JP2003236783A - Bipedal walking transfer device - Google Patents
Bipedal walking transfer deviceInfo
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- B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
- B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
- B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
- B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
- B62D57/032—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members with alternately or sequentially lifted supporting base and legs; with alternately or sequentially lifted feet or skid
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、二脚歩行式人型ロ
ボット等の二脚歩行を行なう二脚歩行式移動装置に関す
るものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a bipedal locomotion device for bipedal locomotion such as a bipedal humanoid robot.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、所謂二脚歩行式人型ロボットは、
前もって設定された歩行パターン（以下、歩容という）
データを生成して、この歩容データに従って歩行制御を
行なって所定の歩行パターンで脚部を歩行させることに
より、二脚歩行を実現するようにしている。その際、歩
行姿勢を安定させるために、ロボットの足裏における床
反力と重力との合成モーメントがゼロとなる点（以下、
ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ ＭｏｍｅｎｔＰｏｉｎｔ）という）
を目標値に収束させる、所謂ＺＭＰ補償を行なうことに
より、ＺＭＰ規範によりロボットの安定化を図るように
している。2. Description of the Related Art Conventionally, a so-called bipedal humanoid robot is
Walking pattern set in advance (hereinafter referred to as gait)
Biped walking is realized by generating data, controlling walking according to the gait data, and walking the legs in a predetermined walking pattern. At that time, in order to stabilize the walking posture, the combined moment of the floor reaction force and the gravity on the sole of the robot becomes zero (hereinafter,
ZMP (Zero Moment Point)
By so-called ZMP compensation that converges to the target value, the robot is stabilized according to the ZMP standard.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の二脚
歩行式人型ロボットにおいては、平坦路面等環境情報が
既知の路面を歩行することを前提条件に、単一の歩行制
御手法により、ロボットの二脚歩行を実現するようにな
っている。従って、このような前提条件のもと、路面上
の凹凸等の不整地については、歩行制御における外乱と
して取り扱うようにして、歩容データの生成部とは別に
補償部を設けて、補償部により外乱の吸収・除去を行な
うようにしている。By the way, in the conventional bipedal humanoid robot, the robot is operated by a single walking control method on the condition that the robot walks on a road surface such as a flat road where environmental information is known. It is designed to realize bipedal walking. Therefore, under such preconditions, irregular terrain such as unevenness on the road surface should be treated as a disturbance in gait control, and a compensator should be provided separately from the gait data generator. Disturbance is absorbed and removed.
【０００４】しかしながら、未知の外乱要素を補償部の
みで対処することには限界があり、ロボットの二脚歩行
の安定化が損なわれてしまうことがある。また、歩行制
御手法に関しても、単一の歩行制御手法のみによる歩行
安定化は、例えば路面状況等の環境変化に即応的に対処
することが困難である。However, there is a limit in dealing with an unknown disturbance element only by the compensator, and the stability of biped walking of the robot may be impaired. Further, regarding the walking control method, it is difficult for the walking stabilization by only a single walking control method to promptly deal with environmental changes such as road surface conditions.
【０００５】このため、ロボットの姿勢及び歩行すべき
路面等の環境情報を能動的に取得し、認識することによ
り、リアルタイムで運動計画を作成することによって歩
行の安定化を図ることは可能であるが、このような歩行
制御は従来の二脚歩行式ロボットにおいては行なわれて
いない。Therefore, it is possible to stabilize the walking by creating a motion plan in real time by actively acquiring and recognizing environmental information such as the posture of the robot and the road surface to be walked. However, such walking control is not performed in the conventional bipedal walking robot.
【０００６】本発明は、以上の点にかんがみて、歩行毎
に環境情報を取得して、この環境情報に対応してリアル
タイムに歩行制御を行なうようにした、二脚歩行式移動
装置を提供することを目的としている。In view of the above points, the present invention provides a bipedal locomotion device which acquires environmental information for each walk and performs walking control in real time corresponding to this environmental information. Is intended.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】上記目的は、この発明の
第一の構成によれば、本体と、本体の下部両側にて二軸
方向に揺動可能な中間に膝部，下端に足部を備えた脚部
と、上記脚部の足部，下腿部，大腿部の揺動可能な関節
部をそれぞれ揺動させる駆動手段と、運動命令に対応し
て、歩容生成部により目標角度軌道，目標角速度，目標
角加速度を含む歩容データを生成し、この歩容データに
基づいて上記各駆動手段を制御部によりそれぞれ駆動制
御する歩行制御装置と、を備えた二脚歩行式移動装置に
おいて、上記歩行制御装置の歩容生成部が、上記各関節
部の歩行時における状態を検出するセンサ及び／又はロ
ボットに搭載された角速度，角加速度検出用センサ，足
部力センサからのセンサ情報に基づいてロボットの姿勢
を検出し、この姿勢に基づいて運動命令による目標値と
センサ情報の現在値とから最終歩容データとしての角度
指令値をリアルタイムで生成することを特徴とする二脚
歩行式移動装置により、達成される。According to the first aspect of the present invention, the above object is achieved by a main body, a knee portion in the middle of which the lower portion of the main body can swing in two axial directions, and a foot portion in the lower end. And a drive means for swinging the swingable joints of the foot, lower leg, and thigh of the leg, and a gait generator that targets the motion command in response to the motion command. A bipedal locomotion system including gait data including an angular trajectory, a target angular velocity, and a target angular acceleration, and a walking control device that drives and controls each of the driving means by a controller based on the gait data. In the device, the gait generator of the walking control device is a sensor for detecting a state of each joint during walking and / or a sensor for detecting angular velocity, angular acceleration, or a foot force sensor mounted on the robot. The posture of the robot is detected based on the information and The motor commands the target value and the sensor information of the current value from the angle command value biped walking mobile apparatus and generates in real time as the final gait data by based on, is achieved.
【０００８】本発明による二脚歩行式移動装置は、好ま
しくは、前記歩容生成部が、ロボットの歩行の要素とな
る歩容モジュールを格納した歩容ライブラリと、次の歩
行に関する歩容データを生成する際に、歩容ライブラリ
から対応する歩容モジュールを選択して読み出す選択部
と、選択部で選択された歩容モジュールをリアルタイム
合成して、最終的な歩容データを生成する補償部と、を
備えている。In the bipedal locomotion device according to the present invention, preferably, the gait generator stores a gait library storing a gait module, which is an element of walking of the robot, and gait data concerning the next gait. A selection unit that selects and reads the corresponding gait module from the gait library when generating, and a compensator that synthesizes the gait modules selected by the selection unit in real time to generate final gait data. , Are provided.
【０００９】本発明による二脚歩行式移動装置は、好ま
しくは、前記歩容ライブラリに格納された歩容モジュー
ルが、少なくとも一つの角度軌道パターンから構成され
ている。In the bipedal locomotion device according to the present invention, preferably, the gait module stored in the gait library is composed of at least one angular trajectory pattern.
【００１０】本発明による二脚歩行式移動装置は、好ま
しくは、前記歩容モジュールを構成する角度軌道パター
ンが、ＺＭＰ値，重心周りの角運動量，角加速度をイン
デックスとして分類されている。In the bipedal locomotion device according to the present invention, preferably, the angular trajectory patterns forming the gait module are classified with the ZMP value, the angular momentum around the center of gravity, and the angular acceleration as indexes.
【００１１】本発明による二脚歩行式移動装置は、好ま
しくは、前記選択部が、前の歩行の終了後に、センサ情
報からロボットの姿勢を検出して、運動命令による次の
歩行の目標終端状態までの動作計画を行なって、この動
作計画を実現するために必要な歩容モジュールを歩容ラ
イブラリから読み出す。In the bipedal locomotion device according to the present invention, preferably, the selection unit detects the posture of the robot from the sensor information after the end of the previous walk, and the target end state of the next walk according to the motion command. The motion plan up to is performed, and the gait module necessary for realizing this motion plan is read from the gait library.
【００１２】また、上記目的は、この発明の第二の構成
によれば、本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動
可能な中間に膝部，下端に足部を備えた脚部と、上記脚
部の足部，下腿部，大腿部の揺動可能な関節部をそれぞ
れ揺動させる駆動手段とを含む二脚歩行式移動装置に関
して、運動命令に対応して歩容生成部により目標角度軌
道，目標角速度，目標角加速度を含む歩容データを生成
し、この歩容データに基づいて上記各駆動手段を制御部
によりそれぞれ駆動制御する二脚歩行式移動装置の歩行
制御装置において、上記歩行制御装置の歩容生成部が、
上記各関節部の歩行時における状態を検出するセンサ及
び／又はロボットに搭載された角速度，角加速度検出用
センサ，足部力センサからのセンサ情報に基づいてロボ
ットの姿勢を検出し、この姿勢に基づいて運動命令によ
る目標値とセンサ情報の現在値とから最終歩容データと
しての角度指令値をリアルタイムで生成することを特徴
とする二脚歩行式移動装置の歩行制御装置により、達成
される。Further, according to the second aspect of the present invention, the above object is to provide a leg having a main body and a knee portion at an intermediate portion which can swing in two axial directions on both lower sides of the main body and a foot portion at a lower end. A bipedal locomotion device including a leg portion and a driving unit that swings a swingable joint portion of each of a leg portion, a lower leg portion, and a thigh portion of the leg portion, and a gait corresponding to a motion command. Gait data including a desired angular trajectory, a desired angular velocity, and a desired angular acceleration is generated by a generation unit, and the walking control of a bipedal locomotion device in which the control unit drives and controls each of the driving means based on the gait data. In the device, the gait generator of the walking control device,
The posture of the robot is detected based on the sensor for detecting the state of each joint portion during walking and / or the sensor information from the angular velocity and angular acceleration detection sensors and the foot force sensor mounted on the robot, Based on the target value based on the motion command and the current value of the sensor information, an angle command value as final gait data is generated in real time based on the walking control device of the bipedal walking type moving device.
【００１３】本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制
御装置は、好ましくは、前記歩容生成部が、ロボットの
歩行の要素となる歩容モジュールを格納した歩容ライブ
ラリと、次の歩行に関する歩容データを生成する際に、
歩容ライブラリから対応する歩容モジュールを選択して
読み出す選択部と、選択部で選択された歩容モジュール
をリアルタイム合成して、最終的な歩容データを生成す
る補償部と、を備えている。In the gait control device for a bipedal locomotion device according to the present invention, preferably, the gait generator stores a gait library in which a gait module, which is an element of walking of a robot, and a next gait. When generating gait data,
The gait library includes a selection unit that selects and reads a corresponding gait module, and a compensator that synthesizes the gait modules selected by the selection unit in real time to generate final gait data. .
【００１４】本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制
御装置は、好ましくは、前記歩容ライブラリに格納され
た歩容モジュールが、少なくとも一つの角度軌道パター
ンから構成されている。In the gait control device for a bipedal locomotion device according to the present invention, preferably, the gait module stored in the gait library is composed of at least one angular trajectory pattern.
【００１５】本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制
御装置は、好ましくは、前記歩容モジュールを構成する
角度軌道パターンが、ＺＭＰ値，重心周りの角運動量，
角加速度をインデックスとして分類されている。In the gait controller of the bipedal locomotion device according to the present invention, preferably, the angular trajectory pattern constituting the gait module has a ZMP value, an angular momentum around the center of gravity,
The angular acceleration is classified as an index.
【００１６】本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制
御装置は、好ましくは、前記選択部が、前の歩行の終了
後にセンサ情報からロボットの姿勢を検出して、運動命
令による次の歩行の目標終端状態までの動作計画を行な
って、この動作計画を実現するために必要な歩容モジュ
ールを歩容ライブラリから読み出す。In the walking control device of the bipedal walking type moving device according to the present invention, preferably, the selection unit detects the posture of the robot from the sensor information after the end of the previous walking and detects the next walking by the motion command. A motion plan up to the target terminal state is made, and the gait module necessary for realizing this motion plan is read from the gait library.
【００１７】上記構成によれば、二脚歩行式移動装置が
歩行運動を行なう際、歩行制御装置の歩容生成部が、ロ
ボット各部の歩行時に各部に備えられたセンサからのセ
ンサ情報に基づいてロボットの姿勢を検出し、この姿勢
に基づいて最終歩容データとしての角度指令値を生成す
る。従って、歩容生成部が、ロボットの歩行運動時に、
常にロボットの姿勢に基づいてリアルタイムに歩容デー
タを生成することにより、環境情報が未知である路面に
おいても、歩行運動を安定して確実に行なうことが可能
になる。According to the above configuration, when the bipedal walking type moving device performs a walking motion, the gait generator of the walking controller is based on the sensor information from the sensors provided in each part when the robot is walking. The posture of the robot is detected, and an angle command value as final gait data is generated based on this posture. Therefore, the gait generator, during the walking motion of the robot,
By always generating the gait data in real time based on the posture of the robot, it becomes possible to perform a stable and reliable walking motion even on a road surface where environmental information is unknown.
【００１８】上記歩容生成部が、ロボットの歩行の要素
となる歩容モジュールを格納した歩容ライブラリと、次
の歩行に関する歩容データを生成する際に歩容ライブラ
リから対応する歩容モジュールを選択して読み出す選択
部と、選択部で選択された歩容モジュールをリアルタイ
ム合成して最終的な歩容データを生成する補償部と、を
備えている場合には、前もって歩容ライブラリに歩容モ
ジュールが格納されていることにより、歩容生成部が歩
容データを生成する際に、要素となる歩容モジュールを
歩容ライブラリから読み出して合成することで所望の歩
容データを生成することができる。これにより、歩容生
成部の計算量が低減され、迅速な歩容データの生成を行
なうことが可能になる。The gait generator stores a gait library that stores gait modules, which are elements of walking of the robot, and a corresponding gait module from the gait library when gait data relating to the next gait is generated. If a gait library is provided in advance, the gait library is provided with a selection unit that selects and reads the gait module and a compensator that synthesizes the gait modules selected by the selection unit in real time to generate final gait data. Since the modules are stored, when the gait generator generates gait data, desired gait data can be generated by reading the gait modules that are the elements from the gait library and combining them. it can. This reduces the calculation amount of the gait generator, and makes it possible to generate gait data quickly.
【００１９】上記歩容ライブラリに格納された歩容モジ
ュールが、少なくとも一つの角度軌道パターンから構成
されている場合には、歩容モジュール自体が少なくとも
一つの角度軌道パターンから構成されることで、より多
彩な歩容データを合成することができる。When the gait module stored in the gait library is composed of at least one angular trajectory pattern, the gait module itself is composed of at least one angular trajectory pattern. It is possible to synthesize various gait data.
【００２０】上記歩容モジュールを構成する角度軌道パ
ターンが、ＺＭＰ値，重心周りの角運動量，角加速度を
インデックスとして分類されている場合には、歩容生成
部がライブラリから歩容モジュールを選択して読み出す
際に、ＺＭＰ値，重心周りの角運動量，角加速度をイン
デックスとして歩容モジュールを検索することで、歩容
モジュールを迅速に検索し、読み出すことができる。When the angular trajectory patterns forming the gait module are classified by using the ZMP value, the angular momentum around the center of gravity, and the angular acceleration as indexes, the gait generator selects the gait module from the library. When the gait module is searched by using the ZMP value, the angular momentum around the center of gravity, and the angular acceleration as an index, the gait module can be quickly searched and read.
【００２１】上記選択部が、前の歩行の終了後に、セン
サ情報からロボットの姿勢を検出して、運動命令による
次の歩行の目標終端状態までの動作計画を行なって、こ
の動作計画を実現するために必要な歩容モジュールを歩
容ライブラリから読み出す場合には、各歩行毎に、選択
部がセンサ情報に基づいて次の歩行のための動作計画を
行なって対応する歩容モジュールを選択する。従って、
補償部が各歩行毎に選択部により選択された歩容モジュ
ールに基づいてリアルタイムに歩容データを生成するこ
とができる。After the end of the previous walk, the selecting unit detects the posture of the robot from the sensor information and makes a motion plan up to the target terminal end state of the next walk according to the motion command to realize this motion plan. When the gait module necessary for this purpose is read from the gait library, the selection unit makes a motion plan for the next gait based on the sensor information for each gait and selects the corresponding gait module. Therefore,
The compensator can generate gait data in real time based on the gait module selected by the selector for each walk.
【００２２】[0022]
【発明の実施の形態】以下、図面に示した実施形態に基
づいて、この発明を詳細に説明する。図１乃至図２は、
本発明による二脚歩行式移動装置を適用した二脚歩行式
ロボットの一実施形態の構成を示している。図１におい
て、二脚歩行式ロボット１０は、本体である上体１１
と、上体１１の下部両側に取り付けられた中間に膝部１
２Ｌ，１２Ｒを備えた二本の脚部１３Ｌ，１３Ｒと、各
脚部１３Ｌ，１３Ｒの下端に取り付けられた足部１４
Ｌ，１４Ｒと、を含んでいる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will now be described in detail based on the embodiments shown in the drawings. 1 and 2 are
1 shows a configuration of an embodiment of a bipedal walking robot to which a bipedal walking device according to the present invention is applied. In FIG. 1, a bipedal walking robot 10 includes an upper body 11 that is a main body.
And the knee part 1 in the middle attached to both sides of the lower part of the upper body 11.
Two legs 13L and 13R with 2L and 12R, and a foot 14 attached to the lower end of each leg 13L and 13R
L and 14R are included.
【００２３】ここで、上記脚部１３Ｌ，１３Ｒは、それ
ぞれ六個の関節部、即ち上方から順に、上体１１に対す
る腰の脚部回旋用の関節部１５Ｌ，１５Ｒ、腰のロール
方向（ｘ軸周り）の関節部１６Ｌ，１６Ｒ、腰のピッチ
方向（ｙ軸周り）の関節部１７Ｌ，１７Ｒ、膝部１２
Ｌ，１２Ｒのピッチ方向の関節部１８Ｌ，１８Ｒ、足部
１４Ｌ，１４Ｒに対する足首部のピッチ方向の関節部１
９Ｌ，１９Ｒ、足首部のロール方向の関節部２０Ｌ，２
０Ｒを備えている。なお各関節部１５Ｌ，１５Ｒ乃至２
０Ｌ，２０Ｒは、それぞれ関節駆動用モータにより構成
されている。Here, the leg portions 13L and 13R are respectively composed of six joint portions, that is, joint portions 15L and 15R for rotating the leg portions of the waist relative to the body 11, and the roll direction (x-axis) of the waist. (Joint) joints 16L and 16R, joints 17L and 17R in the waist pitch direction (around the y-axis), knee 12
L and 12R joints 18L and 18R in the pitch direction, and joints 1 in the pitch direction of the ankle with respect to the feet 14L and 14R
9L, 19R, ankle roll direction joints 20L, 2
It is equipped with 0R. Each joint 15L, 15R to 2
Each of 0L and 20R is composed of a joint driving motor.
【００２４】このようにして、腰関節は、上記関節部１
５Ｌ，１５Ｒ，１６Ｌ，１６Ｒ，１７Ｌ，１７Ｒから構
成され、また足関節は、関節部１９Ｌ，１９Ｒ，２０
Ｌ，２０Ｒから構成されることになる。さらに、腰関節
と膝関節との間は、大腿リンク２１Ｌ，２１Ｒにより連
結されており、また膝関節と足関節との間は、下腿リン
ク２２Ｌ，２２Ｒにより連結されている。In this way, the lumbar joint is the joint part 1 described above.
5L, 15R, 16L, 16R, 17L, 17R, and the ankle joints are joint parts 19L, 19R, 20
It will be composed of L and 20R. Further, the hip joint and the knee joint are connected by thigh links 21L and 21R, and the knee joint and the ankle joint are connected by lower leg links 22L and 22R.
【００２５】これにより、二脚歩行式ロボット１０の左
右両側の脚部１３Ｌ，１３Ｒ及び足部１４Ｌ，１４Ｒ
は、それぞれ６自由度を与えられることになり、歩行中
にこれらの１２個の関節部をそれぞれ駆動モータにより
適宜の角度，角速度及び角加速度で駆動制御することに
より、脚部１３Ｌ，１３Ｒ，足部１４Ｌ，１４Ｒ全体に
所望の動作を与えて、任意に三次元空間を歩行すること
ができるように構成されている。As a result, the left and right legs 13L and 13R and the legs 14L and 14R of the bipedal walking robot 10 are provided.
Are given 6 degrees of freedom, and these 12 joints are driven and controlled by driving motors at appropriate angles, angular velocities and angular accelerations during walking, so that the legs 13L, 13R, and feet can be controlled. A desired motion is given to the entire parts 14L and 14R so that the parts can be arbitrarily walked in a three-dimensional space.
【００２６】さらに、上記足部１４Ｌ，１４Ｒは、ＺＭ
Ｐ検出センサ２３Ｌ，２３Ｒを備えている。このＺＭＰ
検出センサ２３Ｌ，２３Ｒは、それぞれ各足部１４Ｌ，
１４Ｒにおける足裏床反力の中心点であるＺＭＰを検出
して、ＺＭＰ実測値を出力するようになっている。Further, the legs 14L and 14R are made of ZM.
The P detection sensors 23L and 23R are provided. This ZMP
The detection sensors 23L and 23R are respectively provided on the foot portions 14L and 14L.
The ZMP, which is the center point of the sole reaction force at 14R, is detected, and the actual ZMP value is output.
【００２７】さらに、各関節部には、それぞれ駆動手段
に対応してロータリエンコーダ等の角度検出センサ２４
（後述）が設けられている。なお、上記上体１１は、図
示の場合、単に箱状に示されているが、実際には、頭部
や両手を備えていてもよい。Furthermore, each joint has an angle detection sensor 24 such as a rotary encoder corresponding to the driving means.
(Described later) are provided. In addition, the upper body 11 is illustrated as a box shape in the illustrated case, but may actually include a head and both hands.
【００２８】図２は図１に示した二脚歩行式ロボット１
０の電気的構成を示している。図２において、二脚歩行
式ロボット１０は、上記駆動手段、即ち上述した各関節
部即ち関節駆動用モータ１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２
０Ｒを駆動制御する歩行制御装置３０を備えている。な
お、二脚歩行式ロボット１０の座標系として、前後方向
をｘ方向（前方＋），横方向をｙ方向（内方＋）そして
上下方向をｚ方向（上方＋）とするｘｙｚ座標系を使用
する。FIG. 2 is a bipedal walking robot 1 shown in FIG.
The electrical configuration of 0 is shown. In FIG. 2, the bipedal walking robot 10 includes the above-mentioned drive means, that is, the above-mentioned joint portions, that is, the joint drive motors 15L, 15R to 20L, 2.
The walking control device 30 that drives and controls the 0R is provided. As the coordinate system of the bipedal walking robot 10, an xyz coordinate system in which the front-rear direction is the x direction (forward +), the lateral direction is the y direction (inward +), and the vertical direction is the z direction (upward +) is used. To do.
【００２９】上記歩行制御装置３０は、運動命令に対応
して歩容データを生成する歩容生成部３１と、この歩容
データに基づいて、駆動手段、即ち上述した各関節部即
ち関節駆動用モータ１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒ
を駆動制御する制御部３２とを備えている。The walking control device 30 includes a gait generator 31 for generating gait data corresponding to a motion command, and a driving means, that is, each of the joints, that is, a joint drive, based on the gait data. Motor 15L, 15R to 20L, 20R
And a control unit 32 for driving and controlling
【００３０】上記歩容生成部３１は、外部から入力され
る運動命令に対応して、二脚歩行式ロボット１０の歩行
に必要な各関節部１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒの
目標角度軌道，目標角速度，目標角加速度を含む歩容デ
ータを生成するようになっている。ここで、上記歩容生
成部３１は、図３に示すように、選択部３３と補償部３
４とから構成されている。The gait generator 31 responds to a motion command inputted from the outside by target angular trajectories and targets of the joints 15L, 15R to 20L, 20R required for the biped robot 10 to walk. Gait data including angular velocity and target angular acceleration is generated. Here, the gait generator 31 includes a selector 33 and a compensator 3 as shown in FIG.
4 and.
【００３１】上記選択部３３は、前の歩行終了後、即ち
遊脚接地衝撃吸収期終了後に、前記角度検出センサ２４
及びＺＭＰ検出部２３Ｌ，２３Ｒからのセンサ情報及び
／又は角速度，角加速度検出用センサ，足裏力センサか
らのロボットの各関節部の角度値と重心周りの角運動量
及び角加速度そしてＺＭＰ値を取得して、ロボットの姿
勢を検出する。The selection unit 33 is arranged so that the angle detecting sensor 24 is operated after the previous walking is completed, that is, after the end of the swinging ground contact shock absorption.
And sensor information from the ZMP detectors 23L and 23R and / or angular velocity, angular acceleration detection sensor, and foot force sensor to obtain the angular value of each joint of the robot, the angular momentum around the center of gravity, the angular acceleration, and the ZMP value. Then, the posture of the robot is detected.
【００３２】ここで、選択部３３は、歩容ライブラリ３
３ａを備えている。この歩容ライブラリ３３ａは、前も
ってロボットの歩行動作の要素となる姿勢データとして
の歩容モジュール３３ｂが格納されている。この歩容モ
ジュール３３ｂは、例えば少なくとも一つの角度軌道パ
ターンから構成されている。そして、各角度軌道パター
ンは、センサ情報としてのＺＭＰ値，ロボットの重心周
りの角運動量及び角加速度をインデックスとして分類さ
れている。Here, the selection unit 33 uses the gait library 3
3a. The gait library 33a stores a gait module 33b as posture data which is an element of the walking motion of the robot in advance. The gait module 33b is composed of, for example, at least one angular trajectory pattern. Then, each angular trajectory pattern is classified using the ZMP value as the sensor information, the angular momentum around the center of gravity of the robot, and the angular acceleration as indexes.
【００３３】そして、選択部３３は、ロボットの単脚支
持期の初期姿勢，終端姿勢及びその運動に必要な初期角
運動量を算出することにより動作計画を行なって、この
動作計画に従って、単脚支持期初期姿勢を実現するため
に必要な両脚支持期姿勢を実現するために必要な両脚支
持期の運動を与える歩容モジュール３３ｂを歩容ライブ
ラリ３３ａから検索して読み出し、補償部３４に出力す
る。Then, the selection unit 33 makes a motion plan by calculating the initial posture, the final posture and the initial angular momentum required for the motion of the robot during the monopod support period, and according to this motion plan, the monopod support is performed. The gait module 33b that gives the motion of the both-leg supporting period necessary to realize the two-leg supporting period posture necessary to realize the initial period posture is retrieved from the gait library 33a, read out, and output to the compensating unit 34.
【００３４】上記補償部３４は、選択部３３からの少な
くとも一つの歩容モジュール３３ｂにより、これらの歩
容モジュール３３ｂをリアルタイム合成して、歩容デー
タとしての各関節部の最終的な角度指令値を生成する。
さらに、上記補償部３４は、上記ＺＭＰ検出センサ２３
Ｌ，２３ＲからのＺＭＰ実測値に基づいて、リアルタイ
ム合成した歩容データのＺＭＰ目標値補償を行なう。こ
のようにして、歩容生成部３１は、歩行毎の歩容データ
として、各関節部の最終的な角度指令値を制御部３２に
出力するようになっている。The compensating section 34 synthesizes these gait modules 33b in real time by at least one gait module 33b from the selecting section 33 to obtain the final angle command value of each joint as gait data. To generate.
Further, the compensator 34 is configured to operate the ZMP detection sensor 23
Based on the measured ZMP values from L and 23R, the ZMP target value compensation of the gait data synthesized in real time is performed. In this way, the gait generator 31 outputs the final angle command value of each joint to the controller 32 as gait data for each walk.
【００３５】上記制御部３２は、補償部３４からの歩容
データとしての角度指令値と、角度検出センサ２４から
のセンサ情報に基づいて、各関節駆動用モータの制御信
号を生成し、この制御信号に従ってロボット１０の各関
節部の関節駆動用モータを駆動制御するようになってい
る。The control section 32 generates a control signal for each joint drive motor based on the angle command value as gait data from the compensating section 34 and the sensor information from the angle detection sensor 24, and controls this. The joint drive motors of the joints of the robot 10 are driven and controlled according to the signals.
【００３６】本発明実施形態による二脚歩行式ロボット
１０は以上のように構成されており、図４のフローチャ
ートに示すように歩行する。図４のフローチャートにお
いて、先ず、ステップＳＴ１にて、歩行制御装置３０の
歩容生成部３１は、前の歩行が終了した時点で次の歩行
のためのロボットの目標終端状態を指定し、これにより
ステップＳＴ２にて動作計画を開始する。The bipedal walking robot 10 according to the embodiment of the present invention is configured as described above, and walks as shown in the flowchart of FIG. In the flowchart of FIG. 4, first, in step ST1, the gait generator 31 of the walking control device 30 specifies the target end state of the robot for the next walk when the previous walk is completed, In step ST2, an operation plan is started.
【００３７】そして、ステップＳＴ３にて、歩容生成部
３１の選択部３３は、角度検出センサ２４及びＺＭＰ検
出センサ２３Ｌ，２３Ｒからのセンサ情報及び／又は角
速度，角加速度検出用センサ，足裏力センサからの情報
に基づいて、現在のロボットの各関節部の角度値，重心
周りの角運動量，角速度及びＺＭＰ値を検出する。その
後、ステップＳＴ４にて、選択部３３は、これらの検出
値から、現在のロボットの初期状態から目標終端状態ま
で遷移するために必要なロボットの各関節部の角運動量
を算出する。Then, in step ST3, the selection unit 33 of the gait generator 31 receives the sensor information from the angle detection sensor 24 and the ZMP detection sensors 23L and 23R and / or the angular velocity / angular acceleration detection sensor, the sole force. Based on the information from the sensor, the current angle value of each joint of the robot, angular momentum around the center of gravity, angular velocity, and ZMP value are detected. After that, in step ST4, the selection unit 33 calculates the angular momentum of each joint of the robot necessary for making a transition from the current initial state of the robot to the target end state, from these detected values.
【００３８】これにより、ステップＳＴ５にて、選択部
３３は、ステップＳＴ３での各検出値及びステップＳＴ
４での各運動量に基づいて、例えば上記検出値をインデ
ックスとして歩容ライブラリ３３ａに格納された歩容モ
ジュール３３ｂを検索し、対応する少なくとも一つの歩
容モジュール３３ｂを選択して読み出し、或いは検出値
をもとに歩容をリアルタイムで計算し生成する。これに
より、ステップＳＴ６にて動作計画が終了する。As a result, in step ST5, the selection unit 33 causes the detected values in step ST3 and
On the basis of each momentum in 4, the gait module 33b stored in the gait library 33a is searched using the detected value as an index, and at least one corresponding gait module 33b is selected and read, or the detected value is detected. Based on, the gait is calculated and generated in real time. As a result, the operation plan ends in step ST6.
【００３９】続いて、補償部３４は、ステップＳＴ７に
てロボットの動作を開始し、ステップＳＴ８にて、動作
計画にて選択部３３により選択して読み出された歩容モ
ジュール３３ｂをリアルタイム合成して、ロボットの各
関節部の角度及びＺＭＰ目標値を算出すると共に、ステ
ップＳＴ９にて、角度検出センサ２４及びＺＭＰ検出セ
ンサ２３Ｌ，２３Ｒからのセンサ情報に基づいて、その
ときのＺＭＰ実測値及び各関節部の各運動量を検出す
る。なお、ステップＳＴ５において、歩容を動力学計算
によりリアルタイム生成する場合には、上記合成は行わ
なくてもよい。Subsequently, the compensating section 34 starts the operation of the robot in step ST7, and in step ST8, the gait module 33b selected and read by the selecting section 33 in the operation plan is synthesized in real time. Then, the angle of each joint of the robot and the ZMP target value are calculated, and in step ST9, based on the sensor information from the angle detection sensor 24 and the ZMP detection sensors 23L and 23R, the ZMP actual measurement value and each ZMP measurement value at that time are calculated. Detects each momentum of the joint. In step ST5, when the gait is generated in real time by dynamics calculation, the above synthesis may not be performed.
【００４０】そして、補償部３４はステップＳＴ１０に
て、算出した各関節部の角運動量及びＺＭＰ目標値と検
出した各関節部の角運動量及びＺＭＰ実測値とを比較す
る。ここで、ステップＳＴ１０にて、算出値と検出値の
誤差がない場合には、補償部３４は、ステップＳＴ１１
にて、ＺＭＰ補償が可能か否かを判定し、ＺＭＰ補償が
可能でない場合には、ステップＳＴ１２にて再度動作計
画を行なって、ステップＳＴ３に戻る。また、ステップ
ＳＴ１１にて、ＺＭＰ補償が可能である場合には、補償
部３４は、ステップＳＴ１３にてＺＭＰ補償を行なっ
て、ロボットの各関節部の角運動軌道を変更せずに、角
速度及び角加速度のみの調整により誤差を修正する。Then, in step ST10, the compensator 34 compares the calculated angular momentum and ZMP target value of each joint with the detected angular momentum and ZMP actual value of each joint. Here, if there is no error between the calculated value and the detected value in step ST10, the compensating unit 34 proceeds to step ST11.
At, it is determined whether ZMP compensation is possible. If ZMP compensation is not possible, the operation plan is made again at step ST12, and the process returns to step ST3. If ZMP compensation is possible in step ST11, the compensator 34 performs ZMP compensation in step ST13 to change angular velocity and angular velocity without changing the angular motion trajectory of each joint of the robot. Correct the error by adjusting only the acceleration.
【００４１】そして、ステップＳＴ１０にて、算出値と
検出値の誤差がない場合、またステップＳＴ１３にて誤
差の修正を行なった後、補償部３４は、ステップＳＴ１
４にて、ロボットの現在の状態が動作計画による目標終
端状態であるか否かを判定して、目標終端状態でない場
合には、再びステップＳＴ８に戻る。また、ステップＳ
Ｔ１４にて、目標終端状態である場合には、歩行制御装
置３０はステップＳＴ１５にてロボット動作を完了し
て、一つの歩行を終了する。以上で、ロボットの一つの
歩行に関する歩行制御が終了するが、歩行制御装置３０
は、ロボットの歩行毎に上記動作をリアルタイムで繰返
し行なう。Then, when there is no error between the calculated value and the detected value in step ST10, and after the error is corrected in step ST13, the compensating section 34 proceeds to step ST1.
At 4, it is determined whether or not the current state of the robot is the target end state according to the motion plan. If it is not the target end state, the process returns to step ST8 again. Also, step S
In T14, if the target termination state is reached, the walking control device 30 completes the robot operation in step ST15 and ends one walk. With the above, the walking control for one walking of the robot ends, but the walking control device 30
Repeats the above operation in real time every time the robot walks.
【００４２】このようにして、本発明実施形態による二
脚歩行式ロボット１０によれば、ロボットの歩行時に、
そのときのロボットの姿勢を検出して、運動命令を実現
するための歩行データをリアルタイムで生成するので、
環境情報が未知である路面等を歩行する場合であって
も、常に安定した二脚歩行を実現することができる。こ
れにより、例えば複雑な凹凸のある路面においても、常
にロボットの姿勢を検出して、ロボットの姿勢を参照し
ながら歩容データを生成することにより、二脚歩行式移
動装置による歩行運動を安定して確実に行なうことが可
能になる。Thus, according to the bipedal walking robot 10 according to the embodiment of the present invention, when the robot walks,
Since the posture of the robot at that time is detected and the walking data for realizing the motion command is generated in real time,
Even when walking on a road surface or the like where environmental information is unknown, stable bipedal walking can always be realized. Thus, for example, even on a road surface with complicated unevenness, the gait data is generated by constantly detecting the posture of the robot and referring to the posture of the robot, thereby stabilizing the walking motion by the bipedal walking device. Can be done reliably.
【００４３】上述した実施形態においては、脚部１２
Ｌ，１２Ｒは６自由度を、そして腕部１３Ｌ，１３Ｒは
５自由度を有しているが、これに限らず、より小さい自
由度またはより大きい自由度を有していてもよい。ま
た、ステップＳＴ１５にて、センサ情報に基づいて動力
学計算により歩容をリアルタイム生成してもよい。この
場合、歩容のリアルタイム合成は実行しなくてもよい。In the embodiment described above, the leg portion 12
Although L and 12R have 6 degrees of freedom and the arms 13L and 13R have 5 degrees of freedom, the present invention is not limited to this, and may have a smaller degree of freedom or a larger degree of freedom. Further, in step ST15, a gait may be generated in real time by dynamic calculation based on the sensor information. In this case, real-time gait synthesis may not be executed.
【００４４】[0044]
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、二
脚歩行式移動装置が歩行運動を行なう際、歩行制御装置
の歩容生成部が、ロボット各部の歩行時に各部に備えら
れたセンサからのセンサ情報に基づいてロボットの姿勢
を検出し、この姿勢に基づいて最終歩容データとしての
角度指令値を生成する。従って、歩容生成部がロボット
の歩行運動時に常にロボットの姿勢に基づいてリアルタ
イムに歩容データを生成することにより、環境情報が未
知である路面においても、歩行運動を安定して確実に行
なうことが可能になる。このようにして、本発明によれ
ば、歩行毎に環境情報を取得して、この環境情報に対応
してリアルタイムに歩行制御を行なうようにした、極め
て優れた二脚歩行式移動装置が提供される。As described above, according to the present invention, the gait generator of the walking controller is provided in each part when the robot is walking when the bipedal walking device performs a walking motion. The posture of the robot is detected based on the sensor information from the sensor, and the angle command value as the final gait data is generated based on this posture. Therefore, the gait generator always generates the gait data in real time based on the posture of the robot during the walking motion of the robot, so that the walking motion can be performed reliably and stably even on the road surface where the environmental information is unknown. Will be possible. As described above, according to the present invention, an extremely excellent bipedal locomotion device is provided, which acquires environmental information for each walk and performs real-time walking control corresponding to the environmental information. It
【図１】本発明による二脚歩行式ロボットの一実施形態
の機械的構成を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a mechanical configuration of an embodiment of a bipedal walking robot according to the present invention.
【図２】図１の二脚歩行式ロボットの電気的構成を示す
ブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing an electrical configuration of the bipedal walking robot of FIG.
【図３】図１の二脚歩行式ロボットにおける歩行制御装
置の構成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a walking control device in the bipedal walking robot shown in FIG.
【図４】図１の二脚歩行式ロボットの歩行制御を示すフ
ローチャートである。FIG. 4 is a flowchart showing walking control of the bipedal walking robot of FIG.
１０ 二脚歩行式ロボット
１１ 本体
１２Ｌ，１２Ｒ 膝部
１３Ｌ，１３Ｒ 脚部
１４Ｌ，１４Ｒ 足部
１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒ 関節部（関節駆
動用モータ）
２１Ｌ，２１Ｒ 大腿部
２２Ｌ，２２Ｒ 下腿部
２３Ｌ，２３Ｒ ＺＭＰ検出センサ
２４ センサ
３０ 歩行制御装置
３１ 歩容生成部
３２ 制御部
３３ 選択部
３３ａ 歩容ライブラリ
３３ｂ 歩容モジュール
３４ 補償部10 Biped Robot 11 Main Body 12L, 12R Knee 13L, 13R Leg 14L, 14R Foot 15L, 15R to 20L, 20R Joint (joint drive motor) 21L, 21R Thigh 22L, 22R Lower leg 23L, 23R ZMP detection sensor 24 sensor 30 gait controller 31 gait generator 32 controller 33 selector 33a gait library 33b gait module 34 compensator
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北野 宏明 埼玉県川越市西小仙波町２−18−３ Ｆターム(参考） 3C007 AS36 CS08 KS21 KS24 KS34 KX12 KX13 WA03 WA13 WB04 WB07 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Hiroaki Kitano 2-18-3 Nishikosenba Town, Kawagoe City, Saitama Prefecture F term (reference) 3C007 AS36 CS08 KS21 KS24 KS34 KX12 KX13 WA03 WA13 WB04 WB07
Claims (10)
揺動可能な中間に膝部，下端に足部を備えた脚部と、上
記脚部の足部，下腿部，大腿部の揺動可能な関節部をそ
れぞれ揺動させる駆動手段と、運動命令に対応して、歩
容生成部により目標角度軌道，目標角速度，目標角加速
度を含む歩容データを生成し、この歩容データに基づい
て上記各駆動手段を制御部によりそれぞれ駆動制御する
歩行制御装置と、を備えた二脚歩行式移動装置におい
て、 上記歩行制御装置の歩容生成部が、上記各関節部の歩行
時における状態を検出するセンサ及び／又はロボットに
搭載された角速度，角加速度検出用センサ，足部力セン
サからのセンサ情報に基づいてロボットの姿勢を検出
し、この姿勢に基づいて運動命令による目標値とセンサ
情報の現在値とから最終歩容データとしての角度指令値
をリアルタイムで生成することを特徴とする二脚歩行式
移動装置。1. A main body, a leg portion having a knee portion and a foot portion at a lower end in the middle, which are swingable biaxially on both sides of a lower portion of the main body, a foot portion, a lower leg portion, and a large portion of the leg portion. The gait data including the target angular trajectory, the target angular velocity, and the target angular acceleration is generated by the gait generator corresponding to the driving means for rocking the rockable joints of the thigh and the motion command. In a bipedal locomotion device provided with a walking control device that drives and controls each of the driving means by a control unit based on gait data, a gait generating unit of the walking control device includes The posture of the robot is detected based on the sensor that detects the state during walking and / or the sensor information from the angular velocity / angular acceleration detection sensor and the foot force sensor mounted on the robot, and the movement command is issued based on this posture. Target value and current value of sensor information Biped walking mobile apparatus and generates an angle command value of the final gait data in real time.
素となる歩容モジュールを格納した歩容ライブラリと、
次の歩行に関する歩容データを生成する際に、歩容ライ
ブラリから対応する歩容モジュールを選択して読み出す
選択部と、選択部で選択された歩容モジュールをリアル
タイム合成して、最終的な歩容データを生成する補償部
と、を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の
二脚歩行式移動装置。2. A gait library in which the gait generator stores a gait module which is an element of walking of a robot,
When generating the gait data for the next gait, the selection unit that selects and reads the corresponding gait module from the gait library and the gait module selected by the selection unit are combined in real time to obtain the final gait. The bipedal locomotion device according to claim 1, further comprising: a compensator that generates volume data.
ジュールが、少なくとも一つの角度軌道パターンから構
成されていることを特徴とする、請求項２に記載の二脚
歩行式移動装置。3. The biped locomotion device according to claim 2, wherein the gait module stored in the gait library comprises at least one angular trajectory pattern.
パターンが、ＺＭＰ値，重心周りの角運動量，角加速度
をインデックスとして分類されていることを特徴とす
る、請求項３に記載の二脚歩行式移動装置。4. The bipedal walking according to claim 3, wherein the angular trajectory patterns forming the gait module are classified by using the ZMP value, the angular momentum around the center of gravity, and the angular acceleration as indexes. Mobile device.
ンサ情報からロボットの姿勢を検出して、運動命令によ
る次の歩行の目標終端状態までの動作計画を行なって、
この動作計画を実現するために必要な歩容モジュールを
歩容ライブラリから読み出すことを特徴とする、請求項
２から４の何れかに記載の二脚歩行式移動装置。5. The selection unit detects the posture of the robot from the sensor information after the end of the previous walk, and makes a motion plan up to the target end state of the next walk according to a motion command,
The biped locomotion device according to claim 2, wherein a gait module necessary for realizing this motion plan is read from a gait library.
揺動可能な中間に膝部，下端に足部を備えた脚部と、上
記脚部の足部，下腿部，大腿部の揺動可能な関節部をそ
れぞれ揺動させる駆動手段と、を含む二脚歩行式移動装
置に関して、運動命令に対応して、歩容生成部により目
標角度軌道，目標角速度，目標角加速度を含む歩容デー
タを生成し、この歩容データに基づいて上記各駆動手段
を制御部によりそれぞれ駆動制御する二脚歩行式移動装
置の歩行制御装置において、 上記歩行制御装置の歩容生成部が、上記各関節部の歩行
時における状態を検出するセンサ及び／又はロボットに
搭載された角速度，角加速度検出用センサ，足部力セン
サからのセンサ情報に基づいてロボットの姿勢を検出
し、この姿勢に基づいて運動命令による目標値とセンサ
情報の現在値とから最終歩容データとしての角度指令値
をリアルタイムで生成することを特徴とする、二脚歩行
式移動装置の歩行制御装置。6. A body, a leg portion having a knee portion and a foot portion at a lower end in the middle, which are swingable in two axial directions on both sides of a lower portion of the body, a foot portion, a lower leg portion, and a large portion of the leg portion. Regarding a bipedal locomotion device including drive means for respectively swinging the swingable joints of the thighs, a gait generator generates a target angular trajectory, a target angular velocity, and a target angular acceleration in response to a motion command. In a gait control device of a bipedal walking type mobile device that generates gait data including, and controls each of the driving means by a control unit based on the gait data, , The posture of the robot is detected on the basis of sensor information for detecting a state of each joint portion during walking and / or a sensor for detecting angular velocity and angular acceleration mounted on the robot, and a foot force sensor, Target value by exercise command based on And generating an angle command value of the final gait data in real time from the current value of the sensor information, walk controller of the biped walking mobile system.
素となる歩容モジュールを格納した歩容ライブラリと、
次の歩行に関する歩容データを生成する際に、歩容ライ
ブラリから対応する歩容モジュールを選択して読み出す
選択部と、選択部で選択された歩容モジュールをリアル
タイム合成して、最終的な歩容データを生成する補償部
と、を備えていることを特徴とする、請求項６に記載の
二脚歩行式移動装置の歩行制御装置。7. A gait library in which the gait generator stores a gait module which is an element of walking of a robot,
When generating the gait data for the next gait, the selection unit that selects and reads the corresponding gait module from the gait library and the gait module selected by the selection unit are combined in real time to obtain the final gait. The walking control device for the bipedal walking device according to claim 6, further comprising: a compensating unit that generates volume data.
ジュールが、少なくとも一つの角度軌道パターンから構
成されていることを特徴とする、請求項７に記載の二脚
歩行式移動装置の歩行制御装置。8. The gait control of the bipedal locomotion device according to claim 7, wherein the gait module stored in the gait library comprises at least one angular trajectory pattern. apparatus.
パターンが、ＺＭＰ値，重心周りの角運動量，角加速度
をインデックスとして分類されていることを特徴とす
る、請求項８に記載の二脚歩行式移動装置の歩行制御装
置。9. The bipedal walking according to claim 8, wherein the angular trajectory patterns forming the gait module are classified by using ZMP values, angular momentum around the center of gravity, and angular acceleration as indexes. Walker control device for mobile devices.
ンサ情報からロボットの姿勢を検出して、運動命令によ
る次の歩行の目標終端状態までの動作計画を行なって、
この動作計画を実現するために必要な歩容モジュールを
歩容ライブラリから読み出すことを特徴とする、請求項
７から９の何れかに記載の二脚歩行式移動装置の歩行制
御装置。10. The selection unit detects the posture of the robot from the sensor information after the end of the previous walk, and makes a motion plan up to the target end state of the next walk according to a motion command,
The gait control device for a bipedal locomotion device according to any one of claims 7 to 9, wherein a gait module necessary for realizing this motion plan is read from a gait library.
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