる。また、加速度センサ93及び94は、少なくともX及びYの各軸方向に配置する。左右の足部に加速度センサ93及び94を配設することにより、ZMP位置に最も近い足部で直接ZMP方程式を組み立てることができる。
In addition, grounding
質量操作量が大きな部位である腰部にのみ加速度センサを配置した場合、腰部のみが制御目標点に設定され、足部の状態は、この制御目標点の計算結果を基に相対的に算出しなければならず、足部と路面との間では以下の条件を満たすことが、前提となってしまう。 When the acceleration sensor is placed only on the waist, which is a part where the mass operation amount is large, only the waist is set as the control target point, and the state of the foot must be relatively calculated based on the calculation result of this control target point. It is necessary to satisfy the following conditions between the foot and the road surface.
(1)路面はどんな力やトルクが作用しても動くことがない。
(2)路面での並進に対する摩擦係数は充分に大きく、滑りが生じない。
(1) The road surface does not move under any force or torque.
(2) The coefficient of friction against translation on the road surface is sufficiently large and no slip occurs.
これに対し、本実施形態では、路面との接触部位である足部にZMPと力を直接する反力センサ・システム(床反力センサなど)を配備するとともに、制御に用いるローカル座標とその座標を直接的に計測するための加速度センサを配設する。この結果、ZMP位置に最も近い足部で直接ZMP方程式を組み立てることができ、上述したような前提条件に依存しない、より厳密な姿勢安定制御を高速で実現することができる。この結果、力やトルクが作用すると路面が動いてしまう砂利上や毛足の長い絨毯上や、並進の摩擦係数が充分に確保できずに滑りが生じ易い住居のタイルなどであっても、機体の安定歩行(運動)を保証することができる。 On the other hand, in the present embodiment, a reaction force sensor system (such as a floor reaction force sensor) that directly applies ZMP and force is provided on a foot portion that is a contact portion with a road surface, and local coordinates used for control and the coordinates thereof are used. The acceleration sensor for directly measuring is provided. As a result, the ZMP equation can be assembled directly with the foot closest to the ZMP position, and more precise posture stabilization control that does not depend on the preconditions described above can be realized at high speed. As a result, even on a gravel or a carpet with long fluff that the road surface moves when force or torque is applied, or on a residential tile where slippage tends to occur due to a lack of sufficient friction coefficient for translation, Stable walking (exercise) can be guaranteed.
主制御部80は、各センサ91〜96の出力に応答して制御目標をダイナミックに補正することができる。より具体的には、副制御部35、45、55、65の各々に対して適応的な制御を行い、脚式移動ロボット100の上肢、体幹、及び下肢が協調して駆動する全身運動パターンを実現する。
The main control unit 80 can dynamically correct the control target in response to the outputs of the
ロボット100の機体上での全身運動は、足部運動、ZMP軌道、体幹運動、上肢運動、腰部高さなどを設定するとともに、これらの設定内容に従った動作を指示するコマンドを各副制御部35、45、55、65に転送する。そして、各々の副制御部35、45…では、主制御部81からの受信コマンドを解釈して、各アクチュエータA1、A2、A3…に対して駆動制御信号を出力する。ここで言う「ZMP」とは、歩行中の床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点のことであり、また、「ZMP軌道」とは、例えばロボット100の歩行動作期間中にZMPが動く軌跡を意味する。
The whole body motion of the robot 100 on the body includes setting of a foot motion, a ZMP trajectory, a trunk motion, an upper limb motion, a waist height, and the like. Transfer to the
C.脚式移動ロボットの運動系基本状態遷移
本実施形態に係る脚式移動ロボット100の制御システムは、複数の基本姿勢を定義する。各々の基本姿勢は、機体の安定性や、消費エネルギ、次の状態への遷移を考慮して定義されており、基本姿勢間の遷移という形態により機体運動を効率的に制御することができる。
C. Movement system basic state transition of legged mobile robot The control system of the legged mobile robot 100 according to the present embodiment defines a plurality of basic postures. Each basic attitude is defined in consideration of the stability of the airframe, energy consumption, and transition to the next state, and the motion of the airframe can be efficiently controlled by the form of transition between the basic attitudes.
図5には、本実施形態に係る脚式移動ロボット100の運動系が持つ基本状態遷移を示している。同図に示すように、脚式移動ロボットは、基本仰向け姿勢、基本立ち姿勢、基本歩行姿勢、基本座り姿勢、基本うつ伏せ姿勢がそれぞれ仰向け時、立脚時、歩行準備時、着席時、及びうつ伏せ時における機体の安定性や、消費エネルギ、次の状態への遷移を考慮して定義されている。 FIG. 5 shows a basic state transition of the motion system of the legged mobile robot 100 according to the present embodiment. As shown in the figure, the legged mobile robot has a basic supine posture, a basic standing posture, a basic walking posture, a basic sitting posture, and a basic prone posture, respectively. Are defined in consideration of the stability of the aircraft, energy consumption, and transition to the next state.
これら基本姿勢は、機体の動作制御プログラムのプラットフォームに位置付けられる。また、脚式移動ロボットは、立ち姿勢などにおいて、歩行や跳躍、ダンスなど全身動作を利用した各種のパフォーマンスを行なうが、その装置制御プログラムは、プラットフォーム上で動作するアプリケーションとして位置付けられる。これらアプリケーション・プログラムは、外部記憶から随時ロードされ、主制御部81によって実行される。 These basic attitudes are positioned on the platform of the operation control program of the aircraft. Further, the legged mobile robot performs various performances using whole body movements such as walking, jumping, and dancing in a standing posture, and the device control program is positioned as an application that operates on the platform. These application programs are loaded at any time from an external storage, and are executed by the main control unit 81.
図6には、脚式移動ロボット100の基本仰向け姿勢を示している。本実施形態では、機体への電源投入時には基本仰向け姿勢をとり、転倒などの心配がなく機械運動的に最も安定した状態からの起動を行なうことができる。また、脚式移動ロボットは、起動時だけでなくシステム動作の終了時も基本仰向け姿勢に復帰するようになっている。したがって、機械運動学的に機体が最も安定した状態で作業を開始するとともに、最も安定した状態で作業を終了することから、脚式移動ロボットの動作オペレーションは自己完結的となる。 FIG. 6 shows a basic supine posture of the legged mobile robot 100. In the present embodiment, when the power of the body is turned on, it takes a basic supine posture, and can be started from the most stable state in mechanical motion without fear of falling over. The legged mobile robot returns to the basic supine posture not only at the time of activation but also at the end of the system operation. Therefore, the operation starts in the most stable state of the machine kinematically and ends in the most stable state, so that the operation operation of the legged mobile robot is self-contained.
勿論、機体の転倒時においても、床上での所定のモーションを経て一旦基本仰向け姿勢に戻った後に、規定の立ち上がり動作を実行することにより、基本立ち姿勢を介して、作業中断時の元の姿勢を回復することができる。 Of course, even when the aircraft is overturned, after returning to the basic supine position after a predetermined motion on the floor, the specified standing motion is executed, and the original posture at the time of work interruption is performed via the basic standing position. Can be recovered.
また、本実施形態に係る脚式移動ロボット100は、床上での基本姿勢として、基本仰向け姿勢の他に、図7に示したような基本うつ伏せ姿勢を備えている。この基本うつ伏せ姿勢は、基本仰向け姿勢と同様に、機械運動学的に機体が最も安定した状態であり、電源が遮断された脱力状態においても姿勢安定性を維持することができる。例えば、脚式作業において不測の外力などにより機体が転倒した場合、仰向け又はうつ伏せのいずれの状態で落下するか不明なので、本実施形態では、このように2通りの床上基本姿勢を規定している。 Further, the legged mobile robot 100 according to the present embodiment has, as a basic posture on the floor, a basic prone posture as shown in FIG. 7 in addition to the basic supine posture. This basic prone posture is the most mechanically kinematically stable state of the body, similar to the basic supine posture, and can maintain the posture stability even in a weakened state in which power is cut off. For example, when the aircraft falls due to an unexpected external force or the like in a legged work, it is unknown whether the aircraft falls in a supine or prone state. Therefore, the present embodiment defines two basic floor postures in this manner. .
基本仰向け姿勢と基本うつ伏せ姿勢の間は、各種の床上姿勢を経て可逆的に遷移することができる。逆に言えば、これら基本仰向け姿勢と基本うつ伏せ姿勢を基準にして各種の床上姿勢へ円滑に状態遷移することができる。 A transition can be made reversibly between the basic supine posture and the basic prone posture through various floor postures. Conversely, the state can be smoothly transitioned to various floor postures based on the basic supine posture and the basic prone posture.
基本仰向け姿勢は、機械運動学的には最も安定した基本姿勢であるが、脚式作業を考慮した場合、円滑な状態遷移を行なうことはできない。そこで、図8に示すような基本立ち姿勢が定義されている。基本立ち姿勢を定義することで、その後の脚式作業へ滞りなく移行することができる。 The basic supine posture is the most stable basic posture in mechanical kinematics, but when legged work is considered, a smooth state transition cannot be performed. Therefore, a basic standing posture as shown in FIG. 8 is defined. By defining the basic standing posture, it is possible to smoothly shift to the subsequent leg work.
基本立ち姿勢は、立ち状態で最も安定した状態であり、姿勢安定制御のための計算機負荷や消費電力が最小又は極小となるような姿勢であり、膝を伸展させることにより直立状態を保つためのモータ・トルクを最小限に抑えている。この基本立ち姿勢から各種の立ち姿勢へ円滑に状態遷移して、たとえば上肢を利用したダンス・パフォーマンスなどを実演することができる。 The basic standing posture is the most stable state in the standing state, and is a posture in which the computer load and power consumption for the posture stabilization control are minimized or minimized, and for maintaining the upright state by extending the knee. Minimizes motor torque. The state can be smoothly transitioned from the basic standing posture to various standing postures, for example, a dance performance using the upper limbs can be demonstrated.
他方、基本立ち姿勢は、姿勢安定性に優れているがこのまま歩行など脚式作業に移行するためには最適化されていない。そこで、本実施形態に係る脚式移動ロボットは、立脚状態の他の基本姿勢として、図9に示すような基本歩行姿勢を定義している。 On the other hand, the basic standing posture is excellent in posture stability, but is not optimized for shifting to legged work such as walking. Thus, the legged mobile robot according to the present embodiment defines a basic walking posture as shown in FIG. 9 as another basic posture in the standing state.
基本立ち姿勢において、股関節、膝関節、並びに足首関節の各ピッチ軸12、14、15を駆動して、機体の重心位置を少し落とす格好にすることによって、基本歩行姿勢に遷移する。基本歩行姿勢では、通常の歩行動作を始めとして各種の脚式動作への遷移を円滑に行なうことができる。但し、膝を屈曲させた分だけ、この姿勢を維持するためのトルクが余分に必要とならことから、基本歩行姿勢は、基本立ち姿勢に比し消費電力は増大する。 In the basic standing posture, the pitch axes 12, 14, and 15 of the hip joint, the knee joint, and the ankle joint are driven so as to slightly lower the center of gravity of the airframe, thereby shifting to the basic walking posture. In the basic walking posture, it is possible to smoothly perform transitions to various legged movements including a normal walking movement. However, since an extra torque is required to maintain this posture by the amount of bending of the knee, the basic walking posture consumes more power than the basic standing posture.
基本立ち姿勢は、機体のZMP位置はZMP安定領域の中心付近にあり、膝の曲げ角が小さくエネルギ消費量が低い姿勢である。これに対し、基本歩行姿勢では、ZMP位置が安定領域の中心付近にあるが、高い路面適応性、高い外力適応性を確保するために膝の曲げ角を比較的大きくとっている。 The basic standing posture is a posture in which the ZMP position of the body is near the center of the ZMP stable region, the bending angle of the knee is small, and the energy consumption is low. On the other hand, in the basic walking posture, the ZMP position is near the center of the stable region, but the knee bending angle is relatively large in order to ensure high road surface adaptability and high external force adaptability.
また、本実施形態に係る脚式移動ロボット100では、さらに基本座り姿勢が定義されている。この基本座り姿勢(図示しない)では、所定の椅子に腰掛けたときに、姿勢安定制御のための計算機負荷や消費電力が最小又は極小となるような姿勢である。前述した、基本仰向け姿勢、基本うつ伏せ姿勢、並びに基本立ち姿勢からは、可逆的に基本姿勢へ遷移することができる。また、基本座り姿勢並びに基本立ち姿勢からは、各種の座り姿勢へと円滑に移行することができ、座り姿勢で例えば状態のみを用いた各種のパフォーマンスを実演することができる。 Further, in the legged mobile robot 100 according to the present embodiment, a basic sitting posture is further defined. In this basic sitting posture (not shown), when sitting on a predetermined chair, the computer load and the power consumption for the posture stabilization control are minimized or minimized. The above-described basic supine posture, basic prone posture, and basic standing posture can reversibly transition to the basic posture. Further, the user can smoothly transition from the basic sitting posture and the basic standing posture to various sitting postures, and can perform various performances using only the state in the sitting posture, for example.
D.脚式移動ロボットの姿勢安定制御
次いで、本実施形態に係る脚式移動ロボット100における、脚式作業時における姿勢安定化処理、すなわち足部、腰、体幹、下肢運動などからなる全身協調運動実行時における姿勢の安定化処理の手順について説明する。
D. Posture stabilization control of the legged mobile robot Next, in the legged mobile robot 100 according to the present embodiment, posture stabilization processing at the time of legged work, that is, execution of a whole-body cooperative movement including a foot, a waist, a trunk, and a lower limb movement. The procedure of the posture stabilization process at the time will be described.
本実施形態に係る姿勢安定制御は、ZMPを姿勢安定制御に用いる。ZMPを安定度判別規範に用いたロボットの姿勢安定度制御は、基本的には足底接地点と路面の形成する支持多角形の内側にモーメントがゼロとなる点を探索することにある。すなわち、ロボットの機体に印加される各モーメントの釣合い関係を記述したZMP方程式を導出して、このZMP方程式上で現れるモーメント・エラーを打ち消すように機体の目標軌道を修正する。 The posture stability control according to the present embodiment uses ZMP for posture stability control. The posture stability control of a robot using ZMP as a stability discrimination criterion basically consists in searching for a point where the moment becomes zero inside a support polygon formed by a sole and a road surface. That is, a ZMP equation describing a balance relationship of each moment applied to the robot body is derived, and the target trajectory of the body is corrected so as to cancel a moment error appearing on the ZMP equation.
本実施形態では、ロボットの機体上の制御目標点として質量操作量が最大となる部位、例えば腰部をローカル座標原点に設定する。そして、この制御目標点に加速度センサなどの計測手段を配置して、その位置における姿勢や加速度を直接計測して、ZMPに基づく姿勢安定制御を行なう。さらに路面との接触部位である足部に加速度センサを配備することにより、制御に用いるローカル座標とその座標を直接的に計測して、ZMP位置に最も近い足部で直接ZMP方程式を組み立てる。 In the present embodiment, a region where the mass operation amount is maximum, for example, the waist, is set as the local coordinate origin as a control target point on the robot body. Then, a measuring means such as an acceleration sensor is arranged at the control target point, and the posture and acceleration at that position are directly measured to perform posture stability control based on ZMP. Further, by arranging an acceleration sensor on the foot which is a contact portion with the road surface, the local coordinates used for control and the coordinates are directly measured, and the ZMP equation is directly assembled with the foot closest to the ZMP position.
D−1.ZMP方程式の導入
本実施形態に係る脚式移動ロボット100は、無限すなわち連続的な質点の集合体である。但し、ここでは有限数で離散的な質点からなる近似モデルに置き換えることによって、安定化処理のための計算量を削減するようにしている。より具体的には物理的には図3に示す多関節自由度構成を具備する脚式移動ロボット100を、図10に示すように多質点近似モデルに置き換えて取り扱う。図示の近似モデルは、線形且つ非干渉の多質点近似モデルである。
D-1. Introduction of ZMP Equation The legged mobile robot 100 according to the present embodiment is an aggregate of infinite, that is, continuous mass points. In this case, however, the amount of calculation for stabilization processing is reduced by replacing the model with an approximate model having a finite number of discrete mass points. More specifically, the legged mobile robot 100 physically having the multi-joint degree of freedom configuration shown in FIG. 3 is handled by replacing it with a multi-mass point approximation model as shown in FIG. The illustrated approximation model is a linear and non-interfering multi-mass approximation model.
図10において、O−XYZ座標系は絶対座標系におけるロール、ピッチ、ヨー各軸を表し、また、O'−X'Y'Z'座標系はロボット100とともに動く運動座標系におけるロール、ピッチ、ヨー各軸を表している。但し、図中におけるパラメータの意味は以下の通りである。また、ダッシュ(´)付きの記号は運動座標系を記述するものと理解されたい。 10, the O-XYZ coordinate system represents roll, pitch, and yaw axes in an absolute coordinate system, and the O'-X'Y'Z 'coordinate system represents roll, pitch, and the like in a motion coordinate system that moves with the robot 100. Each yaw axis is shown. However, the meanings of the parameters in the figure are as follows. It should also be understood that symbols with a dash (') describe a motion coordinate system.
同図に示す多質点モデルでは、iはi番目に与えられた質点を表す添え字であり、miはi番目の質点の質量、ri'はi番目の質点の位置ベクトル(但し運動座標系)を表すものとする。本実施形態に係る脚式移動ロボット100の機体重心は腰部付近に存在する。すなわち、腰部は、質量操作量が最大となる質点であり、図10では、その質量はmh、その位置ベクトル(但し運動座標系)はrh'(rhx',rhy',rhz')とする。また、機体のZMPの位置ベクトル(但し運動座標系)をrzmp'(rzmpx',rzmpy',rzmpz')とする。 The multi-mass point model shown in FIG, i is a subscript representing a mass given to i-th, m i is the i-th material point mass, r i 'is i-th material point of the position vector (where motion coordinates System). The machine center of gravity of the legged mobile robot 100 according to the present embodiment exists near the waist. That is, the waist is a mass point where the mass operation amount becomes the maximum, in FIG. 10, the mass m h, its position vector (although moving coordinate system) r h '(r hx', r hy ', r hz '). In addition, the position vector (however, the motion coordinate system) of the ZMP of the airframe is r zmp ′ (r zmpx ′, r zmpy ′, r zmpz ′).
世界座標系O−XYZは絶対座標系であり、不変である。本実施形態に係る脚式移動ロボット100は、腰部と両脚の足部にそれぞれ加速度センサ93、94、96が配置されており、これらセンサ出力により腰部並びに立脚それぞれと世界座標系の相対位置ベクトルrqが直接検出される。これに対し、運動座標系すなわち機体のローカル座標系はO−X’Y’Z’は、ロボットともに動く。
The world coordinate system O-XYZ is an absolute coordinate system and is invariable. In the legged mobile robot 100 according to the present embodiment,
多質点モデルは、言わば、ワイヤフレーム・モデルの形態でロボットを表現したものである。図10を見ても判るように、多質点近似モデルは、両肩、両肘、両手首、体幹、腰部、及び、両足首の各々を質点として設定される。図示の非厳密の多質点近似モデルにおいては、モーメント式は線形方程式の形式で記述され、該モーメント式はピッチ軸及びロール軸に関して干渉しない。多質点近似モデルは、概ね以下の処理手順により生成することができる。 The multi-mass model is a representation of a robot in the form of a wireframe model. As can be seen from FIG. 10, the multi-mass point approximation model is set with each of the shoulders, both elbows, both wrists, trunk, waist, and both ankles as mass points. In the illustrated non-rigid multi-mass approximation model, the moment equation is described in the form of a linear equation, which does not interfere with the pitch and roll axes. The multi-mass point approximation model can be generally generated by the following processing procedure.
(1)ロボット100全体の質量分布を求める。
(2)質点を設定する。質点の設定方法は、設計者のマニュアル入力であっても、所定の規則に従った自動生成のいずれでも構わない。
(3)各領域i毎に、重心を求め、その重心位置と質量miを該当する質点に付与する。
(4)各質点miを、質点位置riを中心とし、その質量に比例した半径に持つ球体として表示する。
(5)現実に連結関係のある質点すなわち球体同士を連結する。
(1) The mass distribution of the entire robot 100 is obtained.
(2) Set a mass point. The method of setting the mass may be either manual input by a designer or automatic generation according to a predetermined rule.
(3) for each of the regions i, obtains the center of gravity, is applied to the mass to the appropriate position of the center of gravity and mass m i.
(4) the mass points m i, centered on the mass point position r i, to display as a sphere having a radius proportional to its mass.
(5) The masses that are actually connected, that is, the spheres are connected.
なお、図10に示す多質点モデルの腰部情報における各回転角(θhx,θhy,θhz)は、脚式移動ロボット100における腰部の姿勢すなわちロール、ピッチ、ヨー軸の回転を規定するものである(図11には、多質点モデルの腰部周辺の拡大図を示しているので、確認されたい)。 The rotation angles (θ hx , θ hy , θ hz ) in the waist information of the multi-mass model shown in FIG. 10 define the posture of the waist of the legged mobile robot 100, that is, the rotation of the roll, pitch, and yaw axes. (FIG. 11 shows an enlarged view of the periphery of the lumbar region of the multi-mass model, so it should be confirmed).
機体のZMP方程式は、制御目標点において印加される各モーメントの釣合い関係を記述したものである。図5に示したように、機体を多数の質点miで表わし、これらを制御目標点とした場合、すべての制御目標点miにおいて印加されるモーメントの総和を求める式がZMP方程式である。 The ZMP equation of the fuselage describes a balance relationship of each moment applied at the control target point. As shown in FIG. 5 represent the body in a number of mass points m i, when the these control target points, obtaining the sum of the moments applied at all the control target point m i Formula is ZMP equation.
世界座標系(O−XYZ)で記述された機体のZMP方程式、並びに機体のローカル座標系(O−X’Y’Z’)はそれぞれ以下の通りとなる。 The ZMP equation of the aircraft described in the world coordinate system (O-XYZ) and the local coordinate system (O-X'Y'Z ') of the aircraft are as follows.
上式は、各質点miにおいて印加された加速度成分により生成されるZMP回り(半径ri−rzmp)のモーメントの総和と、各質点miに印加された外力モーメントMiの総和と、外力Fkにより生成されるZMP回り(k番目の外力Fkの作用点をskとする)のモーメントの総和が釣り合うということを記述している。 The above equation, the sum of the moments of ZMP around produced by the acceleration component applied at each mass point m i (radius r i -r ZMP), the sum of external force moment M i applied to each of the mass points m i, It describes that the sum of moments around the ZMP generated by the external force F k (the point of action of the k-th external force F k is s k ) is balanced.
このZMP釣合い方程式は、総モーメント補償量すなわちモーメント・エラー成分Tを含んでいる。このモーメント・エラーをゼロ又は所定の許容範囲内に抑えることによって、機体の姿勢安定性が維持される。言い換えれば、モーメント・エラーをゼロ又は許容値以下となるように機体運動(足部運動や上半身の各部位の軌道)を修正することが、ZMPを安定度判別規範とした姿勢安定制御の本質である。 This ZMP balance equation includes a total moment compensation amount, that is, a moment error component T. By keeping this moment error at zero or within a predetermined tolerance, the attitude stability of the aircraft is maintained. In other words, correcting the body motion (foot motion or the trajectory of each part of the upper body) so that the moment error becomes zero or less than the allowable value is the essence of the posture stability control using the ZMP as a stability determination criterion. is there.
本実施形態では、腰部と左右の足部にそれぞれ加速度センサ96、93及び94が配設されているので、これらの制御目標点における加速度計測結果を用いて直接的に且つ高精度に上記のZMP釣合い方程式を導出することができる。この結果、高速でより厳密な姿勢安定制御を実現することができる。
In the present embodiment, since the
D−2.全身協調型の姿勢安定制御
図12には、脚式移動ロボット100において、ZMPを安定度判別規範に用いて安定歩行可能な機体運動を生成するための処理手順をフローチャートの形式で示している。但し、以下の説明では、図10及び図11に示すような線形・非干渉多質点近似モデルを用いて脚式移動ロボット100の各関節位置や動作を記述するものとする。
D-2. Whole Body Coordinated Posture Stability Control FIG. 12 is a flowchart showing a processing procedure for generating a body motion capable of stable walking in the legged mobile robot 100 by using ZMP as a stability determination criterion. However, in the following description, the joint positions and movements of the legged mobile robot 100 are described using a linear / non-interfering multi-mass point approximation model as shown in FIGS.
まず、足部運動の設定を行なう(ステップS1)。足部運動は、2以上の機体のポーズを時系列的に連結されてなるモーション・データである。 First, the foot motion is set (step S1). The foot motion is motion data in which two or more aircraft poses are connected in chronological order.
モーション・データは、例えば、足部の各関節角の変位を表わした関節空間情報と、関節位置を表わしたデカルト空間情報で構成される。モーション・データは、コンソール画面上での手付け入力や、機体へのダイレクト・ティーチング(直接教示)例えばモーション編集用のオーサリング・システム上で構築したりすることができる。 The motion data is composed of, for example, joint space information indicating displacement of each joint angle of the foot and Cartesian space information indicating joint positions. The motion data can be manually input on a console screen, or can be constructed on a direct teaching (direct teaching) to an airframe, for example, on an authoring system for motion editing.
次いで、設定された足部運動を基にZMP安定領域を算出する(ステップS2)。ZMPは、機体に印加されるモーメントがゼロとなる点であり、基本的には足底接地点と路面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内側に存在する。ZMP安定領域は、この支持多角形のさらに内側に設定された領域であり、該領域にZMPを収容させることによって機体を高度に安定した状態にすることができる。 Next, a ZMP stable area is calculated based on the set foot motion (step S2). The ZMP is a point at which the moment applied to the airframe becomes zero, and basically exists on or inside the side of the supporting polygon formed by the sole contact point and the road surface. The ZMP stable region is a region set further inside the supporting polygon, and the ZMP can be accommodated in this region to make the aircraft highly stable.
そして、足部運動とZMP安定領域を基に、足部運動中におけるZMP軌道を設定する(ステップS3)。 Then, a ZMP trajectory during the foot motion is set based on the foot motion and the ZMP stable area (step S3).
また、機体の上半身(股関節より上側)の各部位については、腰部、体幹部、上肢、頭部などのようにグループ設定する(ステップS11)。 In addition, for each part of the upper body (above the hip joint) of the body, a group is set such as a waist, a trunk, an upper limb, and a head (step S11).
そして、各部位グループ毎に希望軌道を設定する(ステップS12)。上半身の希望起動の設定は、足部の場合と同様に、コンソール画面上での手付け入力や、機体へのダイレクト・ティーチング(直接教示)例えばモーション編集用のオーサリング・システム上で構築したりすることができる。 Then, a desired trajectory is set for each part group (step S12). Similar to the case of the foot, the setting of the desired start of the upper body should be done by manual input on the console screen or direct teaching (direct teaching) to the aircraft, for example, building on the authoring system for motion editing Can be.
次いで、各部位のグループ設定の調整(再グルーピング)を行ない(ステップS13)、さらにこれらグループに対して優先順位を与える(ステップS14)。ここで言う優先順位とは、機体の姿勢安定制御を行なうための処理演算に投入する順位のことであり、例えば質量操作量に応じて割り振られる。この結果、機体上半身についての各部位についての優先順位付き希望軌道群が出来上がる。 Next, the group setting of each part is adjusted (re-grouping) (step S13), and priorities are given to these groups (step S14). The priority here refers to the order of input to the processing calculation for performing the attitude stabilization control of the airframe, and is assigned, for example, according to the mass operation amount. As a result, a desired trajectory group with priority for each part of the upper body of the aircraft is completed.
また、機体上半身の各部位グループ毎に、モーメント補償に利用できる質量を算出しておく(ステップS15)。 In addition, a mass that can be used for moment compensation is calculated for each of the body groups of the upper body (step S15).
そして、足部運動とZMP軌道、並びに上半身の各部位グループ毎の希望起動群を基に、ステップS14により設定された優先順位に従って、各部位グループの運動パターンを姿勢安定化処理に投入する。 Then, based on the foot motion, the ZMP trajectory, and the desired activation group for each upper body part group, the exercise pattern of each part group is input to the posture stabilization process in accordance with the priority set in step S14.
この姿勢安定化処理では、まず、処理変数iに初期値1を代入する(ステップS20)。そして、優先順位が先頭からi番目までの部位グループについての目標軌道設定時における、目標ZMP上でのモーメント量すなわち総モーメント補償量を算出する(ステップS21)。目標軌道が算出されていない部位については、希望軌道を用いる。
In this posture stabilization processing, first, an
次いで、ステップS15において算出された当該部位のモーメント補償に利用できる質量を用いて、そのモーメント補償量を設定して(ステップS22)、モーメント補償量を算出する(ステップS23)。 Next, the amount of moment compensation is set using the mass that can be used for the moment compensation of the part calculated in step S15 (step S22), and the moment compensation amount is calculated (step S23).
次いで、算出されたi番目の部位のモーメント補償量を用いて、i番目の部位についてのZMP方程式を導出して(ステップS24)、当該部位のモーメント補償運動を算出することにより(ステップS25)、優先順位が先頭からi番目までの部位についての目標軌道を得ることができる。 Next, using the calculated moment compensation amount of the i-th part, a ZMP equation for the i-th part is derived (step S24), and the moment compensation movement of the part is calculated (step S25). It is possible to obtain the target trajectory for the i-th part from the top in the priority order.
このような処理をすべての部位グループについて行なうことにより、安定運動(例えば歩行)が可能な全身運動パターンが生成される。 By performing such processing for all the part groups, a whole body movement pattern capable of stable movement (for example, walking) is generated.
腰部と左右の足部にそれぞれ加速度センサ96,93及び94が配設されているので、これらの制御目標点における加速度計測結果を用いて直接的に且つ高精度に上記のZMP釣合い方程式を導出することができる。この結果、図12に示すような処理手順に従ってZMP安定度判別規範に基づく姿勢安定制御を高速でより厳密に実行することができる。
Since the
E.脚式移動ロボットの転倒オペレーション
前項Dで説明したように、本実施形態に係る脚式移動ロボット100は、基本的には、ZMP安定度判別規範に基づいて、歩行時やその他の立脚作業時における姿勢安定制御を行ない、機体の転倒という事態の発生を最小限に抑えるようにしている。
E. FIG. Falling Operation of the Legged Mobile Robot As described in the preceding section D, the legged mobile robot 100 according to the present embodiment is basically based on the ZMP stability discrimination criterion during walking or other standing work. Attitude stabilization control is performed to minimize the occurrence of a situation in which the aircraft falls.
しかしながら、万一転倒を避けられなくなった場合には、機体へのダメージを極力防止するような動作パターンからなる転倒動作を行なうことにする。例えば、前述したZMP釣合い方程式において、過大な外力F又は外力モーメントMが機体に印加された場合、機体動作のみによってモーメント・エラー成分Tをキャンセルことができなくなり、姿勢の安定性を維持できなくなる。 However, if it becomes impossible to avoid a fall, a fall operation having an operation pattern that minimizes damage to the body is performed. For example, in the above-described ZMP balance equation, when an excessive external force F or an external force moment M is applied to the aircraft, the moment error component T cannot be canceled only by the aircraft operation, and the attitude cannot be maintained.
図13には、本実施形態に係る脚式移動ロボット100における脚式作業中の動作制御の概略的な処理手順をフローチャートの形式で示している。 FIG. 13 is a flowchart illustrating a schematic processing procedure of motion control during legged work in the legged mobile robot 100 according to the present embodiment.
機体動作中は、左右の足部に配設した接地確認(床反力)センサ91及び92、加速度センサ93及び94、腰部に配設した加速度センサ96のセンサ出力を用いて、ZMP釣合い方程式(前述)を立てて、腰部、下肢軌道を常に計算する(ステップS31)。
During the operation of the airframe, the ZMP balancing equation (using the sensor outputs of the ground contact confirmation (floor reaction force)
例えば、機体に外力が印加されたとき、次の腰部、下肢軌道を計画することができるかどうか、すなわち足部の行動計画によって外力によるモーメント・エラーを解消することができるかどうかを判別する(ステップS32)。腰部、下肢軌道を計画することができるかどうかは、脚部の各関節の可動角、各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。勿論、外力が加わったときに、次の一歩だけでなく、数歩にまたがる脚式動作によりモーメント・エラーを解消するようにしてもよい。 For example, when an external force is applied to the body, it is determined whether the next waist and lower limb trajectory can be planned, that is, whether the moment error due to the external force can be eliminated by the action plan of the foot ( Step S32). Whether the waist and lower limb trajectories can be planned is determined in consideration of the movable angle of each joint of the leg, the torque of each joint actuator, joint force, angular velocity, angular acceleration, and the like. Needless to say, when an external force is applied, the moment error may be eliminated not only by the next step but also by several steps of leg steps.
このとき、足部の計画が可能であれば、歩行やその他の脚式動作を継続する(ステップS33)。 At this time, if planning of the foot is possible, walking and other legged movements are continued (step S33).
他方、過大な外力又は外力モーメントが機体に印加されたために、足部の計画が不可能になった場合には、脚式移動ロボット100は転倒動作を開始する(ステップS34)。 On the other hand, when the planning of the foot becomes impossible because an excessive external force or an external force moment is applied to the body, the legged mobile robot 100 starts to fall (step S34).
図1〜図2に示すような直立歩行型の脚式ロボットの場合、重心位置が高いことから、転倒時に不用意に床面に落下すると、ロボット自体、あるいは転倒により衝突する相手側にも致命的な損傷を与えてしまう危険がある。 In the case of an upright walking type legged robot as shown in FIG. 1 and FIG. 2, since the position of the center of gravity is high, if the robot is accidentally dropped on the floor when falling, it is fatal to the robot itself or the opponent who collides due to falling. Risk of permanent damage.
そこで、本実施形態では、転倒前に計画されている機体の軌道からZMP支持多角形が最小となるような姿勢に組み替えて、所定の転倒動作を実行する。基本的には、以下に示す2つの方針を基に転倒動作を探索していく。 Therefore, in the present embodiment, a predetermined overturning operation is performed by changing the trajectory of the aircraft planned before the overturn to a posture that minimizes the ZMP support polygon. Basically, a falling motion is searched for based on the following two policies.
(1)機体の支持多角形の面積Sの時間t当たりの変化量ΔS/Δtを最小にする。
(2)床面落下時における支持多角形が最大となるようにする。
(1) The variation ΔS / Δt of the area S of the support polygon of the body per time t is minimized.
(2) The support polygon when the floor falls is maximized.
ここで、変化量ΔS/Δtを最小にするとは、転倒時の支持面積を維持する(あるいは減少させる)ことに相当する(但し、減少させる場合、駆動力が必要な場合がある)。機体の転倒時に支持面積を維持することで、機体に印加される衝撃モーメントを受け流すことができる。図14には、機体の転倒時に支持面積を維持する原理を図解している。同図に示すように、丁度球体が転がる具合で、支持面は面積最小であることを維持しながら、衝撃モーメントを受け流している。図示の通り、支持面が移動しても同様の効果が得られる。例えば、着床時に床から受ける衝撃モーメントを求め、これが許容値を越えるような場合には、支持多角形の面積を一定に保つように機体が転がる転倒方法が好ましい。 Here, minimizing the amount of change ΔS / Δt corresponds to maintaining (or reducing) the support area at the time of falling (however, in the case of reducing, a driving force may be required). By maintaining the support area when the body falls, the impact moment applied to the body can be dissipated. FIG. 14 illustrates the principle of maintaining the support area when the body falls. As shown in the figure, just as the sphere rolls, the support surface receives the impact moment while maintaining the area of the support surface to be minimum. As shown, the same effect can be obtained even if the support surface moves. For example, when the impact moment received from the floor at the time of landing is obtained and exceeds an allowable value, the overturning method in which the body rolls so as to keep the area of the supporting polygon constant is preferable.
また、床面落下時における支持多角形が最大となるとは、図15に示すように、より広い支持多角形で受け止めることにより衝撃力を干渉することに相当する。 Further, that the supporting polygon at the time of falling on the floor is maximized, as shown in FIG. 15, is equivalent to interference of an impact force by receiving with a wider supporting polygon.
図16及び図17には、脚式移動ロボット100が後方すなわち仰向け姿勢に向かって転倒する場合に、支持多角形の変化量ΔS/Δtを最小すなわち転倒時の支持面積を維持する動作を実現した例を示している。これは、柔道やその他の格闘技における受身動作に類似する類似する動作であり、転倒時の衝撃力モーメントを好適に受け流すことができる。図17に示すように、足部を離床させることにより、支持多角形の変化量ΔS/Δtを最小にしている。機体の重心が腰部に存在する場合、最も小さくなる支持多角形に関与しないリンク数が最大となる部位にZMPを設定することができる。このような転倒・着床動作の後、離床可能なリンクをすべて離床させる、すなわち図示の例では下肢と体幹の双方を浮き上がらせて、上体と下肢を同時に離床し、足部、手部などを着床させることで、より小さい接地多角形を少ないステップで形成できるので、より高速で効率的な起き上がり動作を実現することができる。 16 and 17, when the legged mobile robot 100 falls backward, that is, toward the supine position, an operation of minimizing the change amount ΔS / Δt of the supporting polygon, that is, maintaining the supporting area at the time of falling, is realized. An example is shown. This is a similar operation similar to the passive operation in judo and other martial arts, and can appropriately dissipate the impact force moment at the time of falling. As shown in FIG. 17, the amount of change ΔS / Δt of the support polygon is minimized by leaving the feet. When the center of gravity of the airframe is at the waist, the ZMP can be set at a position where the number of links not involving the smallest supporting polygon is the largest. After such a fall / landing operation, all the links that can be released are released, that is, in the example shown, both the lower limb and the trunk are lifted, the upper body and the lower limb are simultaneously released, and the feet and hands are lifted. Since a smaller grounded polygon can be formed in fewer steps by landing on the floor, a faster and more efficient rising operation can be realized.
図18及び図19には、脚式移動ロボット100が前方すなわちうつ伏せ姿勢に向かって転倒する場合に、支持多角形の変化量ΔS/Δtを最小すなわち転倒時の支持面積を維持する動作を実現した例をそれぞれ側面並びに右斜め前方から眺めた様子を示している。これは、機械体操などにおける前転動作に類似する類似する動作であり、転倒時の衝撃力モーメントを好適に受け流すことができる。各図に示すように、足部を離床させることにより、支持多角形の変化量ΔS/Δtを最小にしている。 18 and 19, when the legged mobile robot 100 falls down toward the front, that is, the prone posture, an operation of minimizing the change amount ΔS / Δt of the support polygon, that is, maintaining the support area at the time of falling down is realized. The example is shown when viewed from the side and the diagonally right front. This is a similar operation similar to the forward rotation operation in mechanical gymnastics or the like, and can appropriately dissipate an impact force moment at the time of falling. As shown in each figure, the amount of change ΔS / Δt of the supporting polygon is minimized by leaving the foot.
上述したような転倒方法をとることにより、落下時に床面から受ける衝撃を全身に分散させることにより、ダメージを最小限に抑えることができる。 By adopting the above-mentioned overturning method, the impact received from the floor surface at the time of falling can be dispersed to the whole body, so that damage can be minimized.
図20には、本実施形態に係る脚式移動ロボット100が足部の計画不能により転倒動作を行なうための処理手順をフローチャートの形式で示している。転倒動作は、上述した基本方針に従って、高さ方向に連結された肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14を同期協調的に駆動させることによって実現される。このような処理手順は、実際には主制御部81において所定の機体動作制御プログラムを実行して、各部を駆動制御することによって実現される。
FIG. 20 shows, in the form of a flowchart, a processing procedure for the legged mobile robot 100 according to the present embodiment to perform the overturning operation due to the inability to plan the foot. The overturning operation is realized by synchronously and cooperatively driving the shoulder
まず、機体の支持多角形の面積Sの時間t当たりの変化量ΔS/Δtを最小にするリンクを探索する(ステップS41)。 First, a link that minimizes the change amount ΔS / Δt of the area S of the support polygon of the body per time t is searched (step S41).
次いで、ステップS41により選択されたリンクで変化量ΔS/Δtを最小にする該リンクの目標着床点を探索する(ステップS42)。機体の床面に対する支持面積を最小に維持することにより、衝撃モーメントを受け流すことができる(前述及び図14を参照のこと)。 Next, a search is made for a target landing point of the link selected in step S41 that minimizes the amount of change ΔS / Δt (step S42). By keeping the support area of the fuselage against the floor at a minimum, the impact moment can be dissipated (see above and FIG. 14).
次いで、先行ステップにより選択されたリンクを該目標着床点に着床することが、機体ハードウェアの制約上(各関節の可動角、各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度など)、実行可能かどうかを、衝撃力モーメントを主に判別する(ステップS43)。 Then, the landing of the link selected in the preceding step at the target landing point depends on the limitations of the aircraft hardware (movable angle of each joint, torque of each joint actuator, joint force, angular velocity, angular acceleration, etc.). It is mainly determined whether or not execution is possible based on the impact force moment (step S43).
先行ステップにより選択されたリンクを該目標着床点に着床することが不可能であると判定された場合には、時間の変化量Δtを所定値だけ増分してから(ステップS44)、ステップS41に戻って、リンクの再選択、並びに該リンクの目標着床点の再設定を行なう。 If it is determined that the link selected in the preceding step cannot be landed on the target landing point, the time variation Δt is increased by a predetermined value (step S44), and then the step is performed. Returning to S41, the link is reselected and the target landing point of the link is reset.
一方、先行ステップにより選択されたリンクを該目標着床点に着床することが可能である場合には、選択されたリンクを該目標着床点に着床する(ステップS45)。 On the other hand, if the link selected in the preceding step can be landed on the target landing point, the selected link is landed on the target landing point (step S45).
次いで、機体の位置エネルギが最小かどうか、すなわち転倒動作が完了したかどうかを判別する(ステップS46)。 Next, it is determined whether or not the potential energy of the body is minimum, that is, whether or not the overturning operation has been completed (step S46).
機体の位置エネルギがまだ最小ではない場合には、時間の変化量Δtをさらに所定値だけ増分して(ステップS47)、支持多角形を拡大するように次の目標着床点を設定する(ステップS48)。支持多角形を拡大することにより、着床時に機体に加わる衝撃力を軽減することができる(前述及び図15を参照のこと)。 If the potential energy of the fuselage is not yet the minimum, the time variation Δt is further increased by a predetermined value (step S47), and the next target landing point is set so as to enlarge the support polygon (step S47). S48). By enlarging the supporting polygon, it is possible to reduce the impact force applied to the body at the time of landing (see the above and FIG. 15).
次いで、選択されたリンクを該目標着床点に着床することが、機体ハードウェアの制約上(各関節の可動角、各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度など)、実行可能かどうかを、衝撃力を主に判別する(ステップS49)。 先行ステップにより選択されたリンクを該目標着床点に着床することが不可能であると判定された場合には、ステップS41に戻って、リンクの再選択、並びに該リンクの目標着床点の再設定を行なう。 Then, the landing of the selected link at the target landing point can be executed due to constraints of the aircraft hardware (movable angles of each joint, torque of each joint actuator, joint force, angular velocity, angular acceleration, etc.). Whether or not the impact force is mainly determined (step S49). If it is determined that it is impossible to land the link selected in the preceding step at the target landing point, the process returns to step S41 to reselect the link and to set the target landing point of the link. Is reset.
一方、先行ステップにより選択されたリンクを該目標着床点に着床することが可能である場合には、ステップS45に進んで、選択されたリンクを該目標着床点に着床する。 On the other hand, when it is possible to land the link selected in the preceding step at the target landing point, the process proceeds to step S45 to land the selected link at the target landing point.
そして、機体の位置エネルギが最小になると(ステップS46)、機体の床面への着床が完了したことになるので、本処理ルーチン全体を終了する。 Then, when the potential energy of the aircraft is minimized (step S46), it means that the landing of the aircraft on the floor has been completed, and the entire processing routine ends.
次いで、実機動作を参照しながら、脚式移動ロボット100の転倒動作について説明する。 Next, the overturning operation of the legged mobile robot 100 will be described with reference to the actual operation.
図21には、脚式移動ロボット100が肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14などの高さ方向に連結された略平行な複数の関節軸からなるリンク構造体としてモデル化して、各関節ピッチ軸を同期強調的に駆動させて仰向け姿勢に向かって転倒していく動作を示している。基本的に、離床リンク数が最大になるリンクがある部位を目標に設定することで、床面から受ける衝撃力を減少するようになっている。
In FIG. 21, the legged mobile robot 100 includes a plurality of substantially parallel joint axes connected in the height direction such as the shoulder
ロボットは、リンク構造体のリンク端である足底のみで立位しているとする(図21(1))。 It is assumed that the robot stands only at the sole that is the link end of the link structure (FIG. 21A).
このとき、外力又は外力モーメントの印加により、ZMP釣合い方程式のモーメント・エラー項Tをキャンセルできなくなり、足底のみで形成するZMP安定領域の外にZMPが逸脱したことに応答して、ZMPを支持多角形に維持したまま転倒動作を開始する。 At this time, the application of the external force or the external force moment makes it impossible to cancel the moment error term T of the ZMP balancing equation, and the ZMP is supported in response to the ZMP deviating outside the ZMP stable region formed only by the sole. The falling motion is started while maintaining the polygon.
転倒動作では、まず、機体の支持多角形の面積Sの時間t当たりの変化量ΔS/Δtを最小にするリンクを探索するとともに、手先を含むリンクで変化量ΔS/Δtを最小にするような手先の目標着床点を探索する。そして、選択されたリンクを目標着床点に着床することが機体ハードウェアの制約上(各関節の可動角、各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度など)、実行可能かどうかを判別する。 In the overturning operation, first, a link that minimizes the amount of change ΔS / Δt per unit time t of the area S of the supporting polygon of the body is searched for, and the amount of change ΔS / Δt is minimized by a link including the hand. Search for the target landing point on the hand. Then, whether landing of the selected link at the target landing point is feasible due to constraints of the aircraft hardware (movable angle of each joint, torque of each joint actuator, joint force, angular velocity, angular acceleration, etc.) Is determined.
機体ハードウェア上実行可能である場合には、既に着床している足底リンクに加え、他のリンクが着床する。そして、これら着床リンクで形成される最小支持多角形内にZMPを移動する(図21(2))。 If the link can be executed on the hardware of the machine, another link will land in addition to the sole link that has already landed. Then, the ZMP is moved into the minimum support polygon formed by these landing links (FIG. 21 (2)).
次いで、機体ハードウェアが許容する限り、着床点を移動して、支持多角形を拡大していく(図21(3))。 Next, as long as the machine hardware permits, the landing point is moved to expand the support polygon (FIG. 21 (3)).
そして、各関節の可動角、各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度など機体ハードウェアの制約から、もはや着床点を移動することができなくなると、今度は、着床中のリンクに挟まれている離床リンクを着床することができるかどうかを判別する。 Then, when it is no longer possible to move the landing point due to the limitations of the body hardware such as the movable angle of each joint, the torque of each joint actuator, the joint force, angular velocity, angular acceleration, etc. It is determined whether it is possible to land the leaving link sandwiched between the two.
機体ハードウェア上、着床リンク間の離床リンクを着床することが可能である場合には、これらを着床して、着床リンク数を増やす(図21(4))。 If it is possible to land the landing links between the landing links on the machine hardware, the landing links are landed to increase the number of landing links (FIG. 21D).
さらに、機体ハードウェアが許容する限り、着床点を移動して、支持多角形を拡大していく(図21(5))。 Further, the landing point is moved and the supporting polygon is enlarged as far as the machine hardware permits (FIG. 21 (5)).
そして最後に、高さ方向に連結された略平行な複数の関節軸からなるリンク構造体の一端側から1以上のリンクと、他端がわから2以上のリンクを離床させて、且つ、それらの中間に位置するリンクを1以上着床させ、さらに足部を着床させた状態で、ZMPを支持多角形内に維持しながら、支持多角形が最大となる姿勢を形成する。この姿勢において、機体の位置エネルギが最小であれば、転倒動作は完了である。 Finally, one or more links from one end side of the link structure composed of a plurality of substantially parallel joint axes connected in the height direction and two or more links from the other end are separated from the floor, and With one or more of the links located at the middle, the ZMP within the supporting polygon is formed while the foot is further landed, and the posture in which the supporting polygon is maximized is formed. In this posture, if the potential energy of the body is minimum, the overturning operation is completed.
図22〜図38、並びに図39〜図55には、実機が立位姿勢から仰向け姿勢に転倒していく様子を示している。 FIGS. 22 to 38 and FIGS. 39 to 55 show how the actual machine falls from the standing position to the supine position.
この場合、機体の支持多角形の面積Sの時間t当たりの変化量ΔS/Δtを最小にするリンクとして、股関節ピッチ軸を含む胴体リンクを選択するとともに、目標着床点を探索して、機体の後方に倒れ込む(図22〜図31、並びに図39〜図48を参照のこと)。膝関節を折り畳んだ姿勢にして、着床時の支持多角形の変化量を最小、すなわち、ΔS/Δtを最小にする。 In this case, as the link that minimizes the variation ΔS / Δt of the area S of the support polygon of the fuselage per time t, the fuselage link including the hip joint pitch axis is selected, and the target landing point is searched for. (See FIGS. 22 to 31 and FIGS. 39 to 48). With the knee joint in a folded position, the amount of change in the supporting polygon at the time of landing is minimized, that is, ΔS / Δt is minimized.
次いで、機体の支持多角形の面積Sの時間t当たりの変化量ΔS/Δtを最小にするリンクとして、体幹ピッチ軸9と肩関節ピッチ軸4を含む胴体リンクを選択するとともに、その目標着床点を探索して、さらに機体の後方に深く倒れる。このとき、既に股関節ピッチ軸12が着床していることから、これを回転中心として体幹ピッチ軸9と肩関節ピッチ軸4を含む胴体リンクは着床する(図32〜図33、及び図49〜図50を参照のこと)。
Next, a trunk link including the trunk pitch axis 9 and the
次いで、機体の支持多角形の面積Sの時間t当たりの変化量ΔS/Δtを最小にするリンクとして、首関節ピッチ軸2で連結されている頭部リンクを選択するとともに、その目標着床点を探索して、さらに機体の後方に深く倒れる。このとき、既に首関節ピッチ軸2が着床していることから、これを回転中心として頭部は着床する(図34〜図38、及び図51〜図55を参照のこと)。この姿勢において、機体の位置エネルギが最小であるから、転倒動作は完了である。
Next, the head link connected by the neck
また、図56には、脚式移動ロボット100が肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14などの高さ方向に連結された略平行な複数の関節軸からなるリンク構造体としてモデル化して、各関節ピッチ軸を同期強調的に駆動させてうつ伏せ姿勢に向かって転倒していく動作を示している。
In FIG. 56, the legged mobile robot 100 includes a plurality of substantially parallel joints connected in the height direction such as the shoulder
ロボットは、リンク構造体のリンク端である足底のみで立位しているとする(図56(1))。 It is assumed that the robot stands only at the sole that is the link end of the link structure (FIG. 56 (1)).
このとき、外力又は外力モーメントの印加により、ZMP釣合い方程式のモーメント・エラー項Tをキャンセルできなくなり、足底のみで形成するZMP安定領域の外にZMPが逸脱したことに応答して、ZMPを支持多角形に維持したまま転倒動作を開始する。 At this time, the application of the external force or the external force moment makes it impossible to cancel the moment error term T of the ZMP balancing equation, and the ZMP is supported in response to the ZMP deviating outside the ZMP stable region formed only by the sole. The falling motion is started while maintaining the polygon.
転倒動作では、まず、機体の支持多角形の面積Sの時間t当たりの変化量ΔS/Δtを最小にするリンクを探索するとともに、手先を含むリンクで変化量ΔS/Δtを最小にするような手先の目標着床点を探索する。そして、選択されたリンクを目標着床点に着床することが機体ハードウェアの制約上(各関節の可動角、各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度など)、実行可能かどうかを判別する。 In the overturning operation, first, a link that minimizes the amount of change ΔS / Δt per unit time t of the area S of the supporting polygon of the body is searched for, and the amount of change ΔS / Δt is minimized by a link including the hand. Search for the target landing point on the hand. Then, whether landing of the selected link at the target landing point is feasible due to constraints of the aircraft hardware (movable angle of each joint, torque of each joint actuator, joint force, angular velocity, angular acceleration, etc.) Is determined.
機体ハードウェア上実行可能である場合には、既に着床している足底リンクに加え、他のリンクが着床する。そして、これら着床リンクで形成される最小支持多角形内にZMPを移動する(図56(2))。 If the link can be executed on the hardware of the machine, another link will land in addition to the sole link that has already landed. Then, the ZMP is moved into the minimum support polygon formed by these landing links (FIG. 56 (2)).
次いで、機体ハードウェアが許容する限り、着床点を移動して、支持多角形を拡大していく(図56(3))。 Next, as long as the aircraft hardware permits, the landing point is moved to enlarge the support polygon (FIG. 56 (3)).
そして、各関節の可動角、各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度など機体ハードウェアの制約から、もはや着床点を移動することができなくなると、今度は、着床中のリンクに挟まれている離床リンクを着床することができるかどうかを判別する。 Then, when it is no longer possible to move the landing point due to the limitations of the body hardware such as the movable angle of each joint, the torque of each joint actuator, the joint force, angular velocity, angular acceleration, etc. It is determined whether it is possible to land the leaving link sandwiched between the two.
機体ハードウェア上、着床リンク間の離床リンクを着床することが可能である場合には、これらを着床して、着床リンク数を増やす(図56(4))。 If it is possible to land the leaving links between the landing links on the body hardware, these are landed to increase the number of landing links (FIG. 56 (4)).
さらに、機体ハードウェアが許容する限り、着床点を移動して、支持多角形を拡大していく(図56(5))。 Further, the landing point is moved and the supporting polygon is enlarged as far as the machine hardware permits (FIG. 56 (5)).
そして最後に、高さ方向に連結された略平行な複数の関節軸からなるリンク構造体の一端側から1以上のリンクと、他端がわから2以上のリンクを離床させて、且つ、それらの中間に位置するリンクを1以上着床させ、さらに足部を着床させた状態で、ZMPを支持多角形内に維持しながら、支持多角形が最大となる姿勢を形成する。この姿勢において、機体の位置エネルギが最小であれば、転倒動作は完了である。 Finally, one or more links from one end side of the link structure composed of a plurality of substantially parallel joint axes connected in the height direction and two or more links from the other end are separated from the floor, and With one or more of the links located at the middle, the ZMP within the supporting polygon is formed while the foot is further landed, and the posture in which the supporting polygon is maximized is formed. In this posture, if the potential energy of the body is minimum, the overturning operation is completed.
図57〜図73、並びに図74〜図90には、実機が立位姿勢から仰向け姿勢に転倒していく様子を示している。 FIGS. 57 to 73 and FIGS. 74 to 90 show how the actual machine falls from the standing posture to the supine posture.
この場合、機体の支持多角形の面積Sの時間t当たりの変化量ΔS/Δtを最小にするリンクとして、肩関節ピッチ軸4を含む腕リンクの手先を選択するとともに、目標着床点を探索して、機体の前方に倒れ込む(図57〜図70、並びに図74〜図87を参照のこと)。
In this case, the hand of the arm link including the shoulder
このとき、最短の時間増分Δtにおいて、着床時の支持多角形の変化量ΔSを最小にするために、膝関節ピッチ軸14を折り畳んだ姿勢にして、手先が着床する場所をより足底に近い位置に設定する。 At this time, in the shortest time increment Δt, in order to minimize the amount of change ΔS of the supporting polygon at the time of landing, the knee joint pitch axis 14 is set to the folded posture, and the place where the hand touches the floor is increased. Set to a position close to.
次いで、機体の支持多角形の面積Sの時間t当たりの変化量ΔS/Δtを最小にするリンクとして、膝関節ピッチ軸14を含む脚部リンクを選択するとともに、その目標着床点を探索して、さらに機体の前方に深く倒れる。このとき、既に足部が着床していることから、足首ピッチ軸を回転中心として下腿部が旋回して、膝が着床する(図70〜図71、及び図88〜図89を参照のこと)。 Next, a leg link including the knee joint pitch axis 14 is selected as a link that minimizes the amount of change ΔS / Δt of the area S of the support polygon of the fuselage per time t, and the target landing point is searched. And fall further in front of the aircraft. At this time, since the foot has already landed, the lower leg turns around the ankle pitch axis as the center of rotation, and the knees land (see FIGS. 70 to 71 and FIGS. 88 to 89). That).
さらに、着床点としての手先と膝を足底から離すように移動して、機体ハードウェアが許容する限り、支持多角形を拡大する(図72、及び図89を参照のこと)。この結果、手先と膝に続いて胴体リンクも着床する(図73、及び図90を参照のこと)。この姿勢において、機体の位置エネルギが最小であるから、転倒動作は完了である。 Further, the user moves the hands and knees as landing points away from the soles to enlarge the support polygon as long as the fuselage hardware permits (see FIGS. 72 and 89). As a result, the torso link also lands following the hand and the knee (see FIGS. 73 and 90). In this posture, since the potential energy of the body is minimal, the overturning operation is completed.
F.床上姿勢からの起き上がりオペレーション
仰向け姿勢やうつ伏せ姿勢などの床上姿勢からの起動を行なうため、あるいは、転倒時に自立的に起き上がって作業を再開するという作業の自己完結性のために、脚式移動ロボット100は、起き上がりオペレーションを実現することが必要である。
F. Operation for getting up from the floor posture In order to start up from the floor posture such as the supine posture or the prone posture, or for the self-completion of the work of getting up independently and resuming the work when falling down, the legged mobile robot 100 It is necessary to realize a rising operation.
ところが、無計画的な軌道により起き上がろうとすると、過大な外力モーメントが印加されてしまい、関節アクチュエータが高出力トルクを必要とする。この結果、モータの大型化が必要となり、その分駆動消費電力が増大してしまう。また、機体の重量が増すとともに製造コストが高騰してしまう。重量の増大によりさらに起き上がり動作が困難になる。あるいは、起き上がり動作の過程で発生する外力モーメントにより姿勢の安定性を維持することができず、そもそも起き上がることができない、という事態もあり得る。 However, when trying to get up due to an unplanned trajectory, an excessive external force moment is applied, and the joint actuator requires a high output torque. As a result, it is necessary to increase the size of the motor, and the driving power consumption increases accordingly. In addition, the manufacturing cost increases as the weight of the body increases. The rise in weight further makes the rising operation difficult. Alternatively, there may be a situation where the stability of the posture cannot be maintained due to an external force moment generated in the process of the rising motion, and the posture cannot be raised in the first place.
そこで、本実施形態では、脚式移動ロボット100は、外力モーメントが最小となる動作パターンよりなる起き上がり動作を行なうこととした。これは、ZMP支持多角形が最小となるような姿勢を時系列的に組み合わせることによって、実現することができる。 Therefore, in the present embodiment, the legged mobile robot 100 performs a rising motion having an operation pattern in which the external force moment is minimized. This can be realized by combining the postures that minimize the ZMP support polygon in a time-series manner.
また、本実施形態に係る脚式移動ロボット100は、肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14のように(図3を参照のこと)、高さ方向に複数のピッチ軸が直列的(但し横方向から眺めた場合)に連結されたリンク構造体である。そこで、これら複数の関節ピッチ軸4〜14を所定のシーケンスで同期協調的に駆動して、ZMP支持多角形が最小となるような動作パターンによる起き上がり動作を実現することとした。
Further, the legged mobile robot 100 according to the present embodiment has a height similar to the shoulder
F−1.基本仰向け姿勢からの起き上がりオペレーション
図91には、本実施形態に係る脚式移動ロボット100が肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14を同期強調的に駆動させて起き上がり動作を行なうための処理手順をフローチャートの形式で示している。このような処理手順は、実際には主制御部81において所定の機体動作制御プログラムを実行して、各部を駆動制御することによって実現される。
F-1. The Operation Figure 91 rising from the base supine posture, the legged mobile robot 100 according to this embodiment is a shoulder
また、図92には、本実施形態に係る脚式移動ロボット100が肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14を同期強調的に駆動させて仰向け姿勢から起き上がり動作を行なう様子を、関節リンク・モデルで示している。なお、本実施形態に係る脚式移動ロボット100は体幹ピッチ軸9を備えているが、体幹ピッチ軸を備えていないタイプの脚式移動ロボットにおいて複数の関節ピッチ軸の同期駆動により仰向け姿勢から起き上がり動作を行なう様子を図93に示しておく。但し、図示のリンク構造体において、体幹関節と股関節を連結するリンクに機体全体の重心位置が設定されており、このリンクを以下では「重心リンク」と呼ぶことにする。なお、「重心リンク」は狭義には上記のような定義で用いるが、広義には機体全体の重心位置が存在するリンクであればよい。例えば、体幹軸を持たないような機体においては、機体全体の重心が位置する体幹先端等を含むリンクがこれに該当する。
In FIG. 92, the legged mobile robot 100 according to this embodiment drives the shoulder
以下、図91に示したフローチャートを参照しながら、基本仰向け姿勢からの機体の起き上がりオペレーションについて説明する。 Hereinafter, the rising operation of the aircraft from the basic supine posture will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
まず、床上姿勢において、位置エネルギの最も小さい姿勢を探索する(ステップS1)。これは、基本仰向け姿勢に相当し、図92(1)並びに図93(1)に示すように、起き上がり動作に使用する肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14をそれぞれ連結するリンクはすべて接床している。このときの実機の状態を図94及び図112に示している。位置エネルギの最も小さい姿勢をとることにより、路面の傾斜や形状を計測して、起き上がり動作が可能かどうかを確認することができる。
First, in the posture on the floor, a posture with the smallest potential energy is searched (step S1). This corresponds to a basic supine posture, and as shown in FIG. 92 (1) and FIG. 93 (1), the shoulder
この基本仰向け姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形内で、最も狭い支持多角形を探索する(ステップS52)。このとき、機体の一端側から少なくとも2以上のリンクを離床させたときの、ZMP軌道が計画可能かどうかを判定する。ZMPの計画可能性は、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断することができる。 In this basic supine posture, the narrowest supporting polygon is searched for within the ground contact polygon formed by the floor contact link (step S52). At this time, it is determined whether or not a ZMP trajectory can be planned when at least two or more links are lifted off from one end of the body. The planning possibility of the ZMP can be determined in consideration of the movable angle of the link structure, the torque, joint force, angular velocity, angular acceleration, and the like of each joint actuator connecting the link.
次いで、接地多角形のうち、最も狭い支持多角形に関与しない2以上のリンクを離床する(ステップS53)。 Next, two or more links that are not involved in the narrowest supporting polygon among the grounding polygons are lifted off (step S53).
ステップS53は、図92(2)及び図93(2)に相当する。実機上では、体幹関節と股関節を連結する重心リンクを含む下半身側が支持多角形として抽出され、それ以外の肩関節から体幹関節に至る2以上のリンクを支持多角形に関与しないリンクとして離床する。 Step S53 corresponds to FIG. 92 (2) and FIG. 93 (2). On the actual machine, the lower body side including the center-of-gravity link connecting the trunk joint and the hip joint is extracted as a support polygon, and two or more other links from the shoulder joint to the trunk joint are taken off as links not involved in the support polygon. I do.
このときの実機の動作を図95〜図96、並びに図113〜図114に示している。図示の例では、まず、左右の両腕部を持ち上げてから、体幹関節ピッチ軸アクチュエータA9の駆動により、上体起こしを行なっている。腕部を先に持ち上げておくことにより、モーメントを小さくして、必要な最大トルクを低減することができる。 The operation of the actual machine at this time is shown in FIGS. 95 to 96 and FIGS. 113 to 114. In the illustrated example, first, the left and right arms are lifted, and then the trunk joint pitch axis actuator A9 is driven to raise the body. By lifting the arm first, the moment can be reduced and the required maximum torque can be reduced.
次いで、一端側から1以上の離床リンクを屈曲させてリンク端の端部を着床させて、より狭い接地多角形を形成する(ステップS54)。 Next, one or more outgoing links are bent from one end and the end of the link end is landed to form a narrower ground contact polygon (step S54).
ステップS54は、図92(3)及び図93(3)に相当する。実機上では、肩関節を含む2以上のリンクが離床している状態で、肩関節ピッチ軸で屈曲させて、そのリンク端の端部である手先を接床させる。そして、手先を機体重心位置である体幹ピッチ軸側に徐々に近づけていくことによって、元の床上姿勢よりも狭い接地多角形を形成する。 Step S54 corresponds to FIG. 92 (3) and FIG. 93 (3). On an actual machine, in a state where two or more links including the shoulder joint are off the floor, the link is bent along the shoulder joint pitch axis, and the hand, which is the end of the link end, is brought into contact with the floor. Then, by gradually approaching the hand to the trunk pitch axis side, which is the machine body weight center position, a grounding polygon narrower than the original on-floor posture is formed.
このときの実機の動作を図97〜図101、並びに図115〜図119に示している。図示の例では、左右の肩関節ロール軸A5の駆動により、左右の腕部を真横に広げた後、上腕ヨー軸A6の駆動により腕部の向きを一旦180度回転させてから(図98〜図99、図116〜図117)、肩関節ピッチ軸A4の駆動により、腕部を徐々に降下させていく。そして、手先を着床することによって、より狭い接地多角形を形成する(図101及び図119)。 The operation of the actual machine at this time is shown in FIGS. 97 to 101 and FIGS. 115 to 119. In the illustrated example, by driving the left and right shoulder joint roll axis A 5, after spread left and right arms just beside, from once rotated 180 degrees the direction of the arm portion by the drive of the upper arm yaw axis A 6 (FIG. 98 to FIG. 99, FIG. 116 to view 117), by driving the shoulder joint pitch axis a 4, gradually lowers the arms. Then, a smaller ground contact polygon is formed by landing on the hand (FIGS. 101 and 119).
このように新しい接地多角形を形成すると、接地多角形にZMPを設定することができるかどうかをチェックする(ステップS55)。これは、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。そして、ZMPを接地多角形に移動して、新たな支持多角形を形成する(ステップS56)。 When a new ground polygon is formed in this way, it is checked whether ZMP can be set for the ground polygon (step S55). This is determined in consideration of the movable angle of the link structure, the torque, joint force, angular velocity, angular acceleration, and the like of each joint actuator connecting the link. Then, the ZMP is moved to the ground polygon to form a new support polygon (step S56).
ここで、支持多角形が充分狭くなったか否かを判断する(ステップS57)。この判断は、体幹ピッチ軸と股関節ピッチ軸を連結する重心リンクを離床可能であるか、若しくは足部だけで形成できるZMP安定領域内にZMPを移動させることができるかどうかを、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。支持多角形が充分狭くなったかどうかを判断する詳細な手順については後述に譲る。 Here, it is determined whether or not the support polygon has become sufficiently narrow (step S57). This determination is made by determining whether the center of gravity link connecting the trunk pitch axis and the hip joint pitch axis can be released from the floor, or whether the ZMP can be moved into a ZMP stable region that can be formed only by the feet. Is determined in consideration of the movable angle of the joint, the torque, joint force, angular velocity, angular acceleration, and the like of each joint actuator connecting the link. The detailed procedure for determining whether the supporting polygon has become sufficiently narrow will be described later.
図101及び図119に示す実機の姿勢では、まだ支持多角形が充分狭いとは言えない。そこで、着床点を移動して支持多角形を小さくした後(ステップS50)、ステップS52に戻って、より狭い支持多角形の形成を再試行する。 In the posture of the actual machine shown in FIGS. 101 and 119, the supporting polygon is not yet sufficiently narrow. Therefore, after the landing point is moved to reduce the supporting polygon (step S50), the process returns to step S52 to retry forming a narrower supporting polygon.
図101及び図119に姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形内で、最も狭い支持多角形を探索する(ステップS52)。今度は、機体の他端側から少なくとも2以上のリンクを離床させたときの、ZMPが計画可能かどうかを判定する。ZMPの計画可能性は、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断することができる。 In the posture shown in FIGS. 101 and 119, the narrowest supporting polygon is searched for in the ground contact polygon formed by the floor contact link (step S52). This time, it is determined whether or not ZMP can be planned when at least two or more links have left the floor from the other end of the aircraft. The planning possibility of the ZMP can be determined in consideration of the movable angle of the link structure, the torque, joint force, angular velocity, angular acceleration, and the like of each joint actuator connecting the link.
次いで、接床多角形のうち、最も狭い支持多角形に関与しない2以上のリンクを離床する(ステップS53)。これは、図92(4)〜(5)及び図93(4)〜(5)に相当する。実機上では、膝関節ピッチ軸を含む他端側から連続する2以上のリンクを支持多角形に関与しないリンクとして離床する。 Next, two or more links that are not involved in the narrowest supporting polygon among the floor contact polygons are separated from the floor (step S53). This corresponds to FIGS. 92 (4) to (5) and FIGS. 93 (4) to (5). On the actual machine, two or more links continuous from the other end including the knee joint pitch axis are separated from the floor as links not involved in the support polygon.
そして、一端側から1以上の離床リンクを屈曲させてリンク端の端部を着床させて、より狭い接地多角形を形成する(ステップS54)。 Then, one or more outgoing links are bent from one end and the end of the link end is landed to form a narrower ground contact polygon (step S54).
このときの実機の動作を図102〜図105、並びに図120〜図123に示している。図示の例では、まず、右脚の股関節ピッチ軸A12の駆動により右脚を持ち上げてから、その膝関節アクチュエータA14の駆動により右脚を屈曲させて、その足底を着床する。次いで、脚の股関節ピッチ軸A12の駆動により右脚を持ち上げてから、その膝関節アクチュエータA14の駆動により左脚を屈曲させて、その足底を着床する。このようにして、足底を機体重心位置である股関節ピッチ軸12側に徐々に近づけていくことによって、元の床上姿勢よりも狭い接地多角形を形成することができる。
The operation of the actual machine at this time is shown in FIGS. 102 to 105 and FIGS. 120 to 123. In the illustrated example, first, by raising the right leg by the drive of the right leg of the hip joint pitch axis A 12, by bending the right leg by the drive of the knee joint actuator A 14, for landing the sole. Then, by raising the right leg by the drive of the hip joint pitch axis A 12 of the leg, by bending the left leg by the drive of the knee joint actuator A 14, for landing the sole. In this way, by gradually approaching the sole to the side of the hip
このように新しい接地多角形を形成すると、接地多角形にZMPを設定することができるかどうかをチェックする(ステップS55)。これは、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。そして、ZMPを接地多角形に移動して、新たな支持多角形を形成する(ステップS56)。 When a new ground polygon is formed in this way, it is checked whether ZMP can be set for the ground polygon (step S55). This is determined in consideration of the movable angle of the link structure, the torque, joint force, angular velocity, angular acceleration, and the like of each joint actuator connecting the link. Then, the ZMP is moved to the ground polygon to form a new support polygon (step S56).
ここで、支持多角形が充分狭くなったか否かを再び判断する(ステップS57)。この判断は、体幹ピッチ軸と股関節ピッチ軸を連結する重心リンクを離床可能であるか、若しくは足部だけで形成できるZMP安定領域内にZMPを移動させることができるかどうかを、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。図105及び図123に示す実機の姿勢では、充分狭い支持多角形が形成されていると判断される。支持多角形を縮小する際の腕の角度に関しては、肩の軸から床面方向に下ろした垂線と腕の中心軸がなす角度は、トルク量に基づく所定角度内であることが望ましい。 Here, it is determined again whether or not the supporting polygon has become sufficiently narrow (step S57). This determination is made by determining whether the center of gravity link connecting the trunk pitch axis and the hip joint pitch axis can be released from the floor, or whether the ZMP can be moved into a ZMP stable region that can be formed only by the feet. Is determined in consideration of the movable angle of the joint, the torque, joint force, angular velocity, angular acceleration, and the like of each joint actuator connecting the link. In the posture of the actual machine shown in FIGS. 105 and 123, it is determined that a sufficiently narrow supporting polygon is formed. Regarding the angle of the arm when the supporting polygon is reduced, it is desirable that the angle formed by the central axis of the arm and the vertical line lowered from the shoulder axis to the floor surface is within a predetermined angle based on the torque amount.
そして、機体の支持多角形が充分に狭くなったことに応答して、支持多角形の両リンク端の端部を接床した状態で前記重心リンクを離床し、両リンク端の着床リンクによって形成される支持多角形内にZMPを維持しながら、支持多角形を形成する両リンク端の端部の間隔を縮めて、ZMPを前記リンク構造体の他端側に移動させていく(ステップS58)。これは、図92(6)〜(7)、並びに図93(6)〜(7)に相当する。 Then, in response to the support polygon of the fuselage becoming sufficiently narrow, the center of gravity link is lifted off with the ends of both link ends of the support polygon touching the floor, and the landing links at both link ends are used. While maintaining the ZMP in the support polygon to be formed, the distance between the ends of both link ends forming the support polygon is reduced, and the ZMP is moved to the other end of the link structure (step S58). ). This corresponds to FIGS. 92 (6) to (7) and FIGS. 93 (6) to (7).
実機上では、接地多角形の両リンク端の端部としての手先及び足底を接床した状態で体幹ピッチ軸及び股関節ピッチ軸を連結した前記重心リンクを離床し、さらに、手先及び足底の間隔を徐々に縮めていき、ZMPを足底に向かって移動させていく。また、このときの実機の動作を図106〜図109、並びに図124〜図127に示している。 On the actual machine, the center-of-gravity link connecting the trunk pitch axis and the hip joint pitch axis is lifted off with the hand and sole as the ends of both link ends of the ground polygon contacting each other. Is gradually reduced, and the ZMP is moved toward the sole. The operation of the actual machine at this time is shown in FIGS. 106 to 109 and FIGS. 124 to 127.
そして、前記リンク構造体の他端から第2の所定数以下の接床リンクのみで形成される接地多角形内にZMPが突入したことに応答して、ZMPを該接地多角形内に収容したまま前記リンク構造体の一端側から第1の所定数以上のリンクを離床して、該離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させる(ステップS59)。これは、図92(8)、並びに図93(8)に相当する。 Then, in response to the ZMP rushing into the grounding polygon formed by only the second predetermined number or less of floor contact links from the other end of the link structure, the ZMP was housed in the grounding polygon. The first predetermined number or more links are left from one end of the link structure as it is, and the left links are extended in the length direction to complete the rising operation (step S59). This corresponds to FIGS. 92 (8) and 93 (8).
実機上では、足底で構成される接地多角形内にZMPが突入したことに応答して、ZMPを該接地多角形内に収容したまま、肩ピッチ軸4から膝ピッチ軸14に至までのリンクを離床して、離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させる。また、このときの実機の動作を図110〜図111、並びに図128〜図129に示している。
On the actual machine, in response to the ZMP rushing into the grounding polygon formed by the sole, the ZMP is accommodated in the grounding polygon, and the ZMP is moved from the
起き上がりの最終段階である、離床リンクを長さ方向に伸展する際には、質量操作量のより大きな膝関節ピッチ軸を積極的に使用して動作することが、機体動作上の効率がよい。 When extending the leaving link in the longitudinal direction, which is the final stage of getting up, it is efficient to operate the airframe actively by using the knee joint pitch axis having a larger mass operation amount.
なお、ステップS53において、最も小さい支持多角形に関与しない2以上のリンクを離床することができない場合には、最大の支持多角形より内側の2以上の着床リンクを離床することを試みる(ステップS61)。 In step S53, if two or more links not involved in the smallest support polygon cannot be lifted off, an attempt is made to release two or more landing links inside the largest support polygon (step S53). S61).
ステップS61を実行できない場合には、起き上がり動作を中止する(ステップS64)。また、ステップS61を成功裏に実行することができる場合には、さらに、着床点を移動させて、支持多角形をさらに小さくする(ステップS62)。 If step S61 cannot be executed, the rising operation is stopped (step S64). If step S61 can be executed successfully, the landing point is further moved to further reduce the supporting polygon (step S62).
ステップS62を実行できない場合には、起き上がり動作を中止する(ステップS64)。また、ステップS62を成功裏に実行することができる場合には、足部で形成できる安定領域にZMPを移動することができるかどうかをチェックする(ステップS63)。支持多角形が充分狭くなったかどうかを判断する詳細な手順については後述に譲る。この安定領域内にZMPを移動することができない場合には、ステップS61に戻って、支持多角形を小さくするための同様の処理を繰り返し実行する。また、この安定領域内にZMPを移動させることができた場合には、ステップS58に進んで、基本姿勢への復帰動作を行なう。 If step S62 cannot be executed, the rising operation is stopped (step S64). If step S62 can be executed successfully, it is checked whether the ZMP can be moved to a stable area that can be formed by the foot (step S63). The detailed procedure for determining whether the supporting polygon has become sufficiently narrow will be described later. If the ZMP cannot be moved within the stable area, the process returns to step S61, and the same processing for reducing the supporting polygon is repeatedly executed. If the ZMP can be moved within the stable region, the process proceeds to step S58, and the operation of returning to the basic posture is performed.
ところで、ステップS53〜S54において、左右の手先を胴体後方で着床してより狭い接地多角形を形成するために、図97〜図98並びに図115〜図116に示すように、肩ロール軸を用いて左右の腕部を真横に広げるという動作を経ている。これは、脚式移動ロボット100が起き上がり作業を行なうための使用体積をいたずらに増大させてしまっている。そこで、図96〜図101並びに図113〜図119に示す一連の動作を、肩ロール軸を動作させず、代わりに肘ピッチ軸を屈曲させるという図130及び図131に示す動作に置き換えて、より小さな使用体積で左右の手先を胴体後方で着床するようにしてもよい。 By the way, in steps S53 to S54, as shown in FIGS. 97 to 98 and FIGS. 115 to 116, the shoulder roll shaft is The left and right arms are spread right beside by using this. This unnecessarily increases the volume used for the legged mobile robot 100 to get up and perform work. Therefore, the series of operations shown in FIGS. 96 to 101 and FIGS. 113 to 119 are replaced with the operations shown in FIGS. 130 and 131 in which the shoulder roll axis is not operated and the elbow pitch axis is bent instead. The left and right hands may be landed behind the torso with a small used volume.
上述した起き上がり動作手順では、ステップS57及びS63において、支持多角形が充分狭くなったかどうかを判断する必要がある。図173には、支持多角形が充分狭くなったかどうかを判断するための処理手順をフローチャートの形式で示している。 In the rising operation procedure described above, it is necessary to determine in steps S57 and S63 whether or not the support polygon has become sufficiently narrow. FIG. 173 shows, in the form of a flowchart, a processing procedure for determining whether or not the support polygon has become sufficiently narrow.
まず、ZMP偏差ε(εx,εy,εz)、すなわち足部が形成できる安定領域の中心位置(x0,y0,z0)と現在のZMP位置(x,y,z)との差分を求める(ステップS71)。 First, the ZMP deviation ε (ε x , ε y , ε z ), that is, the center position (x 0 , y 0 , z 0 ) of the stable region where the foot can be formed and the current ZMP position (x, y, z) Is obtained (step S71).
次いで、このZMP偏差ε(εx,εy,εz)に所定のゲインG(Gx,Gy,Gz)を掛算したものを現在の腰の位置r(rhx(t),rhy(t),rhz(t))に加えて、次の時刻t=t+Δtにおける目標腰位置r(rhx(t+Δt),rhy(t+Δt),rhz(t+Δt))(=r(rhx(t),rhy(t),rhz(t))+G(Gx,Gy,Gz)×ε(εx,εy,εz))にする(ステップS72)。 Next, a value obtained by multiplying the ZMP deviation ε (ε x , ε y , ε z ) by a predetermined gain G (G x , G y , G z ) is used as the current waist position r (r hx (t) , r ) . hy (t) , rhz (t) ) and the target waist position r ( rhx (t + Δt) , rhy (t + Δt) , rhz (t + Δt) at the next time t = t + Δt. ) (= r (r hx ( t), r hy (t), r hz (t)) + G (G x, G y, G z) × ε (ε x, ε y, ε z) to) ( Step S72).
そして、次の目標腰位置で現在の支持多角形を形成することができるかどうかを判別する(ステップS73)。この判別は、着床リンクの着床点を維持しながら、次の目標腰位置を計算することによって行なわれる。すなわち、腰位置と着床点から逆運動学計算を行ない、可動角度以内で且つ関節アクチュエータの許容トルク以内であれば実現可能と判断される。 Then, it is determined whether or not the current support polygon can be formed at the next target waist position (step S73). This determination is made by calculating the next target waist position while maintaining the landing point of the landing link. That is, inverse kinematics calculation is performed from the waist position and the landing point, and it is determined that the calculation is feasible if it is within the movable angle and within the allowable torque of the joint actuator.
次の目標腰位置で現在の支持多角形を形成することができなければ、足部が形成できる安定領域内にZMPを移動することが不可能であるとして、本処理ルーチン全体を終了する。 If the current support polygon cannot be formed at the next target waist position, it is determined that it is impossible to move the ZMP within the stable area where the foot can be formed, and the entire processing routine ends.
他方、次の目標腰位置で現在の支持多角形を形成することができるならば、さらに、次の目標腰位置に腰を移動した場合の(すなわち次の)ZMPを算出する(ステップS74)。 On the other hand, if the current support polygon can be formed at the next target waist position, further, the ZMP when the hip is moved to the next target waist position (that is, the next) is calculated (step S74).
次いで、足部が形成できる安定領域内にZMPが存在するかどうかを判別する(ステップS75)。判別結果が肯定的であれば、足部が形成できる安定領域内にZMPを移動することができると判断して(ステップS76)、本処理ルーチン全体を終了する。他方、判別結果が否定的であれば、次の腰位置を現在の腰位置に、次のZMPを現在のZMPにした後、ステップS71に戻って同様の処理を繰り返し実行する。 Next, it is determined whether or not ZMP exists in a stable area where a foot can be formed (step S75). If the determination result is affirmative, it is determined that the ZMP can be moved into the stable area where the foot can be formed (step S76), and the entire processing routine ends. On the other hand, if the determination result is negative, the next waist position is set to the current waist position, the next ZMP is set to the current ZMP, and the process returns to step S71 to repeat the same processing.
なお、図130及び図131に示す動作例では、上腕の長さをl1、前腕の長さをl2、肩ロール角をα、肘ピッチ角をベータ、肩から手先までの長さをl12、肩から手先を結ぶ線のなす角をγ、肩の高さをhと置くと(図132)、左右の手先を胴体後方で着床する動作期間中は、以下の式を満たすように肘ピッチ軸7を動作させることにより、手先が床面と衝突することはない。
In the operation examples shown in FIGS. 130 and 131, the length of the upper arm is l 1 , the length of the forearm is l 2 , the shoulder roll angle is α, the elbow pitch angle is beta, and the length from the shoulder to the hand is l. 12. If the angle between the line connecting the shoulder and the hand is γ, and the height of the shoulder is h (FIG. 132), the following formula should be satisfied during the operation period in which the left and right hands land on the back of the torso. By operating the
また、図92に示す起き上がり動作パターンは、脚式移動ロボットの機体が肩関節ピッチ軸、体幹ピッチ軸、股関節ピッチ軸、膝ピッチ軸が機体の高さ方向に連結されてなるリンク構造体にモデル化して起き上がり動作を示している。図133には、脚式移動ロボットを略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結したリンク構造体に一般化して、起き上がり動作を示している。 The rising motion pattern shown in FIG. 92 is based on a link structure in which the body of the legged mobile robot is connected to the shoulder pitch axis, the trunk pitch axis, the hip joint pitch axis, and the knee pitch axis in the height direction of the body. Modeling shows a rising motion. FIG. 133 shows a standing motion in which a legged mobile robot is generalized to a link structure in which a plurality of joint axes having substantially parallel joint degrees of freedom are connected in the length direction.
同図に示すリンク構造体は、略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結して構成される。すべてのリンクが接床している床上姿勢からの起き上がり動作を、リンクA、リンクB、リンクC、リンクD、リンクE、並びにリンクFを用いて実現する。 The link structure shown in the figure is configured by connecting a plurality of joint axes having substantially parallel joint degrees of freedom in the longitudinal direction. A rising operation from a posture above the floor where all the links are in contact with the floor is realized by using links A, B, C, D, E and F.
但し、リンクA〜Fは、それぞれ単一のリンクである必要はなく、実際には複数のリンクが関節軸を介して連結されているが、起き上がり動作の期間中は関節軸が作動せずリンク間の真直性が保たれて、あたかも単一のリンクであるように振る舞う場合も含むものとする。例えば、リンクAはリンク端からh番目までのリンクを含み、リンクBはh番目以降i番目までのリンクを含み、リンクCは、i番目以降j番目までのリンクを含み、リンクDはj番目以降k番目までのリンクを含み、リンクEはk番目以降l番目までのリンクを含み、リンクFはl番目以降m番目(若しくはリンクの他端)までのリンクを含んである。 However, the links A to F need not be single links, and a plurality of links are actually connected via a joint axis. However, during the rising operation, the link does not operate and the link does not operate. This also includes the case where the straightness between them is maintained and the user acts as if it were a single link. For example, link A includes the links from the link end to the h-th link, link B includes the links from the h-th to the i-th link, link C includes the links from the i-th to the j-th link, and link D includes the j-th link. The link E includes links from the k-th to the l-th link, and the link F includes links from the l-th to the m-th link (or the other end of the link).
まず、F番目リンクとA番目リンクの間に接地多角形を形成して、この接地多角形内にZMPを設定する(図133(1))。 First, a ground polygon is formed between the F-th link and the A-th link, and ZMP is set in the ground polygon (FIG. 133 (1)).
次いで、E番目リンクとA番目リンクの間の接地多角形内にZMPを設定する(図133(2))。このとき、リンク端から2以上のリンクを離床させるなどF番目リンクの運動を用いてもよい。 Next, ZMP is set in the ground polygon between the E-th link and the A-th link (FIG. 133 (2)). At this time, the movement of the F-th link may be used, such as releasing two or more links from the link ends.
次いで、F番目リンクとA番目リンクの間により狭い接地多角形を新たに形成して、この接地多角形内にZMPを設定する(図133(3))。例えば離床中のF番目リンクを屈曲させてその端部を着床させて、新しい接地多角形を形成する。 Next, a narrower ground polygon is newly formed between the F-th link and the A-th link, and ZMP is set in the ground polygon (FIG. 133 (3)). For example, the F-th link that is leaving the floor is bent and its end is landed to form a new ground polygon.
次いで、F番目リンクとD番目またはC番目リンクの間で接地多角形を新たに形成して、この接地多角形内にZMPを設定する(図133(4))。このとき、他方のリンク端から2以上のリンクを離床させるなどA番目リンクの運動を用いてもよい。 Next, a ground contact polygon is newly formed between the F-th link and the D-th or C-th link, and a ZMP is set in the ground polygon (FIG. 133 (4)). At this time, the movement of the A-th link may be used, such as releasing two or more links from the other link end.
次いで、D番目リンクを接地させて、F番目リンク及びA番目リンクで接地多角形を新たに形成して、この接地多角形内にZMPを設定する(図133(5))。例えば離床中のA番目リンクを屈曲させてその端部を着床させて、新しい接地多角形を形成する。 Next, the D-th link is grounded, a new ground polygon is formed by the F-th link and the A-th link, and ZMP is set in the ground polygon (FIG. 133 (5)). For example, the A-th link that is leaving the floor is bent and its end is landed to form a new ground polygon.
次いで、F番目リンクとA番目リンクで接地多角形を新たに形成して、この接地多角形内にZMPを設定する(図133(6))。例えば、両方のリンク端の端点を着床したままで、着床中のD番目リンクを離床させる。 Next, a ground polygon is newly formed by the F-th link and the A-th link, and ZMP is set in the ground polygon (FIG. 133 (6)). For example, with the end points of both link ends still landing, the D-th link during landing is released.
次いで、両方のリンク端F及びAの端点を一致させることにより、A番目のリンクのみが形成する支持多角形内にZMPを移動させる(図133(7))。 Next, the ZMP is moved into the supporting polygon formed only by the A-th link by matching the end points of both link ends F and A (FIG. 133 (7)).
そして最後に、A番目リンクのみが形成する支持多角形内にZMPを設定しながら、各リンクを基本立ち姿勢へ移動させる(図133(8))。 Finally, each link is moved to the basic standing posture while setting the ZMP in the supporting polygon formed only by the A-th link (FIG. 133 (8)).
F−2.基本うつ伏せ姿勢からの起き上がりオペレーション
図134には、本実施形態に係る脚式移動ロボット100が肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14を同期強調的に駆動させて起き上がり動作を行なう様子を、関節リンク・モデルで示している。
F-2. The Operation Figure 134 rising from base prone posture, the legged mobile robot 100 according to this embodiment is a shoulder
本実施形態に係る脚式移動ロボット100は、基本的には、仰向け姿勢から起き上がる場合と同様に、図91にフローチャートの形式で示した処理手順に従って、うつ伏せ姿勢からも起き上がることができる。以下、図91に示したフローチャートを参照しながら、基本うつ伏せ姿勢からの機体の起き上がりオペレーションについて説明する。 The legged mobile robot 100 according to the present embodiment can basically rise from the prone posture in accordance with the processing procedure shown in the flow chart form in FIG. 91 in the same manner as when rising from the supine posture. Hereinafter, the operation of raising the aircraft from the basic prone position will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
まず、床上姿勢において、位置エネルギの最も小さい姿勢をとる(ステップS51)。これは、基本うつ伏せ姿勢に相当し、図134(1)に示すように、起き上がり動作に使用する肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14をそれぞれ連結するリンクはすべて接床している。このときの実機の状態を図135及び図154に示している。
First, in the posture on the floor, the posture with the smallest potential energy is taken (step S51). This corresponds to a basic prone posture, and as shown in FIG. 134 (1), the shoulder
この基本うつ伏せ姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形内で、最も狭い支持多角形を探索する(ステップS52)。このとき、機体の一端側から少なくとも2以上のリンクを離床させたときの、ZMPが計画可能かどうかを判定する。ZMPの計画可能性は、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断することができる。 In this basic prone position, the narrowest supporting polygon is searched for in the grounding polygon formed by the floor contact link (step S52). At this time, it is determined whether or not ZMP can be planned when at least two or more links are lifted off from one end of the body. The planning possibility of the ZMP can be determined in consideration of the movable angle of the link structure, the torque, joint force, angular velocity, angular acceleration, and the like of each joint actuator connecting the link.
次いで、接地多角形のうち、最も狭い支持多角形に関与しない2以上のリンクを離床する(ステップS53)。ステップS53は、図134(2)に相当する。実機上では、体幹関節と股関節を連結する重心リンクを含む下半身側が支持多角形として抽出され、それ以外の肩関節から体幹関節に至る2以上のリンクを支持多角形に関与しないリンクとして離床する。 Next, two or more links that are not involved in the narrowest supporting polygon among the grounding polygons are lifted off (step S53). Step S53 corresponds to FIG. 134 (2). On the actual machine, the lower body side including the center-of-gravity link connecting the trunk joint and the hip joint is extracted as a support polygon, and two or more other links from the shoulder joint to the trunk joint are taken off as links not involved in the support polygon. I do.
このときの実機の動作を図136〜図144、並びに図155〜図163に示している。図示の例では、まず、左右の両腕部の肩ロール軸アクチュエータA5を作動させて、床面に摺って肩ロール軸回りに略90度だけ旋回させて(図136〜図137、並びに図155〜図156)、次いで、上腕ヨー軸アクチュエータA6を作動させて、各腕部を上腕ヨー軸回りに略180度だけ回転させる(図138並びに図157)。そして、さらに肩ロール軸アクチュエータA5を作動させて、摺って肩ロール軸回りに略90度だけ旋回させて、各腕部を頭部の側面まで移動する(図138〜図141、並びに図157〜図160)。 The operation of the actual machine at this time is shown in FIGS. 136 to 144 and FIGS. 155 to 163. In the illustrated example, first, by operating the shoulder roll axis actuator A 5 of both arms of the left and right, and grinded on the floor by pivoting by approximately 90 degrees to the shoulder roll axis (Fig. 136 to view 137, and Figure 155~ Figure 156), then, by operating the upper arm yaw axis actuator a 6, each arm portion is rotated by about 180 degrees to the upper arm yaw axis (Fig. 138 and Fig. 157). Then, further actuates the shoulder roll axis actuator A 5, swirled by approximately 90 degrees to the shoulder roll axis Inhale, each arm portion is moved to the side of the head (Fig 138~ view 141 and, FIG. 157 to FIG. 160).
図136〜図141、並びに図165〜図170に示す一連の動作では、左右の腕部は床面上で半円を描く格好となっている。このとき、機体周辺の路面において障害物の有無を検出したりして、起き上がり動作に必要な安全な作業領域の確保を行なうことができる。 In the series of operations shown in FIGS. 136 to 141 and FIGS. 165 to 170, the left and right arms are shaped like drawing a semicircle on the floor. At this time, the presence or absence of an obstacle on the road surface around the machine body can be detected to secure a safe working area required for the rising operation.
次いで、一端側から1以上の離床リンクを屈曲させてリンク端の端部を着床させて、より狭い接地多角形を形成する(ステップS54)。ステップS54は、図134(3)に相当する。 Next, one or more outgoing links are bent from one end and the end of the link end is landed to form a narrower ground contact polygon (step S54). Step S54 corresponds to FIG. 134 (3).
そして、新しい接地多角形を形成すると、接地多角形にZMPを設定することができるかどうかをチェックする(ステップS55)。これは、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。そして、ZMPを接地多角形に移動して、新たな支持多角形を形成する(ステップS56)。 Then, when a new ground polygon is formed, it is checked whether a ZMP can be set for the ground polygon (step S55). This is determined in consideration of the movable angle of the link structure, the torque, joint force, angular velocity, angular acceleration, and the like of each joint actuator connecting the link. Then, the ZMP is moved to the ground polygon to form a new support polygon (step S56).
実機上では、肘ピッチ軸7を固定させて、左右の腕部を真直ぐ伸ばしたままの状態で、今度は肩ピッチ軸アクチュエータA4、体幹ピッチ軸アクチュエータA9、股関節ピッチ軸A12、並びに膝関節ピッチ軸アクチュエータA14を作動させて、手先と左右の両膝が接地した閉リンク姿勢からなる支持多角形を形成する(図142〜図144、並びに図161〜図163)。
On the actual machine, with the
図144及び図153に示す実機の姿勢では、まだ支持多角形が充分狭いとは言えない。そこで、着床点を移動して支持多角形を小さくする(ステップS60)。支持多角形を縮小する際の腕の角度に関しては、肩の軸から床面方向に下ろした垂線と腕の中心軸がなす角度は、トルク量に基づく所定角度内であることが望ましい。 144 and 153, the supporting polygon is not yet sufficiently narrow. Therefore, the landing point is moved to reduce the supporting polygon (step S60). Regarding the angle of the arm when the supporting polygon is reduced, it is desirable that the angle formed by the central axis of the arm and the vertical line lowered from the shoulder axis to the floor surface is within a predetermined angle based on the torque amount.
実機上では、左右の腕部をまっすぐに保ったまま、手先を他方の着床点である足底側に徐々に近づけていくことによって、より狭い支持多角形を形成していく(図145〜図148、並びに図164〜図167)。 On the actual machine, a narrower support polygon is formed by gradually approaching the hand to the sole, which is the other landing point, while keeping the left and right arms straight (FIGS. 145 to 145). 148, and FIGS. 164 to 167).
ここで、支持多角形が充分狭くなったか否かを判断する(ステップS57)。この判断は、体幹ピッチ軸と股関節ピッチ軸を連結する重心リンクを離床可能であるか、若しくは足部だけで形成できるZMP安定領域内にZMPを移動させることができるかどうかを、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。図148及び図165に示す実機の姿勢では、充分狭い支持多角形が形成されていると判断される。 Here, it is determined whether or not the support polygon has become sufficiently narrow (step S57). This determination is made by determining whether the center of gravity link connecting the trunk pitch axis and the hip joint pitch axis can be released from the floor, or whether the ZMP can be moved into a ZMP stable region that can be formed only by the feet. Is determined in consideration of the movable angle of the joint, the torque, joint force, angular velocity, angular acceleration, and the like of each joint actuator connecting the link. 148 and 165, it is determined that a sufficiently narrow supporting polygon is formed.
そして、機体の支持多角形が充分に狭くなったことに応答して両リンク端の着床リンクによって形成される支持多角形内にZMPを維持しながら、支持多角形を形成する両リンク端の端部の間隔を縮めて、ZMPを前記リンク構造体の他端側に移動させていく(ステップS58)。これは、図134(6)〜(7)に相当する。 Then, in response to the support polygon of the fuselage having become sufficiently narrow, the ZMP is maintained within the support polygon formed by the landing links at both link ends, and the two link ends forming the support polygon are maintained. The distance between the ends is reduced, and the ZMP is moved to the other end of the link structure (step S58). This corresponds to FIGS. 134 (6) to 134 (7).
実機上では、接地多角形の両リンク端の端部としての手先及び足底を接床した状態で、さらに手先及び足底の間隔を徐々に縮めていき、ZMPを足底に向かって移動させていく。また、このときの実機の動作を図149〜図150、並びに図168〜図169に示している。 On the actual machine, with the hand and sole as the ends of both link ends of the grounding polygon touching the floor, the distance between the hand and sole is gradually reduced, and the ZMP is moved toward the sole. To go. The operation of the actual machine at this time is shown in FIGS. 149 to 150 and FIGS. 168 to 169.
そして、前記リンク構造体の他端から第2の所定数以下の接床リンクのみで形成される接地多角形内にZMPが突入したことに応答して、ZMPを該接地多角形内に収容したまま前記リンク構造体の一端側から第1の所定数以上のリンクを離床して、該離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させる(ステップS59)。これは、図134(8)に相当する。 Then, in response to the ZMP rushing into the grounding polygon formed by only the second predetermined number or less of floor contact links from the other end of the link structure, the ZMP was housed in the grounding polygon. The first predetermined number or more links are left from one end of the link structure as it is, and the left links are extended in the length direction to complete the rising operation (step S59). This corresponds to FIG. 134 (8).
実機上では、足底で構成される接地多角形内にZMPが突入したことに応答して、ZMPを該接地多角形内に収容したまま、肩ピッチ軸4から膝ピッチ軸14に至までのリンクを離床して、離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させる。また、このときの実機の動作を図151〜図153、並びに図170〜図172に示している。
On the actual machine, in response to the ZMP rushing into the grounding polygon formed by the sole, the ZMP is accommodated in the grounding polygon, and the ZMP is moved from the
起き上がりの最終段階である、離床リンクを長さ方向に伸展する際には、質量操作量のより大きな膝関節ピッチ軸を積極的に使用して動作することが、機体動作上の効率がよい。 When extending the leaving link in the longitudinal direction, which is the final stage of getting up, it is efficient to operate the airframe actively by using the knee joint pitch axis having a larger mass operation amount.
F−3.他の起き上がりオペレーションの例
図91で示した起き上がりオペレーションでは、ZMP支持多角形が最小となるような姿勢を時系列的に組み合わせることによって、外力モーメントが最小となる動作パターンよりなる起き上がり動作を行なうこととした。この動作では、より小さな支持多角形を順次形成していく過程において、手部や足部の踏み替え動作を利用していた。しかしながら、踏み替え動作を実現するためには、手部又は足部が離床する必要があり、支持多角形に関与しない2以上のリンクがなければならず、機体の姿勢によっては踏み替え動作を行なえない場合があり、この場合は起き上がり動作そのものが破綻してしまう(図91のステップS64)。
F-3. Another example of the rising operation In the rising operation shown in FIG. 91, by performing a chronological combination of postures in which the ZMP supporting polygon is minimized, a rising operation having an operation pattern in which the external force moment is minimized is performed. And In this operation, in the process of successively forming smaller supporting polygons, a step change operation of a hand or a foot is used. However, in order to realize the step change operation, it is necessary that the hand or the foot part gets out of the floor, and there must be two or more links that are not involved in the supporting polygon, and the step change operation may be performed depending on the attitude of the aircraft. In some cases, the rising operation itself breaks down (step S64 in FIG. 91).
これに対し、より小さな支持多角形を順次形成していく過程において、手部や足部の踏み替え動作を実現できない場合には、手部や足部の引き摺り動作を利用することにより、起き上がり動作が破綻してしまう機会を少なくすることができる。以下では、より小さな支持多角形を順次形成していく過程において、手部や足部の踏み替え動作と引き摺り動作を利用した起き上がりオペレーションについて説明する。 On the other hand, in the process of successively forming smaller supporting polygons, if the stepping operation of the hand or the foot cannot be realized, the rising operation is performed by using the drag operation of the hand or the foot. Can be reduced. In the following, in the process of successively forming smaller supporting polygons, a rising operation using a step change operation of a hand or a foot and a drag operation will be described.
図174には、手部や足部の踏み替え動作と引き摺り動作を利用した起き上がりオペレーションをフローチャートの形式で示している。以下、この起き上がり動作手順について説明する。図175〜図191には、基本うつ伏せ姿勢から手部又は足部の踏み替え動作又は引き摺り動作を利用しながら機体が起き上がりを行なう様子を順に示している。以下では、各図を適宜参照する。 FIG. 174 shows, in the form of a flowchart, a rising operation using a step change operation of a hand or a foot and a drag operation. Hereinafter, the rising operation procedure will be described. FIG. 175 to FIG. 191 sequentially show how the airframe rises up from the basic prone position while using the hand or foot stepping operation or the dragging operation. Hereinafter, each drawing will be referred to as appropriate.
まず、床上姿勢において、位置エネルギの最も小さい姿勢をとる(ステップS81)。これは、基本うつ伏せ姿勢に相当し、このときの実機の状態を図175に示している。 First, in the posture on the floor, the posture with the smallest potential energy is taken (step S81). This corresponds to the basic prone posture, and the state of the actual machine at this time is shown in FIG.
但し、転倒動作と連続して起き上がり行なう場合は、ステップS81を省略することにより、短時間で起き上がり動作を完了させることができる(後述)。 However, in a case where the user rises up continuously with the overturning operation, the step-up operation can be completed in a short time by omitting step S81 (described later).
この基本うつ伏せ姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形内で、最も狭い支持多角形を探索する(ステップS82)。このとき、機体の一端側から少なくとも2以上のリンクを離床させたときの、ZMPが計画可能かどうかを判定する。ZMPの計画可能性は、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断することができる。 In this basic prone position, the narrowest supporting polygon is searched for in the grounding polygon formed by the floor contact link (step S82). At this time, it is determined whether or not ZMP can be planned when at least two or more links are lifted off from one end of the body. The planning possibility of the ZMP can be determined in consideration of the movable angle of the link structure, the torque, joint force, angular velocity, angular acceleration, and the like of each joint actuator connecting the link.
ここで、最も小さい支持多角形に関与しないリンクの2つ以上を離床することができるかどうかを判断する(ステップS83)。最小の支持多角形に関与しない2以上のリンクを離床することができる場合には、次ステップS84へ進み、手部又は足部の踏み替え動作によるより小さい接地多角形の形成を行なう。一方、離床することができない場合には、ステップS91へ進み、手部又は足部の引き摺り動作を利用してより小さい接地多角形の形成を行なう。 Here, it is determined whether or not two or more of the links not involved in the smallest supporting polygon can be left (step S83). If two or more links that are not involved in the minimum support polygon can be released from the floor, the process proceeds to the next step S84, where a smaller grounded polygon is formed by the stepping operation of the hand or the foot. On the other hand, if it is not possible to leave the floor, the process proceeds to step S91, and a smaller grounded polygon is formed using the drag operation of the hand or foot.
ステップS84では、最も小さい支持多角形に関与しないリンクの2つ以上を離床させ、さらに、離床リンクを屈曲及び着床させて、より小さい接地多角形を形成する(ステップS85)。 In step S84, two or more of the links that are not involved in the smallest supporting polygon are released from the floor, and the exit links are bent and landed to form a smaller grounded polygon (step S85).
例えば、図179〜図181、並びに図184〜図186において、両手両足を接地して起き上がり途上のロボットが、左足と右足を踏み替えながら、図175、図182〜図183、図185、図187に示すように離床リンクを屈曲及び着床させて、より小さい接地多角形の形成を試みている。 For example, in FIG. 179 to FIG. 181 and FIG. 184 to FIG. 186, while the robot rising while touching both hands and feet touches the left foot and the right foot, FIG. 175, FIG. 182 to FIG. 183, FIG. As shown in FIG. 5, the exit link is bent and landed to form a smaller ground contact polygon.
そして、新しい接地多角形を形成すると、接地多角形にZMPを設定することができるかどうかをチェックする(ステップS86)。これは、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。そして、ZMPを接地多角形に移動して、新たな支持多角形を形成する(ステップS87)。接地多角形にZMPを設定することができない場合には、ステップS83に戻り、手部や足部の踏み替え動作又は引き摺り動作のいずれを実行すべきかを改めてチェックする。 Then, when a new ground polygon is formed, it is checked whether ZMP can be set for the ground polygon (step S86). This is determined in consideration of the movable angle of the link structure, the torque, joint force, angular velocity, angular acceleration, and the like of each joint actuator connecting the link. Then, the ZMP is moved to the ground polygon to form a new support polygon (step S87). If the ZMP cannot be set for the contact polygon, the process returns to step S83 to check again whether to perform the step change operation or the drag operation of the hand or the foot.
ここで、支持多角形が充分狭くなったか否かを判断する(ステップS88)。この判断は、体幹ピッチ軸と股関節ピッチ軸を連結する重心リンクを離床可能であるか、若しくは足部だけで形成できるZMP安定領域内にZMPを移動させることができるかどうかを、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。 Here, it is determined whether or not the support polygon has become sufficiently narrow (step S88). This determination is made by determining whether the center of gravity link connecting the trunk pitch axis and the hip joint pitch axis can be released from the floor, or whether the ZMP can be moved into a ZMP stable region that can be formed only by the feet. Is determined in consideration of the movable angle of the joint, the torque, joint force, angular velocity, angular acceleration, and the like of each joint actuator connecting the link.
そして、機体の支持多角形が充分に狭くなったことに応答して両リンク端の着床リンクによって形成される支持多角形内にZMPを維持しながら、支持多角形を形成する両リンク端の端部の間隔を縮めて、ZMPを前記リンク構造体の他端側に移動させていく(ステップS89)。 Then, in response to the support polygon of the fuselage having become sufficiently narrow, the ZMP is maintained within the support polygon formed by the landing links at both link ends, and the two link ends forming the support polygon are maintained. The distance between the ends is reduced, and the ZMP is moved to the other end of the link structure (step S89).
実機上では、接地多角形の両リンク端の端部としての手先及び足底を接床した状態で、さらに手先及び足底の間隔を徐々に縮めていき、ZMPを足底に向かって移動させていく。また、このときの実機の動作を図188〜図189に示している。 On the actual machine, with the hand and sole as the ends of both link ends of the grounding polygon touching the floor, the distance between the hand and sole is gradually reduced, and the ZMP is moved toward the sole. To go. 188 to 189 show the operation of the actual machine at this time.
そして、前記リンク構造体の他端から第2の所定数以下の接床リンクのみで形成される接地多角形内にZMPが突入したことに応答して、ZMPを該接地多角形内に収容したまま前記リンク構造体の一端側から第1の所定数以上のリンクを離床して、該離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させる(ステップS90)。 Then, in response to the ZMP rushing into the grounding polygon formed by only the second predetermined number or less of floor contact links from the other end of the link structure, the ZMP was housed in the grounding polygon. A first predetermined number or more of links are left from one end of the link structure as they are, and the left links are extended in the length direction to complete the rising operation (step S90).
実機上では、足底で構成される接地多角形内にZMPが突入したことに応答して、ZMPを該接地多角形内に収容したまま、肩ピッチ軸4から膝ピッチ軸14に至までのリンクを離床して、離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させる。また、このときの実機の動作を図190〜図191に示している。
On the actual machine, in response to the ZMP rushing into the grounding polygon formed by the sole, the ZMP is accommodated in the grounding polygon, and the ZMP is moved from the
起き上がりの最終段階である、離床リンクを長さ方向に伸展する際には、質量操作量のより大きな膝関節ピッチ軸を積極的に使用して動作することが、機体動作上の効率がよい。 When extending the leaving link in the longitudinal direction, which is the final stage of getting up, it is efficient to operate the airframe actively by using the knee joint pitch axis having a larger mass operation amount.
一方、ステップS83において、最も小さい支持多角形に関与しないリンクの2つ以上を離床することができないと判断された場合には、手部又は足部の引き摺り動作を行なうべく、最大の支持多角形より内の着床中のリンクを2つ以上離床することができるかどうかをチェックする(ステップS91)。 On the other hand, if it is determined in step S83 that two or more of the links that do not participate in the smallest support polygon cannot be released from the floor, the largest support polygon is used to perform the drag operation of the hand or the foot. It is checked whether or not two or more links in the innermost floor can be separated from the floor (step S91).
ここで、最大の支持多角形より内の着床中のリンクを2つ以上離床することができない場合には、さらに着床点を移動させて支持多角形を小さくすることができるかどうかを判断する。支持多角形を小さくすることができない場合には、起き上がり動作を中止する(ステップS95)。すなわち、起き上がり動作は破綻する。 Here, if it is not possible to leave two or more landing links within the maximum supporting polygon, it is determined whether or not the landing point can be further moved to reduce the supporting polygon. I do. If the supporting polygon cannot be reduced, the rising operation is stopped (step S95). That is, the rising operation fails.
一方、最大の支持多角形より内の着床中のリンクを2つ以上離床することができる場合には、最大の支持多角形より内の着床中のリンクを2つ以上離床して(ステップS92)、手部又は足部の引き摺り動作を利用して、着床点を移動させ、支持多角形を小さくする(ステップS93)。 On the other hand, if two or more landing links inside the largest support polygon can be separated from the floor, two or more landing links inside the largest support polygon should be separated from the floor (step). S92) The landing point is moved using the drag operation of the hand or the foot, and the supporting polygon is reduced (step S93).
例えば、図176〜図178、並びに図187〜図188に示すように、両手両足を接地して起き上がり途上のロボットが、両手を着床させたまま足に向かって引き摺ることにより支持多角形を徐々に小さくしていく。 For example, as shown in FIGS. 176 to 178 and FIGS. 187 to 188, the robot rising while grounding both hands and feet gradually drags the support polygon while dragging toward the feet with both hands on the ground. To smaller.
その後、支持多角形が充分狭くなったか否かを判断する(ステップS88)。そして、機体の支持多角形が充分に狭くなったことに応答して両リンク端の着床リンクによって形成される支持多角形内にZMPを維持しながら、支持多角形を形成する両リンク端の端部の間隔を縮めて、ZMPを前記リンク構造体の他端側に移動させていく(ステップS89)。 Thereafter, it is determined whether or not the support polygon has become sufficiently narrow (step S88). Then, in response to the support polygon of the fuselage having become sufficiently narrow, the ZMP is maintained within the support polygon formed by the landing links at both link ends, and the two link ends forming the support polygon are maintained. The distance between the ends is reduced, and the ZMP is moved to the other end of the link structure (step S89).
そして、前記リンク構造体の他端から第2の所定数以下の接床リンクのみで形成される接地多角形内にZMPが突入したことに応答して、ZMPを該接地多角形内に収容したまま前記リンク構造体の一端側から第1の所定数以上のリンクを離床して、該離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させる(ステップS90)。 Then, in response to the ZMP rushing into the grounding polygon formed by only the second predetermined number or less of floor contact links from the other end of the link structure, the ZMP was housed in the grounding polygon. A first predetermined number or more of links are left from one end of the link structure as they are, and the left links are extended in the length direction to complete the rising operation (step S90).
図199には、ステップS83において、最も小さい支持多角形に関与しないリンク数が最大となるリンクとその部位を探索するための詳細な処理手順をフローチャートの形式で示している。 FIG. 199 shows, in the form of a flowchart, a detailed processing procedure for searching for the link in which the number of links not involving the smallest supporting polygon is the largest in step S83 and the site thereof.
まず、ステップS101及びS102において、変数i、j並びに配列型変数Mを初期化する。次いで、i番目のリンクのj番目の部位にZMPを設定する(ステップS103)。 First, in steps S101 and S102, variables i and j and an array type variable M are initialized. Next, ZMP is set at the j-th part of the i-th link (step S103).
ここで、ZMP空間が安定かどうかを判別する(ステップS104)。ZMP空間が安定である場合には、最も小さい支持多角形に関与しないリンク数を計算して(ステップS105)、i番目のリンクのj番目の部位における離床叶リンク数をLに代入する。そして、LがMよりも大きければ(ステップS106)、M(A,B)にL(i,j)を代入する(ステップS107)。 Here, it is determined whether the ZMP space is stable (step S104). If the ZMP space is stable, the number of links that are not involved in the smallest supporting polygon is calculated (step S105), and the number of exit links at the j-th part of the i-th link is substituted for L. If L is larger than M (step S106), L (i, j) is substituted for M (A, B) (step S107).
一方、ZMP空間が安定でない場合、LがMよりも大きくない場合、あるいはM(A,B)にL(i,j)を代入した後、jを1だけ増分して(ステップS108)、jが総部位数Jを越えたかどうかを判別する(ステップS109)。jがまだ総部位数Jに達していない場合には、ステップS103に戻って、上述と同様の処理を繰り返し実行する。 On the other hand, if the ZMP space is not stable, if L is not larger than M, or if L (i, j) is substituted for M (A, B), j is incremented by 1 (step S108), and j Is greater than or equal to the total number of parts J (step S109). If j has not yet reached the total number of parts J, the process returns to step S103, and the same processing as described above is repeatedly executed.
次いで、iを1だけ増分して(ステップS110)、iが総リンク数Iを越えたかどうかを判別する(ステップS111)。iが総リンク数に達していない場合には、ステップS102に戻って、上述と同様の処理を繰り返し実行する。 Next, i is incremented by 1 (step S110), and it is determined whether i exceeds the total number of links I (step S111). If i has not reached the total number of links, the process returns to step S102, and the same processing as described above is repeatedly executed.
iが総リンク数Iを越えた場合には、Aにリンク、Bに部位を代入し、本処理ルーチンを終了する。 If i exceeds the total number of links I, the link is substituted into A and the part is substituted into B, and this processing routine is terminated.
前述したように、転倒動作と連続して起き上がり行なう場合は、ステップS81を省略することにより、短時間で起き上がり動作を完了させることができる。 As described above, in a case where the robot rises continuously from the overturning operation, the step S81 can be omitted to complete the rising operation in a short time.
例えば、機体の重心が腰部に存在する場合、最も小さくなる支持多角形に関与しないリンク数が最大となる部位にZMPを設定することができる。このような転倒・着床動作の後、離床可能なリンクをすべて離床させる、すなわち下肢と体幹の双方を浮き上がらせて、上体と下肢を同時に離床し、足部、手部などを着床させることで、より小さい接地多角形を少ないステップで形成することができるので、より高速で効率的な起き上がり動作を実現することができる。 For example, when the center of gravity of the fuselage is at the waist, the ZMP can be set at a position where the number of links not involving the smallest supporting polygon is the largest. After such a fall / landing operation, release all links that can be released, that is, lift both the lower limbs and the trunk, lift off the upper body and lower limbs at the same time, and land the feet, hands, etc. By doing so, a smaller grounded polygon can be formed in fewer steps, so that a faster and more efficient rising operation can be realized.
図192〜図198には、転倒動作と連続して起き上がり動作を行なう場合の機体の一連の動作を示している。 FIGS. 192 to 198 show a series of operations of the airframe in the case of performing a rising operation following a falling operation.
図192に示す立位姿勢から、図192〜図193に示すように機体後方に向かって転倒動作を開始し、図194に示すように機体重心が存在する腰部において着床する。 From the standing posture shown in FIG. 192, the overturning operation starts toward the rear of the aircraft as shown in FIGS. 192 to 193, and as shown in FIG.
図194に示す例では、最も小さい支持多角形に関与しないリンク数が最大になる胴体部にZMPが設定されている。また、特徴的なことは、図23〜図38、及び図39〜図55を参照しながら説明した例とは相違し、基本仰向けではなく、脚部が離床した状態で転倒動作が終了している点にある。 In the example shown in FIG. 194, the ZMP is set in the body where the number of links not involving the smallest supporting polygon is the largest. Also, what is characteristic is that, unlike the example described with reference to FIGS. 23 to 38 and FIGS. 39 to 55, the falling motion ends in a state where the legs are not on the basic supine and the legs are out of the floor. It is in the point.
続く起き上がり動作では、図195に示すように、離床可能なリンクすなわち脚部と胴体部をすべて離床させて、起き上がり動作を開始する。ここで、股関節及び/又は体幹のピッチ軸アクチュエータの駆動により、図196〜図197に示すように上体が起き上がる。そして、右脚の股関節ピッチ軸A12の駆動により右脚を持ち上げてから、その膝関節アクチュエータA14の駆動により右脚を屈曲させて、その足底を着床する。次いで、脚の股関節ピッチ軸A12の駆動により右脚を持ち上げてから、その膝関節アクチュエータA14の駆動により左脚を屈曲させて、その足底を着床する。このようにして、足底を機体重心位置である股関節ピッチ軸12側に徐々に近づけていくことによって、図198に示すように、元の床上姿勢よりも狭い接地多角形を形成することができる。
In the subsequent rising operation, as shown in FIG. 195, all the links that can be separated from the floor, that is, the legs and the body are released from the floor, and the rising operation is started. Here, by driving the pitch axis actuator of the hip joint and / or the trunk, the upper body is raised as shown in FIGS. 196 to 197. Then, by raising the right leg by the drive of the right leg of the hip joint pitch axis A 12, by bending the right leg by the drive of the knee joint actuator A 14, for landing the sole. Then, by raising the right leg by the drive of the hip joint pitch axis A 12 of the leg, by bending the left leg by the drive of the knee joint actuator A 14, for landing the sole. In this manner, by gradually approaching the sole to the side of the hip
転倒動作と連続して起き上がり動作を行なう場合、図23〜図38、及び図39〜図55を参照しながら説明した例に比べて、より小さい接地多角形を少ないステップで形成することができる。すなわち、この実施形態によればより効率的に狭い接地多角形を形成することができる、起き上がり動作が高速化されるという点を充分理解されたい。 When the rising operation is performed continuously with the overturning operation, a smaller grounded polygon can be formed in fewer steps as compared with the example described with reference to FIGS. 23 to 38 and FIGS. That is, it should be sufficiently understood that according to this embodiment, a narrow grounded polygon can be formed more efficiently, and the rising operation is speeded up.
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。 The present invention has been described in detail with reference to the specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can modify or substitute the embodiment without departing from the spirit of the present invention.
本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行なう機械装置であるならば、例えば玩具等のような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。 The gist of the present invention is not necessarily limited to products called “robots”. That is, as long as the mechanical device performs a motion similar to a human motion using an electric or magnetic action, the present invention similarly applies to a product belonging to another industrial field such as a toy. Can be applied.
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。 In short, the present invention has been disclosed by way of example, and the contents described in this specification should not be interpreted in a limited manner. In order to determine the gist of the present invention, the claims described at the beginning should be considered.
1…首関節ヨー軸
2A…第1の首関節ピッチ軸
2B…第2の首関節(頭)ピッチ軸
3…首関節ロール軸
4…肩関節ピッチ軸
5…肩関節ロール軸
6…上腕ヨー軸
7…肘関節ピッチ軸
8…手首関節ヨー軸
9…体幹ピッチ軸
10…体幹ロール軸
11…股関節ヨー軸
12…股関節ピッチ軸
13…股関節ロール軸
14…膝関節ピッチ軸
15…足首関節ピッチ軸
16…足首関節ロール軸
30…頭部ユニット,40…体幹部ユニット
50…腕部ユニット,51…上腕ユニット
52…肘関節ユニット,53…前腕ユニット
60…脚部ユニット,61…大腿部ユニット
62…膝関節ユニット,63…脛部ユニット
80…制御ユニット,81…主制御部
82…周辺回路
91,92…接地確認センサ
93,94…加速度センサ
95…姿勢センサ
96…加速度センサ
100…脚式移動ロボット
DESCRIPTION OF
Claims (10)
足部を有する脚部と、
前記移動ロボット装置の転倒状態から基本姿勢へ復帰するときに、
2以上のリンクが接床した床上姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形の中から最も狭い支持多角形を探索する手段と、
前記足部で形成される安定領域内にZMPを移動させることができるか否かを判断する手段と、
前記判断手段により前記足部で形成される安定領域内にZMPを移動させることができると判断された場合には、前記移動ロボット装置を前記床上姿勢から起き上がらせる手段と、
を具備することを特徴とする移動ロボット装置。 In a mobile robot device composed of a plurality of links,
A leg having a foot,
When returning to the basic posture from the overturned state of the mobile robot device,
Means for searching for the narrowest supporting polygon from among the grounding polygons formed by the floor contact links in an on-floor position where two or more links touch the floor;
Means for determining whether the ZMP can be moved into a stable region formed by the foot,
Means for raising the mobile robot apparatus from the above-floor posture when it is determined that the ZMP can be moved into a stable area formed by the feet by the determination means;
A mobile robot device comprising:
前記着床リンクの着床点を移動させることができない場合、又は、前記支持多角形をさらに小さくすることができない場合には、前記転倒状態からの起き上がり動作を中止する、
ことを特徴とする請求項1に記載の移動ロボット装置。 If the determining means determines that the ZMP cannot be moved to the stable area formed by the foot, the support polygon is further reduced by moving the landing point of the landing link. Repeat the return operation from the fall state to the basic posture,
If the landing point of the landing link cannot be moved, or if the supporting polygon cannot be further reduced, the rising operation from the overturning state is stopped.
The mobile robot device according to claim 1, wherein:
前記移動ロボット装置の転倒状態から基本姿勢へ復帰するときに、
前記移動ロボット装置の重心が位置する重心リンクを含む2以上のリンクが接床した床上姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形の中から最も狭い支持多角形を探索する第1の手段と、
接地多角形を構成するリンクのうち該最も狭い支持多角形に関与しない2以上のリンクを離床するとともに、1以上の離床リンクを屈曲させてより狭い接地多角形を形成する第2の手段と、
前記第2の手段により形成された接地多角形にZMPを設定できるかを判断する第3の手段と、
前記第3の手段によりZMPを設定できると判断したことに応答してZMPを該接地多角形に移動し、新たに形成される支持多角形が充分に狭いか否かをさらに判断する第4の手段と、
前記第4の手段により支持多角形が充分に狭いと判断したことに応答して、前記移動ロボット装置を起き上がらせる第5の手段と、
を具備することを特徴とする移動ロボット装置。 In a mobile robot device including a link structure in which a plurality of links are connected,
When returning to the basic posture from the overturned state of the mobile robot device,
First means for searching for a narrowest supporting polygon from ground contact polygons formed by floor contact links in an on-floor posture where two or more links including a center of gravity link at which the center of gravity of the mobile robot device is located are on the floor; ,
Second means for leaving two or more links among the links constituting the grounding polygon that are not involved in the narrowest supporting polygon and bending one or more of the leaving links to form a narrower grounding polygon;
Third means for determining whether a ZMP can be set in the ground polygon formed by the second means,
In response to determining that the ZMP can be set by the third means, moving the ZMP to the ground polygon and further determining whether the newly formed supporting polygon is sufficiently narrow. Means,
Fifth means for raising the mobile robot apparatus in response to determining that the supporting polygon is sufficiently narrow by the fourth means;
A mobile robot device comprising:
ことを特徴とする請求項3に記載の移動ロボット装置。 The first means searches for a narrower supporting polygon while keeping the center of gravity link in a floor-contact state,
The mobile robot device according to claim 3, wherein:
ことを特徴とする請求項3に記載の移動ロボット装置。 The fifth means determines whether or not the support polygon has become sufficiently narrow based on whether or not the center-of-gravity link can be separated from the floor while the ends of the links constituting the grounded polygon are in contact with the floor.
The mobile robot device according to claim 3, wherein:
前記第5の手段は、
接地多角形を構成する各リンクの端部としての手先及び足底を接床した状態で体幹ピッチ軸及び股関節ピッチ軸を連結した前記重心リンクを離床する手段と、
前記重心リンクが離床した状態で接地多角形を構成する各リンクの端部としての手先及び足底の間隔を縮めて、ZMPを足底に移動させる手段と、
前記足底で構成される接地多角形内にZMPが突入したことに応答して、ZMPを該接地多角形内に収容したまま前記肩ピッチ軸から前記膝ピッチ軸に至るまでのリンクを離床して、該離床リンクを伸展することによって、前記移動ロボット装置を直立させる手段と、
を備えることを特徴とする請求項3に記載の移動ロボット装置。 The link structure is configured by connecting at least a shoulder joint pitch axis, a trunk pitch axis, a hip joint pitch axis, and a knee pitch axis,
The fifth means includes:
Means for leaving the center-of-gravity link that connects the trunk pitch axis and the hip joint pitch axis in a state where the hands and soles as the ends of the links constituting the grounding polygon are in contact with the floor,
Means for moving the ZMP to the sole by reducing the distance between the hand and the sole as the ends of the links forming the grounding polygon with the center of gravity link off the floor,
In response to the ZMP rushing into the grounding polygon formed by the sole, the link from the shoulder pitch axis to the knee pitch axis is released while the ZMP is housed in the grounding polygon. Means for erecting the mobile robot apparatus by extending the exit link,
The mobile robot device according to claim 3, further comprising:
ことを特徴とする請求項6に記載の移動ロボット装置。 The means for extending the exit link operates positively using a knee joint pitch axis having a larger mass operation amount;
The mobile robot device according to claim 6, wherein:
前記第2の手段は、より狭い接地多角形を形成する際に、最も小さい支持多角形に関与しないリンクの2つ以上が離床可能であるかどうかを判断し、該判断結果が肯定的な場合には手部又は足部における踏み替え動作を利用し、該判断結果が否定的な場合には手部又は足部における床面との引き摺り動作を利用する、
ことを特徴とする請求項3に記載の移動ロボット装置。 The mobile robot device includes a hand or a foot as a link,
The second means determines whether or not two or more of the links not involved in the smallest supporting polygon can leave the floor when forming a narrower ground contact polygon, and when the determination result is positive. To use the step change operation in the hand or foot, if the determination result is negative, use the drag operation with the floor in the hand or foot,
The mobile robot device according to claim 3, wherein:
前記脚部、前記体幹部、及び/又は前記腕部が床面と接床する複数の端部から形成される支持多角形を検出する支持多角形検出手段と、
前記脚部を前記体幹部方向へ屈曲させることにより、前記支持多角形の面積を減少させる支持多角形変更手段と、
前記変更された支持多角形内にあるZMPを前記足部で形成される安定領域内にZMPを移動させることができるか否かを判断するZMP移動制御手段と、
前記ZMP移動制御手段が前記ZMPを前記安定領域内に移動できると判断した際に、前記ZMPを前記足底面が形成する前記接地多角形内に維持しながら転倒姿勢から基本立ち姿勢へ前記移動ロボット装置を遷移させる制御手段と、
を具備することを特徴とする移動ロボット装置。 In a mobile robot apparatus having a trunk and a leg connected to the trunk and an arm connected to the trunk,
A support polygon detecting unit configured to detect a support polygon formed from a plurality of ends where the leg, the trunk, and / or the arm touches the floor;
By bending the legs in the trunk direction, a support polygon changing means for reducing the area of the support polygon,
ZMP movement control means for determining whether or not the ZMP in the changed supporting polygon can be moved into a stable area formed by the foot,
When the ZMP movement control means determines that the ZMP can be moved into the stable region, the mobile robot moves from a falling posture to a basic standing posture while maintaining the ZMP within the ground contact polygon formed by the sole surface. Control means for transitioning the device;
A mobile robot device comprising:
前記腕リンクの先端と前記第2の脚リンク先端の足部を接床させて第1の支持多角形を形成する手段と、
前記腕リンクの先端と前記足部を接床させたまま、第2の関節を第3の関節よりも接床面の法線方向上方に移動させた後、前記第1の支持多角形の面積を減少させ、その後に前記足部により形成される接地多角形内にZMPを移動させる手段と、
前記足部により形成される接地多角形内にZMPを維持しながら、前記移動ロボット装置を直立させる手段と、
を具備することを特徴とする移動ロボット装置。 At least a torso, one or more arm links connected above the torso via a first joint, and a first leg link connected below the torso via a second joint; A mobile robot device comprising: a second leg link connected to a distal end of one leg link via a third joint;
Means for contacting the tip of the arm link and the foot of the tip of the second leg link to form a first support polygon;
After moving the second joint above the third joint in the direction normal to the floor contact surface while keeping the tip of the arm link and the foot on the floor, the area of the first support polygon is increased. Means for subsequently reducing the ZMP into the ground polygon formed by the foot;
Means for erecting the mobile robot device while maintaining a ZMP within the grounding polygon formed by the feet;
A mobile robot device comprising:
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