JP3569768B2

JP3569768B2 - Biped walking device

Info

Publication number: JP3569768B2
Application number: JP2002257286A
Authority: JP
Inventors: 貴之古田; 哲雄田原; 悠奥村; 宏明北野
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-09-03
Filing date: 2002-09-03
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2022-09-03
Also published as: JP2004090194A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二脚歩行式移動装置に関し、特に不整地歩行においても容易に歩行安定化を実現するようにした二脚歩行式移動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、所謂二脚歩行式ロボットは、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動作させることにより二脚歩行を実現するようにしている。
ところで、このような二脚歩行式ロボットは、例えば路面状況，ロボット自体の物理パラメータの誤差等によって、歩行の際の姿勢が不安定になりやすく、場合によっては転倒してしまう。
【０００３】
ここで、従来の二脚歩行式ロボットの脚部は、その下端に地面に接地すべき足部を備えており、このような足部は、例えば図６及び図７に示すように構成されている。図６において、二脚歩行式ロボットの足部１は、その下面が平坦に形成されていると共に、脚部２に対して、二軸方向に揺動可能に取り付けられており、二軸方向にそれぞれ駆動手段３，４により駆動されるようになっている。このような構成の足部１によれば、歩行における遊脚の着地の際に、足部１が二軸方向に適宜に揺動されることによって、平坦な地面に対して確実に接地するようになっている。
【０００４】
また、図７においては、二脚歩行式ロボットの足部５は、同様にその下面が平坦に形成されていると共に、脚部６に対して三軸方向に揺動可能に取り付けられており、三軸方向にそれぞれ駆動手段７，８，９により駆動されるようになっている。このような構成の足部５によれば、歩行における遊脚の着地の際に、足部５が三軸方向に適宜に揺動されることによって、平坦な地面に対してより一層確実に接地することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成の足部１，５においては、二脚歩行式ロボットの歩行制御は、整地された平坦な路面を歩行することが前提になっており、複雑な凹凸がある不安定な路面状況においては、足裏全体が路面に着地しなくなることがある。このような不整地歩行の場合、足裏における床反力を正確に検出することができず、歩行制御が困難になると共に、足部１，５が安定して着地できなくなることから、機構的にもロボットの安定性を確保することができず、ロボットの二脚歩行が困難になってしまう。
【０００６】
この発明は、上記の点にかんがみて、簡単な構造により、複雑な凹凸がある不安定な路面状況においても足部が確実に着地できるようにした、二脚歩行式移動装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、この発明の構成によれば、本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部を有する二本の脚部と、各脚部の下端に取り付けられた足部と、各脚部，膝部及び足部を揺動させる駆動手段と、を備えた二脚歩行式移動装置において、上記足部が、対応する脚部下端に対して固定的に取り付けられるベース部と、ベース部に固定配置された踵部と、ベース部から実質的に前方に向かって並んで延び、且つベース部に対して上下方向に揺動可能に支持された一対の足先部と、から構成され、上記踵部および上記一対の足先部に三軸力センサがそれぞれ配置されており、さらに、要求動作に対応して、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歩容生成部と、上記三軸力センサの検出信号に基づいて上記歩容生成部からの歩容データを修正し、上記駆動手段を駆動制御する歩行制御装置とを備え、上記足部が上記踵部と上記一対の足先部とで三点支持されて不整地に着地し、かつ、上記歩容生成部で生成された歩容データを、不整地に着地している上記三軸力センサの検出信号に基づいて修正して、要求動作に対する歩行動作を行なえ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。
【０００８】
本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、上記本体が人型ロボットの上体であって、頭部及び両手部を備えている。
【０００９】
本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、上記駆動手段が各足先部をそれぞれ揺動させる。
【００１０】
本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、上記駆動手段が各足先部を同方向に等角度運動させることにより、各足先部を互いに一体的に揺動させる。
【００１１】
本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、上記駆動手段が、各足先部を異なる方向または異なる角速度で運動させることにより、各足先部を互いに別個に揺動させる。
【００１２】
本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、各三軸力センサが足裏から下方に突出している。
【００１６】
上記の構成によれば、足部が、後端付近の踵部と、前端付近の二つの並んだ足先部により、三点支持されることになるので、複雑な凹凸を備えた路面等に足部が着地しているときでも、足部が、上記踵部及び二つの足先部により確実に接地することになる。従って、不安定な路面であっても、足部が路面等に確実に着地することができるので、二脚歩行式移動装置が機構的に安定して歩行することが可能となる。これにより、二脚歩行式移動装置の各足部の足裏が、複雑な凹凸を備えた不安定な路面状況であっても確実に着地することによって、二脚歩行式移動装置の安定性を確保することができ、確実に歩行制御を行なうことが可能である。また、三軸力センサが踵部および一対の足先部にそれぞれ配置されており、確実に着地した各三軸力センサの検出信号に基づいて歩容データを修正する。従って、二脚歩行式移動装置が、要求動作に対する歩容動作を確実に行なうことが可能となる。
【００１７】
上記駆動手段が、各足先部をそれぞれ揺動させる場合には、二つの足先部がそれぞれの駆動手段により揺動され、それぞれの所望の高さ位置に持ち来たされるので、固定された踵部に対して、各足先部がそれぞれ任意の高さに設定されることにより、複雑な凹凸を備えた不安定な路面状況であっても、足部が確実に着地することができる。
【００１８】
上記駆動手段が、各足先部を同方向に等角度運動させることにより、各足先部を互いに一体的に揺動させる場合には、少なくとも横方向に関して水平な路面においても、各足先部が同様に揺動されて足先全体が一体に揺動され、足部全体が確実に着地することができる。
【００１９】
上記駆動手段が、各足先部を異なる方向または異なる角速度で運動させることにより、各足先部を互いに別個に揺動させる場合には、少なくとも横方向に関して凹凸を備えた路面においても、各足先部がそれぞれ独立的に路面に対応して揺動されて、各足先部がそれぞれ路面に接地することになり、足部全体が確実に着地することができる。
【００２０】
【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、この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１２Ｌ，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１４Ｌ，１４Ｒと、を含んでいる。
【００２１】
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（ｚ軸周り）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１２Ｌ，１２Ｒのピッチ方向の関節部１８Ｌ，１８Ｒを備えている。なお、各関節部１５Ｌ，１５Ｒ乃至１８Ｌ，１８Ｒは、それぞれ関節駆動用モータにより構成されている。
【００２２】
また、上記足部１４Ｌ，１４Ｒは互いに左右対称に構成されており、以下に右の足部１４Ｌについて、図２により詳細に説明する。図２に示すように、左脚に対応する左の足部１４Ｌは、対応する脚部１３Ｌの下端に対して固定的に取り付けられるベース部１４ａと、ベース部１４ａの後端付近に固定配置された踵部１４ｂと、ベース部１４ａから実質的に前方に向かって並んで延び且つベース部に対して上下方向に揺動可能に支持された一対の足先部１４ｃ，１４ｄと、から構成されている。ベース部１４ａは、下腿リンク２２Ｌ，２２Ｒの下端で左右に水平方向に固定配置したリンクで構成され、このベース部１４ａの左右両端からそれぞれ一対のリンクが分岐されてその下端に、二つづつの関節駆動用モータ１９Ｌ，１９Ｒ及び２０Ｌ，２０Ｒを介してそれぞれ左右の一対の足先部１４ｃ，１４ｄ、１４ｃ，１４ｄが連結されて構成されている。
【００２３】
ここで、上記踵部１４ｂは、ベース部１４ａの横方向中央付近から後方に向かって斜め下方に延びたリンクで構成されている。
また、上記足先部１４ｃ，１４ｄは、それぞれベース部１４ａの横方向両側付近から前方に向かって延びており、先端が上下方向に揺動するように、ベース部１４ａに対してそれぞれ関節部１９Ｌ，２０Ｌを介して連結されている。
【００２４】
この関節部１９Ｌ，２０Ｌは、前述した他の関節部と同様にして、それぞれ関節駆動用モータにより構成されている。そして、足部１４Ｌの二つの関節部１９Ｌ，２０Ｌは、それぞれ互いに独立して駆動制御されるようになっている。
【００２５】
これに対して、右脚に対応する右の足部１４Ｒも、同様にして、ベース部１４ａ，踵部１４ｂそして二つの足先部１４ｃ，１４ｄを備えており、各足先部１４ｃ，１４ｄは、それぞれ関節部１９Ｌ，２０Ｌを介してベース部１４ａに対して上下方向に揺動可能に連結されている。
【００２６】
このようにして、腰関節は、上記関節部１５Ｌ，１５Ｒ，１６Ｌ，１６Ｒ，１７Ｌ，１７Ｒから構成され、また足関節は、関節部１９Ｌ，１９Ｒ，２０Ｌ，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。
【００２７】
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に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。
【００２８】
さらに、上記足部１４Ｌ，１４Ｒは、足裏（下面）に、力検出部２３Ｌ，２３Ｒを備えている。この力検出部２３Ｌ，２３Ｒは、後述するようにそれぞれ各足部１４Ｌ，１４Ｒにおける力、特に水平床反力Ｆを検出するようになっている。
【００２９】
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。
【００３０】
図４は、図１に示した二脚歩行式ロボット１０の電気的構成を示している。図４において、二脚歩行式ロボット１０は、要求動作に対応して歩容データを生成する歩容生成部２４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としての関節駆動用モータ１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒを駆動制御する歩行制御装置３０と、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。
【００３１】
上記歩容生成部２４は、外部から入力される要求動作に対応して、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。
【００３２】
上記歩行制御装置３０は、角度計測ユニット３１と、補償部３２と、制御部３３と、モータ制御ユニット３４と、から構成されている。上記角度計測ユニット３１は、各関節部１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒの関節駆動用モータに備えられた、例えばロータリエンコーダ等から各関節駆動用モータの角度情報が入力されることにより、各関節駆動用モータの角度位置、即ち角度及び角速度に関する状態ベクトルφを計測して、補償部３２に出力するようになっている。
【００３３】
上記補償部３２は、力検出部２３Ｌ，２３Ｒからの検出出力に基づいて、水平床反力Ｆを演算して、この水平床反力Ｆ及び角度計測ユニット３１からの状態ベクトルφに基づいて、歩容生成部２４からの歩容データを修正し、ベクトルθｉ（ｉ＝１からｎ、ただし、ｎはロボット１０の歩行に関する自由度）を制御部３３へ出力するようになっている。
【００３４】
上記制御部３３は、補償部３２で修正された歩容データであるベクトルθｉから、ロボットの各関節部における角度ベクトルθ０を減算して、ベクトル（θｉ−θ０）に基づいて、各関節駆動用モータの制御信号、即ちトルクベクトルτを生成するようになっている。上記モータ制御ユニット３４は、制御部３３からの制御信号（トルクベクトルτ）に従って各関節駆動用モータを駆動制御するようになっている。
【００３５】
また、上記力検出部２３Ｌ，２３Ｒは左右対称の構成であるから、力検出部２３Ｌについて、図２を参照して説明する。
図２において、力検出部２３Ｌは、足部１４Ｌの踵部１４ｂと二つの足先部１４ｃ，１４ｄの先端の下面にそれぞれ配置された三個の三軸力センサ３５ａ，３５ｂ，３５ｃから構成されている。
【００３６】
各三軸力センサ３５ａ，３５ｂ，３５ｃは互いに同じ構成であり、図２（Ｂ）に示すように、足裏から下方へ突出するように構成されている。ここで、各三軸力センサ３５ａ乃至３５ｃは、個々の検出出力のバラツキがあると共に、周囲の温度，経年変化等によって検出出力が変動する。従って、各三軸力センサ３５ａ乃至３５ｃの検出出力は、自動キャリブレーションにより、補償部３２内にて自動的に較正されるようになっている。
【００３７】
これにより、例えば足部１４Ｌは、各三軸力センサ３５ａ乃至３５ｃからの検出出力に基づいて二つの関節部１９Ｌ，２０Ｌが駆動制御されることによって、例えば二つの関節部１９Ｌ，２０Ｌが同方向に等角度運動して、図３（Ａ）に示すように、爪先を持ち上げるように、あるいは図３（Ｂ）に示すように、爪先を下方に伸ばすように駆動制御されると共に、二つの関節部１９Ｌ，２０Ｌが異なる方向に等角度運動し、または異なる角速度で運動することにより、図３（Ｃ）に示すように爪先を左右に傾斜させるように駆動制御され、これにより、複雑な凹凸を有する路面においても、確実に着地することができる。同様にして、足部１４Ｒも、二つの関節部１９Ｒ，２０Ｒの駆動制御によって、複雑な凹凸を有する路面においても確実に着地することができる。
【００３８】
本発明にかかる実施の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、歩行動作は、図５に示すフローチャートにより以下のように行なわれる。
図５において、先ずステップＳＴ１にて、歩容生成部２４が、入力された要求動作（Ｊ＝Ｊ）に基づいて歩容データを生成し、歩行制御装置３０の補償部３２に出力する。そして、ステップＳＴ２にて、双方の足部１４Ｌ，１４Ｒに備えられた力検出部２３Ｌ，２３Ｒがそれぞれ力を検出して、補償部３２に出力する。また、ステップＳＴ３にて、角度計測ユニット３１が、各関節部１６Ｌ，１６Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒの状態ベクトルφを計測して、補償部３２へ出力する。
【００３９】
これにより、ステップＳＴ４にて、補償部３２が、力検出部２３Ｌ，２３Ｒからの検出出力に基づいて水平床反力Ｆを演算する。そして、ステップＳＴ５において、補償部３２が、この水平床反力Ｆ及び角度計測ユニット３１からの各関節部１６Ｌ，１６Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒの状態ベクトルφに基づいて歩容データを修正し、ベクトルθｉを制御部３３に出力する。
【００４０】
次に、ステップＳＴ６にて、制御部３３は、ベクトルθｉからロボットの各関節部における角度ベクトルθ０を減算して、ベクトル（θｉ−θ０）に基づいて各関節駆動用モータの制御信号、即ちトルクベクトルτを生成し、モータ制御ユニット３４に出力する。そして、ステップＳＴ７にて、モータ制御ユニット３４が、このトルクベクトルτに基づいて各関節部の関節駆動用モータを駆動制御する。これにより、二脚歩行式ロボット１０は、要求動作に対応して歩行動作を行なうことになる。
【００４１】
その後、ステップＳＴ８にて、制御部３３が、動作カウンタインクリメントによりＪ＝Ｊ＋１として、所定のサンプリング時間になるまで待機した後、ステップＳＴ９にて、上記Ｊが前以て決められた動作終了カウント以下の場合には、再びステップ２に戻って、上記動作を繰り返す。そして、ステップＳＴ９にて、上記Ｊが動作終了カウントを超えた場合には、動作を終了する。
【００４２】
この場合、二脚歩行式ロボット１０において、各関節駆動用モータの駆動制御の際に、歩容データが、補償部３２にて、各足部１４Ｌ，１４Ｒの足裏に設けられた力検出部２３Ｌ，２３Ｒの各三軸力センサ３５ａ，３５ｂ，３５ｃからの検出信号による水平床反力Ｆに基づいて修正され、ベクトルθｉが生成されることにより、この水平床反力Ｆを規範として、ロボット１０の安定性を得るようになっている。
【００４３】
その際、足部１４Ｌ，１４Ｒが、各三軸駆動センサ３５ａ乃至３５ｃの検出出力に基づいて関節部１９Ｌ，１９Ｒ，２０Ｌ，２０Ｒがそれぞれ図４に示すように適宜に駆動制御されることにより、踵部１４ｂと二つの足先部１４ｃ，１４ｄの三点により着地することになる。従って、例えば複雑な凹凸を備えた不安定な路面に着地したとしても、常に足部１４Ｌ，１４Ｒは、三点支持により安定した状態で接地することになる。
そして、踵部１４ｂ及び二つの足先部１４ｃ，１４ｄの下面に設けられた力検出部２３Ｌ，２３Ｒの各三軸力センサ３５ａ，３５ｂ，３５ｃが確実に着地して水平床反力Ｆを検出することができるので、要求動作に対する歩行動作を確実に行なうことが可能となる。
【００４４】
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、各足部１４Ｌ，１４Ｒが固定された踵部１４ｂと、二つ並んだ揺動可能な足先部１４ｃ，１４ｄから構成されているので、二つの足先部１４ｃ，１４ｄが適宜に揺動されることによって、複雑な凹凸を備えた路面に対しても確実に着地することになる。
従って、踵部１４ｂ及び二つの足先部１４ｃ，１４ｄの下面に備えられた各三軸力センサからの検出信号から演算される水平床反力Ｆに基づいて、歩容データを修正することにより、足裏の床面との摩擦力により生ずる水平床反力Ｆを規範として歩行制御を行なうことができ、複雑な凹凸を備えた不安定な路面状況においても、ロボット１０の歩行安定化を実現することができる。
【００４５】
上述した実施形態においては、本発明を二脚歩行式ロボットに適用した場合について説明したが、これに限らず、他の各種機器を二本足で支持する共に、この二本足で歩行するようにした、二脚歩行式移動装置に対して本発明を適用し得ることは明らかである。
【００４６】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、足部が、後端付近の踵部と、前端付近の二つの並んだ足先部により三点支持されることになるので、複雑な凹凸を備えた路面等に足部が着地しているときでも、足部が、上記踵部及び二つの足先部によって確実に接地することになる。従って、不安定な路面であっても、足部が路面等に確実に着地することができるので、二脚歩行式移動装置が機構的に安定して歩行することが可能となる。これにより、二脚歩行式移動装置の各足部の足裏が、複雑な凹凸を備えた不安定な路面状況であっても、確実に着地することによって、二脚歩行式移動装置の安定性を確保することができ、確実に歩行制御を行なうことが可能である。
このようにして、本発明によれば、簡単な構成により、複雑な凹凸がある不安定な路面状況においても、足部が確実に着地できるようにした、極めて優れた二脚歩行式移動装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この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。
【図２】図１の二脚歩行式ロボットにおける足部の構造を示し、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）は概略側面図である。
【図３】図１の二脚歩行式ロボットにおける足部の各種動作を示す概略斜視図である。
【図４】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。
【図５】図１の二脚歩行式ロボットの歩行制御動作を示すフローチャートである。
【図６】従来の二脚歩行式ロボットの足部の一例の構成を示す概略斜視図である。
【図７】従来の二脚歩行式ロボットの足部の他の例の構成を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
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
１４ａベース部
１４ｂ踵部
１４ｃ，１４ｄ足先部
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力検出部
２４歩容生成部
３０歩行制御装置
３１角度計測ユニット
３２補償部
３３制御部
３４モータ制御ユニット
３５ａ乃至３５ｃ三軸力センサ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a biped walking mobile apparatus, and a biped walking mobile apparatus that also realizes easily walk stabilized in particular rough terrain walking.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a so-called bipedal walking robot generates walking pattern (hereinafter referred to as gait) data set in advance, performs gait control according to the gait data, and operates a leg in a predetermined walking pattern. In this way, biped walking is realized.
By the way, such a bipedal walking robot tends to be unstable in a walking posture due to, for example, a road surface condition, an error in a physical parameter of the robot itself, or the like, and in some cases falls.
[0003]
Here, the leg portion of the conventional bipedal walking robot has a foot portion to be grounded on the ground at its lower end, and such a foot portion is configured as shown in FIGS. 6 and 7, for example. I have. In FIG. 6, the foot 1 of the biped walking robot has a flat lower surface, and is attached to the leg 2 so as to be swingable in two axial directions. They are driven by driving means 3 and 4, respectively. According to the foot 1 having such a configuration, when the free leg lands during walking, the foot 1 is appropriately swung in two axial directions so that the foot 1 reliably touches the flat ground. It has become.
[0004]
In FIG. 7, the foot 5 of the bipedal walking robot has a lower surface similarly formed, and is attached to the leg 6 so as to be swingable in three axial directions. It is driven by driving means 7, 8, 9 in three axial directions, respectively. According to the foot portion 5 having such a configuration, when the free leg lands during walking, the foot portion 5 is appropriately swung in the three-axis direction, so that the foot portion 5 is even more reliably contacted with the flat ground. can do.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the feet 1 and 5 having such a configuration, the walking control of the biped walking robot is based on the premise that the robot walks on a leveled flat road surface, and is unstable with complicated unevenness. Under road conditions, the entire sole may not land on the road. In the case of such irregular terrain walking, the floor reaction force at the sole cannot be detected accurately, and walking control becomes difficult, and the feet 1 and 5 cannot stably land. However, the stability of the robot cannot be ensured, which makes it difficult for the robot to walk on two legs.
[0006]
The present invention has been made in view of the above points, and provides a bipedal locomotion device capable of reliably landing on a foot even on an unstable road surface having complicated irregularities by a simple structure. The purpose is.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to the configuration of the present invention, the above object has a main body, two legs having knees in the middle, which are attached to the lower sides of the main body so as to be capable of swinging in two axial directions, and a lower end of each leg. And a driving means for swinging each leg, knee and foot, wherein the foot is fixed to a corresponding leg lower end. A base, a heel fixedly disposed on the base, and a pair extending substantially from the base toward the front and swingably supported vertically with respect to the base. A three-axis force sensor is disposed on each of the heel portion and the pair of toe portions, and further, a target angle trajectory, a target angular velocity, a target angle A gait generator for generating gait data including acceleration; A walking control device that corrects gait data from the gait generator based on the outgoing signal and controls the driving of the driving means, wherein the foot is connected to the heel and the pair of toes by the heel. The gait data generated by the gait generator is corrected based on the detection signal of the three-axis force sensor landing on the irregular terrain, and the requested operation is performed. This is achieved by a bipedal locomotion type mobile device characterized in that the user can perform a walking motion with respect to.
[0008]
In the bipedal walking type moving device according to the present invention, preferably, the main body is an upper body of a humanoid robot, and includes a head and both hands.
[0009]
In the two-legged walking device according to the present invention, preferably, the driving means swings each toe.
[0010]
In the two-legged walking type moving device according to the present invention, preferably, the driving means causes the toes to swing integrally with each other by causing the toes to move at the same angle in the same direction.
[0011]
In the biped walking type moving device according to the present invention, preferably, the driving means causes the toes to swing independently of each other by moving the toes in different directions or at different angular velocities.
[0012]
In the two-legged walking device according to the present invention, preferably, each of the three-axis force sensors protrudes downward from the sole.
[0016]
According to the above configuration , the foot portion is supported at three points by the heel portion near the rear end and the two aligned toe portions near the front end, so that the road surface or the like having complicated unevenness can be supported. Even when the foot lands, the foot is reliably grounded by the heel and the two toes. Therefore, even on an unstable road surface, the foot can reliably land on the road surface or the like, and the two-legged walking device can mechanically stably walk. As a result, the sole of each foot of the bipedal locomotion device can reliably land even on an unstable road surface having complicated unevenness, thereby improving the stability of the bipedal locomotion device. Therefore, walking control can be performed reliably. In addition, three-axis force sensors are arranged on the heel and the pair of toes, respectively, and correct gait data based on detection signals from the three-axis force sensors that have landed reliably. Therefore, the two-legged walking device can reliably perform the gait operation for the requested operation.
[0017]
When the driving means swings each of the toes, the two toes are swung by the respective driving means and brought to their respective desired height positions, so that they are fixed. By setting each toe to an arbitrary height with respect to the heel, the foot can reliably land even on an unstable road surface having complicated unevenness. .
[0018]
In the case where the driving means swings the toes integrally with each other by causing the toes to move at the same angle in the same direction, at least even on a road surface horizontal in the lateral direction, Is similarly swung so that the entire toe swings integrally, and the entire foot can be reliably landed.
[0019]
In the case where the driving means swings the toes separately from each other by moving the toes in different directions or at different angular velocities, each of the toes may be moved even on a road surface having irregularities at least in the lateral direction. The foreparts are independently swung corresponding to the road surface, so that the forefoot parts respectively come into contact with the road surface, so that the entire foot part can reliably land.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.
1 and 2 show the configuration of an embodiment of a bipedal walking robot to which the bipedal walking type moving device according to the present invention is applied. In FIG. 1, a bipedal walking robot 10 includes an upper body 11 as a main body, and two legs 13L and 13R provided with knees 12L and 12R in the middle attached to lower sides of the upper body 11, respectively. And legs 14L, 14R attached to the lower ends of the legs 13L, 13R.
[0021]
Here, the legs 13L and 13R are respectively six joints, that is, joints 15L and 15R for turning the waist legs around the upper body 11 (around the z-axis) in order from the top, and the waist roll direction ( It has joints 16L and 16R around the x axis, joints 17L and 17R in the waist pitch direction (around the y axis), and joints 18L and 18R in the pitch directions of the knees 12L and 12R. Each of the joints 15L, 15R to 18L, 18R is constituted by a joint driving motor.
[0022]
The feet 14L and 14R are symmetrical to each other, and the right foot 14L will be described in detail below with reference to FIG. As shown in FIG. 2, the left foot 14L corresponding to the left leg is fixedly arranged near the rear end of the base 14a fixedly attached to the lower end of the corresponding leg 13L. Heel portion 14b, and a pair of toe portions 14c and 14d extending substantially side by side from the base portion 14a and supported to be vertically swingable with respect to the base portion. I have. The base portion 14a is composed of links fixed horizontally in the left and right directions at the lower ends of the lower leg links 22L and 22R. A pair of links are branched from the left and right ends of the base portion 14a, and two joints are formed at the lower end. A pair of left and right toe portions 14c, 14d, 14c, 14d are connected to each other via drive motors 19L, 19R and 20L, 20R.
[0023]
Here, the heel portion 14b is formed by a link extending obliquely downward from the vicinity of the center in the lateral direction of the base portion 14a toward the rear.
The forefoot portions 14c and 14d extend forward from near both sides in the lateral direction of the base portion 14a, and each of the joint portions 19L with respect to the base portion 14a so that the distal end swings up and down. , 20L.
[0024]
Each of the joints 19L and 20L is formed of a joint drive motor, similarly to the other joints described above. The two joints 19L and 20L of the foot 14L are driven and controlled independently of each other.
[0025]
On the other hand, the right foot 14R corresponding to the right leg similarly has a base 14a, a heel 14b, and two toes 14c and 14d, and each of the toes 14c and 14d is Are connected to the base portion 14a via joints 19L and 20L so as to be vertically swingable.
[0026]
Thus, the waist joint is composed of the joints 15L, 15R, 16L, 16R, 17L, 17R, and the ankle joint is composed of the joints 19L, 19R, 20L, 20R.
Further, the waist joint and the knee joint are connected by thigh links 21L and 21R, and the knee joint and the ankle joint are connected by crus links 22L and 22R.
[0027]
As a result, the left and right legs 13L, 13R and the legs 14L, 14R of the bipedal walking robot 10 are each given six degrees of freedom, and each of these twelve joints is driven during walking. By controlling the drive to an appropriate angle by a motor, a desired operation is given to the whole of the legs 13L, 13R and the legs 14L, 14R so that the user can arbitrarily walk in the three-dimensional space.
[0028]
Further, the feet 14L, 14R include force detecting sections 23L, 23R on the soles (lower surfaces). The force detectors 23L and 23R detect a force at each of the feet 14L and 14R, particularly a horizontal floor reaction force F, as described later.
[0029]
Although the upper body 11 is simply shown in a box shape in the drawing, it may actually have a head or both hands.
[0030]
FIG. 4 shows an electrical configuration of the bipedal walking robot 10 shown in FIG. In FIG. 4, the bipedal walking robot 10 includes a gait generator 24 that generates gait data corresponding to a required motion, and a driving unit, that is, a joint as described above, based on the gait data. And a walking control device 30 that drives and controls the joint driving motors 15L, 15R to 20L, 20R. As the coordinate system of the bipedal walking robot 10, an xyz coordinate system is used in which the front-rear direction is the x direction (forward +), the lateral direction is the y direction (inward +), and the up-down direction is the z direction (upward +). I do.
[0031]
The gait generation unit 24 responds to a request operation input from the outside, and sets a target angular trajectory, a target angular velocity, and a target angle of each of the joints 15L, 15R to 20L, 20R necessary for walking of the bipedal walking robot 10. Gait data including angular acceleration is generated.
[0032]
The walking control device 30 includes an angle measurement unit 31, a compensation unit 32, a control unit 33, and a motor control unit 34. The angle measuring unit 31 is configured to drive each joint by inputting angle information of each joint driving motor from, for example, a rotary encoder provided in the joint driving motor of each of the joints 15L, 15R to 20L, 20R. The state vector φ related to the angular position of the motor for use, that is, the angle and the angular velocity, is measured and output to the compensation unit 32.
[0033]
The compensator 32 calculates the horizontal floor reaction force F based on the detection outputs from the force detectors 23L and 23R, and calculates the horizontal floor reaction force F and the state vector φ from the angle measurement unit 31. The gait data from the gait generator 24 is corrected, and the vector θi (i = 1 to n, where n is the degree of freedom related to the walking of the robot 10) is output to the controller 33.
[0034]
The control unit 33 subtracts the angle vector θ0 at each joint of the robot from the vector θi, which is the gait data corrected by the compensation unit 32, and calculates each joint drive based on the vector (θi−θ0). A motor control signal, that is, a torque vector τ is generated. The motor control unit 34 drives and controls each joint driving motor according to a control signal (torque vector τ) from the control unit 33.
[0035]
Further, since the force detectors 23L and 23R have a symmetric configuration, the force detector 23L will be described with reference to FIG.
In FIG. 2, the force detection unit 23L includes a heel portion 14b of the foot portion 14L and three triaxial force sensors 35a, 35b, and 35c disposed on the lower surfaces of the tips of the two toe portions 14c and 14d, respectively. ing.
[0036]
Each of the three-axis force sensors 35a, 35b, and 35c has the same configuration, and is configured to protrude downward from the sole as shown in FIG. 2B. Here, each of the three-axis force sensors 35a to 35c has a variation in individual detection output, and the detection output fluctuates due to ambient temperature, aging, and the like. Therefore, the detection outputs of the three-axis force sensors 35a to 35c are automatically calibrated in the compensator 32 by automatic calibration.
[0037]
Thus, for example, the two joints 19L and 20L of the foot 14L are driven and controlled based on the detection outputs from the three-axis force sensors 35a to 35c, so that the two joints 19L and 20L are in the same direction. 3A, drive control is performed so as to lift the toe as shown in FIG. 3A, or to extend the toe downward as shown in FIG. When the portions 19L and 20L move at equal angles in different directions or at different angular velocities, drive control is performed so as to tilt the toe to the left and right as shown in FIG. 3 (C). Even on a road surface having the vehicle, it is possible to reliably land. Similarly, the foot 14R can be reliably landed on a road surface having complicated unevenness by controlling the drive of the two joints 19R and 20R.
[0038]
The bipedal walking robot 10 according to the embodiment of the present invention is configured as described above, and the walking operation is performed as follows according to the flowchart shown in FIG.
5, first, in step ST1, the gait generator 24 generates gait data based on the input required operation (J = J) and outputs the gait data to the compensator 32 of the walking control device 30. Then, in step ST2, force detection units 23L and 23R provided on both feet 14L and 14R respectively detect the force, and output the detected force to compensation unit 32. In step ST3, the angle measurement unit 31 measures the state vector φ of each of the joints 16L and 16R to 20L and 20R, and outputs the state vector to the compensation unit 32.
[0039]
Thereby, in step ST4, the compensator 32 calculates the horizontal floor reaction force F based on the detection outputs from the force detectors 23L and 23R. Then, in step ST5, the compensator 32 corrects the gait data based on the horizontal floor reaction force F and the state vector φ of each of the joints 16L, 16R to 20L, 20R from the angle measurement unit 31, and the vector θi Is output to the control unit 33.
[0040]
Next, in step ST6, the control unit 33 subtracts the angle vector θ0 at each joint of the robot from the vector θi, and based on the vector (θi−θ0), the control signal of the motor for driving each joint, that is, the torque. A vector τ is generated and output to the motor control unit 34. Then, in step ST7, the motor control unit 34 controls the drive of the joint driving motor of each joint based on the torque vector τ. As a result, the bipedal walking robot 10 performs a walking operation in response to the requested operation.
[0041]
Then, in step ST8, the control unit 33 sets J = J + 1 by the operation counter increment and waits until a predetermined sampling time is reached. In step ST9, J is equal to or less than the predetermined operation end count. In this case, the process returns to step 2 again, and the above operation is repeated. Then, in step ST9, if the above J exceeds the operation end count, the operation is ended.
[0042]
In this case, in the bipedal walking robot 10, at the time of driving control of each joint driving motor, the gait data is converted by the compensating unit 32 into the force detecting units provided on the soles of the legs 14 </ b> L and 14 </ b> R. The robot is corrected based on the horizontal floor reaction force F based on the detection signals from the three-axis force sensors 35a, 35b, and 35c of the 23L and 23R, and generates a vector θi. 10 stability is obtained.
[0043]
At this time, the joints 19L, 19R, 20L, and 20R are appropriately driven and controlled based on the detection outputs of the three-axis drive sensors 35a to 35c, respectively, as shown in FIG. The landing is made at three points of the heel portion 14b and the two toe portions 14c and 14d. Therefore, for example, even if the vehicle lands on an unstable road surface having complicated irregularities, the feet 14L and 14R are always grounded in a stable state by three-point support.
Then, the triaxial force sensors 35a, 35b, 35c of the force detectors 23L, 23R provided on the lower surface of the heel portion 14b and the two toe portions 14c, 14d reliably land and detect the horizontal floor reaction force F. Therefore, it is possible to reliably perform the walking operation for the requested operation.
[0044]
In this manner, according to the bipedal walking robot 10 according to the embodiment of the present invention, the heel portion 14b to which the legs 14L and 14R are fixed, and the two swingable toe portions 14c and 14d arranged side by side. With this configuration, the two toe portions 14c and 14d are appropriately swung, so that they can reliably land on a road surface having complicated unevenness.
Therefore, by correcting the gait data based on the horizontal floor reaction force F calculated from the detection signals from the triaxial force sensors provided on the lower surfaces of the heel portion 14b and the two toe portions 14c and 14d. The walking control can be performed by using the horizontal floor reaction force F generated by the frictional force with the floor of the sole as a reference, and the walking of the robot 10 can be stabilized even on an unstable road surface having complicated unevenness. can do.
[0045]
In the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to the bipedal walking robot has been described. However, the present invention is not limited to this, and it is possible to support other various devices with two legs and walk with these two legs. It is clear that the present invention can be applied to a bipedal walking type moving device.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the foot is supported at three points by the heel near the rear end and the two aligned toes near the front end. Even when the foot lands on a rough road surface, the foot is reliably grounded by the heel and the two toes. Therefore, even on an unstable road surface, the foot can reliably land on the road surface or the like, and the two-legged walking device can mechanically stably walk. As a result, even if the sole of each foot of the bipedal locomotion device has an unstable road surface with complicated irregularities, it can be reliably landed, and the stability of the bipedal locomotion device can be improved. Can be secured, and walking control can be reliably performed.
As described above, according to the present invention, an extremely excellent bipedal locomotion device which has a simple configuration and allows a foot to reliably land even on an unstable road surface having complicated unevenness is provided. Provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a mechanical configuration of an embodiment of a bipedal walking robot according to the present invention.
2A and 2B show a structure of a foot in the bipedal walking robot of FIG. 1, wherein FIG. 2A is a schematic perspective view and FIG. 2B is a schematic side view.
FIG. 3 is a schematic perspective view showing various operations of a foot in the biped walking robot of FIG. 1;
FIG. 4 is a block diagram showing an electrical configuration of the bipedal walking robot of FIG. 1;
FIG. 5 is a flowchart showing a walking control operation of the biped walking robot of FIG. 1;
FIG. 6 is a schematic perspective view showing a configuration of an example of a foot of a conventional bipedal walking robot.
FIG. 7 is a schematic perspective view showing the configuration of another example of a foot of a conventional bipedal walking robot.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10 Biped walking robot 11 Main body 12L, 12R Knee 13L, 13R Leg 14L, 14R Foot 14a Base 14b Heel 14c, 14d Toe 15L, 15R to 20L, 20R Joint (motor for joint drive)
21L, 21R Thigh 22L, 22R Lower leg 23L, 23R Force detector 24 Gait generator 30 Walking controller 31 Angle measuring unit 32 Compensator 33 Control unit 34 Motor control units 35a to 35c Three-axis force sensor

Claims

本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部を有する二本の脚部と、各脚部の下端に取り付けられた足部と、各脚部，膝部及び足部を揺動させる駆動手段と、を備えた二脚歩行式移動装置において、
上記足部が、
対応する脚部下端に対して固定的に取り付けられるベース部と、
ベース部に固定配置された踵部と、
ベース部から実質的に前方に向かって並んで延び、且つベース部に対して上下方向に揺動可能に支持された一対の足先部と、
から構成され、上記踵部および上記一対の足先部に三軸力センサがそれぞれ配置されており、
さらに、要求動作に対応して、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歩容生成部と、
上記三軸力センサの検出信号に基づいて上記歩容生成部からの歩容データを修正し、上記駆動手段を駆動制御する歩行制御装置とを備え、
上記足部が上記踵部と上記一対の足先部とで三点支持されて不整地に着地し、かつ、上記歩容生成部で生成された歩容データを、不整地に着地している上記三軸力センサの検出信号に基づいて修正して、要求動作に対する歩行動作を行なえることを特徴とする、二脚歩行式移動装置。A main body, two legs each having a knee in the middle mounted on both lower sides of the main body so as to be pivotable in two axial directions, a foot attached to a lower end of each leg, Driving means for swinging the knee and the foot, in a biped walking type moving device,
The foot is
A base fixedly attached to the corresponding leg lower end,
Heel part fixedly arranged on the base part,
A pair of toe portions that extend substantially side by side from the base portion and that are supported to be vertically swingable with respect to the base portion;
And a three-axis force sensor is arranged on each of the heel and the pair of toes,
A gait generator that generates gait data including a target angular trajectory, a target angular velocity, and a target angular acceleration in response to the requested operation;
A walking control device that corrects gait data from the gait generator based on the detection signal of the three-axis force sensor, and controls driving of the driving unit;
The foot is supported at three points by the heel and the pair of toes, and lands on irregular terrain, and the gait data generated by the gait generator is landed on irregular terrain. A bipedal locomotion device characterized in that it is possible to perform a walking motion for a requested motion by correcting based on a detection signal of the three-axis force sensor .

前記本体が人型ロボットの上体であって、頭部及び両手部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。The bipedal locomotion device according to claim 1, wherein the main body is an upper body of a humanoid robot, and includes a head and both hands.

前記駆動手段が、各足先部をそれぞれ揺動させることを特徴とする、請求項１または２に記載の二脚歩行式移動装置。The biped walking type moving device according to claim 1, wherein the driving unit swings each of the toes.

前記駆動手段が、各足先部を同方向に等角度運動させることにより、各足先部を互いに一体的に揺動させ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。The biped walking type moving device according to claim 3, wherein the driving means swings the toes integrally with each other by causing the toes to move at the same angle in the same direction. .

前記駆動手段が、各足先部を異なる方向または異なる角速度で運動させることにより、各足先部を互いに別個に揺動させ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 locomotion type moving device according to claim 3, wherein the driving means causes the toes to swing independently of each other by moving the toes in different directions or at different angular velocities. .

各三軸力センサが足裏から下方に突出していることを特徴とする、請求項１〜５の何れかに記載の二脚歩行式移動装置。The biped walking type moving device according to any one of claims 1 to 5, wherein each triaxial force sensor protrudes downward from a sole.