JP2007210065A

JP2007210065A - Non-fixed type robot having virtual free joint and control method for it, and pseudo free joint

Info

Publication number: JP2007210065A
Application number: JP2006032351A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Yuusumi; 仁有隅
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2007-08-23

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pseudo free joint, for preventing tumbling of a robot even in the case where an object is lifted from the initial state through a static unstable area to the terminal state when the robot lifts the object from the floor. <P>SOLUTION: This non-fixed type robot includes: an actuator 100 for applying force for moving a joint; a plurality of gears 26 to 29 for transmitting the movement of the joint from the actuator 100 to a region other than the concerned joint to thereby move the region other than the concerned joint; and a pair of encoders 21, 22 fitted to the respective shafts 23, 24 where predetermined mutually meshing gears among the plurality of gears 26 to 29 are mounted, wherein the encoders 21, 22 control the teeth of the paired gears not to come into contact with each other, thereby generating pseudo free movement. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、非固定式ロボットおよびそのロボット制御方法に係り、特に、動的制御理論
に基づく擬似自由関節を有する非固定式ロボットおよびその制御方法ならびに擬似自由関
節に関する。 The present invention relates to a non-fixed robot and a robot control method thereof, and more particularly to a non-fixed robot having a pseudo free joint based on a dynamic control theory, a control method thereof, and a pseudo free joint.

従来、２足歩行ロボットやヒューマノイドロボットなどの非固定型ロボットに対して、
全身の運動量を利用して、物体を操作する方法について十分に検討されていないのが実情
である。また、非固定型ロボットの安定性は、主に、ＺＭＰを規範として議論されてきた
ため、歩行やマニピュレーションにおいてロボットの運動量を利用して転倒を回避する方
法については十分検討されていない。 Conventionally, for non-fixed robots such as biped robots and humanoid robots,
The actual situation is that the method of manipulating an object using the whole body's momentum has not been sufficiently studied. In addition, the stability of the non-fixed type robot has been discussed mainly using ZMP as a norm, and thus a method for avoiding a fall using the momentum of the robot in walking or manipulation has not been sufficiently studied.

図１０は、従来のロボット関節の構成の一例を示す斜視図である。同図に示すように、
従来のロボット関節２０は、アクチュエータ１００と、エンコーダ２００と、複数のギア
３００と、アーム５００とから構成されている。ここで、アーム（リンク）５００を同図
矢印で示す方向に自由落下させて、そのダイナミクスを妨げないように関節を駆動させる
方法を考えると、従来では、まずアーム５００の目標軌道を設定し、それに追従するよう
にアクチュエータ１００を制御する方法が採られてきた。したがって、従来法では、アー
ム５００などの完全なモデルを構築して、自由落下させたときの軌道を正確に計算し、そ
の軌道に追従するように関節が制御されてきた。 FIG. 10 is a perspective view showing an example of the configuration of a conventional robot joint. As shown in the figure
The conventional robot joint 20 includes an actuator 100, an encoder 200, a plurality of gears 300, and an arm 500. Here, when considering a method of causing the arm (link) 500 to freely fall in the direction indicated by the arrow and driving the joint so as not to disturb the dynamics, conventionally, first, the target trajectory of the arm 500 is set, A method of controlling the actuator 100 so as to follow it has been adopted. Therefore, in the conventional method, a complete model of the arm 500 or the like is constructed, the trajectory when the free fall is performed is accurately calculated, and the joint is controlled so as to follow the trajectory.

しかし、この従来法では、関節角を測定するセンサに相当するエンコーダ２００は、ア
クチュエータ１００側のみに装着されていて、かつ、アクチュエータ１００からアーム５
００まで複数のギア３００で力が伝達されるため、特にアーム５００が高速に運動する場
合などでは完全に目標軌道を追従させることはできない。
上述した従来のロボット関節の代表的な動作について以下に説明する。 However, in this conventional method, the encoder 200 corresponding to the sensor for measuring the joint angle is attached only to the actuator 100 side, and the actuator 100 is connected to the arm 5.
Since the force is transmitted by the plurality of gears 300 up to 00, the target trajectory cannot be completely followed particularly when the arm 500 moves at high speed.
A typical operation of the above-described conventional robot joint will be described below.

図１１〜図１３は、従来のヒューマノイドロボットの物体持ち上げ動作を示す図である
。
まず、重力下におけるヒューマノイドロボットによる物体持ち上げ動作について説明す
る。
図１１に示すように、ヒューマノイドロボットは、環境に固定されていないので、ロボ
ットが静的な状態にあるときロボットが転倒しないためには、全身の重心（ＣＯＭ；Ｃｅ
ｎｔｅｒｏｆＭａｓｓ）の床面への射影点が両足底の外側の縁で構成された支持多角
形Ｓの内部にある必要がある。 11 to 13 are diagrams illustrating an object lifting operation of a conventional humanoid robot.
First, an object lifting operation by a humanoid robot under gravity will be described.
As shown in FIG. 11, since the humanoid robot is not fixed to the environment, in order to prevent the robot from falling when the robot is in a static state, the center of gravity (COM; Ce;
nter of Mass) must be within the support polygon S formed by the outer edges of both soles.

また、図１２（ａ）に示すように、ロボットの足部接地位置を変えずに静的安定状態の
ときのロボットの手先が取りうる領域（静的安定な手先可動領域と呼ぶ）を灰色領域Ｃと
し、そのときの全体の系のＣＯＭを点Ｐ１とする。また、図１２（ｂ）に示すように、灰
色領域Ｃ内にある重い物体Ｗを把持する場合、ロボットと物体の全体の系のＣＯＭを点Ｐ
２とする。ＣＯＭ（点Ｐ１）とＣＯＭ（点Ｐ２）とを比較すると、ロボットと物体の全体
の系のＣＯＭ（点Ｐ２）と、ロボットのみのＣＯＭ（点Ｐ１）とは異なる位置に存在する
ことが分かる。 Further, as shown in FIG. 12A, an area that can be taken by the hand of the robot in a static stable state without changing the foot contact position of the robot (referred to as a static stable hand movable area) is a gray area. Let C be the point COM of the entire system at that time. Also, as shown in FIG. 12B, when a heavy object W in the gray area C is gripped, the COM of the entire system of the robot and the object is set to a point P.
2. Comparing COM (point P1) and COM (point P2), it can be seen that the COM (point P2) of the entire system of the robot and the object and the COM (point P1) of the robot alone exist at different positions.

例えば、図１２（ｂ）に示すように、物体Ｗがロボットの正面にある場合、全体の系の
ＣＯＭ（点Ｐ２）は，ロボットのＣＯＭ（点Ｐ１）より遠くに存在する。したがって、物
体Ｗの重量や位置によっては系全体のＣＯＭ（点Ｐ１）の床面への射影点が支持多角形Ｓ
の外側に位置する場合が生じ、このとき、ロボットは、どんなに大きな出力を持っていて
も物体を静的には保持することはできず、前方へ転倒してしまう。 For example, as shown in FIG. 12B, when the object W is in front of the robot, the COM (point P2) of the entire system exists farther than the COM (point P1) of the robot. Therefore, depending on the weight and position of the object W, the projection point of the entire system COM (point P1) onto the floor surface is the support polygon S.
In this case, the robot cannot hold the object statically no matter how large the output is, and falls forward.

ここで、改めて物体を考慮した系の静的安定な手先可動領域を求めると、その領域は、
物体を考慮しない系の静的安定な手先可動領域Ｃ（図１２の灰色領域）より小さくなり、
物体が重いほどロボットの足首を通る鉛直線付近に分布する。ロボットが物体を把持した
状態における静的安定な手先可動領域は、図１３（ａ）に示す水平線ならびに図３（ｂ）
に示す斜線部領域のようになる。図１３（ａ）には、物体Ｗが床に接している状態でロボ
ットが物体を把持している様子が描かれているが、このときの静的安定な手先可動領域は
、物体の把持点を通る水平線Ａａとなる。また、図１３（ｂ）には、物体Ｗが床に接して
いない状態でロボットが物体Ｗを把持している様子が描かれているが、このときの静的安
定な手先可動領域は、灰色領域内にある斜線部領域Ａｂとなる。 Here, when the static stable hand movable region of the system considering the object is obtained again, the region is
Smaller than the static stable hand movable region C (gray region in FIG. 12) of the system that does not consider the object,
The heavier objects are distributed near the vertical line passing through the robot's ankle. The static and stable hand movable region in a state where the robot grips an object includes the horizontal line shown in FIG. 13 (a) and FIG. 3 (b).
The shaded area shown in FIG. FIG. 13A shows a state where the robot is holding the object while the object W is in contact with the floor. The static and stable hand movable region at this time is the gripping point of the object. The horizontal line Aa passing through FIG. 13B shows a state in which the robot is holding the object W while the object W is not in contact with the floor. The static stable hand movable region at this time is gray. It becomes the shaded area Ab in the area.

また、特許文献１には、体幹部において、自由度を有し、任意の転倒姿勢においてこれ
ら体幹部の自由度を活用することにより、円滑に起き上がることができ、体幹部以外の可
動部への負担や要求トルクを軽減すると共に、過重負担を各可動部間で分散・平均化する
ことで、特定部位への集中荷重を回避するロボットが提案されている。
特開２００１−１５０３７０号公報 Further, Patent Document 1 has a degree of freedom in the trunk, and by using the degree of freedom of these trunks in an arbitrary fall posture, it can rise smoothly and can be moved to a movable part other than the trunk. There has been proposed a robot that reduces a load and a required torque and avoids a concentrated load on a specific part by dispersing and averaging an overload between moving parts.
JP 2001-150370 A

しかしながら、上述した従来例においては、以下のような問題を有する。
図１４，図１５は、従来のヒューマノイドロボットの物体持ち上げ時における問題点を
示す図である。
まず、図１４に示すように、図１３（ａ）に示すロボットの静的安定状態を初期状態、
図１３（ｂ）に示すロボットの静的安定状態を終端状態とし、各静止状態のときの手先位
置をそれぞれ点ＰｓとＰｅで表す。ただし、点Ｐｓは、静的安定な手先可動領域である斜
線領域Ａｂ以外の点とする。図１４に示す経路に沿って初期状態（点Ｐｓ）から終端状態
（点Ｐｅ）まで物体Ｗをゆっくりと静的に持ち上げる場合、経路Ｄと斜線領域Ａｂの境界
との接点を点Ｐｃとすると、点Ｐｃと点Ｐｅとの間の経路，ならびに点Ｐｓでは静的安定
状態で物体Ｗを保持することが可能であるが、点Ｐｓと点Ｐｃとの間の経路では、静的不
安定状態となり、ロボットは転倒してしまう。直接、初期状態から静的不安定領域を通過
して終端状態へ物体を持ち上げる場合、ロボットが転倒しないためには、転倒しないため
の力を外部から受ける必要がある。 However, the conventional example described above has the following problems.
FIG. 14 and FIG. 15 are diagrams showing problems when lifting an object of a conventional humanoid robot.
First, as shown in FIG. 14, the static stable state of the robot shown in FIG.
The static stable state of the robot shown in FIG. 13B is a terminal state, and the hand positions in each stationary state are represented by points Ps and Pe, respectively. However, the point Ps is a point other than the hatched area Ab that is a statically stable hand movable area. When the object W is slowly and statically lifted along the path shown in FIG. 14 from the initial state (point Ps) to the terminal state (point Pe), if the contact point between the path D and the boundary of the hatched area Ab is a point Pc, Although it is possible to hold the object W in the static stable state at the path between the point Pc and the point Pe and at the point Ps, the path between the point Ps and the point Pc becomes a static unstable state. The robot falls over. When lifting an object directly from the initial state through the static instability region to the terminal state, it is necessary to receive an external force to prevent the robot from falling.

そのためには、図１５に示すように、水平前方をＸ方向、上方向をＺ方向とし、Ｘ方向
の力をｆｘ、Ｚ負方向の力をｆｚとすると、Ｘ方向の力ｆｘやＺ負方向の力ｆｚで物体を
押したときの反力ｆｒｅａｃｔｘ，ｆｒｅａｃｔｚを利用し、ＺＭＰが、図１１に示す支
持多角形Ｓの内部でかつ境界でない範囲に存在するようにする必要がある。しかし、Ｘ方
向やＺ負方向の力ｆｘ、ｆｚは、終端方向から物体を遠ざける力であり、終端方向へ物体
を持ち上げることは極めて困難となる。 For this purpose, as shown in FIG. 15, assuming that the horizontal front is the X direction, the upward direction is the Z direction, the force in the X direction is fx, and the force in the Z negative direction is fz, the force fx in the X direction and the Z negative direction It is necessary to use the reaction forces freactx and freactz when the object is pressed with the force fz so that the ZMP exists within the support polygon S shown in FIG. However, the forces fx and fz in the X direction and the Z negative direction are forces that move the object away from the terminal direction, and it is extremely difficult to lift the object in the terminal direction.

また、図１４に示す経路では、物体をロボット側に引き寄せながら上げていく力が必要
となる。言い換えると、反作用によりロボットは、図１６に示すような物体側に引っ張ら
れる力Ｆｘと重力方向の力Ｆｚを受けることになるが、これらの力は、ロボットの重心や
脚の位置を考慮すると、明らかにロボットを転倒するように働く。したがって、経路に沿
って物体が移動するようにロボットが物体に力を加えると、静的に物体を保持するより、
さらにロボットは倒れやすくなると考えられる。 Further, the route shown in FIG. 14 requires a force to lift the object while pulling it toward the robot. In other words, the robot receives a force Fx pulled toward the object side and a force Fz in the direction of gravity as shown in FIG. 16 due to the reaction, and these forces take into account the center of gravity of the robot and the position of the legs. Obviously works to tip the robot. Therefore, if the robot applies force to the object so that the object moves along the path, it will hold the object statically.
Furthermore, robots are likely to fall over.

以上のことから、物体Ｗが床から離れた瞬間から静的不安定状態となる経路では、ロボ
ットがどんなに大きな出力を持っていても、初期状態から直接物体を持ち上げることがで
きず、また、仮に持ち上がったとしても転倒しないための力を発生させることは困難であ
る。
また、一般に、ヒューマノイドロボットのような実在する多自由度移動ロボットは、全
関節が駆動されており、系のダイナミクスが有効に利用することが難しい。一方、歩行ロ
ボットの研究において、非駆動関節を利用したパッシブウォーキングの研究が進められて
いてダイナミクスの利用の有効性が指摘されているが、駆動できない自由関節が用いられ
ているため、物体持ち上げなどの力が必要な作業を行う場合に問題となる。 From the above, in the path where the object W is in a statically unstable state from the moment it leaves the floor, no matter how large the robot has an output, it cannot lift the object directly from the initial state. Even if it is lifted, it is difficult to generate a force to prevent it from falling.
In general, an existing multi-degree-of-freedom mobile robot such as a humanoid robot has all joints driven, and it is difficult to effectively use system dynamics. On the other hand, in research on walking robots, research on passive walking using non-driving joints has been conducted and the effectiveness of using dynamics has been pointed out, but free joints that cannot be driven are used, so object lifting etc. This is a problem when performing work that requires a high level of power.

また、特許文献１記載の発明についても、このロボットは、転倒したか否かを判断する
転倒判断手段と、転倒時の姿勢を判定する判定手段と、起き上がり動作を実行する手段と
を有するのみで、ロボット自身が転倒したときに何をするかについては対処できるが、物
体を持ち上げる際に運動量等を考慮して制御されるようなロボットではなく、物体を持ち
上げる際には転倒しないよう制御できないという問題を有している。 Also, with respect to the invention described in Patent Document 1, this robot only includes a fall determination unit that determines whether or not the vehicle has fallen, a determination unit that determines a posture at the time of the fall, and a unit that executes a rising motion. The robot itself can cope with what to do when it falls, but it is not a robot that is controlled in consideration of momentum etc. when lifting an object, but it can not be controlled so that it does not fall when lifting an object Have a problem.

本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであって、物体を床から持ち上げる際に
、転倒せずに物体を終端状態へ移動させ、初期状態から静的不安定領域を通過して終端状
態へ物体を持ち上げる場合においても転倒しない擬似自由関節を有する非固定式ロボット
およびその制御方法ならびに擬似自由関節を提供することを目的としている。
また、本発明は、関節又はリンクを、駆動した状態ならびに自由にした状態に切り替え
ることができ、ＺＭＰの概念に縛られずに非固定型ロボットの転倒を回避し、かつ、系の
ダイナミクスを有効に利用して物体の運動を制御できる擬似自由関節を有する非固定式ロ
ボットおよびその制御方法ならびに擬似自由関節を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and when lifting an object from the floor, the object is moved to the terminal state without falling down, and passes through the static unstable region from the initial state to terminate. An object of the present invention is to provide a non-fixed robot having a pseudo free joint that does not fall even when an object is lifted to a state, a control method thereof, and a pseudo free joint.
In addition, the present invention can switch a joint or a link to a driven state or a free state, avoids falling of a non-fixed robot without being bound by the concept of ZMP, and effectively makes the system dynamics It is an object of the present invention to provide a non-fixed robot having a pseudo free joint capable of controlling the motion of an object by using it, a control method thereof, and a pseudo free joint.

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の擬似自由関節を有する非固定式
ロボットは、関節を動かすための力を与えるアクチュエータと、当該関節の動きを当該ア
クチュエータから当該関節以外の部位に伝達し、当該関節以外の部位を動かすために複数
のシャフトに取り付けられた複数の歯車と、当該関節の角度または負荷を検出するために
取り付けられたエンコーダを備え、前記エンコーダは、前記複数の歯車のうち噛み合う一
対の歯車を装着しているシャフトの各々に取り付けられ、前記一対の歯車の互いの歯が触
れないように制御することにより擬似的な自由運動を生成可能とし、物体を持ち上げる際
、当該物体を持ち上げるために蓄積された運動量と前記自由運動により転倒を回避しなが
ら物体を持ち上げることを特徴としている。 In order to solve the above-described problem, a non-fixed robot having a pseudo free joint according to claim 1 of the present invention includes an actuator for applying a force for moving the joint, and the movement of the joint from the actuator to the joint other than the joint. And a plurality of gears attached to a plurality of shafts for moving a part other than the joint, and an encoder attached to detect an angle or a load of the joint. It is attached to each of the shafts fitted with a pair of meshing gears out of a plurality of gears, and can control the object so that the teeth of the pair of gears do not touch each other. When lifting, the object is lifted while avoiding falling by the momentum accumulated to lift the object and the free movement It is.

また、請求項２に記載の擬似自由関節を有する非固定式ロボットは、請求項１に記載の
擬似自由関節を有する非固定式ロボットに係り、前記擬似自由関節は、前記一対の歯車の
互いの歯の幅または高さを変更することによって、噛み合う部分のバックラッシュを変動
することを特徴としている。
また、請求項３に記載の擬似自由関節を有する非固定式ロボットは、請求項１に記載の
擬似自由関節を有する非固定式ロボットに係り、前記擬似自由関節は、前記一対の歯車の
うち一方の歯車の歯にテーパをかけて連続的に動作可能にしたことを特徴としている。 A non-fixed robot having a pseudo free joint according to claim 2 is related to the non-fixed robot having a pseudo free joint according to claim 1, wherein the pseudo free joint is a mutual connection between the pair of gears. It is characterized in that the backlash of the meshing portion is changed by changing the width or height of the teeth.
A non-fixed robot having a pseudo free joint according to claim 3 relates to the non-fixed robot having a pseudo free joint according to claim 1, wherein the pseudo free joint is one of the pair of gears. The gear teeth are tapered to enable continuous operation.

また、請求項４に記載の擬似自由関節を有する非固定式ロボットは、請求項１に記載の
擬似自由関節を有する非固定式ロボットに係り、前記擬似自由関節は、前記一対の歯車の
うち一方の歯車を、当該一方の歯車が装着されているシャフトの軸方向に滑走可能に取り
付けられていることを特徴としている。
また、請求項５記載の擬似自由関節を有する非固定式ロボットは、請求項１に記載の擬
似自由関節を有する非固定式ロボットに係り、前記一対の歯車は、前記アクチュエータか
らの力の伝達経路が最も長い位置に配置された一対の歯車であることを特徴としている。 A non-fixed robot having a pseudo free joint according to claim 4 relates to the non-fixed robot having a pseudo free joint according to claim 1, wherein the pseudo free joint is one of the pair of gears. These gears are slidably mounted in the axial direction of the shaft on which the one gear is mounted.
A non-fixed robot having a pseudo free joint according to claim 5 is related to the non-fixed robot having a pseudo free joint according to claim 1, wherein the pair of gears transmits a force transmission path from the actuator. Is a pair of gears arranged at the longest position.

また、請求項６記載の擬似自由関節を有する非固定式ロボットは、関節を動かすための
力を与えるアクチュエータと、当該関節の動きを当該アクチュエータから当該関節以外の
部位に伝達し、当該関節以外の部位を動かすために複数のシャフトに取り付けられた複数
の歯車と、当該関節の角度または負荷を検出するために取り付けられたエンコーダを備え
、前記エンコーダは、前記複数の歯車のうち噛み合う一対の歯車を装着しているシャフト
の各々に取り付けられ、前記一対の歯車の互いの歯が触れないように制御することにより
擬似的な自由運動を生成可能とし、物体を持ち上げる際、当該物体を持ち上げるために蓄
積された運動量と前記自由運動により転倒を回避しながら物体を持ち上げることを特徴と
している。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a non-fixed robot having a pseudo free joint, an actuator that applies a force for moving the joint, and the movement of the joint from the actuator to a portion other than the joint. A plurality of gears attached to a plurality of shafts for moving a part, and an encoder attached to detect an angle or a load of the joint, and the encoder includes a pair of meshing gears among the plurality of gears. It is attached to each of the attached shafts, and it is possible to generate a pseudo free movement by controlling so that the teeth of the pair of gears do not touch each other, and when lifting an object, it accumulates to lift the object It is characterized in that the object is lifted while avoiding falls by the amount of exercise and the free movement.

また、請求項７に記載の擬似自由関節を有する非固定式ロボット制御方法は、アクチュ
エータによって関節を動かすための力を与えるステップと、当該関節以外の部位を動かす
ために複数のシャフトに取り付けられた複数の歯車によって当該関節の動きを当該アクチ
ュエータから当該関節以外の部位に伝達するステップと、エンコーダによって当該関節の
角度または負荷を検出するステップを含み、前記エンコーダは、前記複数の歯車のうち噛
み合う一対の歯車を装着しているシャフトの各々に取り付けられ、前記一対の歯車の互い
の歯が触れないように制御することにより擬似的な自由運動を生成可能とし、物体を持ち
上げる際、当該物体を持ち上げるために蓄積された運動量と前記自由運動により転倒を回
避しながら物体を持ち上げることを特徴としている。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a non-fixed robot control method having a pseudo free joint, the step of applying a force for moving the joint by an actuator, and a plurality of shafts for moving a part other than the joint. A step of transmitting the movement of the joint from the actuator to a part other than the joint by a plurality of gears; and a step of detecting an angle or a load of the joint by an encoder, wherein the encoder is a pair of meshing gears of the plurality of gears. It is attached to each of the shafts on which the gears of the gears are mounted, and it is possible to generate a pseudo free movement by controlling so that the teeth of the pair of gears do not touch each other, and when the object is lifted, the object is lifted Therefore, it is possible to lift the object while avoiding falling by the accumulated momentum and the free movement. It is characterized in.

本発明は、ロボットの足部接地位置を変えずに静的に転倒しない状態（静的安定状態）
から静的には転倒する状態（静的不安定状態）を通過して他の静的安定状態へ物体を操作
しながら、全身を動かす方法とそれを表現する機構を開示する。なお、本発明では、物体
が床に接したまま物体をロボット側に引きずって手先位置を斜線領域に移動させる方法は
考慮していない。 In the present invention, the robot does not fall over statically without changing the foot contact position of the robot (static stable state)
A method for moving the whole body while operating an object to another static stable state through a state of falling statically (static unstable state) and a mechanism for expressing the same are disclosed. Note that the present invention does not consider a method of moving the hand position to the shaded area by dragging the object to the robot side while the object is in contact with the floor.

以上説明したように、本発明の擬似自由関節を有する非固定式ロボットによれば、物体
を床から持ち上げる際、転倒せずに物体を終端状態へ移動させ、初期状態から静的不安定
領域を通過して終端状態へ物体を持ち上げる場合においても転倒しない擬似自由関節を有
する非固定型ロボットを提供することができる。
また、本発明による擬似自由関節は、関節又はリンクを、駆動した状態ならびに自由に
した状態に切り替えることができ、ＺＭＰの概念に縛られずに非固定型ロボットの転倒を
回避することができる。
また、本発明の擬似自由関節を有する非固定式ロボット制御方法は、系のダイナミクス
を有効に利用して物体の運動を制御できる非固定型ロボット制御方法を提供することがで
きる。 As described above, according to the non-fixed robot having the pseudo free joint of the present invention, when lifting an object from the floor, the object is moved to the terminal state without falling down, and the static unstable region is changed from the initial state. It is possible to provide a non-fixed robot having a pseudo free joint that does not fall even when passing and lifting an object to a terminal state.
Further, the pseudo free joint according to the present invention can switch the joint or the link to the driven state and the free state, and can avoid the fall of the non-fixed type robot without being bound by the concept of ZMP.
Further, the non-fixed robot control method having a pseudo free joint according to the present invention can provide a non-fixed robot control method capable of controlling the motion of an object by effectively utilizing the dynamics of the system.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る非固定型ロボットについて説明する。
まず、図１〜図５を参照して、本発明の実施形態に係る非固定型ロボットの構成につい
て説明する。図１は、本発明の実施形態に係る擬似自由関節の構成を示す斜視図、図２は
、他の実施形態に係る擬似自由関節の構成、図３は、擬似自由関節における隣り合う歯車
同士の一方の歯車の歯の形状を変更した場合の状態を示す概略図、図４は、擬似自由関節
における隣り合う歯車同士の一方の歯車の歯にテーパをかけた時の歯の状態を示す概略図
、図５は、擬似自由関節における隣り合う歯車同士の一方の歯車をスライド式に形成した
ときの状態を示す斜視図である。 Hereinafter, a non-fixed type robot according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the configuration of a non-fixed robot according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 is a perspective view showing a configuration of a pseudo free joint according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a configuration of a pseudo free joint according to another embodiment, and FIG. 3 is a diagram of adjacent gears in the pseudo free joint. FIG. 4 is a schematic view showing a state when the tooth shape of one gear is changed, and FIG. 4 is a schematic view showing a tooth state when the tooth of one gear of adjacent gears in the pseudo free joint is tapered. FIG. 5 is a perspective view showing a state when one of the adjacent gears in the pseudo free joint is formed in a sliding manner.

一般に、ロボットによる物体持ち上げなどのような動的な作業の場合、物体を操作する
ために物体に力を加えたり、物体の運動を妨げないように物体に繋がるリンクの運動を自
由にさせたりすることが必要となる。これを実現する一手法として、駆動源からの力がリ
ンクに伝達されたり、伝達されずに自由な状態になったりするように関節を制御する方法
がある。この擬似的な自由運動状態を生成するために、本発明は、以下の構成を採用して
いる。 In general, in the case of dynamic work such as lifting an object by a robot, force is applied to the object to manipulate the object, or the link connected to the object is freely moved so as not to interfere with the movement of the object. It will be necessary. As one method for realizing this, there is a method of controlling the joint so that the force from the driving source is transmitted to the link or is not transmitted. In order to generate this pseudo free motion state, the present invention adopts the following configuration.

図１は、本発明の実施形態にかかる非固定式ロボットの関節を示す斜視図である。
この関節１０は、アクチュエータ１００と、シャフト２３〜２５と、歯車２６〜２９と
、エンコーダ２１，２２と、アーム５００とで構成されている。
アクチュエータ１００は、関節を動かすための力を与える作動部としての機能を有する
。 FIG. 1 is a perspective view showing a joint of a non-fixed robot according to an embodiment of the present invention.
The joint 10 includes an actuator 100, shafts 23 to 25, gears 26 to 29, encoders 21 and 22, and an arm 500.
Actuator 100 has a function as an operation part which gives force for moving a joint.

歯車２６〜２９は、当該関節の動きを当該アクチュエータ１００から当該関節以外の部
位に伝達し、当該関節以外の部位を動かす第１の歯車２６，第２の歯車２７，第３の歯車
２８，第４の歯車２９と、計４つの歯車から構成されている。
エンコーダ２１，２２は、当該関節の角度または負荷を検出するための第１のエンコー
ダ２１，第２のエンコーダ２２と、計２つのエンコーダから構成されている。 The gears 26 to 29 transmit the movement of the joint from the actuator 100 to a part other than the joint, and move the part other than the joint to the first gear 26, the second gear 27, the third gear 28, and the second gear. 4 gears 29 and a total of 4 gears.
The encoders 21 and 22 include a first encoder 21 and a second encoder 22 for detecting the angle or load of the joint, and a total of two encoders.

シャフト２３〜２５は、各部位を連結するための部位で、第１シャフト２３，第２シャ
フト２４，第３シャフト２５と、計３つのシャフトから構成されている。第１シャフト２
３は、第１歯車２６，第１エンコーダ２１と、アーム５００とを連結し、第２シャフト２
４は、第２の歯車２７，第２エンコーダ２２と、第３歯車２８とを連結し、第３シャフト
２５は、第４歯車２９とアクチュエータ１００とを連結している。
そして、本発明の擬似自由関節は、特に、第１歯車２６、第２歯車２７を取り付けてい
る第１シャフト２３、第２シャフト２４の各々に第１エンコーダ２１、第２エンコーダ２
２を取り付けていることを特徴としている。 The shafts 23 to 25 are portions for connecting the respective portions, and are composed of a first shaft 23, a second shaft 24, a third shaft 25, and a total of three shafts. 1st shaft 2
3 connects the first gear 26, the first encoder 21, and the arm 500, and the second shaft 2
4 connects the second gear 27, the second encoder 22, and the third gear 28, and the third shaft 25 connects the fourth gear 29 and the actuator 100.
In particular, the pseudo free joint of the present invention includes the first encoder 21 and the second encoder 2 respectively on the first shaft 23 and the second shaft 24 to which the first gear 26 and the second gear 27 are attached.
2 is attached.

図１に示すように、歯車の噛み合う歯と歯との間には、隙間（バックラッシュ）が存在
するのが一般的であるが、第１歯車２６と第２歯車２７とが噛み合う際に、歯と歯とが触
れないように、第２歯車２７を制御できれば、第１歯車２６には力が加わらず、アーム５
００の自由な運動が実現できる。そこで、第１歯車２６と第２歯車２７とが噛み合う際に
、歯と歯とが触れないように第２歯車２７を制御するための方法について以下に説明する
。 As shown in FIG. 1, there is generally a gap (backlash) between teeth that mesh with each other, but when the first gear 26 and the second gear 27 mesh with each other, If the second gear 27 can be controlled so that the teeth do not touch each other, no force is applied to the first gear 26 and the arm 5
00 free movement can be realized. Therefore, a method for controlling the second gear 27 so that the teeth do not come into contact with each other when the first gear 26 and the second gear 27 are engaged will be described below.

まず、図１に示すように、第１歯車２６と第２歯車２７のそれぞれに関節角を測定する
センサを装着する方法がある。本実施形態では、このセンサとして第１エンコーダ２１，
第２エンコーダ２２を用いている。そして、第１エンコーダ２１および第２エンコーダ２
２の計測値を用いれば、より高精度に第２歯車２７が第１歯車２６の歯に触れないように
アクチュエータ１００を制御することが可能となる。 First, as shown in FIG. 1, there is a method in which a sensor for measuring a joint angle is attached to each of the first gear 26 and the second gear 27. In the present embodiment, the first encoder 21,
A second encoder 22 is used. The first encoder 21 and the second encoder 2
If the measured value of 2 is used, the actuator 100 can be controlled with higher accuracy so that the second gear 27 does not touch the teeth of the first gear 26.

また、図２に示すように、もしエンコーダの分解能が小さく高精度な制御が十分にでき
ない場合は、アーム５００に直結する第１歯車３０に噛み合い、第１歯車３０より歯数の
多い第２歯車３６を用いることによって、第１歯車３０の回転運動を減速させれば良い。
なお、第３歯車３７は、図１の第２歯車２７に相当する。
次に、図１に戻り、第１歯車２６と第２歯車２７とが噛み合う部分のバックラッシュを
大きくする方法として、第１，第２歯車２６，２７の軸間距離を変える方法は、歯車全体
の配置に影響を与えるので良い方法とはいえない。そこで、本実施形態では、歯車の歯の
形状・大きさを自在に変える方法を採用している。 As shown in FIG. 2, if the resolution of the encoder is small and high-precision control is not sufficient, the second gear is engaged with the first gear 30 directly connected to the arm 500 and has more teeth than the first gear 30. By using 36, the rotational movement of the first gear 30 may be decelerated.
The third gear 37 corresponds to the second gear 27 in FIG.
Next, returning to FIG. 1, as a method of increasing the backlash at the portion where the first gear 26 and the second gear 27 mesh, the method of changing the distance between the axes of the first and second gears 26, 27 is the entire gear. This is not a good method because it affects the placement of Therefore, in the present embodiment, a method of freely changing the shape and size of the gear teeth is employed.

そこで、図３に示すように、歯の幅と高さのそれぞれを変更することにより、同図右側
の四角形内に示すようにバックラッシュを大きくすることが可能になる。また、前述した
ように、ロボットの物体操作ではアーム（リンク）を自由運動させたり、駆動させたりす
ることが自在にできることが要求されているので、バックラッシュの大きさを連続的に変
動させることが望ましい。 Therefore, as shown in FIG. 3, by changing the width and height of each tooth, the backlash can be increased as shown in the square on the right side of the figure. In addition, as described above, since it is required that the arm (link) can be freely moved and driven in the object operation of the robot, the size of the backlash must be continuously changed. Is desirable.

そこで、図４に示す片側にテーパをつけたテーパード歯を用いることを考える。図４（
ａ）では、歯の高さは変わらないが、Ｒ側の歯の幅はＬ側に比べて細くなっている。また
、同図４（ｂ）では、Ｒ側の歯の高さがＬ側に比べて低くなっている。同図上側に３方向
からのそれぞれの見取り図を示す。
図５は、図４（ａ）に示すテーパード歯を持つ第２歯車４７を装着した機構を示す斜視
図である。同図に示すように、第２歯車４７がシャフト軸方向にスライド駆動できるよう
にすれば、同図の右側の四角内の図のように、第１歯車４６と第２歯車４７の噛み合い部
のバックラッシュを小さくしたり大きくしたりすることが可能となる。なお、図４（ｂ）
のテーパード歯を用いても同様の効果が得られる。したがって、アーム５００を自由に運
動させるには、Ｒ側の歯が第１歯車４６の歯と歯との間に配置するように第２歯車４７を
スライドし、アーム５００を駆動するには、Ｌ側の歯が第１歯車４６と噛み合うように第
２歯車４７をスライドすればよい。 Therefore, it is considered to use a tapered tooth having one side tapered as shown in FIG. FIG.
In a), the height of the teeth is not changed, but the width of the teeth on the R side is narrower than that on the L side. Further, in FIG. 4B, the height of the tooth on the R side is lower than that on the L side. Each sketch from three directions is shown on the upper side of the figure.
FIG. 5 is a perspective view showing a mechanism in which the second gear 47 having the tapered teeth shown in FIG. As shown in the figure, if the second gear 47 can be slid in the axial direction of the shaft, the meshing portion of the first gear 46 and the second gear 47 can be seen as shown in the right square of the figure. It is possible to reduce or increase the backlash. FIG. 4 (b)
The same effect can be obtained by using tapered teeth. Therefore, in order to move the arm 500 freely, the second gear 47 is slid so that the R-side teeth are arranged between the teeth of the first gear 46, and the arm 500 is driven by the L The second gear 47 may be slid so that the teeth on the side mesh with the first gear 46.

この方法を用いれば、アーム５００などの完全なモデルを構築したり、アーム５００が
自由運動するための目標軌道を生成したりすることなく、ただ、第２歯車４７を第１歯車
４６の歯に触れないようにアクチュエータ１００を制御するだけで簡便に擬似的な自由関
節を生成することが可能となる。
なお、擬似的な自由関節を生成するために、従来のようなクラッチやＥＲアクチュエー
タなどを用いると、関節重量が大きくなったり、大きな電力が必要となったり、現存のも
のを改造するのにコストがかかったりするなどの問題があるが、本発明では、このような
問題に対処することができる。 With this method, the second gear 47 is simply used as the tooth of the first gear 46 without building a complete model such as the arm 500 or generating a target trajectory for the arm 500 to move freely. It is possible to easily generate a pseudo free joint simply by controlling the actuator 100 so as not to touch it.
If a conventional clutch or ER actuator is used to generate a pseudo free joint, the joint weight increases, a large amount of power is required, and the cost of remodeling an existing one is high. However, the present invention can cope with such a problem.

次に、図６〜図９を参照して、本発明の非固定式ロボットの自由関節の動作について説
明する。図６は、物体を持ち上げる際の非固定式ロボットの動作を段階的に示す図、（ａ
）は持ち上げる前、（ｂ）は持ち上げる準備段階、（ｃ）は持ち上げる直前、（ｄ）は持
ち上げる途中、（ｅ）は持ち上げ後の終端状態を示す概略図である。図７は、ＺＭＰの概
念による転倒回避方法を示す概略図、図８は、重心速度による転倒回避方法を示す概略図
、図９は、自由関節運動を利用した重心の放物線運動を示す概略図、（ａ）はロボット重
心の軌道、（ｂ）は物体重心の軌道を示す図である。 Next, with reference to FIGS. 6-9, operation | movement of the free joint of the non-fixed type | mold robot of this invention is demonstrated. FIG. 6 is a diagram showing stepwise the operation of the non-fixed robot when lifting an object.
(B) is a preparation stage for lifting, (c) is immediately before lifting, (d) is in the middle of lifting, and (e) is a schematic view showing a terminal state after lifting. FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a fall avoidance method based on the concept of ZMP, FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a fall avoidance method based on the center of gravity velocity, and FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a parabolic motion of the center of gravity using free joint motion. (A) is a trajectory of the center of gravity of the robot, and (b) is a diagram showing a trajectory of the center of gravity of the object.

以下、（１）力積（慣性力）を利用した物体操作方法と、（２）運動量を利用した転倒
回避方法とに分けて説明する。
（１）まず、図６を参照して、力積（慣性力）を利用した物体操作方法について説明する
。
背景技術で説明したように、物体をロボット側に引き寄せながら上げていく力が必要と
なり、反作用によりロボットは、物体側に引っ張られる力と重力方向の力を受けることに
なり、これらの力は、ロボットの重心や脚の位置を考慮すると、明らかにロボットを転倒
するように働き、経路に沿って物体が移動するようにロボットが物体に力を加えると、静
的に物体を保持するより、さらにロボットは倒れやすくなる。 Hereinafter, (1) an object operation method using impulse (inertial force) and (2) a fall avoidance method using momentum will be described separately.
(1) First, an object operation method using impulse (inertial force) will be described with reference to FIG.
As explained in the background art, a force that pulls up an object while pulling it toward the robot side is required, and the reaction causes the robot to receive a force pulled in the object side and a force in the direction of gravity. Considering the center of gravity of the robot and the position of the legs, it clearly works to tip the robot, and if the robot applies force to the object so that the object moves along the path, it will be more than holding the object statically Robots can easily fall over.

そこで、物体が床から離れた状態では、物体を引き寄せる力や物体を上げる力を発生さ
せず、物体が床から離れる前に物体に力積を加えることによって生じる物体の運動を利用
する方法を考える。すなわち、静的に安定な初期状態から直接物体を持ち上げるのではな
く、物体ならびにロボットの足底の位置を固定した状態でロボットが運動し、物体を持ち
上げる前に持ち上げ動作に必要な運動量をロボット自身に蓄積し、その後、この運動量の
一部を物体に瞬間的に与えて生じる物体速度によって物体を持ち上げる方法を考える。そ
の詳細を以下に示す。 Therefore, when the object is away from the floor, a method of using the motion of the object generated by applying impulse to the object before the object leaves the floor without generating the force to pull the object or the force to raise the object is considered. . That is, instead of lifting the object directly from the statically stable initial state, the robot moves with the position of the object and the bottom of the robot fixed, and before the object is lifted, the amount of momentum necessary for the lifting operation is Then, consider a method of lifting the object by the object velocity generated by momentarily giving a part of the momentum to the object. Details are shown below.

まず、物体が床から持ち上がる前に、物体を静止させたままでヒューマノイドが全身運
動を行い持ち上げに必要な運動エネルギー（運動量）を生成する。
具体的には、まず、図６（ａ）に示す初期状態から図６（ｂ）に示すように、物体に掴
まりながら持ち上げ前に行う運動の開始姿勢へ移動する。このとき、ロボット１の重心の
床への射影点が足底から外れる姿勢であっても、物体と床との摩擦が十分に大きく物体が
傾かない場合、射影点が両足底と箱の底面との外側の縁で構成された支持多角形の内部に
ある限り、物体を支えようとすることによって転倒を防ぐことができる。 First, before the object is lifted from the floor, the humanoid makes a whole body motion while generating the kinetic energy (momentum) necessary for lifting while keeping the object stationary.
Specifically, first, as shown in FIG. 6B, the robot moves from the initial state shown in FIG. 6A to the starting posture of the exercise performed before lifting while grasping the object. At this time, even if the projected point of the center of gravity of the robot 1 on the floor deviates from the sole, if the friction between the object and the floor is sufficiently large and the object is not tilted, the projected point is the bottom of the box and the bottom of the box. As long as it is inside a support polygon made up of the outer edges of the object, it can be prevented from falling by trying to support the object.

次に、物体を押しながらロボット１の上体を勢いよく起こすことによって大きな重心移
動が生成され、図６（ｃ）に示すように、ロボットが起き上がっていく途中で腕が伸びた
とき、瞬間的な力により物体に大きな初速度が生じる。このとき、ロボットのいくつかの
関節を自由な動きができるようにすることによって物体の運動を妨げることなく、物体を
床から持ち上げることが可能になる。このようにして、物体を持ち上げた後は、図６（ｄ
）に示すように持ち上げ途中の段階を経て、図６（ｅ）に示すように、終端状態に移行す
る。 Next, a large movement of the center of gravity is generated by pushing the object and raising the upper body of the robot 1 vigorously, and as shown in FIG. 6C, when the arm is extended while the robot is getting up, A large initial velocity is generated in the object due to a strong force. At this time, by allowing some joints of the robot to freely move, the object can be lifted from the floor without obstructing the movement of the object. After lifting the object in this way, FIG.
As shown in FIG. 6 (e), after the stage in the middle of lifting as shown in FIG.

（２）次に、図７〜図９を参照して、運動量（力積）を利用した転倒回避方法について説
明する。
ロボットが床から離れた物体を把持しているときの状態を図７（ａ）のような第１〜第
３リンクからなる３リンクアームのロボットで簡略化する。同図では、第１リンク，第２
リンクがロボット１の脚に相当し、第３リンクがロボット１の脚以外の全リンクと物体で
構成される系に相当する。同図に示すように、系全体の重心の床面への射影点が支持多角
形内（足底）にない場合、ロボットは静的に物体を把持することはできない。 (2) Next, with reference to FIGS. 7-9, the fall avoidance method using momentum (impulse) is demonstrated.
The state when the robot is holding an object away from the floor is simplified by a three-link arm robot composed of first to third links as shown in FIG. In the figure, the first link and the second link
The link corresponds to the leg of the robot 1 and the third link corresponds to a system composed of all links and objects other than the leg of the robot 1. As shown in the figure, if the projection point of the center of gravity of the entire system onto the floor surface is not within the support polygon (the sole), the robot cannot statically grasp the object.

このような場合、ＺＭＰの概念から考えると、図７（ｂ）に示すように第３リンクの重
心（点Ａ）に少なくともＸ軸方向に（矢印Ｘ）加速度を発生させることによって生じる慣
性力−Ｍｘが必要となる。この慣性力−Ｍｘと重力−Ｍｇとの合力が支持多角形の境界以
外の内部を通るならば、ロボットの転倒を回避できるが、その慣性力−Ｍｘを継続して発
生させる必要がある。したがって、重心をＸ方向に加速し続けるために、同図の点線付近
に系の重心が位置する安定な状態へ到達できる保証がない。 In such a case, considering the concept of ZMP, as shown in FIG. 7B, inertial force generated by generating acceleration at the center of gravity (point A) of the third link at least in the X-axis direction (arrow X) − Mx is required. If the resultant force of inertial force -Mx and gravity -Mg passes through the inside other than the boundary of the support polygon, the robot can be prevented from falling, but it is necessary to continuously generate the inertial force -Mx. Therefore, since the center of gravity continues to accelerate in the X direction, there is no guarantee that a stable state in which the center of gravity of the system is located near the dotted line in the figure can be reached.

そこで、ＺＭＰを規範とした転倒回避法では考慮されていない系の速度に着目する。こ
れまで、図７（ａ）の状態では、ロボットが転倒すると述べたが、第３リンクの重心に図
８に示すような十分に大きい速度ｖがあり、かつこの速度ｖによって生じる運動を妨げな
ければ、系は図７（ｂ）の点線で示す安定な状態へ到達することが可能となる。例えば、
同図中の３関節を自由関節のような状態にすれば、重心Ａ点は図７（ａ）の点線で示すよ
うに自由放物線運動をすることができる。なお、足部の重さを考慮すれば、第１リンクが
足部を強く引っ張らない限り足底が床から離れない。また、実際には第１，第２リンクに
も重さがあり、その重量によって重心Ａ点の自由放物線運動が妨げられるので、厳密には
その影響を考慮して重心速度ｖを決める必要がある。しかしながら、多くの場合、第３リ
ンクの重量に比べると、第１，第２リンクの重量は小さく、その影響も小さい。 Therefore, attention is paid to the speed of the system that is not considered in the fall avoidance method based on ZMP. Up to now, in the state of FIG. 7 (a), it has been stated that the robot falls, but the center of gravity of the third link has a sufficiently high speed v as shown in FIG. 8, and the movement caused by this speed v must be prevented. For example, the system can reach a stable state indicated by a dotted line in FIG. For example,
If the three joints in the figure are in a state like a free joint, the center of gravity A can perform a free parabolic motion as shown by the dotted line in FIG. In consideration of the weight of the foot, the sole does not leave the floor unless the first link pulls the foot strongly. In fact, the first and second links are also heavy, and the weights hinder the free parabolic motion of the center of gravity A. Therefore, strictly speaking, it is necessary to determine the center of gravity speed v in consideration of the influence. . However, in many cases, the weight of the first and second links is smaller than the weight of the third link, and its influence is also small.

このように、図８に示すように十分な速度ｖがあれば、前述した図６においても、持ち
上げ前に生成したロボットの運動量により、持ち上げ後も物体のみならず、ロボット自身
にも足首鉛直線上（図６（ｃ）の破線）の安定な位置へ移動する方向の速度が生成される
。
この速度を利用すれば、ロボットの重心運動を妨げないようにロボットの関節、例えば
脚の関節を自由関節の動きになるように制御することによって、図９（ａ）に示すように
転倒を回避しながらロボット１自身の自然な起き上がる運動を保つことができ、安定な状
態へ移動することが可能となる。同時に、物体Ｗの自由な運動を妨げないように腕の関節
を自由関節の動きになるように制御することによって、図９（ｂ）に示すように物体の放
物運動を実現することが可能となる。 Thus, if there is a sufficient velocity v as shown in FIG. 8, not only in the object but also in the robot itself on the vertical line of the ankle in FIG. A speed in the direction of moving to a stable position (broken line in FIG. 6C) is generated.
If this speed is used, the robot's joints, for example, the leg joints, are controlled so that they move freely in order not to interfere with the center of gravity movement of the robot, thereby avoiding a fall as shown in FIG. 9 (a). However, it is possible to maintain the natural rising motion of the robot 1 and to move to a stable state. At the same time, it is possible to realize the parabolic motion of the object as shown in FIG. 9B by controlling the joint of the arm so as to be the motion of the free joint so as not to prevent the free motion of the object W. It becomes.

そして、最後に、前述した図６（ｅ）に示すように、物体やロボットの運動を減速させ
て、全重心の床への射影点が足底の支持多角形内にあるような終端状態にする。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、この実施形態に限定され
ず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、非固定式ロボットの場合について説明したが、これに
限定されず、固定式ロボットの場合にも擬似自由関節を用いることができる。 Finally, as shown in FIG. 6 (e) described above, the movement of the object or robot is decelerated so that the projected point onto the floor with the entire center of gravity is in the support polygon of the sole. To do.
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this embodiment, A various change is possible in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, in the above-described embodiment, the case of a non-fixed robot has been described. However, the present invention is not limited to this, and a pseudo free joint can also be used in the case of a fixed robot.

本発明の実施形態に係る擬似自由関節の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the pseudo free joint which concerns on embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る擬似自由関節の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the pseudo free joint which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る擬似自由関節における隣り合う歯車同士の一方の歯車の歯の形状を変更した場合の状態を示す概略図である。It is the schematic which shows the state at the time of changing the tooth | gear shape of one gear of adjacent gears in the pseudo free joint which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る擬似自由関節における隣り合う歯車同士の一方の歯車の歯にテーパをかけた時の歯の状態を示す概略図である。It is the schematic which shows the state of the tooth | gear when tapering the tooth | gear of one gear of adjacent gears in the pseudo free joint which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る擬似自由関節における隣り合う歯車同士の一方の歯車をスライド式に形成したときの状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a state when one gear of the adjacent gears in the pseudo free joint which concerns on embodiment of this invention is formed in a slide type. 物体を持ち上げる際の非固定式ロボットの動作を段階的に示す図である。（ａ）は持ち上げる前、（ｂ）は持ち上げる準備段階、（ｃ）は持ち上げる直前、（ｄ）は持ち上げる途中、（ｅ）は持ち上げ後の終端状態を示す概略図である。It is a figure which shows operation | movement of the non-fixed-type robot at the time of lifting an object in steps. (A) is before lifting, (b) is a preparatory stage for lifting, (c) is immediately before lifting, (d) is in the middle of lifting, (e) is a schematic diagram showing a terminal state after lifting. ＺＭＰの概念による転倒回避方法を示す概略図である。It is the schematic which shows the fall avoidance method by the concept of ZMP. 重心速度による転倒回避方法を示す概略図である。It is the schematic which shows the fall avoidance method by a gravity center speed. 自由関節運動を利用した重心の放物線運動を示す概略図である。（ａ）はロボット重心の軌道、（ｂ）は物体重心の軌道を示す図である。It is the schematic which shows the parabolic motion of the gravity center using free joint motion. (A) is a trajectory of the center of gravity of the robot, and (b) is a diagram showing a trajectory of the center of gravity of the object. 従来のロボットの関節駆動機構を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the joint drive mechanism of the conventional robot. ロボットの静的安定状態における重心位置を示す概略図である。It is the schematic which shows the gravity center position in the static stable state of a robot. ロボットが物体を持ち上げる際の重心移動を示す概略図である。（ａ）は持ち上げる前、（ｂ）は持ち上げた後の重心位置を示す。It is the schematic which shows the gravity center movement when a robot lifts an object. (A) shows the position of the center of gravity before lifting, (b) shows the position of the center of gravity after lifting. ロボットの静的安定な手先可動領域を示す概略図である。（ａ）は物体が床に接している場合、（ｂ）は物体が床に接していない場合を示す。It is the schematic which shows the static stable hand movable area | region of a robot. (A) shows the case where the object is in contact with the floor, and (b) shows the case where the object is not in contact with the floor. ロボットが物体を持ち上げる際の経路を示す概略図である。It is the schematic which shows the path | route when a robot lifts an object. ロボットが物体を持ち上げる際の転倒回避のための手先の力を示す概略図である。It is the schematic which shows the force of the hand for a fall avoidance when a robot lifts an object. ロボットが物体を持ち上げるのに必要な手先の力の反力を示す概略図である。It is the schematic which shows the reaction force of the hand force required for a robot to lift an object.

符号の説明Explanation of symbols

１…非固定式ロボット、１０…擬似自由関節、２１…第１エンコーダ、２２…第２エンコ
ーダ、２３…第１シャフト、２４…第２シャフト、２５…第３シャフト、２６，３０…第
１歯車、２７，３６…第２歯車、２８，３７…第３歯車、２９，３８…第４歯車、１００
…アクチュエータ、２００…エンコーダ（従来）、３００…歯車（従来）、４１０，４２
０，４３０…シャフト、５００…アーム DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Non-fixed robot, 10 ... Pseudo free joint, 21 ... 1st encoder, 22 ... 2nd encoder, 23 ... 1st shaft, 24 ... 2nd shaft, 25 ... 3rd shaft, 26, 30 ... 1st gearwheel , 27, 36 ... second gear, 28, 37 ... third gear, 29, 38 ... fourth gear, 100
... Actuator, 200 ... Encoder (conventional), 300 ... Gear (conventional), 410, 42
0,430 ... shaft, 500 ... arm

Claims

関節を動かすための力を与えるアクチュエータと、当該関節の動きを当該アクチュエー
タから当該関節以外の部位に伝達し、当該関節以外の部位を動かすために複数のシャフト
に取り付けられた複数の歯車と、当該関節の角度または負荷を検出するために取り付けら
れたエンコーダを備え、前記エンコーダは、前記複数の歯車のうち噛み合う一対の歯車を
装着しているシャフトの各々に取り付けられ、前記一対の歯車の互いの歯が触れないよう
に制御することにより擬似的な自由運動を生成可能とし、物体を持ち上げる際、当該物体
を持ち上げるために蓄積された運動量と前記自由運動により転倒を回避しながら物体を持
ち上げることを特徴とする擬似自由関節を有する非固定式ロボット。 An actuator for applying a force to move the joint, a movement of the joint from the actuator to a portion other than the joint, a plurality of gears attached to a plurality of shafts to move the portion other than the joint, and the An encoder attached to detect a joint angle or load, the encoder attached to each of the shafts mounted with a pair of meshing gears of the plurality of gears, By controlling the teeth so that they do not touch, it is possible to generate a pseudo free movement, and when lifting an object, it is possible to lift the object while avoiding a fall by the momentum accumulated to lift the object and the free movement A non-fixed robot having a pseudo free joint.

前記擬似自由関節は、前記一対の歯車の互いの歯の幅または高さを変更することによっ
て、噛み合う部分のバックラッシュを変動することを特徴とする請求項１に記載の擬似自
由関節を有する非固定式ロボット。 2. The non-pseudo-free joint according to claim 1, wherein the pseudo-free joint varies a backlash of a meshing portion by changing a width or a height of each tooth of the pair of gears. Fixed robot.

前記擬似自由関節は、前記一対の歯車のうち一方の歯車の歯にテーパをかけて連続的に
動作可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の擬似自由関節を有する非固定式ロボッ
ト。 The non-fixed robot having a pseudo free joint according to claim 1, wherein the pseudo free joint is continuously operable by tapering a tooth of one gear of the pair of gears.

前記擬似自由関節は、前記一対の歯車のうち一方の歯車を、当該一方の歯車が装着され
ているシャフトの軸方向に滑走可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記
載の擬似自由関節を有する非固定式ロボット。 2. The pseudo-free joint according to claim 1, wherein one of the pair of gears is attached to be slidable in an axial direction of a shaft on which the one gear is mounted. Non-fixed robot with free joints.

前記一対の歯車は、前記アクチュエータからの力の伝達経路が最も長い位置に配置され
た一対の歯車であることを特徴とする請求項１に記載の擬似自由関節を有する非固定式ロ
ボット。 2. The non-fixed robot having a pseudo free joint according to claim 1, wherein the pair of gears are a pair of gears disposed at a position where the transmission path of the force from the actuator is the longest.

関節を動かすための力を与えるアクチュエータと、当該関節の動きを当該アクチュエー
タから当該関節以外の部位に伝達し、当該関節以外の部位を動かすために複数のシャフト
に取り付けられた複数の歯車と、当該関節の角度または負荷を検出するために取り付けら
れたエンコーダを備え、前記エンコーダは、前記複数の歯車のうち噛み合う一対の歯車を
装着しているシャフトの各々に取り付けられ、前記一対の歯車の互いの歯が触れないよう
に制御することにより擬似的な自由運動を生成可能とし、物体を持ち上げる際、当該物体
を持ち上げるために蓄積された運動量と前記自由運動により転倒を回避しながら物体を持
ち上げることを特徴とする擬似自由関節。 An actuator for applying a force to move the joint, a movement of the joint from the actuator to a portion other than the joint, a plurality of gears attached to a plurality of shafts to move the portion other than the joint, and the An encoder attached to detect a joint angle or load, the encoder attached to each of the shafts mounted with a pair of meshing gears of the plurality of gears, By controlling the teeth so that they do not touch, it is possible to generate a pseudo free movement, and when lifting an object, it is possible to lift the object while avoiding a fall by the momentum accumulated to lift the object and the free movement Characteristic pseudo-free joint.

アクチュエータによって関節を動かすための力を与えるステップと、当該関節以外の部
位を動かすために複数のシャフトに取り付けられた複数の歯車によって当該関節の動きを
当該アクチュエータから当該関節以外の部位に伝達するステップと、エンコーダによって
当該関節の角度または負荷を検出するステップを含み、前記エンコーダは、前記複数の歯
車のうち噛み合う一対の歯車を装着しているシャフトの各々に取り付けられ、前記一対の
歯車の互いの歯が触れないように制御することにより擬似的な自由運動を生成可能とし、
物体を持ち上げる際、当該物体を持ち上げるために蓄積された運動量と前記自由運動によ
り転倒を回避しながら物体を持ち上げることを特徴とする擬似自由関節を有する非固定式
ロボット制御方法。 A step of applying a force to move the joint by the actuator, and a step of transmitting the movement of the joint from the actuator to a part other than the joint by a plurality of gears attached to the plurality of shafts to move the part other than the joint. Detecting an angle or a load of the joint by an encoder, the encoder being attached to each of the shafts mounted with a pair of meshing gears among the plurality of gears, By controlling so that teeth do not touch, it is possible to generate pseudo free movement,
A non-fixed robot control method having a pseudo free joint, wherein when lifting an object, the object is lifted while avoiding a fall by the momentum accumulated to lift the object and the free motion.