JP2001138271A - Leg type mobile robot and at-overturn motion control method for robot - Google Patents
Leg type mobile robot and at-overturn motion control method for robotInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、生体のメカニズム
や動作をモデル化して構成されるリアリスティックなロ
ボットのメカニズムに係り、特に、ヒトやサルなどの脚
式移動型動物の身体メカニズムをモデル化した脚式移動
型ロボットのメカニズムに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a realistic robot mechanism constructed by modeling the mechanism and movement of a living body, and more particularly, to modeling the body mechanism of a legged mobile animal such as a human or a monkey. The mechanism of a legged mobile robot.
【０００２】更に詳しくは、本発明は、可動脚により歩
行、走行、ジャンプなどの動作パターンを実行する最中
に脚式移動型ロボットが安定状態を失って転倒する際の
ための制御メカニズムに係り、特に、転倒時にロボット
が被る損害を限りなく軽減することができる脚式移動型
ロボットのための制御方法メカニズムに関する。More specifically, the present invention relates to a control mechanism for a case where a legged mobile robot loses a stable state and falls over while executing an operation pattern such as walking, running, jumping, etc. with a movable leg. In particular, the present invention relates to a control method mechanism for a legged mobile robot capable of reducing the damage to the robot when falling down as much as possible.
【０００３】[0003]
【従来の技術】ロボットの語源は、スラブ語のＲＯＢＯ
ＴＡ（奴隷機械）に由来するといわれている。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 ｒｏｂ
ｏｔ）であった。2. Description of the Related Art The origin of a robot is ROBO in Slavic language.
It is said to be derived from TA (slave machine). In Japan, robots began to spread in the late 1960's, but most of them were based on automation of production work in factories.
Industrial robots such as manipulators and transfer robots for the purpose of unmanned operation
ot).
【０００４】最近では、ヒトやサルなどの２足直立歩行
を行う動物の身体メカニズムや動作を模した脚式移動ロ
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。２足直立による脚式移動は、クローラ
式や、４足又は６足式などに比し不安定で姿勢制御や歩
行制御が難しくなるが、階段の昇降や障害物の乗り越え
など、柔軟な歩行・走行動作を実現できるという点で優
れている。Recently, research and development on legged mobile robots that imitate the body mechanisms and movements of animals such as humans and monkeys that walk upright on two legs have progressed, and expectations for their practical use have increased. Legged movement by two feet standing upright is unstable compared to crawler type, four feet or six feet type and makes posture control and walking control difficult, but flexible walking and climbing up and down stairs and obstacles It is excellent in that a running operation can be realized.
【０００５】例えば、特開平３−１８４７８２号公報に
は、脚式歩行ロボットのうち、胴体より下に相当する構
造体に適用される関節構造について開示している。For example, Japanese Patent Laying-Open No. 3-184772 discloses a joint structure applied to a structure corresponding to a structure below a torso of a legged walking robot.
【０００６】ヒトの生体メカニズムや動作をエミュレー
トした脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、
若しくは「人間型」のロボット（ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒ
ｏｂｏｔ）と呼ぶ。人間型ロボットは、例えば、生活支
援、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などを行うことができる。A legged mobile robot that emulates human biological mechanisms and movements is referred to as a "humanoid",
Or a "humanoid" robot (humanoid r)
obot). The humanoid robot can perform, for example, life support, that is, support of human activities in various situations in a living environment and other daily lives.
【０００７】人間形若しくは人間型と呼ばれるロボット
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 humanoid or a robot called a humanoid can be understood from, for example, the following two viewpoints.
【０００８】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。[0008] One is a human science perspective. That is, through the 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 the development of various other disciplines that address human movement mechanisms, such as ergonomics, rehabilitation engineering, or sports science.
【０００９】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うロボットの開発で
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スムースなコミュニケーシ
ョンを行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 robot that supports life as a human partner, that is, supports human activities in various situations in a living environment and other daily life. In various aspects of a human living environment, this type of robot needs to learn from humans how to adapt to humans or environments with different personalities while learning from humans, and further grow in terms of functionality. At this time, it is considered that the robot having the “human form”, that is, the same shape or the same structure as the human, functions effectively in performing the smooth communication between the human and the robot.
【００１０】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ろう（例えば、高西著「２足歩行
ロボットのコントロール」（自動車技術会関東支部＜高
塑＞Ｎｏ．２５，１９９６ＡＰＲＩＬ）を参照のこ
と）。そもそも、人間の住環境のほとんどは人間が持つ
形態や行動様式に合わせて形成されたものであるから、
ロボットが人間型の形態を有していることは人間の住環
境との親和性を高める上で必須であるとも言える。[0010] For example, when teaching a robot how to pass through a room while avoiding an obstacle that must not be stepped on, a partner to teach such as a crawler type or quadruped type robot has a completely different structure from itself. than,
A bipedal robot with a similar appearance should be much easier for the user (operator) to teach and for the robot (for example, Takanishi, "Control of a Bipedal Robot"). (See the Japan Society of Automotive Engineers of Japan Kanto Branch <High Plastics> No. 25, 1996 APRIL). In the first place, most of the human living environment is formed according to the form and behavioral style of human beings,
It can be said that it is indispensable for the robot to have a humanoid form in order to increase the affinity with the human living environment.
【００１１】人間型ロボットの用途の１つとして、産業
活動・生産活動等における各種の難作業の代行が挙げら
れる。例えば、原子力発電プラントや火力発電プラン
ト、石油化学プラントにおけるメンテナンス作業、製造
工場における部品の搬送・組立作業、高層ビルにおける
清掃、火災現場その他における救助といったような危険
作業・難作業の代行などである。但し、この種の産業利
用に特化したロボットは、特定の用途若しくは機能を実
現することが設計・製作上の至上の主題であり、２足歩
行を前提とはするものの、ヒトやサルなど直立歩行動物
が本来持つ身体メカニズムや動作を機械装置として忠実
に再現する必要は必ずしもない。例えば、特定用途を実
現するために手先の自由度や動作機能を強化する一方
で、用途には比較的関係が低いとされる頭部や体幹部
（脊椎など）、腰部などの自由度を制限し又を省略する
ことはある程度許容すべきである。この結果、２足歩行
と謂えども、ロボットの作業や動作の外観上で、ヒトと
しては不自然さが残ることがあるが、かかる点は妥協せ
ざるを得ない。One of the uses of the humanoid robot is to represent various difficult tasks in industrial activities and production activities. For example, maintenance work in nuclear power plants, thermal power plants, petrochemical plants, transport and assembly of parts in manufacturing factories, cleaning in high-rise buildings, rescue work in fire spots and other dangerous and difficult tasks, etc. . However, the realization of a specific application or function of this type of robot specialized in industrial use is the ultimate theme in design and manufacture. It is not always necessary to faithfully reproduce the physical mechanisms and movements of a walking animal as mechanical devices. For example, while strengthening the freedom of hand and movement functions to achieve a specific application, restricting the freedom of the head, trunk (such as the spine), and the lumbar region, which are relatively unrelated to the application. Omitting the stitches should be tolerated to some extent. As a result, the appearance of the work and operation of the robot may be unnatural as a human even in the case of bipedal walking, but such a point has to be compromised.
【００１２】また、人間型ロボットの他の用途として、
難作業の代行などの生活支援というよりも、生活密着
型、すなわち人間との「共生」という用途が挙げられ
る。この種のロボットは、ヒトやサルなどの２足の直立
歩行を行う動物が本来持つ、全身協調型の動作メカニズ
ムを忠実に再現し、その自然に円滑な動作を実現するこ
とを至上の目的とする。また、ヒトやサルなどの知性の
高い直立動物をエミュレートする以上、四肢を用いた動
作の表現力が豊かであることが望ましい。さらに、予め
入力された動作パターンを単に忠実に実行するだけでは
なく、相手の言葉や態度（「褒める」とか「叱る」、
「叩く」など）に呼応した、生き生きとした動作表現を
実現することも要求される。この意味において、ヒトを
模したエンターティンメント・ロボットは、まさに「人
間型ロボット」と呼ぶに相応しい。Further, as another application of the humanoid robot,
Rather than living support such as substituting for difficult work, there are applications that are closely related to life, that is, "symbiosis" with humans. The ultimate purpose of this type of robot is to faithfully reproduce the whole body cooperative movement mechanism inherent to animals that walk upright on two legs, such as humans and monkeys, and realize its natural smooth operation. I do. In addition, it is desirable that the expressiveness of the movement using the limbs be rich as long as the animal erects a highly intelligent upright animal such as a human or a monkey. Furthermore, not only do the operation patterns input in advance be faithful, but also the words and attitudes of the opponent (such as “praise” or “scold”
It is also required to realize lively motion expression in response to "hitting". In this sense, entertainment robots that imitate humans are exactly what we call “humanoid robots”.
【００１３】既に周知のように、人体は数百の関節すな
わち数百に上る自由度を備えている。限りなくヒトに近
い動作を脚式移動ロボットに付与するためには、ほぼ同
じ自由度を与えることが好ましいが、これは技術的には
極めて困難である。何故ならば、１つの自由度に対して
少なくとも各１つのアクチュエータを配設する必要があ
るが、数百のアクチュエータをロボットという機械装置
上に実装することは、製造コストの点からも、重量やサ
イズなど設計の観点からも不可能に等しい。また、自由
度が多いと、その分だけロボットの位置・動作パターン
制御や姿勢安定制御等のための計算量が指数関数的に増
大してしまう。As is well known, the human body has hundreds of joints or hundreds of degrees of freedom. In order to give the legged mobile robot an action as close as possible to a human, it is preferable to give almost the same degree of freedom, but this is technically very difficult. It is necessary to arrange at least one actuator for each degree of freedom. However, mounting hundreds of actuators on a mechanical device such as a robot requires weight and weight in terms of manufacturing cost. It is almost impossible from a design point of view such as size. Further, if the degree of freedom is large, the amount of calculation for controlling the position / motion pattern of the robot and the control for stabilizing the posture increases exponentially.
【００１４】このため、人体よりもはるかに少ない数十
程度の関節自由度で人間型ロボットを構成するのが一般
的である。したがって、少ない自由度を用いてより自然
な動作を如何にして実現するかが、人間型ロボットの設
計・制御において重要な課題の１つといえる。For this reason, it is common to construct a humanoid robot with several tens of degrees of freedom of joint, which is much smaller than that of a human body. Therefore, how to achieve a more natural motion using a small number of degrees of freedom is one of the important issues in designing and controlling a humanoid robot.
【００１５】例えば、脊椎などのように柔軟性を持つ機
構が人間の生活の場で多様で複雑な動作をするために重
要であることは、人間工学などの観点から既に明らかで
ある。脊椎を意味する体幹関節自由度は、産業的な用途
上は存在価値が低いが、エンターティンメントやその他
の生活密着型の人間型ロボットには重要である。なお且
つ、状況に応じて柔軟さを能動的に調節できることが求
められている。For example, it is already clear from the viewpoint of ergonomics and the like that a flexible mechanism such as a spine is important for performing various and complicated operations in a place of human life. The degree of freedom of the trunk, which means the spine, has little value for industrial use, but is important for entertainment and other humanoid robots that are close to life. In addition, it is required that the flexibility can be actively adjusted according to the situation.
【００１６】また、２足直立歩行を行う脚式移動ロボッ
トは、柔軟な歩行・走行動作（例えば階段の昇降や障害
物の乗り越え等）を実現できる点で優れている反面、重
心位置が高くなるため、その分だけ姿勢制御や安定歩行
制御が難しくなる。特に、生活密着型のロボットの場
合、ヒトやサルなどの知性動物における自然な動作や感
情を豊かに表現しながら姿勢や安定歩行を制御しなけれ
ばならない。A legged mobile robot performing bipedal upright walking is excellent in that it can perform flexible walking and running operations (for example, climbing up and down stairs and climbing over obstacles), but has a high center of gravity. Therefore, posture control and stable walking control become difficult by that much. In particular, in the case of a living-type robot, the posture and stable walking must be controlled while richly expressing natural movements and emotions of intelligent animals such as humans and monkeys.
【００１７】２足歩行による脚式移動を行うタイプのロ
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
することができよう。There have already been proposed a number of techniques relating to posture control and stable walking for a robot of the type performing legged movement by bipedal walking. Stable "walk" here means
It could be defined as "moving with your legs without falling."
【００１８】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, inertia, and these moments act on the road surface from the walking system due to gravity and acceleration generated 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 sides of the supporting polygon formed by the sole and the road surface, that is, "ZMP (Zero Moment Point)".
【００１９】ロボットの安定歩行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て
いる。ＺＭＰ規範に基づく２足歩行パターン生成は、足
底着地点を予め設定でき、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。Many proposals relating to stable walking of a robot use this ZMP as a criterion for determining walking stability. The bipedal walking pattern generation based on the ZMP standard has advantages such that the sole landing point can be set in advance, and it is easy to consider the kinematic constraint condition of the toe according to the road surface shape.
【００２０】例えば、特開平５−３０５５７９号公報に
は、脚式移動ロボットの歩行制御装置について開示して
いる。同公報に記載の歩行制御装置は、ＺＭＰ（Ｚｅｒ
ｏＭｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）すなわち歩行するときの
床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点を目標
値に一致させるように制御するものである。For example, Japanese Patent Laying-Open No. 5-305579 discloses a walking control device for a legged mobile robot. The walking control device described in the publication is a ZMP (Zer
oMoment Point), that is, control is performed so that a point on the floor surface at which the moment due to the floor reaction force when walking becomes zero coincides with the target value.
【００２１】また、特開平５−３０５５８１号公報に記
載の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が支持多面体
（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した。この結果、外乱などを受けて
も所定距離だけＺＭＰの余裕があり、歩行の安定性の向
上を図ることができる。Further, in the legged mobile robot described in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 5-305581, the ZMP is provided at least from the inside of the supporting polyhedron (polygon) or from the end of the supporting polyhedron (polygon) when landing or leaving the floor. It was configured to be at a position having a predetermined margin. As a result, there is room for the ZMP for a predetermined distance even when a disturbance or the like is received, and the stability of walking can be improved.
【００２２】また、特開平５−３０５５８３号公報に
は、脚式移動ロボットの歩き速度をＺＭＰ目標位置によ
って制御する点について開示している。すなわち、同公
報に記載の脚式移動ロボットは、予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ようにしている。この結
果、予期しない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できる。
またＺＭＰが目標位置に制御できるので、両脚支持期に
おいて吐き出し速度を変更しても支障がない。Further, Japanese Patent Laid-Open Publication No. Hei 5-305558 discloses that the walking speed of a legged mobile robot is controlled by a ZMP target position. That is, the legged mobile robot described in the publication uses the previously set walking pattern data, drives the leg joints so that the ZMP matches the target position, and detects the inclination of the upper body, The discharge speed of the walking pattern data set according to the detected value is changed. As a result, when the robot leans forward on unexpected irregularities, for example, the posture can be recovered by increasing the discharge speed.
Further, since the ZMP can be controlled to the target position, there is no problem even if the discharge speed is changed during the two-leg supporting period.
【００２３】また、特開平５−３０５５８５号公報に
は、脚式移動ロボットの着地位置をＺＭＰ目標位置によ
って制御する点について開示している。すなわち、同公
報に記載の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て、それを解消する様に脚部の一
方また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行うようになっている。Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-305585 discloses that the landing position of a legged mobile robot is controlled by a ZMP target position. That is, the legged mobile robot described in the publication detects a deviation between the ZMP target position and the actually measured position, and drives one or both of the legs so as to eliminate the deviation. Then, a stable walking is performed by detecting the moment and driving the legs so that the moment becomes zero.
【００２４】また、特開平５−３０５５８６号公報に
は、脚式移動ロボットの傾斜姿勢をＺＭＰ目標位置によ
って制御する点について開示している。すなわち、同公
報に記載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰ目標位置まわり
のモーメントを検出し、モーメントが生じているとき
は、それが零になるように脚部を駆動することで安定歩
行を行うようになっている。Japanese Patent Laid-Open Publication No. Hei 5-305586 discloses that the inclination posture of a legged mobile robot is controlled by a ZMP target position. That is, the legged mobile robot described in the publication detects a moment around the ZMP target position, and when a moment is generated, drives the legs so that the moment becomes zero to perform stable walking. It has become.
【００２５】[0025]
【発明が解決しようとする課題】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、走行、ジャンプその他の動
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。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。ロボットのメ
カニズムによっては、転倒状態から起き上がる動作パタ
ーンがサポートされていないことさえある。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。As described above, in a legged mobile robot, the robot does not fall down during execution of a walking, running, jumping or other operation pattern by introducing ZMP as a posture stability criterion. Every effort has been made to ensure that. Needless to say, the state of falling means that the robot interrupts the work being performed, and considerable labor and time are required to get up from the falling state and resume the work. Some robotic mechanisms do not even support movement patterns that emerge from a fall. Above all, there is a danger 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.
【００２６】転倒しないように最大限の姿勢安定制御を
行うにも拘らず、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、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。特に、人間型など２足による脚
式移動を行うロボットの場合、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。Despite performing the maximum posture stability control so as not to overturn, the control is inadequate or unexpected external factors (for example, collision with an unexpected object, protrusions or dents on the floor surface, obstacles , Etc.), the stability of the posture is lost, the movable leg alone cannot support the robot, and the robot may fall down. In particular, in the case of a robot that performs a 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 be fatally damaged.
【００２７】例えば、特開平１１−４８１７０号公報に
は、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
とができる脚式移動ロボットの制御装置について開示さ
れている。For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-48170 discloses that 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 is possible. A control device for a legged mobile robot that can be reduced as much as possible is disclosed.
【００２８】しかしながら、同公報は、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こと
を提案するのみであり、実際に転倒してしまったときに
如何にして損傷を最小限に抑えるかといった議論はなさ
れていない。However, this publication only proposes to control the robot so that the center of gravity of the robot is lowered at the time of landing when the robot falls, and how to minimize damage when the robot actually falls. There is no debate over whether to keep it to a minimum.
【００２９】ロボットは、多数の部品・部材ユニット等
で構成される機械装置であり、強度的に弱い部位もあれ
ば、比較的耐性に富む部位もある。例えば、カメラなど
のような精密な測定装置を搭載した頭部ユニットや、制
御ボードを搭載した胴体背面のような部位は、当然にし
て衝撃に弱い。転倒時に、このような部位から最初に着
床してしまうと、ロボットは多大な損害を被ってしま
い、システム全体が大破しかねない。A robot is a mechanical device composed of a large number of parts and member units, and has a portion that is weak in strength and a portion that is relatively resistant. For example, a head unit on which a precision measuring device such as a camera is mounted, and a body such as a back surface of a body on which a control board is mounted are naturally vulnerable to impact. If the robot first landed from such a part during a fall, the robot would suffer enormous damage and the entire system could be severely damaged.
【００３０】本発明は上記したような技術的課題に鑑み
たものであり、その目的は、可動脚により歩行、走行、
ジャンプなどの動作パターンを実行する最中に脚式移動
型ロボットが安定状態を失って転倒する際のための、優
れた制御メカニズムを提供することにある。The present invention has been made in view of the above-mentioned technical problems, and has as its object to walk, run,
An object of the present invention is to provide an excellent control mechanism for a case where a legged mobile robot loses a stable state and falls over while executing an operation pattern such as a jump.
【００３１】本発明の更なる目的は、転倒時にロボット
が被る損害を限りなく軽減することができる、脚式移動
型ロボットのための優れた制御方法メカニズムを提供す
ることにある。It is a further object of the present invention to provide an excellent control method mechanism for a legged mobile robot, which can minimize the damage to the robot when falling down.
【００３２】本発明の更なる目的は、転倒時にロボット
が被る損害を限りなく軽減することができるように動作
パターンを生成することができる、脚式移動型ロボット
のための優れた制御方法メカニズムを提供することにあ
る。A further object of the present invention is to provide an excellent control method mechanism for a legged mobile robot capable of generating an operation pattern so as to minimize damage to the robot when falling down. To provide.
【００３３】本発明の更なる目的は、転倒時に強度的に
弱い部位が着床するのを回避して、ロボットが被る損害
を限りなく軽減することができるように動作パターンを
生成することができる、脚式移動型ロボットのための優
れた制御方法メカニズムを提供することにある。A further object of the present invention is to generate an operation pattern so as to avoid damage to a robot as much as possible by avoiding landing at a site of low strength when the vehicle falls. Another object of the present invention is to provide an excellent control method mechanism for a legged mobile robot.
【００３４】[0034]
【課題を解決するための手段】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、少なく
とも下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成さ
れ、下肢の運動により移動自在なロボットであって、他
の部位よりも高強度に形成され若しくは緩衝部材を含ん
だ優先着床部位と、前記ロボットが転倒しそうか否かを
判断する転倒判断手段と、前記転倒判断手段が転倒する
と判断したことに応答して、前記優先着床部位にて最初
に着床するような前記下肢及び上体の動作パターンを生
成する動作パターン生成手段と、前記動作パターン手段
によって生成された動作パターンに従って前記下肢及び
上体の駆動を制御する制御手段と、を具備することを特
徴とする脚式移動ロボットである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in consideration of the above problems, and has a first aspect including at least a lower limb and an upper body disposed above the lower limb. A robot that is movable by the movement of the lower limbs, and is formed with higher strength than other parts or includes a priority landing part including a buffer member, and a fall determining means for determining whether the robot is likely to fall An operation pattern generating means for generating an operation pattern of the lower limb and the upper body such that the lower limb and the upper body are first landed at the priority implantation site in response to the fall judging means judging to fall; Control means for controlling the driving of the lower limb and the upper body in accordance with the motion pattern generated by the pattern means.
【００３５】本発明の第１の側面に係る脚式移動ロボッ
トは、前記脚式移動ロボットの上体の傾斜及び／又は姿
勢を検出する傾斜・姿勢検出手段と、床面から受ける床
反力を算出する床反力算出手段と、前記下肢の足底が着
床又は離床のいずれの状態かを判別する着床／離床検出
手段とをさらに備え、前記転倒判断手段は、前記傾斜・
姿勢検出手段、前記床反力算出手段、又は、着床／離床
検出手段のうち少なくとも１つの出力に基づいて転倒す
るか否かを判断するようにしてもよい。A legged mobile robot according to a first aspect of the present invention includes a tilt / posture detecting means for detecting the inclination and / or posture of the upper body of the legged mobile robot, and a floor reaction force received from the floor. A floor reaction force calculating means for calculating; and a landing / leaving detection means for determining whether the sole of the lower limb is in a landing state or a leaving state.
It may be determined whether or not the vehicle falls over based on the output of at least one of the posture detecting means, the floor reaction force calculating means, or the landing / leaving detecting means.
【００３６】また、前記転倒判断手段は、前記脚式移動
ロボットが転倒するか否かとともに、その転倒方向を判
断するようにしてもよい。Further, the fall determination means may determine whether or not the legged mobile robot falls, and also determine the fall direction.
【００３７】また、脚式移動ロボットは前記優先着床部
位を２以上含み、前記転倒判断手段は、前記脚式移動ロ
ボットが転倒するか否か及びその転倒方向を判断すると
ともに、該転倒方向に従って使用する優先着床部位を選
択し、前記動作パターン生成手段は該選択された優先着
床部位にて最初に着床する動作パターンを生成するよう
にしてもよい。Further, the legged mobile robot includes two or more of the priority landing sections, and the fall determination means determines whether or not the legged mobile robot falls and the direction of the fall, and according to the fall direction. A priority landing site to be used may be selected, and the operation pattern generating means may generate an operation pattern for first landing at the selected priority landing site.
【００３８】また、前記優先着床部位は、例えば前記脚
式移動ロボットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくと
も１つに配設されている。[0038] The priority landing site is disposed, for example, on at least one of the palm, the back, the hip, and the knee of the legged mobile robot.
【００３９】また、前記優先着床部位は、前記脚式移動
ロボットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも１つ
に配設され、前記転倒判断手段が前方向及び／又は横方
向に転倒すると判断したことに応答して、前記動作パタ
ーン生成手段は、掌で最初に着床するような前記下肢及
び上体の動作パターンを生成するようにしてもよい。こ
の結果、脚式移動ロボットは、人間に似た自然な転倒動
作を行うことで、転倒によって被る衝撃を緩和し、損害
を好適に軽減することができる。The priority landing site is disposed on at least one of the palm, back, buttocks, and knees of the legged mobile robot, and the fall judging means falls forward and / or sideways. In response to the determination, the motion pattern generating means may generate the lower limb and upper body motion pattern such that the user first lands on the palm. As a result, the legged mobile robot performs a natural falling motion similar to a human, so that the impact caused by the falling can be reduced and the damage can be reduced appropriately.
【００４０】あるいは、前記優先着床部位は、前記脚式
移動ロボットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも
１つに配設され、前記転倒判断手段が後ろ方向に転倒す
ると判断したことに応答して、前記動作パターン生成手
段は、背面部で最初に着床するような前記下肢及び上体
の動作パターンを生成するようにしてもよい。この結
果、脚式移動ロボットは、人間に似た自然な転倒動作を
行うことで、転倒によって被る衝撃を緩和し、損害を好
適に軽減することができる。Alternatively, the priority landing site is disposed on at least one of the palm, the back, the buttocks, and the knees of the legged mobile robot, and the fall determining means determines that the vehicle falls backward. In response, the motion pattern generation means may generate the motion pattern of the lower limb and the upper body such that the lower limb and the upper body first land on the back. As a result, the legged mobile robot performs a natural falling motion similar to a human, so that the impact caused by the falling can be reduced and the damage can be reduced appropriately.
【００４１】あるいは、前記優先着床部位は、前記脚式
移動ロボットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも
１つに配設され、前記転倒判断手段が後ろ方向に転倒す
ると判断したことに応答して、前記動作パターン生成手
段は、臀部で最初に着床するような前記下肢及び上体の
動作パターンを生成するようにしてもよい。この結果、
脚式移動ロボットは、人間に似た自然な転倒動作を行う
ことで、転倒によって被る衝撃を緩和し、損害を好適に
軽減することができる。Alternatively, the priority landing site is disposed on at least one of the palm, the back, the buttocks, and the knees of the legged mobile robot, and the fall determining means determines that the vehicle falls backward. In response, the motion pattern generating means may generate the lower limb and upper body motion pattern such that the lower leg and the upper body first land on the buttocks. As a result,
The legged mobile robot performs a natural falling motion similar to a human, so that the impact caused by the falling can be reduced and the damage can be reduced appropriately.
【００４２】あるいは、前記優先着床部位は、前記脚式
移動ロボットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも
１つに配設され、前記転倒判断手段が前方向に転倒する
と判断したことに応答して、前記動作パターン生成手段
は、膝で最初に着床するような前記下肢及び上体の動作
パターンを生成するようにしてもよい。この結果、脚式
移動ロボットは、人間に似た自然な転倒動作を行うこと
で、転倒によって被る衝撃を緩和し、損害を好適に軽減
することができる。Alternatively, the priority landing site is disposed on at least one of the palm, the back, the buttocks, and the knees of the legged mobile robot, and the fall judging means judges that it falls forward. In response, the motion pattern generating means may generate a motion pattern of the lower limb and the upper body such as to first land on the knee. As a result, the legged mobile robot performs a natural falling motion similar to a human, so that the impact caused by the falling can be reduced and the damage can be reduced appropriately.
【００４３】また、本発明の第２の側面は、少なくとも
下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、
下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットであっ
て、所定の非優先着床部位と、前記ロボットが転倒しそ
うか否かを判断する転倒判断手段と、前記転倒判断手段
が転倒すると判断したことに応答して、前記非優先着床
部位が最初に着床するのを避けるような前記下肢及び上
体の動作パターンを生成する動作パターン生成手段と、
前記動作パターン手段によって生成された動作パターン
に従って前記下肢及び上体の駆動を制御する制御手段
と、を具備することを特徴とする脚式移動ロボットであ
る。Further, a second aspect of the present invention comprises at least a lower limb and an upper body disposed above the lower limb,
A legged mobile robot that can move by lower limb movement, wherein a predetermined non-priority landing site, a fall determining means for determining whether or not the robot is likely to fall, and the fall determining means determining that the fall has occurred. In response to the motion pattern generating means for generating the lower limb and upper body motion pattern such that the non-priority landing site avoids first landing,
Control means for controlling the driving of the lower limb and the upper body in accordance with the motion pattern generated by the motion pattern means.
【００４４】非優先着床部位は、例えば制御ボードや、
カメラその他のセンサなど、比較的低強度若しくは衝撃
に弱い部品が配備されている場所である。The non-priority landing site includes, for example, a control board,
This is where relatively low-strength or impact-sensitive components, such as cameras and other sensors, are located.
【００４５】また、本発明の第３の側面は、少なくとも
下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、
下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットのための
転倒時動作制御方法であって、前記脚式移動ロボットは
他の部位よりも高強度に形成された優先着床部位を有
し、（ａ）前記脚式移動ロボットが転倒しそうか否かを
判断するステップと、（ｂ）転倒すると判断したことに
応答して、前記優先着床部位にて最初に着床するような
前記下肢及び上体の動作パターンを生成するステップ
と、（ｃ）生成された動作パターンに従って前記下肢及
び上体の駆動を制御するステップと、を具備することを
特徴とする脚式移動ロボットの転倒時動作制御方法であ
る。A third aspect of the present invention comprises at least a lower limb and an upper body disposed above the lower limb,
A falling motion control method for a legged mobile robot movable by the movement of a lower limb, wherein the legged mobile robot has a priority landing part formed with higher strength than other parts, and (a) A) determining whether or not the legged mobile robot is likely to fall; and (b) responding to the determination that the legged mobile robot is likely to fall, the lower limb and the upper body being first to land at the priority landing site. And (c) controlling the driving of the lower limb and the upper body in accordance with the generated motion pattern. is there.
【００４６】前記優先着床部位は、例えば、他の部位に
比し高強度に形成され、若しくは、緩衝部材を含んでい
る。The priority landing site is formed with a higher strength than other sites, for example, or includes a buffer member.
【００４７】本発明の第３の側面に係る脚式移動ロボッ
トの転倒時動作制御方法において、前記ステップ（ａ）
は、前記脚式移動ロボットの上体の傾斜及び／又は姿勢
を検出する傾斜・姿勢検出サブステップ、床面から受け
る床反力を算出する床反力算出サブステップ、前記下肢
の足底が着床又は離床のいずれの状態かを判別する着床
／離床検出サブステップのうち少なくとも１つを備え、
該サブステップからの出力に基づいて転倒するか否かを
判断するようにしてもよい。In the method for controlling the motion of a legged mobile robot when it falls according to a third aspect of the present invention, the step (a) is performed.
A tilt / posture detection sub-step for detecting the inclination and / or posture of the upper body of the legged mobile robot; a floor reaction force calculation sub-step for calculating a floor reaction force received from the floor; At least one of a landing / leaving detection sub-step for determining whether the state is a floor or leaving the floor,
It may be determined whether or not the vehicle falls over based on the output from the sub-step.
【００４８】また、前記ステップ（ａ）では、前記脚式
移動ロボットが転倒するか否かとともに、その転倒方向
を判断するようにしてもよい。In the step (a), it may be determined whether or not the legged mobile robot falls down, and the direction of the fall is determined.
【００４９】また、前記脚式移動ロボットは前記優先着
床部位を２以上含み、前記ステップ（ａ）では、前記脚
式移動ロボットが転倒するか否か及びその転倒方向を判
断するとともに、該転倒方向に従って使用する優先着床
部位を選択し、前記ステップ（ｂ）では、該選択された
優先着床部位にて最初に着床する動作パターンを生成す
るようにしてもよい。The legged mobile robot includes two or more of the priority landing sites. In the step (a), it is determined whether or not the legged mobile robot falls down and the falling direction thereof. A priority landing site to be used may be selected according to the direction, and in the step (b), an operation pattern of first landing at the selected priority landing site may be generated.
【００５０】また、前記優先着床部位は、前記脚式移動
ロボットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも１つ
に配設され、前記判断するステップ（ａ）において前方
向及び／又は横方向に転倒すると判断したことに応答し
て、前記動作パターンを生成するステップ（ｂ）では、
掌で最初に着床するような前記下肢及び上体の動作パタ
ーンを生成するようにしてもよい。この結果、脚式移動
ロボットは、人間に似た自然な転倒動作を行うことで、
転倒によって被る衝撃を緩和し、損害を好適に軽減する
ことができる。The priority landing site is disposed on at least one of the palm, the back, the buttocks, and the knees of the legged mobile robot. In response to the determination of falling in the direction, in the step (b) of generating the motion pattern,
The motion pattern of the lower limb and the upper body such as to first land on the palm may be generated. As a result, the legged mobile robot performs a natural falling motion similar to a human,
The impact caused by the fall can be reduced, and the damage can be reduced appropriately.
【００５１】あるいは、前記優先着床部位は、前記脚式
移動ロボットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも
１つに配設され、前記判断するステップ（ａ）において
後ろ方向に転倒すると判断したことに応答して、前記動
作パターンを生成するステップ（ｂ）では、背面部で最
初に着床するような前記下肢及び上体の動作パターンを
生成するようにしてもよい。この結果、脚式移動ロボッ
トは、人間に似た自然な転倒動作を行うことで、転倒に
よって被る衝撃を緩和し、損害を好適に軽減することが
できる。Alternatively, the priority landing site is disposed on at least one of the palm, the back, the buttocks, and the knee of the legged mobile robot, and it is determined in the determining step (a) that the robot falls down backward. In response to the above, in the step (b) of generating the motion pattern, the motion pattern of the lower limb and the upper body such as to first land on the back may be generated. As a result, the legged mobile robot performs a natural falling motion similar to a human, so that the impact caused by the falling can be reduced and the damage can be reduced appropriately.
【００５２】あるいは、前記優先着床部位は、前記脚式
移動ロボットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも
１つに配設され、前記判断するステップ（ａ）において
後ろ方向に転倒すると判断したことに応答して、前記動
作パターンを生成するステップ（ｂ）では、臀部で最初
に着床するような前記下肢及び上体の動作パターンを生
成するようにしてもよい。この結果、脚式移動ロボット
は、人間に似た自然な転倒動作を行うことで、転倒によ
って被る衝撃を緩和し、損害を好適に軽減することがで
きる。Alternatively, the priority landing site is disposed on at least one of the palm, the back, the buttocks, and the knees of the legged mobile robot, and it is determined in the determining step (a) that the robot falls down backward. In response to the above, in the step (b) of generating the motion pattern, the motion pattern of the lower limb and the upper body such that the lower limb is first landed may be generated. As a result, the legged mobile robot performs a natural falling motion similar to a human, so that the impact caused by the falling can be reduced and the damage can be reduced appropriately.
【００５３】あるいは、前記優先着床部位は、前記脚式
移動ロボットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも
１つに配設され、前記判断するステップ（ａ）において
前方向に転倒すると判断したことに応答して、前記動作
パターンを生成するステップ（ｂ）では、膝で最初に着
床するような前記下肢及び上体の動作パターンを生成す
るようにしてもよい。この結果、脚式移動ロボットは、
人間に似た自然な転倒動作を行うことで、転倒によって
被る衝撃を緩和し、損害を好適に軽減することができ
る。Alternatively, the priority landing site is disposed on at least one of the palm, the back, the buttocks, and the knees of the legged mobile robot, and it is determined in the determining step (a) that the robot falls down forward. In response to this, the step (b) of generating the motion pattern may generate the motion pattern of the lower limb and the upper body such as to first land on the knee. As a result, the legged mobile robot
By performing a natural falling motion similar to that of a human, it is possible to reduce the impact caused by the falling and to appropriately reduce the damage.
【００５４】また、本発明の第４の側面は、少なくとも
下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、
下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットのための
転倒時動作制御方法であって、前記脚式移動ロボットは
所定の非優先着床部位を有し、（ａ）前記脚式移動ロボ
ットが転倒しそうか否かを判断するステップと、（ｂ）
転倒すると判断したことに応答して、前記非優先着床部
位が最初に着床するのを避けるような前記下肢及び上体
の動作パターンを生成するステップと、（ｃ）生成され
た動作パターンに従って前記下肢及び上体の駆動を制御
するステップと、を具備することを特徴とする脚式移動
ロボットの転倒時動作制御方法である。A fourth aspect of the present invention comprises at least a lower limb and an upper body disposed above the lower limb,
A falling motion control method for a legged mobile robot movable by the movement of a lower limb, wherein the legged mobile robot has a predetermined non-priority landing site, and (a) the legged mobile robot falls over Determining whether it is likely to do so, and (b)
Generating a motion pattern of the lower limb and the upper body in response to the determination that the object has fallen so as to avoid the non-priority implantation site from landing first; and (c) according to the generated motion pattern. Controlling the driving of the lower limb and the upper body.
【００５５】[0055]
【作用】本発明に係る脚式移動ロボットによれば、姿勢
センサ出力や接地確認センサ出力による傾斜や着床・離
床検出、さらには床反力の算出結果に基づいて、ロボッ
トが転倒する際の転倒方向を早めに検出して、体幹部、
下肢部、上肢部などの各関節部アクチュエータを制御す
ることで、優先着床部位から着床するような動作パター
ンを生成し且つ動作パターンを実行することができる。According to the legged mobile robot of the present invention, when the robot falls down based on the inclination, landing / leaving detection based on the output of the posture sensor and the output of the ground contact confirmation sensor, and the calculation result of the floor reaction force. The fall direction is detected early, and the trunk,
By controlling each joint actuator such as the lower limb and the upper limb, it is possible to generate an operation pattern for landing from a priority landing site and execute the operation pattern.
【００５６】優先着床部位は、他の部位に比し強度が充
分確保され、あるいは、緩衝部材を含んでいるので、転
倒に伴ないロボットが被る損傷を最小限に抑えることが
できる。The priority landing site has sufficient strength compared to other sites, or includes a buffer member, so that damage to the robot due to falling can be minimized.
【００５７】また、本発明に係る脚式移動ロボットによ
れば、姿勢センサ出力や接地確認センサ出力による傾斜
や着床・離床検出、さらには床反力の算出結果に基づい
て、ロボットが転倒する際の転倒方向を早めに検出し
て、体幹部、下肢部、上肢部などの各関節部アクチュエ
ータを制御することで、非優先着床部位を避けながら着
床するような動作パターンを生成し且つ動作パターンを
実行することができる。Further, according to the legged mobile robot according to the present invention, the robot falls over on the basis of the inclination, landing / leaving detection based on the output of the posture sensor and the output of the grounding confirmation sensor, and the calculation result of the floor reaction force. By detecting the falling direction at the early stage, by controlling each joint actuator such as the trunk, lower limb, and upper limb, an operation pattern such as landing while avoiding a non-priority landing site is generated and An operation pattern can be executed.
【００５８】非優先着床部位は、例えば制御ボードや、
カメラその他のセンサなど、比較的低強度若しくは衝撃
に弱い部品が配備されている場所である。このような非
優先着床部位を避けながら転倒することにより、転倒に
伴ないロボットが被る損傷を最小限に抑えることができ
る。The non-priority landing site may be, for example, a control board,
This is where relatively low-strength or impact-sensitive components, such as cameras and other sensors, are located. By falling over while avoiding such a non-priority landing site, damage to the robot caused by the fall can be minimized.
【００５９】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例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。Still other objects, features and advantages of the present invention are:
It will become apparent from the following more detailed description based on the embodiments of the present invention and the accompanying drawings.
【００６０】[0060]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施例を詳解する。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
【００６１】図１及び図２には本発明の実施に供される
人間形又は人間型ロボット１００を前方及び後方の各々
から眺望した様子を示している。さらに、図３には、こ
の人間型ロボット１００が具備する関節自由度構成を模
式的に示している。FIGS. 1 and 2 show the humanoid or humanoid robot 100 used in the embodiment of the present invention viewed from the front and the rear, respectively. Further, FIG. 3 schematically shows the configuration of the degrees of freedom of the joints included in the humanoid robot 100.
【００６２】図３に示すように、人間型ロボット１００
は、２本の腕部と頭部１を含む上体と、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る。As shown in FIG. 3, the humanoid robot 100
Is composed of an upper body including two arms and a head 1, a lower limb including two legs for realizing a movement operation, and a trunk connecting the upper limb and the lower limb.
【００６３】頭部１を支持する首関節は、首関節ヨー軸
２と、首関節ピッチ軸３と、首関節ロール軸４という３
自由度を有している。The neck joint supporting the head 1 includes a neck joint yaw axis 2, a neck joint pitch axis 3, and a neck joint roll axis 4.
It has a degree of freedom.
【００６４】また、各腕部は、肩関節ピッチ軸８と、肩
関節ロール軸９と、上腕ヨー軸１０と、肘関節ピッチ軸
１１と、前腕ヨー軸１２と、手首関節ピッチ軸１３と、
手首関節ロール軸１４と、手部１５とで構成される。手
部１５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。但し、手部１５の動作自体は、ロボッ
ト１００の姿勢安定制御や歩行動作制御に対する寄与や
影響が少ないので、本明細書ではゼロ自由度と仮定す
る。したがって、各腕部は７自由度を有するとする。Each arm has a shoulder joint pitch axis 8, a shoulder joint roll axis 9, an upper arm yaw axis 10, an elbow joint pitch axis 11, a forearm yaw axis 12, a wrist joint pitch axis 13,
It is composed of a wrist joint roll shaft 14 and a hand 15. The hand portion 15 is actually a multi-joint / multi-degree-of-freedom structure including a plurality of fingers. However, since the movement of the hand 15 itself has little contribution or influence on the posture stability control and the walking movement control of the robot 100, it is assumed that the degree of freedom is zero in this specification. Therefore, each arm has seven degrees of freedom.
【００６５】また、体幹部は、体幹ピッチ軸５と、体幹
ロール軸６と、体幹ヨー軸７という３自由度を有する。The trunk has three degrees of freedom: a trunk pitch axis 5, a trunk roll axis 6, and a trunk yaw axis 7.
【００６６】また、下肢を構成する各々の脚部は、股関
節ヨー軸１６と、股関節ピッチ軸１７と、股関節ロール
軸１８と、膝関節ピッチ軸１９と、足首関節ピッチ軸２
０と、関節ロール軸２１と、足部（足底）２２とで構成
される。股関節ピッチ軸１７と股関節ロール軸１８の交
点は、本実施例に係るロボット１００の股関節位置を定
義するものとする。人体の足部（足底）２２は、実際に
は多関節・多自由度の足底を含んだ構造体であるが、本
実施例に係る人間型ロボット１００の足底はゼロ自由度
とする。したがって、各脚部は６自由度で構成される。Each leg constituting the lower limb has a hip joint yaw axis 16, a hip joint pitch axis 17, a hip joint roll axis 18, a knee joint pitch axis 19, and an ankle joint pitch axis 2.
0, a joint roll shaft 21, and a foot (sole) 22. The intersection of the hip joint pitch axis 17 and the hip joint roll axis 18 defines the hip joint position of the robot 100 according to the present embodiment. The foot 22 of the human body (sole) is actually a structure including a sole with multiple joints and multiple degrees of freedom, but the sole of the humanoid robot 100 according to the present embodiment has zero degrees of freedom. . Therefore, each leg has six degrees of freedom.
【００６７】上述したような人間型ロボット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。本実施例では、
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。なお、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願平１１−３３３８６号明細書に
開示されている。The degrees of freedom of the humanoid robot 100 as described above are actually implemented using actuators. It is preferable that the actuator is small and lightweight in view of requirements such as removing excess swelling on the appearance to approximate the human body shape and performing posture control on an unstable structure called bipedal walking. . In this embodiment,
A small AC servo actuator that is directly connected to the gear and built into the motor unit with the servo control system integrated into one chip is mounted. Note that this type of AC
The servo actuator is disclosed, for example, in Japanese Patent Application No. 11-33386 already assigned to the present applicant.
【００６８】なお、図３には図示しないが、本実施例に
係る人間型ロボット１００は、臀部、膝部、両手（又は
片手）の掌など、所定の部位を特に強度が充分確保され
た堅牢な部位を備えている。これら高強度の部位は、後
述するように、ロボット１００の転倒時に「優先着床部
位」として作用し、他の部位が最初に着床した場合に比
し、ロボット１００が受ける損傷を軽減することができ
る。Although not shown in FIG. 3, the humanoid robot 100 according to the present embodiment has a robust part in which predetermined strengths such as the buttocks, knees, and palms of both hands (or one hand) are secured sufficiently. It has various parts. As described later, these high-strength portions act as “priority landing portions” when the robot 100 falls, and reduce damage to the robot 100 as compared with a case where other portions land first. Can be.
【００６９】優先着床部位は、例えばラバーやクッショ
ンなどの緩衝部材を備えてもよい。緩衝部材は、転倒時
において、ロボット１００だけでなくロボット１００と
衝突する相手側の物体の損傷も軽減することができる。The priority landing site may include a buffer member such as a rubber or a cushion. The shock absorbing member can reduce not only damage to the robot 100 but also damage to an object on the other side that collides with the robot 100 when the robot falls down.
【００７０】優先着床部位を堅牢に構成し、さらに緩衝
部材を含むことで、その外観は他の部位に比し自ずと膨
らんでしまう。但し、膝部や臀部、掌のように、生命体
において膨らみのある場所を優先着床部位として設定す
ることにより、ロボット１００全体の外観の均整は人間
本来の形状を逸脱することはない。When the priority landing section is made rigid and further includes a cushioning member, its appearance naturally expands as compared with other sections. However, by setting a swelling place in the living body such as the knee, buttocks, and palm as the priority landing site, the overall appearance of the robot 100 does not deviate from the original shape of a human.
【００７１】図４には、人間型ロボット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、
人間型ロボット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
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）。FIG. 4 schematically shows a control system configuration of the humanoid robot 100. As shown in the figure,
The humanoid robot 100 includes each of the mechanical units 30, 40, 50 R / L, and 60 R / L representing human limbs, and a control unit 80 that performs adaptive control for realizing a cooperative operation between the mechanical units. (However, each of R and L is a suffix indicating each of right and left. The same applies hereinafter).
【００７２】人間型ロボット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 Ｐｒｏｃｅｓｓｉ
ｎｇＵｎｉｔ）チップやメモリ・チップ等の主要回路コ
ンポーネント（図示しない）で構成される主制御部８１
と、電源装置やロボット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 humanoid robot 100 is totally controlled by the control unit 80. The control unit 80 has a CPU (Central Process)
ngUnit) A main control unit 81 including main circuit components (not shown) such as a chip and a memory chip.
And a peripheral circuit 82 including an interface (not shown) for transmitting and receiving data and commands to and from the power supply device and each component of the robot 100.
【００７３】本実施例では、電源装置は、ロボット１０
０を自立的に駆動するためのバッテリを含んだ構成（図
４には図示しない）となっている。自立駆動型であれ
ば、人間型ロボット１００の物理的な行動半径は、電源
ケーブルによる制限を受けず、自由に歩行することがで
きる。また、歩行やその他の上肢を含めた各種の運動時
に、電源ケーブルとの干渉を考慮する必要がなくなり、
移動などの動作制御が容易になる。In this embodiment, the power supply device is the robot 10
It has a configuration (not shown in FIG. 4) including a battery for independently driving 0. If it is a self-sustaining drive type, the physical radius of action of the humanoid robot 100 is not restricted by the power cable, and can walk freely. In addition, it is not necessary to consider the interference with the power cable during various exercises including walking and other upper limbs,
Operation control such as movement becomes easy.
【００７４】図３に示したロボット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２、首関節ピッチ軸３、首関節ロール軸４の各々を
表現する首関節ヨー軸アクチュエータＡ2、首関節ピッ
チ軸アクチュエータＡ3、首関節ロール軸アクチュエー
タＡ4がそれぞれ配設されている。The degrees of freedom of the respective joints in the robot 100 shown in FIG. 3 are realized by the corresponding actuators. That is, the head unit 30 includes a neck joint yaw axis actuator A 2 , a neck joint pitch axis actuator A 3 that expresses each of the neck joint yaw axis 2, the neck joint pitch axis 3, and the neck joint roll axis 4, and the neck joint roll. axis actuator A 4 are disposed respectively.
【００７５】また、体幹部ユニット４０には、体幹ピッ
チ軸５、体幹ロール軸６、体幹ヨー軸７の各々を表現す
る体幹ピッチ軸アクチュエータＡ5、体幹ロール軸アク
チュエータＡ6、体幹ヨー軸アクチュエータＡ7がそれぞ
れ配備されている。The trunk unit 40 includes a trunk pitch axis actuator A 5 , a trunk roll axis actuator A 6 representing each of the trunk pitch axis 5, the trunk roll axis 6, and the trunk yaw axis 7, trunk yaw axis actuator A 7 is deployed, respectively.
【００７６】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８、肩関節ロール軸９、上腕ヨー軸１０、肘関節ピッ
チ軸１１、肘関節ロール軸１２、手首関節ピッチ軸１
３、手首関節ロール軸１４の各々を表現する肩関節ピッ
チ軸アクチュエータＡ8、肩関節ロール軸アクチュエー
タＡ9、上腕ヨー軸アクチュエータＡ10、肘関節ピッチ
軸アクチュエータＡ11、肘関節ロール軸アクチュエータ
Ａ12、手首関節ピッチ軸アクチュエータＡ13、手首関節
ロール軸アクチュエータＡ14がそれぞれ配備されてい
る。The arm unit 50R / L is subdivided into an upper arm unit 51R / L, an elbow joint unit 52R / L, and a forearm unit 53R / L. 9, upper arm yaw axis 10, elbow joint pitch axis 11, elbow joint roll axis 12, wrist joint pitch axis 1
3. Shoulder joint pitch axis actuator A 8 , shoulder joint roll axis actuator A 9 , upper arm yaw axis actuator A 10 , elbow joint pitch axis actuator A 11 , elbow joint roll axis actuator A 12 representing each of the wrist joint roll axes 14 , A wrist joint pitch axis actuator A 13 and a wrist joint roll axis actuator A 14 are provided.
【００７７】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１
６、股関節ピッチ軸１７、股関節ロール軸１８、膝関節
ピッチ軸１９、足首関節ピッチ軸２０、足首関節ロール
軸２１の各々を表現する股関節ヨー軸アクチュエータＡ
16、股関節ピッチ軸アクチュエータＡ17、股関節ロール
軸アクチュエータＡ18、膝関節ピッチ軸アクチュエータ
Ａ19、足首関節ピッチ軸アクチュエータＡ20、足首関節
ロール軸アクチュエータＡ21がそれぞれ配備されてい
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.
6. Hip joint yaw axis actuator A representing each of hip joint pitch axis 17, hip joint roll axis 18, knee joint pitch axis 19, ankle joint pitch axis 20, and ankle joint roll axis 21
16 , a hip joint pitch axis actuator A 17 , a hip joint roll axis actuator A 18 , a knee joint pitch axis actuator A 19 , an ankle joint pitch axis actuator A 20 , and an ankle joint roll axis actuator A 21 are provided, respectively.
【００７８】各アクチュエータ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）である。Each of the actuators A 2 , A 3 ... Is more preferably a compact AC servo actuator (described above) of the type directly connected to a gear and of a type in which the servo control system is formed into one chip and mounted in a motor unit.
【００７９】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などの各機構ユ
ニット毎に、アクチュエータ駆動制御用の副制御部３
５，４５，５５，６５がそれぞれ配備されている。さら
に、各脚部６０Ｒ，Ｌの足底が着床したか否かを検出す
る接地確認センサ９１及び９２を装着するとともに、体
幹部ユニット４０内には、姿勢を計測する姿勢センサ９
３を装備している。本実施例では、姿勢センサ９３とし
て加速度センサを用いるものとする。接地確認センサ９
１及び９２のセンサ出力に従って、ロボット１００の着
床及び離床を検出することができる。また、姿勢センサ
９３のセンサ出力に従って、ロボット１００の胴体など
の傾斜を検出することができる。主制御部８１は、これ
ら各センサ９１〜９３の出力により、制御目標をダイナ
ミックに補正することができる。The head unit 30, the trunk unit 40,
For each mechanism unit such as the arm unit 50 and each leg unit 60, a sub-control unit 3 for actuator drive control is provided.
5, 45, 55, and 65 are provided, respectively. Furthermore, grounding confirmation sensors 91 and 92 for detecting whether or not the soles of the legs 60R and L have landed are mounted, and a posture sensor 9 for measuring the posture is provided in the trunk unit 40.
Equipped with three. In this embodiment, an acceleration sensor is used as the posture sensor 93. Grounding confirmation sensor 9
The landing and leaving of the robot 100 can be detected in accordance with the sensor outputs 1 and 92. Further, the inclination of the body of the robot 100 or the like can be detected according to the sensor output of the posture sensor 93. The main controller 81 can dynamically correct the control target based on the outputs of the sensors 91 to 93.
【００８０】主制御部８０は、各センサ９１〜９３の出
力に応答して副制御部３５，４５，５５，６５の各々に
対して適応的な制御を行い、人間型ロボット１００の上
肢、体幹、及び下肢の協調した動作を実現することがで
きる。主制御部８１は、ユーザ・コマンド等に従って、
足部運動、ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎ
ｔ）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。The main control unit 80 performs adaptive control on each of the sub-control units 35, 45, 55, and 65 in response to the output of each of the sensors 91 to 93. A coordinated motion of the trunk and the lower limb can be realized. The main control unit 81, according to a user command or the like,
Foot movement, ZMP (Zero Moment Point)
t) The trajectory, trunk exercise, upper limb exercise, waist height, and the like are set, and commands instructing an operation in accordance with the set contents are transferred to the sub-control units 35, 45, 55, and 65.
【００８１】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
動作期間中などにＺＭＰが動く軌跡を意味する。Each of the sub-control units 35, 45... Interprets the received command from the main control unit 81 and outputs a drive control signal to each of the actuators A 2 , A 3 . The “ZMP” referred to here is a point on the floor where the moment due to the floor reaction force during walking becomes zero, and the “ZMP trajectory” is, for example, during the walking operation of the robot 100. The trajectory of ZMP movement.
【００８２】次に、上述した人間型ロボット１００の転
倒時に実行する処理手順について説明する。Next, the processing procedure executed when the humanoid robot 100 falls down will be described.
【００８３】図５には、ロボット１００の転倒時の損傷
軽減処理を実現するための機能ブロック図を模式的に示
している。FIG. 5 schematically shows a functional block diagram for realizing the damage reduction processing when the robot 100 falls.
【００８４】バッテリ電圧／電流検出手段１５１は、ロ
ボット１００の駆動電源であるバッテリの端子電圧や放
電電流、充電電流などを常時監視する機能ブロックであ
り、例えば周辺回路８２（前述）の一部として実装され
ている。例えば、バッテリの端子電圧の低下や、放電電
流の積算量等を基にして、バッテリの残存容量を常時モ
ニタすることができる。The battery voltage / current detection means 151 is a functional block for constantly monitoring the terminal voltage, discharge current, charge current, and the like of the battery, which is the driving power supply for the robot 100. Has been implemented. For example, the remaining capacity of the battery can be constantly monitored based on a decrease in the terminal voltage of the battery, the integrated amount of the discharge current, and the like.
【００８５】傾斜・姿勢検出手段１５２は、ロボット１
００の上体の傾斜や姿勢を検出する機能モジュールであ
る。より具体的には、ロボット１００の体幹部ユニット
４０内に配備された姿勢センサ９３で構成され、ロボッ
ト１００の姿勢やその傾斜の度合いを検出することがで
きる。The inclination / posture detection means 152 is
This is a functional module that detects the inclination and posture of the upper body of 00. More specifically, it is configured with a posture sensor 93 provided in the trunk unit 40 of the robot 100, and can detect the posture of the robot 100 and the degree of its inclination.
【００８６】床反力算出手段１５３は、歩行など、ロボ
ット１００が所定の動作パターンを行っているときに、
足底が床面から受ける反力を算出する機能ブロックであ
る。例えば、ロボット１００の多質点近似モデルを用い
て床反力を求めることができる。The floor reaction force calculating means 153 is provided when the robot 100 performs a predetermined operation pattern such as walking.
This is a functional block for calculating the reaction force that the sole receives from the floor. For example, a floor reaction force can be obtained using a multi-mass point approximate model of the robot 100.
【００８７】着床／離床検出手段１５４は、ロボット１
００が着床又は離床いずれの期間中であるかを検出する
ための機能モジュールであり、例えば左右両足の足底に
配備された接地確認センサ９１及び９２で構成すること
ができる。The landing / leaving detection means 154 is the robot 1
Reference numeral 00 denotes a functional module for detecting whether it is during landing or leaving the floor.
【００８８】各アクチュエータ１，２，…，Ｎは、各関
節のロール、ピッチ、ヨー各軸の自由度を実現する駆動
装置である。駆動制御装置１，２，…，Ｎは、各アクチ
ュエータ１，２，…，Ｎの変位量や変位速度などの駆動
制御を行い、変位検出部１，２，，Ｎは、各アクチュエ
ータ１，２，…，Ｎの変位量等を検出してフィードバッ
ク信号を出力する。特願平１１−３３３８６号明細書に
開示されているＡＣサーボ・アクチュエータは、アクチ
ュエータと駆動制御装置と変位検出部が一体的に構成さ
れた小型サーボ・アクチュエータである（前述）。Each of the actuators 1, 2,..., N is a driving device for realizing the degrees of freedom of the roll, pitch, and yaw axes of each joint. The drive control devices 1, 2,..., N perform drive control such as the displacement amount and the displacement speed of each of the actuators 1, 2,. ,..., N, and outputs a feedback signal. The AC servo actuator disclosed in Japanese Patent Application No. 11-33386 is a small-sized servo actuator in which an actuator, a drive control device, and a displacement detection unit are integrally formed (described above).
【００８９】転倒判断手段１５５、動作パターン生成手
段１５６、及び、ロボット制御装置１５７の各々は、実
際には、主制御部８１と、各副制御部３５，４５，５
５，６５の協働的動作によって構成される機能モジュー
ルである。Each of the fall determining means 155, the motion pattern generating means 156, and the robot control device 157 is actually a main control section 81 and sub-control sections 35, 45, 5
This is a functional module configured by 5,65 cooperative operations.
【００９０】転倒判断手段１５５は、バッテリ電圧／電
流検出手段１５１、傾斜・姿勢検出手段１５２、床反力
算出手段１５３、及び、着床／離床検出手段１５４の各
々の出力に基づいてロボットが転倒しそうな状態か否か
を判定する。転倒しそうな状態と判断すると、「転倒検
出」信号を付勢する。The fall determining means 155 is based on the output of the battery voltage / current detecting means 151, the inclination / posture detecting means 152, the floor reaction force calculating means 153, and the landing / leaving detecting means 154. It is determined whether the state is likely to occur. When it is determined that the vehicle is likely to fall, a "fall detection" signal is activated.
【００９１】以下のような事態の少なくとも１つが発生
したときに、転倒判断手段１５５は転倒しそうな状態と
して判断する。When at least one of the following situations occurs, the fall determining means 155 determines that the vehicle is likely to fall.
【００９２】（１）駆動用バッテリの残存容量が所定値
以下に低下したとき （２）傾斜・姿勢検出手段１５２により検出された傾斜
角と目標傾斜角との偏差が所定量以上になったとき （３）傾斜・姿勢検出手段１５２により検出された傾斜
角の時間的変化が所定量以上になったとき （４）床反力算出手段１５３により求められた床反力が
所定量を越えたとき （５）着床／離床検出手段１５４により検出された状態
が、動作パターン生成手段１５５が出力した目標軌道の
状態を逸脱したとき(1) When the remaining capacity of the driving battery falls below a predetermined value. (2) When the deviation between the inclination angle detected by the inclination / posture detection means 152 and the target inclination angle exceeds a predetermined amount. (3) When the temporal change of the inclination angle detected by the inclination / posture detection means 152 exceeds a predetermined amount. (4) When the floor reaction force calculated by the floor reaction force calculation means 153 exceeds a predetermined amount. (5) When the state detected by the landing / leaving detection unit 154 deviates from the state of the target trajectory output by the operation pattern generation unit 155.
【００９３】ロボット制御装置１５７は、転倒検出の通
知に応答して、傾斜姿勢、床反力、着床／離床それぞれ
の検出結果、及び、各変位検出部からのアクチュエータ
変位量に基づいて、所望の「優先着床部位」から着床す
るような動作パターンすなわち目標軌道を動作パターン
生成手段１５６に生成させる。そして、ロボット１００
が転倒に至るまでの動作が目標軌道に追従するように、
体幹部、下肢部、上肢部の各関節アクチュエータ１，
２，…，Ｎを駆動制御する。The robot controller 157 responds to the notification of the fall detection based on the detection results of the inclination posture, the floor reaction force, the landing / leaving from the floor, and the amount of actuator displacement from each displacement detecting unit. The operation pattern generating means 156 generates an operation pattern such as landing from the “priority landing site”. And the robot 100
So that the movement up to the fall follows the target trajectory,
Trunk, lower limb, upper limb joint actuators 1,
2,..., N are drive-controlled.
【００９４】なお、多脚ロボットの動作パターンのう
ち、特に歩行時における下肢の動作パターン（例えば、
足の浮かせ方の順序やそのタイミングなどについてのパ
ターン）のことを、当業界では「歩容」（ｇａｉｔ）と
呼ぶ。多脚ロボットの歩容は、脚の位相差およびデュー
ティ比を用いて表される（日本ロボット学会のロボット
学術用語集による）。Note that, among the operation patterns of the multi-legged robot, the operation pattern of the lower limbs during walking (for example,
The pattern of the order and timing of how the feet are lifted) is called "gait" in the art. The gait of a multi-legged robot is represented using the phase difference and the duty ratio of the legs (according to the Robotics Glossary of Robotics Society of Japan).
【００９５】図６には、ロボット１００の転倒時に実行
する損傷軽減処理手順の一例をフローチャートの形式で
図解している。以下、このフローチャートの各ステップ
について説明する。FIG. 6 illustrates, in the form of a flowchart, an example of a damage mitigation procedure executed when the robot 100 falls. Hereinafter, each step of this flowchart will be described.
【００９６】まず、ステップＳ１０では、転倒判断手段
１５５が、バッテリ電圧／電流検出手段１５１、傾斜・
姿勢検出手段１５２、床反力算出手段１５３、及び、着
床／離床検出手段１５４の各出力に基づいて（前述）、
ロボット１００が転倒しそうか否かを判断する。First, in step S10, the fall determining means 155 determines whether the battery voltage / current detecting means 151
Based on the outputs of the posture detecting means 152, the floor reaction force calculating means 153, and the landing / leaving detecting means 154 (described above),
It is determined whether or not the robot 100 is likely to fall.
【００９７】「転倒する」と判断した場合には、さら
に、ロボット１００の正面を基準方向として、前後左右
のうちいずれの方向に向かってロボット１００が転倒し
そうかを算出する。When it is determined that the robot 100 falls, it is further calculated in which of the front, rear, left and right directions the robot 100 is likely to fall with the front of the robot 100 as a reference direction.
【００９８】図７には、転倒方向を算出するための概念
的なブロック図を示している。同図に示すように、ピッ
チ軸（Ｙ軸）及びロール軸（Ｘ軸）それぞれの軸まわり
の回転角速度を検出する手段３０１、３０２が、例えば
ロボット１００の体幹部などに取り付けられている。こ
れら検出手段から出力されるピッチ軸及びロール軸まわ
りの回転角速度を基に、転倒方向算出手段３０３は転倒
方向を算出することができる。FIG. 7 is a conceptual block diagram for calculating the overturn direction. As shown in the figure, means 301 and 302 for detecting rotational angular velocities around each of a pitch axis (Y axis) and a roll axis (X axis) are attached to, for example, the trunk of the robot 100. The falling direction calculating means 303 can calculate the falling direction based on the rotational angular velocities around the pitch axis and the roll axis output from these detecting means.
【００９９】図８には、転倒方向を算出するメカニズム
をより具体的に図解している。各検出手段３０１、３０
２は、実際には一対のジャイロ・スコープ３１１及び３
１２で構成される。ジャイロ・スコープ３１１及び３１
２は、姿勢センサ９３を兼ねてもよい。各ジャイロ・ス
コープが出力する角速度情報は、Ａ／Ｄ変換器３１３及
び３１４によりデジタル信号に変換されてから、主制御
部８１に入力される。主制御部８１では、以下の式に従
い、転倒方向θを算出する。FIG. 8 illustrates the mechanism for calculating the falling direction more specifically. Each detecting means 301, 30
2 is actually a pair of gyroscopes 311 and 3
12 is constituted. Gyroscopes 311 and 31
2 may also serve as the attitude sensor 93. The angular velocity information output from each gyroscope is converted into digital signals by A / D converters 313 and 314, and then input to the main control unit 81. The main controller 81 calculates the overturning direction θ according to the following equation.
【０１００】[0100]
【数１】 (Equation 1)
【０１０１】図９には、ロール軸及びピッチ軸各方向の
角速度と転倒方向θとの関係を示している。ステップＳ
１０にて算出された転倒方向θは、後続のステップＳ３
０において動作パターンを生成する際に利用される。FIG. 9 shows the relationship between the angular velocity in each direction of the roll axis and the pitch axis and the overturning direction θ. Step S
The falling direction θ calculated in step 10 is used in the subsequent step S3
0 is used to generate an operation pattern.
【０１０２】再び図７に戻って、転倒時における損傷軽
減のための処理手順について説明する。Returning to FIG. 7, the processing procedure for reducing the damage at the time of falling will be described.
【０１０３】転倒判断手段１５５が転倒しそうであると
いう状態とその転倒方向を検出すると、これをロボット
制御装置１５７に通知する（ステップＳ２０）。When the overturn judging means 155 detects the state that the vehicle is about to overturn and the direction of the overturn, it notifies the robot controller 157 of this (step S20).
【０１０４】ロボット制御装置１５７は、通知された転
倒方向に応じて、ロボット１００の現在の姿勢から優先
着床部位で最初に着床することができる動作パターンを
動作パターン生成手段１５６に生成させる（ステップＳ
３０）。そして、この動作パターンを実現するように、
各関節アクチュエータの駆動を指示する（ステップＳ４
０）。The robot control unit 157 causes the operation pattern generation unit 156 to generate an operation pattern that allows the robot 100 to first land on the priority landing site from the current posture of the robot 100 in accordance with the notified falling direction ( Step S
30). And to realize this operation pattern,
Instruct the drive of each joint actuator (step S4
0).
【０１０５】優先着床部位は、例えば右掌などロボット
１００の全身のうち１箇所に固定してもよい。但し、こ
の場合、転倒開始時の姿勢によっては無理な動作パター
ンを強いることになる。このため、掌以外に、背面部、
臀部、膝など、複数箇所を優先着床部位に設定し、転倒
開始時の姿勢や転倒方向に応じて優先着床部位を選択す
るようにしてもよい。このような場合、ロボット制御装
置１５７は、動作パターン生成手段１５６に対して、転
倒方向だけでなく、優先着床部位も指定する。動作パタ
ーン生成手段１５６は、転倒前の姿勢から優先着床部位
が最初に着床するまでの流暢な動作パターンを生成する
ことができる。The priority landing site may be fixed to one place in the whole body of the robot 100, for example, the right palm. However, in this case, an unreasonable operation pattern is imposed depending on the posture at the start of the fall. For this reason, in addition to the palm, the back,
A plurality of places, such as the buttocks and knees, may be set as the priority landing sites, and the priority landing site may be selected according to the posture at the start of the fall and the falling direction. In such a case, the robot control device 157 specifies the priority landing site as well as the falling direction to the motion pattern generation unit 156. The motion pattern generation means 156 can generate a fluent motion pattern from the posture before the fall to the first landing of the priority landing site.
【０１０６】そして、優先着床部位の着床が検出される
までは、上記の処理手順を繰り返し実行する（ステップ
Ｓ５０）。The above procedure is repeated until the landing at the priority landing site is detected (step S50).
【０１０７】上述した実施例では、傾斜姿勢検出手段１
５２、床反力算出手段１５３、着床／離床検出手段１５
４の各出力やロボット１００の姿勢すなわち各関節アク
チュエータの変位角度に基づいて、所定の優先着床部位
で最初に着床するような目標軌道を動作パターン生成手
段１５６により生成して、その目標軌道に追従させた動
作パターンを実行するようにした。In the embodiment described above, the inclination posture detecting means 1
52, floor reaction force calculation means 153, landing / leaving detection means 15
Based on the output of the robot 4 and the posture of the robot 100, that is, the displacement angle of each joint actuator, a target trajectory for landing first at a predetermined priority landing site is generated by the operation pattern generating means 156, and the target trajectory is generated. The motion pattern that is made to follow is executed.
【０１０８】但し、傾斜姿勢や床反力などの出力によ
り、自ずと所定の優先着床部位で着床することが判明し
た場合には、目標軌道を生成してそれに追従させる必要
は必ずしもなく、単に、各関節アクチュエータのサーボ
・ゲインを段階的に減衰させるなどの制御を行うだけで
もよいし、あるいはアクチュエータの制御を停止するだ
けでもよい。However, if it is determined from the output of the inclination posture, the floor reaction force, etc., that the landing is naturally made at a predetermined priority landing site, it is not always necessary to generate and follow the target trajectory. Alternatively, control such as stepwise attenuating the servo gain of each joint actuator may be performed, or control of the actuator may be stopped.
【０１０９】図１０〜図１４には、ロボット１００が転
倒する際における、動作パターン生成手段１５６が生成
する目標軌道を例示している。FIGS. 10 to 14 illustrate target trajectories generated by the motion pattern generation means 156 when the robot 100 falls.
【０１１０】図１０は、右手の掌を優先着床部位として
設定した場合であって、転倒方向がロボット１００の正
面に対し右側にある場合の動作パターンを図解してい
る。FIG. 10 illustrates an operation pattern when the palm of the right hand is set as the priority landing site and the falling direction is on the right side with respect to the front of the robot 100.
【０１１１】安定姿勢を維持した状態（図１０（ａ）を
参照のこと）において、不測の外乱を被るなどして、ロ
ボット１００が正面右側に転倒しそうな状態と判定され
る（図１０（ｂ）を参照のこと）。In a state where the stable posture is maintained (see FIG. 10A), it is determined that the robot 100 is likely to fall to the right front side due to unexpected disturbance or the like (FIG. 10B )checking).
【０１１２】すると、右肩関節ピッチ軸アクチュエータ
を駆動させる。さらに、右股関節及び右膝関節ピッチ軸
の各アクチュエータを先に、次いで左股関節及び左膝関
節ピッチ軸の各アクチュエータを駆動させることにより
（図１０（ｃ）を参照のこと）、右掌が最も先に着床す
るような姿勢を形成する。Then, the right shoulder joint pitch axis actuator is driven. Further, by driving each actuator of the right hip joint and the pitch axis of the right knee joint first, and then driving each actuator of the left hip joint and the left knee joint pitch axis (see FIG. 10C), the right palm becomes the most. An attitude to land first is formed.
【０１１３】無事、優先着床部位としての右掌が最初に
着床すると（図１０（ｄ）を参照のこと）、優先着床部
位において衝撃力はほとんど吸収され、その後、各関節
アクチュエータのサーボ・ゲインを段階的に減衰させ
る、あるいはアクチュエータの制御を停止するなどし
て、ロボット１００が自然に倒れ込み、全身が軟着床す
ることができる（図１０（ｅ）を参照のこと）。When the right palm as the priority landing site is safely landed for the first time (see FIG. 10D), the impact force is almost absorbed at the priority landing site, and then the servo of each joint actuator is released. The robot 100 falls down naturally by attenuating the gain in a stepwise manner or stopping the control of the actuator, and the whole body can be softly implanted (see FIG. 10E).
【０１１４】図１１は、右手の掌を優先着床部位として
設定した場合であって、転倒方向がロボット１００の正
面に対し左側にある場合の動作パターンを図解してい
る。FIG. 11 illustrates an operation pattern when the palm of the right hand is set as the priority landing site and the falling direction is on the left side with respect to the front of the robot 100.
【０１１５】安定姿勢を維持した状態（図１１（ａ）を
参照のこと）において、不測の外乱を被るなどして、ロ
ボット１００が正面左側に転倒しそうな状態と判定され
る（図１１（ｂ）を参照のこと）。In a state where the stable posture is maintained (see FIG. 11A), it is determined that the robot 100 is likely to fall to the front left side due to an unexpected disturbance (FIG. 11B). )checking).
【０１１６】すると、体幹関節ヨー軸アクチュエータを
反時計回りに回転させるなどして、身体を旋回させて右
腕を左側に向かわせるとともに、左膝関節ピッチ軸アク
チュエータを回転させて腰を落とし、転倒に備える（図
１１（ｃ）を参照のこと）。このとき、身体の軸が円滑
に旋回するように、右股関節ピッチ軸アクチュエータを
回転させるなどして、右足平を離床させておくとよい。Then, the body joint is turned counterclockwise, for example, by rotating the trunk joint yaw axis actuator to turn the right arm to the left side, and the left knee joint pitch axis actuator is rotated to lower the hips and fall. (See FIG. 11C). At this time, it is preferable to release the right foot from the floor by rotating the right hip joint pitch axis actuator or the like so that the body axis turns smoothly.
【０１１７】身体を旋回させた結果、転倒方向に対して
ロボット１００の左右が逆転し、ロボット１００は仰向
け状態で転倒動作に突入する。このとき、右肩関節ピッ
チ軸及び右肘関節ピッチ軸の各アクチュエータを回転さ
せ、右掌を可能な限り低い位置に移動させる（図１１
（ｄ）を参照のこと）。As a result of turning the body, the left and right sides of the robot 100 are reversed with respect to the falling direction, and the robot 100 enters a falling motion while lying on its back. At this time, the actuators of the right shoulder joint pitch axis and the right elbow joint pitch axis are rotated to move the right palm to the lowest possible position (FIG. 11).
(See (d)).
【０１１８】無事、優先着床部位としての右掌が最初に
着床すると、転倒時の衝撃力は優先着床部位によってほ
とんど吸収される。その後、各関節アクチュエータのサ
ーボ・ゲインを段階的に減衰させる、あるいはアクチュ
エータの制御を停止するなどして、ロボット１００が自
然に倒れ込み、全身が軟着床することができる（図１１
（ｅ）を参照のこと）。When the right palm as the priority landing site is safely landed for the first time, the impact force at the time of falling is almost absorbed by the priority landing site. Thereafter, the robot 100 falls down naturally by softly attenuating the servo gain of each joint actuator or stopping the control of the actuators, etc. (FIG. 11).
(See (e)).
【０１１９】図１１に示す動作パターンは図１０に比し
不自然である。但し、優先着床部位が右掌に固定されて
いる場合には、そうせざるを得ない。The operation pattern shown in FIG. 11 is unnatural as compared with FIG. However, if the priority landing site is fixed to the right palm, it is necessary to do so.
【０１２０】図１２は、背面部を優先着床部位として設
定した場合にロボット１００が後方に転倒する動作パタ
ーンを図解している。例えば、ステップＳ１０において
転倒方向がロボット１００の後方であると判定され、且
つ、背面部を優先着床部位に選択した場合に、同図に示
す動作パターンに従って転倒動作を実行する。FIG. 12 illustrates an operation pattern in which the robot 100 falls backward when the back portion is set as the priority landing portion. For example, when it is determined in step S10 that the falling direction is behind the robot 100, and the rear part is selected as the priority landing site, the falling operation is performed according to the operation pattern shown in FIG.
【０１２１】安定姿勢を維持した状態（図１２（ａ）を
参照のこと）において、不測の外乱を被るなどして、ロ
ボット１００が後方に転倒しそうな状態と判定される
（図１２（ｂ）を参照のこと）。In a state where the stable posture is maintained (see FIG. 12A), it is determined that the robot 100 is likely to fall backward due to an unexpected disturbance or the like (FIG. 12B). checking).
【０１２２】すると、両脚の股関節ピッチ軸アクチュエ
ータを回転させるなどして、胴体ユニットが後方に転倒
するような姿勢を形成し（図１２（ｃ）を参照のこ
と）、さらに、両足の膝関節ピッチ軸及び足首関節ピッ
チ軸の各アクチュエータを回転させて、胴体ユニットが
仰向けで略水平になるような姿勢を形成する（図１２
（ｄ）を参照のこと）。このとき、両腕の肩関節ピッチ
軸及び肘関節ピッチ軸の各アクチュエータを回転させ
て、左右の上腕ユニット、前腕ユニットなど優先着床部
位以外の構成ユニットが最初に着床しないようにする。Then, the hip joint pitch axis actuators of both legs are rotated to form a posture in which the torso unit falls down rearward (see FIG. 12 (c)). By rotating the actuators of the axis and the ankle joint pitch axis, a posture is formed such that the trunk unit is substantially horizontal on the back (FIG. 12).
(See (d)). At this time, the actuators of the shoulder joint pitch axis and the elbow joint pitch axis of both arms are rotated so that constituent units other than the priority landing site, such as the left and right upper arm units and forearm units, do not land first.
【０１２３】その後、各関節アクチュエータのサーボ・
ゲインを段階的に減衰させる、あるいはアクチュエータ
の制御を停止するなどして、ロボット１００が自然に倒
れ込むことで、無事、優先着床部位としての背面部が最
初に着床して、転倒時の衝撃力は優先着床部位によって
ほとんど吸収される。次いで、その他の部位が順次着床
して、全身が軟着床することができる（図１２（ｅ）を
参照のこと）。Thereafter, the servo of each joint actuator
When the robot 100 falls down naturally by attenuating the gain stepwise or stopping the control of the actuator, the rear part as the priority landing part first landed safely, and the impact at the time of falling Force is mostly absorbed by the priority implantation site. Then, the other parts are sequentially implanted, and the whole body can be softly implanted (see FIG. 12 (e)).
【０１２４】図１３は、臀部を優先着床部位として設定
した場合にロボット１００が後方に転倒する動作パター
ンを図解している。例えば、ステップＳ１０において転
倒方向がロボット１００の後方であると判定され、且
つ、臀部を優先着床部位に選択した場合に、同図に示す
動作パターンに従って動作する。FIG. 13 illustrates an operation pattern in which the robot 100 falls backward when the buttocks are set as the priority landing part. For example, when it is determined in step S10 that the falling direction is behind the robot 100 and the hip is selected as the priority landing site, the operation is performed according to the operation pattern shown in FIG.
【０１２５】安定姿勢を維持した状態（図１３（ａ）を
参照のこと）において、不測の外乱を被るなどして、ロ
ボット１００が後方に転倒しそうな状態と判定される
（図１３（ｂ）を参照のこと）。In the state where the stable posture is maintained (see FIG. 13A), it is determined that the robot 100 is likely to fall backward due to unexpected disturbance or the like (FIG. 13B). checking).
【０１２６】すると、両脚の股関節ピッチ軸アクチュエ
ータを回転させるなどして、上体をくの字状に屈曲させ
て、臀部を後方に突き出した姿勢を形成する（図１３
（ｃ）を参照のこと）。さらに、両脚の膝関節ピッチ軸
アクチュエータを回転させるなどして、臀部を下方に移
動させる（図１３（ｄ）を参照のこと）。Then, the hip joint pitch axis actuator of both legs is rotated to bend the upper body into a U-shape, thereby forming a posture in which the buttocks protrude rearward (FIG. 13).
(See (c)). Further, the buttocks are moved downward by rotating the knee joint pitch axis actuators of both legs (see FIG. 13D).
【０１２７】その後、各関節アクチュエータのサーボ・
ゲインを段階的に減衰させる、あるいはアクチュエータ
の制御を停止するなどして、ロボット１００が自然に倒
れ込むことで、無事、優先着床部位としての臀部が最初
に着床して、転倒時の衝撃力は優先着床部位によってほ
とんど吸収される。次いで、その他の部位が順次着床し
て、全身が軟着床することができる（図１３（ｅ）を参
照のこと）。Then, the servo of each joint actuator is
When the robot 100 falls down naturally by attenuating the gain stepwise or stopping the control of the actuator, the buttocks as the priority landing site land safely first, and the impact force at the time of falling Is mostly absorbed by the priority implantation site. Next, the other parts are sequentially implanted, and the whole body can be softly implanted (see FIG. 13E).
【０１２８】図１４は、両脚膝を優先着床部位として設
定した場合にロボット１００が前方に転倒する動作パタ
ーンを図解している。例えば、ステップＳ１０において
転倒方向がロボット１００の前方であると判定され、且
つ、両膝を優先着床部位に選択した場合に、同図に示す
動作パターンに従って動作する。FIG. 14 illustrates an operation pattern in which the robot 100 falls forward when both legs and knees are set as priority landing parts. For example, when it is determined in step S10 that the falling direction is in front of the robot 100 and both knees are selected as priority landing parts, the operation is performed according to the operation pattern shown in FIG.
【０１２９】安定姿勢を維持した状態（図１４（ａ）を
参照のこと）において、不測の外乱を被るなどして、ロ
ボット１００が前方に転倒しそうな状態と判定される
（図１４（ｂ）を参照のこと）。In a state where the stable posture is maintained (see FIG. 14A), it is determined that the robot 100 is likely to fall forward due to an unexpected disturbance or the like (FIG. 14B). checking).
【０１３０】すると、両脚の膝関節ピッチ軸アクチュエ
ータを回転させるなどして、両脚をくの字状に屈曲させ
て、両膝を前方に突き出した姿勢を形成する（図１４
（ｃ）を参照のこと）。Then, the knee joint pitch axis actuators of both legs are rotated to bend the legs in a V-shape, thereby forming a posture in which both knees are projected forward (FIG. 14).
(See (c)).
【０１３１】その後、各関節アクチュエータのサーボ・
ゲインを段階的に減衰させる、あるいはアクチュエータ
の制御を停止するなどして、ロボット１００が自然に倒
れ込むことで、無事、優先着床部位としての両膝が最初
に着床して（図１４（ｄ）を参照のこと）、転倒時の衝
撃力は優先着床部位によってほとんど吸収される。Then, the servo of each joint actuator
When the robot 100 falls down naturally by attenuating the gain in a stepwise manner or stopping the control of the actuator, both the knees as the priority landing parts land first (see FIG. 14 (d)). )), The impact force at the time of falling is almost absorbed by the priority implantation site.
【０１３２】両膝が床に着いた状態であって、前方に倒
れ込むときの慣性などにより、図１４（ｄ）に示した姿
勢であっても未だ安定しないこともある。このような場
合には、さらに、両脚の股関節ピッチ軸アクチュエータ
を回転させるなどして、上体を前傾姿勢に移行させ、且
つ、左右の肩関節ピッチ軸及び肘関節ピッチ軸の各アク
チュエータを回転させて、両掌を着床させ、四つん這い
の姿勢で静止するようにしてもよい（図１４（ｅ）を参
照のこと）。When both knees are on the floor and the posture shown in FIG. 14D is still not stable due to the inertia when falling forward and the like, there are cases where the posture is still unstable. In such a case, furthermore, the upper body is shifted to the forward tilt posture by rotating the hip pitch actuators of both legs, and the respective actuators of the left and right shoulder pitch axes and elbow joint pitch axes are rotated. Then, both palms may be placed on the floor, and they may stand still on all fours (see FIG. 14E).
【０１３３】上述した各実施形態では、脚式移動ロボッ
ト１００の１以上の部位を高強度若しくは緩衝部材を含
んだ構造に形成して、優先着床部位として設定すること
によって、転倒時に被る衝撃による損害を軽減するよう
にした。In each of the above-described embodiments, one or more parts of the legged mobile robot 100 are formed in a structure including a high-strength or cushioning member and are set as priority landing parts, so that the impact caused by the fall can be reduced. Reduced damage.
【０１３４】これらの実施形態とは逆に、脚式移動ロボ
ット１００の他の部位よりも低強度に形成された部位
や、衝撃に弱い部品が配備されている場所を「非優先着
床部位」に指定して、このような非優先着床部位から最
初に着床しないような動作パターンを生成して転倒動作
を実行することによっても、同様に、ロボット１００が
転倒により被る損害を軽減することができる。このよう
な非優先着床部位としては、制御ボードや、カメラその
他の精密機器を搭載した頭部やその周辺を指定するべき
である。Contrary to these embodiments, a part formed to be lower in strength than other parts of the legged mobile robot 100 and a place where a part that is vulnerable to impact is provided are referred to as “non-priority landing parts”. Similarly, by generating an operation pattern such that the robot 100 does not land first from such a non-priority landing area and executing the fall operation, the damage to the robot 100 caused by the fall can be similarly reduced. Can be. As such a non-priority landing site, a head on which a control board, a camera or other precision equipment is mounted, and its periphery should be designated.
【０１３５】［追補］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。すなわち、例示とい
う形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈
されるべきではない。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。[Supplement] 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. That is, the present invention has been disclosed by way of example, and should not be construed as limiting. In order to determine the gist of the present invention, the claims described at the beginning should be considered.
【０１３６】なお、本発明の要旨を判断する上で、２足
歩行のロボット１００についての関節等の呼び名は、図
３を厳格に適用するのは妥当ではなく、現実のヒトやサ
ルなどの２足直立歩行動物の身体メカニズムとの対比に
より柔軟に解釈されたい。In determining the gist of the present invention, it is not appropriate to strictly apply FIG. 3 to the names of the joints and the like of the bipedal walking robot 100. Please be interpreted more flexibly in comparison with the body mechanism of an animal with an upright leg.
【０１３７】参考のため、人間型ロボットの関節モデル
構成を図１５に図解しておく。同図に示す例では、肩関
節５から上腕、肘関節６、前腕、手首７及び手部８から
なる部分を「上肢」と呼ぶ。また、肩関節５から股関節
１１までの範囲を「体幹部」と呼び、ヒトの胴体に相当
する。また、体幹部のうち特に股関節１１から体幹関節
１０までの範囲を「腰部」と呼ぶ。体幹関節１０は、ヒ
トの背骨が持つ自由度を表現する作用を有する。また、
股関節１１より下の大腿部１２、膝関節１４、下腿部１
３、足首１５及び足部１６からなる部分を「下肢」と呼
ぶ。一般には、股関節より上方を「上体」と呼び、それ
より下方を「下体」と呼ぶFor reference, the joint model configuration of the humanoid robot is illustrated in FIG. In the example shown in the figure, the part consisting of the shoulder joint 5 to the upper arm, the elbow joint 6, the forearm, the wrist 7, and the hand 8 is referred to as "upper limb". Further, a range from the shoulder joint 5 to the hip joint 11 is called a “trunk” and corresponds to a human torso. In addition, a range from the hip joint 11 to the trunk joint 10 in the trunk is particularly referred to as a “lumbar region”. The trunk joint 10 has an action of expressing the degree of freedom of the human spine. Also,
Thigh 12, knee 14, and lower leg 1 below hip joint 11
3. The part consisting of the ankle 15 and the foot 16 is referred to as "lower limb". Generally, the upper part of the hip joint is called "upper body" and the lower part is called "lower body"
【０１３８】また、図１６には、人間型ロボットの他の
関節モデル構成を図解している。同図に示す例は、体幹
関節１０を有しない点で図１５に示した例とは相違す
る。各部の名称については図を参照されたい。背骨に相
当する体幹関節が省略される結果として人間型ロボット
の上体の動きは表現力を失う。但し、危険作業や難作業
の代行など、産業目的の人間型ロボットの場合、上体の
動きを要しない場合がある。なお、図１５及び図１６で
用いた参照番号は、それ以外の図面とは一致しない点を
理解されたい。FIG. 16 illustrates another joint model configuration of the humanoid robot. The example shown in the figure is different from the example shown in FIG. 15 in that the trunk joint 10 is not provided. See the figure for the names of each part. As a result of omitting the trunk joint corresponding to the spine, the movement of the upper body of the humanoid robot loses its expressive power. However, in the case of a humanoid robot for industrial purposes, such as performing dangerous work or difficult work, it may not be necessary to move the upper body. It should be understood that the reference numerals used in FIG. 15 and FIG. 16 do not correspond to the other drawings.
【０１３９】[0139]
【発明の効果】以上詳記したように、本発明によれば、
転倒時にロボットが被る損害を限りなく軽減することが
できる、脚式移動型ロボットのための優れた制御方法メ
カニズムを提供することができる。As described above in detail, according to the present invention,
It is possible to provide an excellent control method mechanism for a legged mobile robot that can reduce the damage to the robot when falling down as much as possible.
【０１４０】また、本発明によれば、転倒時にロボット
が被る損害を限りなく軽減することができるように動作
パターンを生成することができる、脚式移動型ロボット
のための優れた制御方法メカニズムを提供することがで
きる。Further, according to the present invention, there is provided an excellent control method mechanism for a legged mobile robot capable of generating an operation pattern so as to minimize the damage to the robot when falling down. Can be provided.
【０１４１】また、本発明によれば、転倒時に強度的に
弱い部位が着床するのを回避して、ロボットが被る損害
を限りなく軽減することができるように動作パターンを
生成することができる、脚式移動型ロボットのための優
れた制御方法メカニズムを提供することができる。Further, according to the present invention, it is possible to generate an operation pattern so as to prevent a portion having a low strength from landing on a fall and to reduce the damage to the robot as much as possible. Thus, an excellent control method mechanism for a legged mobile robot can be provided.
【０１４２】本発明によれば、姿勢センサ出力や接地確
認センサ出力による傾斜や着床・離床検出、さらには床
反力の算出結果に基づいて、ロボットが転倒する際の転
倒方向を早めに検出して、体幹部、下肢部、上肢部など
の各関節部アクチュエータを制御することで、優先着床
部位から着床するような動作パターンを生成し且つ動作
パターンを実行することができる。優先着床部位は、他
の部位に比し強度が充分確保されているので、転倒に伴
なうロボット１００が被る損傷を最小限に抑えることが
できる。According to the present invention, the inclination and landing / leaving of the robot are detected by the output of the posture sensor and the output of the ground contact confirmation sensor, and the falling direction when the robot falls is detected earlier based on the calculation result of the floor reaction force. Then, by controlling each joint actuator such as the trunk, the lower limb, and the upper limb, it is possible to generate an operation pattern such as landing from a priority landing site and execute the operation pattern. Since the priority landing site has a sufficient strength compared to other sites, damage to the robot 100 due to falling can be minimized.
【０１４３】また、本発明によれば、着床の方位を制御
することも可能であるので、転倒不可能な方位がある場
合や、次の動作にスムースに移行できるような姿勢で着
床させたい場合など、所望の方向に転倒させたいときに
も有効に適用することができる。Further, according to the present invention, the azimuth of landing can be controlled. Therefore, when there is an azimuth that cannot be overturned, or when landing is performed in such a posture that it can be smoothly shifted to the next operation. It can be effectively applied when it is desired to turn over in a desired direction, for example, when desired.
【図１】本発明の実施に供される人間型ロボット１００
を前方から眺望した様子を示た図である。FIG. 1 shows a humanoid robot 100 used for carrying out the present invention.
It is the figure which showed a mode that looked at from the front.
【図２】本発明の実施に供される人間型ロボット１００
を後方から眺望した様子を示た図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a humanoid robot 100 according to an embodiment of the present invention.
It is the figure which showed the mode that looked at from the back.
【図３】本実施例に係る人間型ロボット１００が具備す
る自由度構成モデルを模式的に示した図である。FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a degree-of-freedom configuration model included in the humanoid robot 100 according to the present embodiment.
【図４】本実施例に係る人間型ロボット１００の制御シ
ステム構成を模式的に示した図である。FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a control system configuration of the humanoid robot 100 according to the present embodiment.
【図５】ロボット１００の転倒時の損傷軽減処理を実現
するための機能ブロック図である。FIG. 5 is a functional block diagram for implementing damage reduction processing when the robot 100 falls.
【図６】ロボット１００が転倒する際に実行する損傷軽
減処理手順の一例を示したフローチャートである。FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of a damage reduction processing procedure executed when the robot 100 falls.
【図７】ロボット１００の転倒方向を算出する機能ブロ
ック図である。FIG. 7 is a functional block diagram for calculating a falling direction of the robot 100.
【図８】ロボット１００の転倒方向を算出する機能ブロ
ック図である。FIG. 8 is a functional block diagram for calculating a falling direction of the robot 100.
【図９】ロール軸及びピッチ軸各方向の角速度と転倒方
向θとの関係を示した図である。FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the angular velocity in each direction of the roll axis and the pitch axis and the overturning direction θ.
【図１０】ロボット１００が転倒する際における、動作
パターン生成手段１５６が生成する目標軌道の一例を示
した図であり、より具体的には、右手の掌を優先着床部
位として設定した場合にロボット１００が転倒する様子
をシミュレートした図である。FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a target trajectory generated by the motion pattern generating unit 156 when the robot 100 falls, and more specifically, when the palm of the right hand is set as a priority landing site. FIG. 3 is a diagram simulating a state in which a robot 100 falls.
【図１１】右手の掌を優先着床部位として設定した場合
にロボット１００が転倒する様子の他の例をシミュレー
トした図であり、より具体的には、右手の掌を優先着床
部位として設定した場合にであってロボット１００が左
側に転倒する様子をシミュレートした図である。FIG. 11 is a diagram simulating another example in which the robot 100 falls when the right palm is set as a priority landing site. More specifically, the right palm is set as a priority landing site. FIG. 9 is a diagram simulating a state in which the robot 100 falls to the left when set.
【図１２】ロボット１００が転倒する際における、動作
パターン生成手段１５６が生成する目標軌道の一例を示
した図であり、より具体的には、背面部を優先着床部位
として設定した場合にロボット１００が転倒する様子を
シミュレートした図である。FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a target trajectory generated by the motion pattern generation unit 156 when the robot 100 falls down, and more specifically, the robot when the back surface is set as a priority landing site. It is the figure which simulated that 100 fell.
【図１３】ロボット１００が転倒する際における、動作
パターン生成手段１５６が生成する目標軌道の一例を示
した図であり、より具体的には、臀部を優先着床部位と
して設定した場合にロボット１００が転倒する様子をシ
ミュレートした図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a target trajectory generated by the motion pattern generation unit 156 when the robot 100 falls down. More specifically, when the hip is set as a priority landing site, the robot 100 FIG. 5 is a diagram simulating a state in which the object falls.
【図１４】ロボット１００が転倒する際における、動作
パターン生成手段１５６が生成する目標軌道の一例を示
した図であり、より具体的には、膝部を優先着床部位と
して設定した場合にロボット１００が転倒する様子をシ
ミュレートした図である。FIG. 14 is a diagram showing an example of a target trajectory generated by the motion pattern generating means 156 when the robot 100 falls down, and more specifically, when the knee is set as a priority landing site, It is the figure which simulated that 100 fell.
【図１５】人間型ロボットについての関節モデル構成の
一例を模式的に示した図である。FIG. 15 is a diagram schematically illustrating an example of a joint model configuration of a humanoid robot.
【図１６】人間型ロボットについての関節モデル構成の
他の例を模式的に示した図である。FIG. 16 is a diagram schematically showing another example of the joint model configuration of the humanoid robot.
１…頭部，２…首関節ヨー軸 ３…首関節ピッチ軸，４…首関節ロール軸 ５…体幹ピッチ軸，６…体幹ロール軸 ７…体幹ヨー軸，８…肩関節ピッチ軸 ９…肩関節ロール軸，１０…上腕ヨー軸 １１…肘関節ピッチ軸，１２…前腕ヨー軸 １３…手首関節ピッチ軸，１４…手首関節ロール軸 １５…手部，１６…股関節ヨー軸 １７…股関節ピッチ軸，１８…股関節ロール軸 １９…膝関節ピッチ軸，２０…足首関節ピッチ軸 ２１…足首関節ロール軸，２２…足部（足底） 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…姿勢センサ １００…人間型ロボット DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Head, 2 ... Neck joint yaw axis 3 ... Neck joint pitch axis, 4 ... Neck joint roll axis 5 ... Trunk pitch axis, 6 ... Trunk roll axis 7 ... Trunk yaw axis, 8 ... Shoulder joint pitch axis 9 ... shoulder joint roll axis, 10 ... upper arm yaw axis 11 ... elbow joint pitch axis, 12 ... forearm yaw axis 13 ... wrist joint pitch axis, 14 ... wrist joint roll axis 15 ... hand, 16 ... hip joint yaw axis 17 ... hip joint Pitch axis, 18: Hip joint roll axis 19: Knee joint pitch axis, 20: Ankle joint pitch axis 21: Ankle joint roll axis, 22: Foot (plantar) 30: Head unit, 40: Trunk unit 50: Arm Upper unit 52, elbow joint unit 53, forearm unit 60 leg unit, 61 thigh unit 62 knee unit, 63 shin unit 80 control unit 81 main control unit 82: Peripheral round 91, 92 ... ground check sensor 93 ... attitude sensor 100 ... humanoid robot
Claims (22)
れた上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な脚
式移動ロボットであって、 所定の優先着床部位と、 前記ロボットが転倒しそうか否かを判断する転倒判断手
段と、 前記転倒判断手段が転倒すると判断したことに応答し
て、前記優先着床部位にて最初に着床するような前記下
肢及び上体の動作パターンを生成する動作パターン生成
手段と、 前記動作パターン手段によって生成された動作パターン
に従って前記下肢及び上体の駆動を制御する制御手段
と、を具備することを特徴とする脚式移動ロボット。1. A legged mobile robot comprising at least a lower limb and an upper body disposed above the lower limb and movable by the movement of the lower limb, comprising: a predetermined priority landing site; A fall determining means for determining whether or not the user is likely to fall; and an operation of the lower limb and the upper body such that the lower limb and the upper body first land on the priority landing site in response to the fall determining means determining that the fall has occurred. A legged mobile robot comprising: motion pattern generating means for generating a pattern; and control means for controlling driving of the lower limb and the upper body in accordance with the motion pattern generated by the motion pattern means.
度に形成され、若しくは、緩衝部材を含むことを特徴と
する請求項１に記載の脚式移動ロボット。2. The legged mobile robot according to claim 1, wherein the priority landing part is formed with a higher strength than other parts, or includes a buffer member.
斜及び／又は姿勢を検出する傾斜・姿勢検出手段と、床
面から受ける床反力を算出する床反力算出手段と、前記
下肢の足底が着床又は離床のいずれの状態かを判別する
着床／離床検出手段とを備え、 前記転倒判断手段は、前記傾斜・姿勢検出手段、前記床
反力算出手段、又は、前記着床／離床検出手段のうち少
なくとも１つの出力に基づいて転倒するか否かを判断す
ることを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボッ
ト。3. A tilt / posture detecting means for detecting a tilt and / or a posture of an upper body of the legged mobile robot; a floor reaction force calculating means for calculating a floor reaction force received from a floor; Landing / leaving detection means for determining whether the sole of the foot is on the floor or leaving the floor, wherein the fall determination means is the inclination / posture detection means, the floor reaction force calculating means, or the landing The legged mobile robot according to claim 1, wherein it is determined whether or not the vehicle falls over based on an output of at least one of the floor / bed-off detection means.
トが転倒するか否かとともに、その転倒方向を判断する
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボット。4. The legged mobile robot according to claim 1, wherein said fall judging means judges whether or not said legged mobile robot has fallen, and judges the direction of fall.
か否か及びその転倒方向を判断するとともに、該転倒方
向に従って使用する優先着床部位を選択し、 前記動作パターン生成手段は該選択された優先着床部位
にて最初に着床する動作パターンを生成する、ことを特
徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボット。5. The method according to claim 5, wherein the priority landing section includes two or more of the priority landing sections, and the fall determining means determines whether or not the legged mobile robot falls and a falling direction thereof, and uses the priority landing in accordance with the falling direction. The legged mobile robot according to claim 1, wherein a part is selected, and the movement pattern generating means generates a movement pattern for first landing at the selected priority landing part.
トの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも１つに配設
されていることを特徴とする請求項１に記載の脚式移動
ロボット。6. The legged type according to claim 1, wherein the priority landing part is provided on at least one of a palm, a back part, a hip, and a knee of the legged mobile robot. Mobile robot.
トの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも１つに配設
され、 前記転倒判断手段が前方向及び／又は横方向に転倒する
と判断したことに応答して、前記動作パターン生成手段
は、掌で最初に着床するような前記下肢及び上体の動作
パターンを生成することを特徴とする請求項１に記載の
脚式移動ロボット。7. The priority landing site is disposed on at least one of a palm, a back portion, a buttock, and a knee of the legged mobile robot, and the fall judging means falls forward and / or sideways. 2. The legged movement according to claim 1, wherein, in response to the determination, the movement pattern generation unit generates the lower limb and upper body movement pattern such that the lower limb and the upper body first land on the palm. robot.
トの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも１つに配設
され、 前記転倒判断手段が後ろ方向に転倒すると判断したこと
に応答して、前記動作パターン生成手段は、背面部で最
初に着床するような前記下肢及び上体の動作パターンを
生成することを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロ
ボット。8. The priority landing site is disposed on at least one of a palm, a back, a buttock, and a knee of the legged mobile robot, and the fall determination unit determines that the vehicle falls backward. 2. The legged mobile robot according to claim 1, wherein, in response, the motion pattern generation unit generates the motion pattern of the lower limb and the upper body so as to first land on the back.
トの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも１つに配設
され、 前記転倒判断手段が後ろ方向に転倒すると判断したこと
に応答して、前記動作パターン生成手段は、臀部で最初
に着床するような前記下肢及び上体の動作パターンを生
成することを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボ
ット。9. The method according to claim 9, wherein the priority landing site is disposed on at least one of a palm, a back portion, a hip, and a knee of the legged mobile robot, and the fall determining means determines that the vehicle falls backward. 2. The legged mobile robot according to claim 1, wherein, in response, the motion pattern generation unit generates the motion pattern of the lower limb and the upper body such that the lower limb and the upper body first land.
ットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも１つに配
設され、 前記転倒判断手段が前方向に転倒すると判断したことに
応答して、前記動作パターン生成手段は、膝で最初に着
床するような前記下肢及び上体の動作パターンを生成す
ることを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボッ
ト。10. The priority landing site is disposed on at least one of a palm, a back, a hip, and a knee of the legged mobile robot, and the fall determining means determines that the vehicle falls forward. 2. The legged mobile robot according to claim 1, wherein, in response, the motion pattern generation unit generates the motion pattern of the lower limb and the upper body so as to first land on the knee.
された上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な
脚式移動ロボットであって、 所定の非優先着床部位と、 前記ロボットが転倒しそうか否かを判断する転倒判断手
段と、 前記転倒判断手段が転倒すると判断したことに応答し
て、前記非優先着床部位が最初に着床するのを避けるよ
うな前記下肢及び上体の動作パターンを生成する動作パ
ターン生成手段と、 前記動作パターン手段によって生成された動作パターン
に従って前記下肢及び上体の駆動を制御する制御手段
と、を具備することを特徴とする脚式移動ロボット。11. A legged mobile robot comprising at least a lower limb and an upper body disposed above the lower limb and movable by the movement of the lower limb, comprising: a predetermined non-priority landing site; A fall determining means for determining whether the robot is likely to fall, and in response to the fall determining means determining that the robot has fallen, the lower limb such that the non-priority landing site avoids landing first. Leg type movement, comprising: motion pattern generating means for generating an upper body motion pattern; and control means for controlling the driving of the lower limb and the upper body in accordance with the motion pattern generated by the motion pattern means. robot.
された上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な
脚式移動ロボットのための転倒時動作制御方法であっ
て、前記脚式移動ロボットは所定の優先着床部位を有
し、 （ａ）前記脚式移動ロボットが転倒しそうか否かを判断
するステップと、 （ｂ）転倒すると判断したことに応答して、前記優先着
床部位にて最初に着床するような前記下肢及び上体の動
作パターンを生成するステップと、 （ｃ）生成された動作パターンに従って前記下肢及び上
体の駆動を制御するステップと、を具備することを特徴
とする脚式移動ロボットの転倒時動作制御方法。12. A method for controlling a falling motion of a legged mobile robot comprising at least a lower limb and an upper body disposed above the lower limb and movable by the movement of the lower limb, the method comprising: (A) determining whether or not the legged mobile robot is likely to fall; and (b) responding to the determination that the legged mobile robot is to fall. Generating a movement pattern of the lower limb and the upper body such that the lower limb and the upper body first land on a floor site; and (c) controlling driving of the lower limb and the upper body according to the generated movement pattern. A method for controlling the operation of a legged mobile robot when it falls over, characterized in that:
強度に形成され、若しくは、緩衝部材を含むことを特徴
とする請求項１２に記載の脚式移動ロボットの転倒時動
作制御方法。13. The fall motion control of a legged mobile robot according to claim 12, wherein the priority landing site is formed with higher strength than other sites, or includes a buffer member. Method.
ボットの上体の傾斜及び／又は姿勢を検出する傾斜・姿
勢検出サブステップ、床面から受ける床反力を算出する
床反力算出サブステップ、前記下肢の足底が着床又は離
床のいずれの状態かを判別する着床／離床検出サブステ
ップのうち少なくとも１つを備え、該サブステップから
の出力に基づいて前記脚式移動ロボットが転倒するか否
かを判断することを特徴とする請求項１２に記載の脚式
移動ロボットの転倒時動作制御方法。14. The step (a) includes a tilt / posture detection sub-step for detecting a tilt and / or a posture of the upper body of the legged mobile robot, and a floor reaction force calculation for calculating a floor reaction force received from a floor surface. A sub-step, and at least one of a landing / leaving detection sub-step for determining whether the sole of the leg is in a landing state or a leaving state, and based on an output from the sub-step, the legged mobile robot 13. The method according to claim 12, wherein it is determined whether or not the robot falls down.
ロボットが転倒するか否かとともに、その転倒方向を判
断することを特徴とする請求項１２に記載の脚式移動ロ
ボットの転倒時動作制御方法。15. The overturning operation of a legged mobile robot according to claim 12, wherein in the step (a), whether or not the legged mobile robot falls down and a direction of the fall are determined. Control method.
位を２以上含み、 前記ステップ（ａ）では、前記脚式移動ロボットが転倒
するか否か及びその転倒方向を判断するとともに、該転
倒方向に従って使用する優先着床部位を選択し、 前記ステップ（ｂ）では、該選択された優先着床部位に
て最初に着床する動作パターンを生成する、ことを特徴
とする請求項１２に記載の脚式移動ロボットの転倒時動
作制御方法。16. The legged mobile robot includes two or more of the priority landing sections. In the step (a), it is determined whether or not the legged mobile robot falls down and its falling direction. 13. A priority implantation site to be used in accordance with the direction is selected, and in the step (b), an operation pattern of first landing at the selected priority implantation site is generated. Control method of the legged mobile robot when it falls.
ットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも１つに配
設されていることを特徴とする請求項１２に記載の脚式
移動ロボットの転倒時動作制御方法。17. The legged type according to claim 12, wherein the priority landing part is disposed on at least one of a palm, a back part, a hip, and a knee of the legged mobile robot. An operation control method for a mobile robot when it falls.
ットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも１つに配
設され、 前記判断するステップ（ａ）において前方向及び／又は
横方向に転倒すると判断したことに応答して、前記動作
パターンを生成するステップ（ｂ）では、掌で最初に着
床するような前記下肢及び上体の動作パターンを生成す
ることを特徴とする請求項１２に記載の脚式移動ロボッ
トの転倒時動作制御方法。18. The priority landing site is disposed on at least one of a palm, a back, a hip, and a knee of the legged mobile robot, and in the judging step (a), a forward direction and / or a side direction is set. The step (b) of generating the motion pattern in response to the determination of falling in the direction includes generating the motion pattern of the lower limb and the upper body such as to first land on the palm. Item 13. The method for controlling the motion of a legged mobile robot when falling over according to Item 12.
ットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも１つに配
設され、 前記判断するステップ（ａ）において後ろ方向に転倒す
ると判断したことに応答して、前記動作パターンを生成
するステップ（ｂ）では、背面部で最初に着床するよう
な前記下肢及び上体の動作パターンを生成することを特
徴とする請求項１２に記載の脚式移動ロボットの転倒時
動作制御方法。19. The priority landing site is disposed on at least one of a palm, a back, a hip, and a knee of the legged mobile robot, and it is determined in the determining step (a) that the robot falls down backward. 13. The step (b) of generating the motion pattern in response to the step of generating the motion pattern of the lower limb and the upper body, such that the lower limb and the upper body first land on the back surface. Control method of the legged mobile robot when it falls.
ットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも１つに配
設され、 前記判断するステップ（ａ）において後ろ方向に転倒す
ると判断したことに応答して、前記動作パターンを生成
するステップ（ｂ）では、臀部で最初に着床するような
前記下肢及び上体の動作パターンを生成することを特徴
とする請求項１２に記載の脚式移動ロボットの転倒時動
作制御方法。20. The priority landing site is disposed on at least one of a palm, a back, a hip, and a knee of the legged mobile robot, and it is determined in the determining step (a) that the robot falls down backward. The step (b) of generating the motion pattern in response to the step of generating the lower limb and the upper body, such that the lower limb and the upper body first land on the buttocks. A method for controlling the motion of a legged mobile robot when it falls.
ットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも１つに配
設され、 前記判断するステップ（ａ）において前方向に転倒する
と判断したことに応答して、前記動作パターンを生成す
るステップ（ｂ）では、膝で最初に着床するような前記
下肢及び上体の動作パターンを生成することを特徴とす
る請求項１２に記載の脚式移動ロボットの転倒時動作制
御方法。21. The priority landing site is disposed on at least one of a palm, a back, a hip, and a knee of the legged mobile robot, and it is determined in the determining step (a) that the robot falls down in a forward direction. The step (b) of generating the motion pattern in response to the step of generating the motion pattern of the lower limb and the upper body such that the lower limb and the upper body first land on the knee. A method for controlling the motion of a legged mobile robot when it falls.
された上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な
脚式移動ロボットのための転倒時動作制御方法であっ
て、前記脚式移動ロボットは所定の非優先着床部位を有
し、（ａ）前記脚式移動ロボットが転倒しそうか否かを
判断するステップと、（ｂ）転倒すると判断したことに
応答して、前記非優先着床部位が最初に着床するのを避
けるような前記下肢及び上体の動作パターンを生成する
ステップと、（ｃ）生成された動作パターンに従って前
記下肢及び上体の駆動を制御するステップと、を具備す
ることを特徴とする脚式移動ロボットの転倒時動作制御
方法。22. A method for controlling a falling motion of a legged mobile robot comprising at least a lower limb and an upper body disposed above the lower limb and movable by the movement of the lower limb, the method comprising: The mobile robot has a predetermined non-priority landing site, and (a) determining whether the legged mobile robot is likely to fall; and (b) responding to the determination that the mobile robot falls, Generating the lower limb and upper body motion pattern such that the priority implantation site avoids landing first; and (c) controlling the lower limb and upper body drive in accordance with the generated motion pattern. A method for controlling the operation of a legged mobile robot when it falls over, characterized by comprising:
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