JP3627057B2

JP3627057B2 - Biped humanoid robot

Info

Publication number: JP3627057B2
Application number: JP2001353501A
Authority: JP
Inventors: 貴之古田; 悠奥村; 哲雄田原; 宏明北野
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-11-19
Filing date: 2001-11-19
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2021-11-19
Also published as: JP2003145458A; TW583058B; TW200300384A; WO2003043787A1

Description

【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に関するものである。
【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。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反力と重力との合成モーメントがゼロとなる点（以下、ＺＭＰ（ＺｅｒｏＭｏｍｅｎｔＰｏｉｎｔ）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ってＺＭＰ規範によりロボットの安定化を図るようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の二脚歩行式人型ロボットは、立ち上がった姿勢で歩行することを前提に設定されており、できるだけ転倒しないようにしてあるが、胴体部は歩行制御を支援するものであり、胴体部を腕部や脚部と連携させて行動するようにはなっていない。
このため、従来の二脚歩行式人型ロボットは、胴体部，脚部や腕部を全体として動作させるような全身運動、例えば転倒時の受け身動作や、転倒した状態からの起き上がり動作や前転運動のような運動を行なうようには設計されていない。これは、前述したＺＭＰ規範の歩行制御が、ロボットの足裏付近での動特性に基づいて行なわれるものであるため、全身運動を行なって環境との接触を伴う床運動の生成及び制御には適用できないからである。
【０００４】
従って、従来は二脚歩行式人型ロボットに環境との接触を伴う全身運動等を行なわせる場合に、ロボットの全身運動を動的に行なわせるための安定化の指針が存在しないこと、また環境との接触を伴う全身運動を動的に制御するための制御方法が存在しないという問題があった。
【０００５】
本発明は、以上の点にかんがみて、容易に全身運動を動的に安定した状態で行なわせ、制御することができるようにした二脚歩行式人型ロボットを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、本発明によれば、胴体部と、胴体部の下部両側にて揺動可能な中間に膝部，下端に足部を備えた脚部と、胴体部の上部両側にて揺動可能な中間に肘部，下端に手部を備えた腕部と、胴体部の上端に取り付けられた頭部とを備えており、上記脚部の足部，下腿部，大腿部そして上記腕部の手部，下腕部及び上腕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、各駆動手段をそれぞれ駆動制御する動作制御装置とを有している二脚歩行式人型ロボットにおいて、上記胴体部及び両膝部にそれぞれ力センサを備えており、ロボットの転倒時の受け身動作，起き上がり動作，前転運動の動作時に接触する接地面に対して、上記動作制御装置が、上記力センサの検出信号に基づいて当該接地面に対する反力と重力との合成モーメントがゼロとなる拡張ＺＭＰを規範としてロボット全体の動作制御を行うことを特徴とする二脚歩行式人型ロボットにより達成される。上記力センサは、さらに、頭部の前後，大腿部，足部，肘部にそれぞれ備えられていてもよい。
【０００７】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記動作制御装置が、各力センサの検出信号に基づいてそのとき接地している部分を検出して、ロボット全体を多面剛体として動作データを生成する動作生成部と、各力センサの検出信号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動作生成部からの動作データを修正する補償部と、動作生成部からの動作データに基づいて、拡張ＺＭＰ（そのとき接地している部分における反力と重力との合成モーメントがゼロとなる点）目標値を算出する拡張ＺＭＰ変換部とを備えており、上記補償部が、上記各力センサの検出信号に基づいて検出された拡張ＺＭＰ実測値と拡張ＺＭＰ変換部からの拡張ＺＭＰ目標値を比較して、動作生成部からの動作データの補償量を計算する。
【０００８】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記動作制御装置がロボットの動作の要素となる姿勢データを格納した動作ライブラリを備えており、上記動作生成部が、与えられたロボットの初期状態から所定の動作の最終状態までの中間の動作に関して、動作データを生成する際に動作ライブラリから対応する姿勢データを読み出して、組合せ動作のシーケンスとして動作データを生成する。
【０００９】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、さらにロボットの各関節部の駆動状態及び全体の姿勢を常に監視する動作監視部を備えており、この動作監視部は、拡張ＺＭＰ実際値が拡張ＺＭＰ目標値から大きくずれた場合に、動作生成部に対して動作データの再生成を指令する。
【００１０】
上記構成によれば、二脚歩行式人型ロボットが全身運動を行なう際、動作制御装置が、ロボットに設けられた力センサからの検出信号に基づいてロボットのどの部分が環境、例えば床面または壁面等と接触しているかを把握することによりロボットの姿勢を検出して、この姿勢に基づいて補償部により動作生成部からの動作データを修正する。
従って、動作制御装置が、ロボットの全身運動時に常にロボットの姿勢に基づいて動作データを修正することにより、例えば転倒時の受け身動作，起き上がり動作や前転運動等の全身運動を安定して確実に行なうことが可能になる。
【００１１】
上記動作制御装置が、各力センサの検出信号に基づいてそのとき接地している部分を検出して、ロボット全体を多面剛体として動作データを生成する動作生成部と、動作生成部からの動作データに基づいて拡張ＺＭＰ（そのとき接地している部分における反力と重力との合成モーメントがゼロとなる点）目標値を算出する拡張ＺＭＰ変換部と、を備えており、上記補償部が、上記各力センサの検出信号に基づいて検出された拡張ＺＭＰ実測値と拡張ＺＭＰ変換部からの拡張ＺＭＰ目標値を比較して、動作生成部からの動作データの補償量を計算する場合には、従来のＺＭＰ規範による歩行制御と同様に、ロボット全体を多面剛体として取り扱ってそのときの拡張ＺＭＰを目標値に集束させるように拡張ＺＭＰ補償を行なうことにより、拡張ＺＭＰ規範によりロボットの全身運動の安定化を図ることができる。
【００１２】
上記動作制御装置が、ロボットの動作の要素となる姿勢データを格納した動作ライブラリを備えており、上記動作生成部が、与えられたロボットの初期状態から所定の動作の最終状態までの中間の動作に関して、動作データを生成する際に動作ライブラリから対応する姿勢データを読み出して、組合せ動作のシーケンスとして動作データを生成する場合には、ロボットの全身運動を分解したときの要素となる姿勢データが動作ライブラリに格納されているので、動作生成部が動作データを生成する際に、要素となる姿勢データを動作ライブラリから読み出して組み合わせることにより、所望の動作データを生成することができる。これにより動作生成部の計算量が低減され、迅速な動作データの生成を行なうことが可能になる。
【００１３】
さらにロボットの各関節部の駆動状態及び全体の姿勢を常に監視する動作監視部を備えており、この動作監視部が、拡張ＺＭＰ実際値が拡張ＺＭＰ目標値から大きくずれた場合に、動作生成部に対して動作データの再生成を指令する場合には、ロボットが全身運動中にバランスを崩す等により、生成した動作データによる初期状態から所定の動作の最終状態までの中間の動作から大きくずれたとき、動作データを再生成することによって、再び所定の動作の最終状態までの中間の動作を行なわせて当該最終状態まで動作させることができる。
【００１４】
【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人型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、二脚歩行式人型ロボット１０は、胴体部１１と、胴体部１１の下部両側に取り付けられた脚部１２Ｌ，１２Ｒと、胴体部の上部両側に取り付けられた腕部１３Ｌ，１３Ｒと、胴体部の上端に取り付けられた頭部１４と、を含んでいる。
【００１５】
上記胴体部１１は上方の胸部１１ａと下方の腰部１１ｂとに分割されており、胸部１１ａが、前屈部１１ｃにて腰部１１ｂに対して前後方向に揺動可能に、特に前方に前屈可能に、そして左右方向に旋回可能に支持されている。さらに、上記胴体部１１の胸部１１ａには、後述する歩行制御装置５０が内蔵されている。なお、上記前屈部１１ｃは、前後揺動用の関節部１１ｄ及び左右旋回用の関節部１１ｅを備えており、各関節部１１ｄ及び１１ｅは、それぞれ関節駆動用モータ（図２参照）により構成されている。
【００１６】
上記脚部１２Ｌ，１２Ｒは、それぞれ大腿部１５Ｌ，１５Ｒ，下腿部１６Ｌ，１６Ｒ及び足部１７Ｌ，１７Ｒと、から構成されている。
ここで、上記脚部１２Ｌ，１２Ｒは、図２に示すように、それぞれ六個の関節部、即ち上方から順に、胴体部１１の腰部１１ｂに対する脚部回旋用の関節部１８Ｌ，１８Ｒ、脚部のロール方向（ｘ軸周り）の関節部１９Ｌ，１９Ｒ、脚部のピッチ方向（ｙ軸周り）の関節部２０Ｌ，２０Ｒ、大腿部１５Ｌ，１５Ｒと下腿部１６Ｌ，１６Ｒの接続部分である膝部２１Ｌ，２１Ｒのピッチ方向の関節部２２Ｌ，２２Ｒ、足部１７Ｌ，１７Ｒに対する足首部のピッチ方向の関節部２３Ｌ，２３Ｒ、足首部のロール方向の関節部２４Ｌ，２４Ｒを備えている。なお、各関節部１８Ｌ，１８Ｒ乃至２４Ｌ，２４Ｒは、それぞれ関節駆動用モータにより構成されている。
【００１７】
このようにして、腰関節は上記関節部１１ｄ，１１ｅから構成され、股間節は上記関節部１８Ｌ，１８Ｒ，１９Ｌ，１９Ｒ，２０Ｌ，２０Ｒから構成され、また足関節は関節部２３Ｌ，２３Ｒ，２４Ｌ，２４Ｒから構成されることになる。これにより、二脚歩行式人型ロボット１０の左右両側の脚部１２Ｌ，１２Ｒは、それぞれ６自由度を与えられることになり、各種動作中にこれらの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１２Ｌ，１２Ｒ全体に所望の動作を与えて、例えば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。
【００１８】
上記腕部１３Ｌ，１３Ｒは、それぞれ上腕部２５Ｌ，２５Ｒ，下腕部２６Ｌ，２６Ｒ及び手部２７Ｌ，２７Ｒと、から構成されている。
ここで、上記腕部１３Ｌ，１３Ｒの上腕部２５Ｌ，２５Ｒ，下腕部２６Ｌ，２６Ｒ及び手部２７Ｌ，２７Ｒは、上述した脚部１２Ｌ，１２Ｒと同様にして、図２に示すように、それぞれ五個の関節部、即ち上方から順に、肩部にて、胴体部１１に対する上腕部２５Ｌ，２５Ｒのピッチ方向の関節部２８Ｌ，２８Ｒ、ロール方向の関節部２９Ｌ，２９Ｒ、そして左右方向の関節部３０Ｌ，３０Ｒ、上腕部２５Ｌ，２５Ｒと下腕部２６Ｌ，２６Ｒの接続部分である肘部３１Ｌ，３１Ｒにてピッチ方向の関節部３２Ｌ，３２Ｒ、手首部にて下腕部２６Ｌ，２６Ｒに対する手部２７Ｌ，２７Ｒのピッチ方向の関節部３３Ｌ，３３Ｒを備えている。なお、各関節部２８Ｌ，２８Ｒ乃至３３Ｌ，３３Ｒは、それぞれ関節駆動用モータにより構成されている。
【００１９】
このようにして、二脚歩行式人型ロボット１０の左右両側の腕部１３Ｌ，１３Ｒはそれぞれ５自由度を与えられることにより、各種動作中にこれらの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し、腕部１３Ｌ，１３Ｒ全体に所望の動作を与えることができるように構成されている。
ここで、上記肩部におけるピッチ方向の関節部２８Ｌ，２８Ｒは、ロール方向の関節部２９Ｌ，２９Ｒ及び左右方向の関節部３０Ｌ，３０Ｒに対して回転軸が前方にずれて配設されており、前方への腕部１３Ｌ，１３Ｒの振り角度が大きく設定されている。
【００２０】
上記頭部１４は、胴体部１１の上部１１ａの上端に取り付けられており、例えば視覚としてのカメラや聴覚としてのマイクが搭載されている。ここで、上記頭部１４は、図２に示すように、首のピッチ方向の関節部３５及び左右方向の関節部３６を備えている。なお、各関節部３５，３６は、それぞれ関節駆動用モータにより構成されている。
【００２１】
このようにして、二脚歩行式人型ロボット１０の頭部１４は、２自由度を与えられることにより、各種動作中にこれらの２個の関節部３５，３６をそれぞれ駆動モータにより適宜の角度に駆動制御し、頭部１４を左右方向または前後方向に動かすことができるように構成されている。
ここで、上記ピッチ方向の関節部３５は、左右方向の関節部３６に対して回転軸が前方にずれて配設されており、前方への頭部１４の揺動角度が大きく設定されている。
【００２２】
さらに、上記二脚歩行式人型ロボット１０においては、胴体部１１の前屈部１１ｃの関節部１１ｄと、脚部１２Ｌ，１２Ｒの前後方向の関節部、即ち股間節の関節部２０Ｌ，２０Ｒ，膝部の関節部２２Ｌ，２２Ｒ，足首部の関節部２３Ｌ，２３Ｒは、図３及び図４に示す角度範囲で揺動可能に支持されている。
【００２３】
即ち、足首部の関節部２３Ｌ，２３Ｒは、その揺動角度θ１が−２０乃至＋２０度以上の角度範囲で揺動可能である。また、膝部の関節部２２Ｌ，２２Ｒは、その揺動角度θ２が−１２０乃至０度以上の角度範囲で揺動可能である。さらに、腰関節の関節部２０Ｌ，２０Ｒは、その揺動角度θ３が−４５乃至＋６０度以上の角度範囲で揺動可能である。また、胴体部１１の前屈部１１ｃは、その揺動角度θ４が、−１０乃至＋６０度以上の角度範囲で揺動可能である。
【００２４】
これに対して、胴体部１１の前屈部１１ｃの関節部１１ｅは、図５に示す角度範囲で揺動可能に支持されている。即ち、前屈部１１ｃの関節部１１ｅはその揺動角度θ５が、図５（Ａ）に示す左方に関して−４５度以上、そして図５（Ｂ）に示す右方に関して＋４５度以上の角度範囲で旋回可能である。
【００２５】
さらに、二脚歩行式人型ロボット１０においては、図６に示すように、動作時に突出する部分または動作時に環境と接触する部分、例えば両膝部や腰部後側にそれぞれ力センサ４０が備えられている。即ち、胴体部１１の下部１１ｂの後側（即ち、腰部）及び両膝部２１Ｌ，２１Ｒに、好ましくは頭部１４の前後，胴体部１１の上部１１ａの前側の胸部，後側の肩部及び背中部，下部１１ｂの後側の上下部、脚部１２Ｌ，１２Ｒの大腿部１５Ｌ，１５Ｒの前後，膝部２１Ｌ，２１Ｒ，足部１７Ｌ，１７Ｒの爪先部及び踵部，腕部１３Ｌ，１３Ｒの肘部３１Ｌ，３１Ｒ及び手首部にそれぞれ力センサ４０が備えられている。
これらの力センサ４０は、二脚歩行式人型ロボット１０の全身運動により当該力センサ４０が床面，壁面等の環境に接触しているときに接触圧力を検出して、その検出信号を後述する動作制御装置５０に出力するようになっている。なお、各力センサ４０は、少なくとも垂直方向の力成分を検出できればよい。
【００２６】
図７は図１乃至図５に示した二脚歩行式人型ロボット１０の電気的構成を示している。図７において、二脚歩行式人型ロボット１０は駆動手段、即ち上述した各関節部、詳しくは関節駆動用モータ１１ｄ，１１ｅ，１８Ｌ，１８Ｒ乃至３６を駆動制御する動作制御装置５０を備えている。
【００２７】
上記動作制御装置５０は、動作計画部５１と、動作生成部５２と、拡張ＺＭＰ変換部５３と、拡張ＺＭＰ安定部５４と、制御部５５と、ロボットの各関節部の角度を検出する角度計測ユニット５６と、動作監視部５７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。
【００２８】
上記動作計画部５１は、与えられたロボットの初期状態（各関節部の角度及び力センサ４０の検出信号に基づく姿勢）と所望の動作の最終状態から、初期状態と最終状態との間の中間の動作を計画する。即ち、動作計画部５１は、ロボット全体により構成される凸部分を覆うような多面剛体を仮想的に設定して、初期状態から最終状態までの上記多面剛体の時系列形状データ及び重心軌道を計算し、全身運動を行なうために必要なロボットの角運動量を計算する。
【００２９】
そして、動作計画部５１は、上記多面剛体の重心位置，初期運動状態（重心周りの角速度及び角加速度）に基づいて、ロボットの動作軌道すなわち動作計画を生成する。なお、上記動作計画部５１は、後述するように動作監視部５７からロボットの現在の状態及び動作計画からのずれ量が入力されたときには、同様にして動作計画の再生成を行なう。
【００３０】
ここで、動作計画部５１は動作ライブラリ５１ａを備えている。
この動作ライブラリ５１ａは、前もってロボットの動作の要素となる姿勢データ等が種類別に格納されている。これにより動作計画部５１は、上述した動作計画を行なう際に、必要に応じて各種姿勢データ等を動作ライブラリ５１ａから読み出して、組合せ動作のシーケンスとして動作計画を生成する。そして、動作計画部５１は、動作計画として、シーケンス毎に姿勢データ及びそのときの各関節部の角運動量を動作生成部５２に出力するようになっている。
【００３１】
上記動作生成部５２は、二脚歩行式人型ロボット１０の全身運動に必要な各関節部１５Ｌ，１５Ｒ乃至３６の角度データθｒｅｆを生成する。その際、上記動作生成部５２は、後述する拡張ＺＭＰ安定部５４からの指令に基づいて内部のパラメータ及び角度データを修正するようになっている。
【００３２】
上記拡張ＺＭＰ変換部５３は、動作生成部５２からの各関節部の角度データθｒｅｆに基づいて拡張ＺＭＰ目標値を計算し、拡張ＺＭＰ安定部５４及び動作監視部５７に出力する。
【００３３】
上記拡張ＺＭＰ安定部５４は、角度計測ユニット５６からの姿勢情報及び前記力センサ４０からの検出出力に基づいて拡張ＺＭＰ実際値を計算し、さらにこの拡張ＺＭＰ実際値を拡張ＺＭＰ変換部５３からの拡張ＺＭＰ目標値と比較して、その差に基づいて拡張ＺＭＰ補償量を計算して、動作生成部５２に出力する。拡張ＺＭＰ補償量の計算方法は、従来のＺＭＰ補償量の計算方法をそのまま適用することができる。
【００３４】
ここで、動作生成部５２は、拡張ＺＭＰ安定部５４からの拡張ＺＭＰ補償量がフィードバックされることにより、この拡張ＺＭＰ補償量に基づいて動作データを修正して、制御部５５に出力する。
【００３５】
上記制御部５５は、動作生成部５２からの修正された動作データに基づいて各関節駆動用モータの制御信号を生成し、各関節駆動用モータを駆動制御するようになっている。
【００３６】
上記角度計測ユニット５６は、各関節部１５Ｌ，１５Ｒ乃至３６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により各関節駆動用モータの角度情報が入力されることによって各関節駆動用モータの角度位置、即ち角度及び角速度そして角度モーメントに関する状態情報、即ちロボット１０の姿勢情報θｒｅａｌを計測して、拡張ＺＭＰ安定部５４及び動作監視部５７に出力するようになっている。
【００３７】
上記動作監視部５７は、動作計画部５１からの動作計画，拡張ＺＭＰ変換部５３からの拡張ＺＭＰ目標値，角度計測ユニット５６及び力センサ４０からの拡張ＺＭＰ実際値としての（角度及び角度モーメントを含む）角度情報が入力されており、これらに基づいて、常に二脚歩行式人型ロボット１０の状態を監視している。そして、動作監視部５７は、動作計画，拡張ＺＭＰ目標値から実際のロボットの動作が大きくずれたとき、現在の状態およびずれ量を動作計画部５１にフィードバックして、動作計画部５１に動作計画の再生成を行なわせる。
【００３８】
本発明実施形態による二脚歩行式人型ロボット１０は以上のように構成されており、図８のフローチャートに示すように動作する。
図８のフローチャートにおいて、先ず動作計画部５１が、ステップＳＴ１にて、与えられたロボットの初期状態及び所望の動作の最終状態から動作計画の生成を開始する。
【００３９】
そして、動作計画部５１は、ステップＳＴ２にて、ロボット全体の凸部分を覆う多面剛体を仮想的に設定し、続いてステップＳＴ３にて、初期状態から最終状態までの上記多面剛体の時系列形状データ及びその重心軌道を計算する。
次に、動作計画部５１は、ステップＳＴ４にて、全身運動を行なうために必要なロボットの角運動量を計算し、ステップＳＴ５にて、上記多面剛体の重心位置，初期運動状態（重心周りの角速度及び角加速度）に基づいて、ロボットの動作軌道すなわち動作計画を生成する。
これにより、ステップＳＴ６にて、動作計画の生成が終了する。
【００４０】
次に、ステップＳＴ７にてロボット動作を開始する。
先ず、ステップＳＴ８にて、動作生成部５２は、上記動作計画部５１の時系列形状データ及び重心軌道による各関節部の各運動量から各関節部の角度データθｒｅｆを生成し、これにより拡張ＺＭＰ変換部５３が、この角度データθｒｅｆに基づいて拡張ＺＭＰ目標値を計算する。
そして、ステップＳＴ９にて、拡張ＺＭＰ安定部５４が、角度計測ユニット５６からの姿勢情報及び力センサ４０からの検出出力に基づいて、拡張ＺＭＰ実際値及び各関節部の角運動量を検出し、ステップＳＴ１０にて、拡張ＺＭＰ実際値と拡張ＺＭＰ目標値を比較する。
【００４１】
ここで、拡張ＺＭＰ実際値と拡張ＺＭＰ目標値の比較により、所定値以上の誤差がある場合には、ステップＳＴ１１にて、ロボットの状態が動作計画の最終点であるか否か判断し、最終点でない場合には上記ステップＳＴ８に戻り、最終点である場合には、ステップＳＴ１２にてロボット動作を完了する。
また、ステップＳＴ１０にて、所定値以上の誤差がない場合には、ステップＳＴ１３にて、動作監視部５７がこの誤差が拡張ＺＭＰ安定部５４により補償可能か否か判断して、補償できない場合には、ステップＳＴ１４にて、動作計画部５１に動作計画の再生成を行なわせてステップＳＴ２に戻る。
これに対して、ステップＳＴ１３にて補償可能である場合には、ステップＳＴ１５にて、動作制御装置５０の拡張ＺＭＰ安定部５４は、ロボットにより構成される多面剛体の形状を変化させずに、各関節部の角速度等の調整により上記誤差を修正して、ステップＳＴ１１に進む。
【００４２】
このようにして、本発明実施形態による二脚歩行式人型ロボット１０によれば、従来のＺＭＰ規範の歩行制御を、全身運動を行なうロボットの動作時に突出しまたは環境に接触する部分における反力と重力との合成モーメントがゼロとなる点を拡張ＺＭＰとして、この拡張ＺＭＰを従来のロボットの歩行制御におけるＺＭＰと同様にして、拡張ＺＭＰ目標値と拡張ＺＭＰ実測値の差である拡張ＺＭＰ誤差に基づいて動作データを修正することにより、ロボット１０に発生する慣性力を制御して、拡張ＺＭＰ目標値を補償する。
これにより、例えば転倒時の受け身動作，起き上がり動作や前転運動等の全身運動において、動作制御を安定的に行なうことにより、二脚歩行式人型ロボットの全身運動を動的に安定して確実に行なうことが可能になる。
【００４３】
ここで、二脚歩行式人型ロボット１０が、例えば前転運動を行なう場合、制御部５１が、上述した拡張ＺＭＰ規範における動作制御装置５０に基づく動作制御によって、図９（Ａ）に示す直立した状態から順次に前屈みになり（図９（Ｂ）参照）、頭部１４及び手部を床面に着き（図９（Ｃ）参照）、両脚部１２Ｌ，１２Ｒを床面から離し（図９（Ｄ）参照）、胴体部１１を前方に押し出し（図９（Ｅ）参照）、胴体部１１の後面（背中部）を床面に着け（図９（Ｆ）参照）、手を床面から離して前方に回転し（図９（Ｇ）参照）、踵部を床面に着けて胴体部１１を起こし（図９（Ｈ）参照）、足部の裏面を床面に着けて胴体部１１を床面から持ち上げ（図９（Ｉ）参照）、胴体部１１をほぼ垂直に立て直して（図９（Ｊ）参照）、最後に図９（Ｋ）に示すように、再び直立状態に立ち上がることができる。
ここで、上記図９（Ｃ），（Ｅ）及び（Ｉ）においては、それぞれ図１０（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）に拡大して示すように、ロボット全体が凸面のみによって多面剛体Ｐとして取り扱うことができ、この多面剛体Ｐの角部または面部に力センサ４０が備えられていることにより、そのときのロボット全体の姿勢は、床面に接地している力センサ４０からの検出信号と各関節部の角度によって、正確に検出することができる。
【００４４】
このようにして、本発明実施形態による二脚歩行式人型ロボット１０によれば、動作時に突出する部分または動作時に環境と接触する部分（例えば、両膝部及び腰部後側）に、それぞれ力センサ４０が設けられているので、ロボットのそのときの姿勢が正確に検出されると共に、各力センサ４０の検出信号に基づいて、そのときのロボットの接地面に対する反力と重力との合成モーメントがゼロとなる拡張ＺＭＰを規範としてロボット全体の動作制御を行なうことにより、例えば転倒時の受け身動作，起き上がり動作や前転運動等の全身運動の動作制御を確実に行なうことができる。
【００４５】
上述した実施形態においては、脚部１２Ｌ，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。
【００４６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、二脚歩行式人型ロボットが全身運動を行なう際、動作制御装置が、ロボット各部の動作時に突出する部分または動作時に環境と接触する部分に設けられた力センサからの検出信号に基づいて、ロボットのどの部分が環境、例えば床面または壁面等と接触しているかを把握することによりロボットの姿勢を検出して、この姿勢に基づいて、補償部により動作生成部からの動作データを修正する。
従って、動作制御装置が、ロボットの全身運動時に、常にロボットの姿勢に基づいて動作データを修正するので、例えば転倒時の受け身動作，起き上がり動作や前転運動等の全身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、容易に全身運動を行なうことができるようにした、極めて優れた二脚歩行式人型ロボットが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による二脚歩行式人型ロボットの一実施形態の外観を示し、（Ａ）は概略正面図、（Ｂ）は概略側面図である。
【図２】図１の二脚歩行式人型ロボットの機械的構成を示す概略図である。
【図３】図１の二脚歩行式人型ロボットの前屈部及び脚部の各関節部の前方への揺動限界を示す概略図である。
【図４】図１の二脚歩行式人型ロボットの前屈部及び脚部の各関節部の後方への揺動限界を示す概略図である。
【図５】図１の二脚歩行式人型ロボットの前屈部の各関節部の概略図で、（Ａ）は左方向への旋回限界を、（Ｂ）は右方向への旋回限界をそれぞれ示す。
【図６】図１の二脚歩行式人型ロボットにおける力センサの配置を示す側面図である。
【図７】図１の二脚歩行式人型ロボットの電気的構成を示すブロック図である。
【図８】図１の二脚歩行式人型ロボットの動作制御を示すフローチャートである。
【図９】図１の二脚歩行式人型ロボットの前転動作を順次に示す左側面図である。
【図１０】図９の前転動作の途中における拡大図である。
【符号の説明】
１０二脚歩行式人型ロボット
１１胴体部
１１ａ上部
１１ｂ下部
１１ｃ前屈部
１１ｄ，１１ｅ関節部（関節駆動用モータ）
１２Ｌ，１２Ｒ脚部
１３Ｌ，１３Ｒ腕部
１４頭部
１５Ｌ，１５Ｒ大腿部
１６Ｌ，１６Ｒ下腿部
１７Ｌ，１７Ｒ足部
１８Ｌ，１８３〜２４Ｌ，２４Ｒ関節部（関節駆動用モータ）
２１Ｌ，２１Ｒ膝部
２５Ｌ，２５Ｒ上腕部
２６Ｌ，２６Ｒ下腕部
２７Ｌ，２７Ｒ手部
２８Ｌ，２８Ｒ〜３３Ｌ，３３Ｒ関節部（関節駆動用モータ）
３１Ｌ，３１Ｒ肘部
３５，３６関節部（関節駆動用モータ）
４０力センサ
５０動作制御装置
５１動作計画部
５１ａ動作ライブラリ
５２動作生成部
５３拡張ＺＭＰ変換部
５４拡張ＺＭＰ安定部
５５制御部
５６角度計測ユニット
５７動作監視部
Ｐ多面剛体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a biped walking humanoid robot.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, so-called biped walking type humanoid robots generate predetermined walking pattern (hereinafter referred to as gait) data, perform walking control in accordance with the gait data, and move the legs in a predetermined walking pattern. Biped walking is realized by operating. At that time, in order to stabilize the walking posture, a so-called ZMP that converges a point (hereinafter referred to as ZMP (Zero Moment Point)) at which the combined moment of the reaction force and gravity on the sole of the robot becomes zero is converged to a target value. By performing compensation, the robot is stabilized according to the ZMP standard.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional bipedal humanoid robot is set on the premise that it walks in a standing posture, and it tries not to fall as much as possible, but the torso supports walking control, It is not designed to act in cooperation with the arms and legs.
For this reason, a conventional bipedal walking humanoid robot has a whole body movement that moves the torso, legs, and arms as a whole, for example, a passive action during a fall, a rising action from a fall, and a forward roll. It is not designed to do exercise like exercise. This is because the ZMP norm walking control described above is performed based on the dynamic characteristics in the vicinity of the sole of the robot. This is because it cannot be applied.
[0004]
Therefore, conventionally, when a bipedal humanoid robot performs whole body movement with contact with the environment, there is no guideline for stabilizing the whole body movement of the robot. There is a problem that there is no control method for dynamically controlling the whole body movement accompanied with contact with the body.
[0005]
In view of the above points, an object of the present invention is to provide a two-legged humanoid robot that can easily perform and control whole body motion in a dynamically stable state.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, according to the present invention, the body part, the leg part having the knee part at the middle and the foot part at the lower end, which can swing on both sides of the lower part of the body part, and the upper part of the body part are swung. It has an arm part with an elbow in the middle, a hand part at the lower end, and a head part attached to the upper end of the torso part, and the foot part of the leg part, the lower leg part, the thigh part and the above part. Biped walking type person having drive means for swinging the swingable joint parts of the arm part, the lower arm part and the upper arm part, and an operation control device for driving and controlling each drive means. Type robots are equipped with force sensors on the torso and both knees, respectively. Dynamic The motion control device operates on the ground contact surface in contact with the robot, based on the extended ZMP in which the combined moment of the reaction force and gravity on the ground contact surface is zero based on the detection signal of the force sensor. This is achieved by a biped walking humanoid robot characterized by performing control. The force sensor may be further provided on the front and back of the head, the thigh, the foot, and the elbow.
[0007]
In the biped walking type humanoid robot according to the present invention, preferably, the motion control device detects a portion that is in contact with the ground based on the detection signals of the respective force sensors, and the motion data of the entire robot as a polyhedral rigid body. An action generation unit for generating A compensation unit that detects the posture of the robot based on the detection signal of each force sensor and corrects the motion data from the motion generation unit based on the posture; Based on the motion data from the motion generation unit, it has an extended ZMP conversion unit that calculates the target value of extended ZMP (the point at which the combined moment of the reaction force and gravity in the grounded part becomes zero) The compensation unit compares the expanded ZMP actual measurement value detected based on the detection signals of the force sensors with the expanded ZMP target value from the expanded ZMP conversion unit, and calculates the compensation amount of the motion data from the motion generation unit. calculate.
[0008]
The biped walking humanoid robot according to the present invention preferably includes a motion library in which the motion control device stores posture data as an element of the motion of the robot, and the motion generation unit Regarding the intermediate motion from the initial state to the final state of the predetermined motion, when generating motion data, corresponding posture data is read from the motion library, and motion data is generated as a sequence of combination motion.
[0009]
The biped walking humanoid robot according to the present invention preferably further includes an operation monitoring unit that constantly monitors the driving state and the overall posture of each joint of the robot, and the operation monitoring unit includes an extended ZMP actual value. Is greatly deviated from the extended ZMP target value, the operation generator is instructed to regenerate the operation data.
[0010]
According to the above configuration, when the biped walking humanoid robot performs the whole body motion, the motion control device is the robot. To Based on the detection signal from the provided force sensor, the posture of the robot is detected by grasping which part of the robot is in contact with the environment, for example, the floor surface or the wall surface, and the compensator based on this posture To correct the operation data from the operation generation unit.
Therefore, the motion control device always corrects the motion data based on the posture of the robot during the whole body motion of the robot, so that the whole body motion such as the passive motion, the rising motion and the forward motion during the fall can be stably and reliably performed. It becomes possible to do.
[0011]
The motion control device detects the part that is grounded at that time based on the detection signal of each force sensor and generates motion data with the entire robot as a polyhedral rigid body, and motion data from the motion generation unit And an extended ZMP conversion unit for calculating a target value based on the extended ZMP (a point at which the combined moment of the reaction force and gravity in the portion that is in contact with the ground becomes zero). When calculating the compensation amount of the operation data from the motion generation unit by comparing the expanded ZMP actual measurement value detected based on the detection signal of each force sensor and the expanded ZMP target value from the expansion ZMP conversion unit, In the same way as the walking control based on the ZMP norm, the extended ZMP compensation is performed by treating the entire robot as a polyhedral rigid body and converging the expanded ZMP at that time to the target value. By P norm it is possible to stabilize the whole body motion of the robot.
[0012]
The motion control device includes a motion library that stores posture data as an element of robot motion, and the motion generation unit performs an intermediate motion from an initial state of a given robot to a final state of a predetermined motion. When the motion data is generated, the corresponding posture data is read from the motion library, and the motion data is generated as a combination motion sequence. Since it is stored in the library, when the motion generation unit generates motion data, desired motion data can be generated by reading out and combining the posture data as elements from the motion library. As a result, the calculation amount of the motion generation unit is reduced, and it becomes possible to quickly generate motion data.
[0013]
Furthermore, an operation monitoring unit that constantly monitors the driving state and the overall posture of each joint unit of the robot is provided, and when the expanded ZMP actual value greatly deviates from the expanded ZMP target value, the operation generating unit If the robot is instructed to regenerate the motion data, the robot is greatly out of the intermediate motion from the initial state to the final state of the predetermined motion due to the balance being lost during the whole body motion, etc. When the operation data is regenerated, an intermediate operation up to the final state of the predetermined operation can be performed again until the final state is reached.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described in detail below based on the embodiments shown in the drawings.
1 and 2 show a configuration of an embodiment of a biped walking humanoid robot according to the present invention.
In FIG. 1, a biped walking humanoid robot 10 includes a body part 11, legs 12L and 12R attached to both lower sides of the body part 11, and arm parts 13L and 13R attached to both upper sides of the body part. And a head 14 attached to the upper end of the body part.
[0015]
The body part 11 is divided into an upper chest part 11a and a lower waist part 11b, and the chest part 11a can swing in the front-rear direction with respect to the waist part 11b at the forward bending part 11c, and can be bent forward in particular. And is supported so as to be turnable in the left-right direction. Further, a walking control device 50 to be described later is built in the chest portion 11a of the body portion 11. The forward bending part 11c includes a joint part 11d for swinging back and forth and a joint part 11e for turning left and right, and each joint part 11d and 11e is constituted by a joint drive motor (see FIG. 2). ing.
[0016]
The legs 12L and 12R are composed of thighs 15L and 15R, crus 16L and 16R, and legs 17L and 17R, respectively.
Here, as shown in FIG. 2, the leg portions 12L and 12R have six joint portions, that is, joint portions 18L and 18R for rotating the leg portion with respect to the waist portion 11b of the body portion 11 in order from the top, leg portions, respectively. Are joint portions 19L, 19R in the roll direction (around the x axis), joint portions 20L, 20R, thigh portions 15L, 15R in the pitch direction of the leg portions (around the y axis), and lower leg portions 16L, 16R. There are provided joint portions 22L, 22R in the pitch direction of the knee portions 21L, 21R, joint portions 23L, 23R in the pitch direction of the ankle portion with respect to the foot portions 17L, 17R, and joint portions 24L, 24R in the roll direction of the ankle portion. Each of the joint portions 18L, 18R to 24L, 24R is configured by a joint driving motor.
[0017]
Thus, the hip joint is composed of the joint portions 11d and 11e, the crotch joint is composed of the joint portions 18L, 18R, 19L, 19R, 20L and 20R, and the ankle joint is the joint portions 23L, 23R and 24L. , 24R. As a result, the left and right leg portions 12L and 12R of the biped walking humanoid robot 10 are each given six degrees of freedom, and these twelve joint portions are appropriately driven by the drive motors during various operations. By controlling the drive to this angle, the entire leg portions 12L and 12R are given desired motion, and can be arbitrarily walked in a three-dimensional space, for example.
[0018]
The arm portions 13L and 13R are composed of upper arm portions 25L and 25R, lower arm portions 26L and 26R, and hand portions 27L and 27R, respectively.
Here, the upper arm portions 25L and 25R, the lower arm portions 26L and 26R, and the hand portions 27L and 27R of the arm portions 13L and 13R are respectively similar to the leg portions 12L and 12R described above, as shown in FIG. Five joint portions, that is, in order from the top, at the shoulder portions, the joint portions 28L and 28R in the pitch direction of the upper arms 25L and 25R with respect to the body portion 11, the joint portions 29L and 29R in the roll direction, and the joint portions in the left-right direction 30L, 30R, joint portions 32L, 32R in the pitch direction at the elbow portions 31L, 31R which are connecting portions of the upper arm portions 25L, 25R and the lower arm portions 26L, 26R, and the hand portions for the lower arm portions 26L, 26R at the wrist portion. Joint portions 33L and 33R in the pitch direction of 27L and 27R are provided. Each of the joint portions 28L, 28R to 33L, 33R is constituted by a joint driving motor.
[0019]
In this manner, the arms 13L and 13R on the left and right sides of the biped walking humanoid robot 10 are each given five degrees of freedom, so that these twelve joints can be appropriately adjusted by the drive motor during various operations. It is configured so that a desired motion can be given to the entire arm portions 13L and 13R.
Here, the joint portions 28L and 28R in the pitch direction in the shoulder portion are disposed with their rotational axes shifted forward relative to the joint portions 29L and 29R in the roll direction and the joint portions 30L and 30R in the left-right direction. The swing angle of the arms 13L and 13R toward the front is set large.
[0020]
The head 14 is attached to the upper end of the upper part 11a of the body part 11, and for example, a camera for vision and a microphone for hearing are mounted. Here, as shown in FIG. 2, the head 14 includes a joint 35 in the pitch direction of the neck and a joint 36 in the left-right direction. Each joint portion 35, 36 is constituted by a joint driving motor.
[0021]
In this way, the head 14 of the biped walking humanoid robot 10 is given two degrees of freedom, so that during the various operations, the two joint portions 35 and 36 are respectively set at appropriate angles by the drive motor. And the head 14 can be moved in the left-right direction or the front-rear direction.
Here, the pitch-direction joint portion 35 is disposed such that the rotation axis is shifted forward with respect to the left-right direction joint portion 36, and the swing angle of the head 14 to the front is set large. .
[0022]
Further, in the biped walking humanoid robot 10, the joint portion 11d of the forward bending portion 11c of the trunk portion 11 and the joint portions in the front-rear direction of the legs 12L and 12R, that is, the joint portions 20L, 20R of the crotch joint, The joint portions 22L and 22R of the knee portion and the joint portions 23L and 23R of the ankle portion are supported so as to be swingable within the angular range shown in FIGS.
[0023]
That is, the joint portions 23L and 23R of the ankle portion can swing within an angle range where the swing angle θ1 is −20 to +20 degrees or more. Further, the knee joint portions 22L and 22R can swing within an angle range in which the swing angle θ2 is −120 to 0 degrees or more. Further, the joint portions 20L and 20R of the hip joint can swing within an angle range where the swing angle θ3 is −45 to +60 degrees or more. Further, the forward bending portion 11c of the body portion 11 can swing within an angle range where the swing angle θ4 is −10 to +60 degrees or more.
[0024]
On the other hand, the joint part 11e of the forward bending part 11c of the trunk | drum 11 is supported so that rocking | fluctuation is possible in the angle range shown in FIG. That is, the joint part 11e of the forward bending part 11c has an angle range in which the swing angle θ5 is −45 degrees or more with respect to the left side shown in FIG. 5A and +45 degrees or more with respect to the right side shown in FIG. Can be swiveled.
[0025]
Furthermore, as shown in FIG. 6, the biped walking humanoid robot 10 is provided with force sensors 40 on a portion that protrudes during operation or a portion that contacts the environment during operation, for example, both knees and the back of the waist. ing. That is, the back side (that is, the waist) of the lower part 11b of the body part 11 and the knee parts 21L and 21R are preferably arranged in the front and rear of the head part 14, the chest part on the front side of the upper part 11a of the body part 11, the rear shoulder part, and Back part, rear upper part of lower part 11b, front and back of leg parts 12L, 12R, thigh parts 15L, 15R, knee parts 21L, 21R, toe parts and buttocks parts of leg parts 17L, 17R, arm parts 13L, 13R The force sensors 40 are provided at the elbow portions 31L and 31R and the wrist portion, respectively.
These force sensors 40 detect contact pressure when the force sensor 40 is in contact with an environment such as a floor surface or a wall surface by the whole body movement of the biped walking humanoid robot 10, and the detection signal is described later. It outputs to the operation control apparatus 50 which performs. Each force sensor 40 only needs to detect at least a force component in the vertical direction.
[0026]
FIG. 7 shows an electrical configuration of the biped walking humanoid robot 10 shown in FIGS. In FIG. 7, the biped walking humanoid robot 10 includes driving means, that is, an operation control device 50 for driving and controlling each of the joint portions described above, specifically, the joint driving motors 11d, 11e, 18L, 18R to 36. .
[0027]
The motion control device 50 includes an motion planning unit 51, a motion generation unit 52, an extended ZMP conversion unit 53, an extended ZMP stabilization unit 54, a control unit 55, and an angle measurement that detects the angle of each joint portion of the robot. A unit 56 and an operation monitoring unit 57 are provided.
As the coordinate system of the biped walking robot 10, an xyz coordinate system is used in which the front-rear direction is the x direction (forward +), the horizontal direction is the y direction (inward +), and the vertical direction is the z direction (upward +). To do.
[0028]
The motion planning unit 51 determines the intermediate state between the initial state and the final state from the initial state of the given robot (the angle based on the angle of each joint and the detection signal of the force sensor 40) and the final state of the desired motion. Plan the behavior. That is, the motion planning unit 51 virtually sets a polyhedral rigid body that covers the convex portion constituted by the entire robot, and calculates the time series shape data and the gravity center trajectory of the polyhedral rigid body from the initial state to the final state. Then, the angular momentum of the robot necessary for performing the whole body motion is calculated.
[0029]
Then, the motion planning unit 51 generates a motion trajectory of the robot, that is, a motion plan, based on the gravity center position and the initial motion state (angular velocity and angular acceleration around the gravity center) of the polyhedral rigid body. The motion planning unit 51 regenerates the motion plan in the same manner when the current state of the robot and the deviation amount from the motion plan are input from the motion monitoring unit 57 as will be described later.
[0030]
Here, the motion planning unit 51 includes a motion library 51a.
In the motion library 51a, posture data and the like that are elements of robot motion are stored in advance by type. Thereby, when performing the above-described motion plan, the motion plan unit 51 reads various posture data and the like from the motion library 51a as necessary, and generates a motion plan as a sequence of combination motions. Then, the motion planning unit 51 outputs posture data and the angular momentum of each joint at that time to the motion generation unit 52 for each sequence as the motion plan.
[0031]
The motion generation unit 52 generates angle data θref of the joint portions 15L and 15R to 36 necessary for the whole body motion of the biped walking humanoid robot 10. At that time, the motion generation unit 52 corrects internal parameters and angle data based on a command from an extended ZMP stabilization unit 54 described later.
[0032]
The extended ZMP conversion unit 53 calculates an extended ZMP target value based on the angle data θref of each joint from the motion generation unit 52 and outputs the calculated value to the extended ZMP stabilization unit 54 and the motion monitoring unit 57.
[0033]
The extended ZMP stabilization unit 54 calculates an extended ZMP actual value based on the attitude information from the angle measurement unit 56 and the detection output from the force sensor 40, and further, the extended ZMP actual value is output from the extended ZMP conversion unit 53. Compared with the extended ZMP target value, an extended ZMP compensation amount is calculated based on the difference, and is output to the motion generation unit 52. As a method for calculating the extended ZMP compensation amount, a conventional method for calculating the ZMP compensation amount can be applied as it is.
[0034]
Here, when the extended ZMP compensation amount from the extended ZMP stabilizing unit 54 is fed back, the motion generation unit 52 corrects the motion data based on the extended ZMP compensation amount, and outputs the motion data to the control unit 55.
[0035]
The control unit 55 generates a control signal for each joint drive motor based on the corrected motion data from the motion generation unit 52, and drives and controls each joint drive motor.
[0036]
The angle measurement unit 56 is provided in the joint drive motors of the joint portions 15L, 15R to 36, and the angle information of each joint drive motor is input by, for example, a rotary encoder or the like. State information relating to the angular position, that is, the angle, the angular velocity, and the angular moment, that is, the posture information θreal of the robot 10 is measured and output to the extended ZMP stabilizing unit 54 and the operation monitoring unit 57.
[0037]
The motion monitoring unit 57 includes the motion plan from the motion planning unit 51, the expanded ZMP target value from the expanded ZMP conversion unit 53, and the expanded ZMP actual value from the angle measurement unit 56 and the force sensor 40 (the angle and angular moment are Angle information is input, and based on these, the state of the biped walking humanoid robot 10 is constantly monitored. Then, the motion monitoring unit 57 feeds back the current state and deviation amount to the motion planning unit 51 when the actual motion of the robot greatly deviates from the motion plan and the extended ZMP target value, and sends the motion plan to the motion planning unit 51. To regenerate.
[0038]
The biped walking humanoid robot 10 according to the embodiment of the present invention is configured as described above and operates as shown in the flowchart of FIG.
In the flowchart of FIG. 8, first, the motion planning unit 51 starts generating a motion plan from the initial state of the given robot and the final state of the desired motion in step ST1.
[0039]
In step ST2, the motion planning unit 51 virtually sets a polyhedral rigid body that covers the convex portion of the entire robot, and then in step ST3, the time series shape of the polyhedral rigid body from the initial state to the final state is set. Calculate the data and its center of gravity trajectory.
Next, in step ST4, the motion planning unit 51 calculates the angular momentum of the robot necessary for performing the whole body motion, and in step ST5, the gravity center position and the initial motion state (angular velocity around the gravity center) of the polyhedral rigid body. And a motion plan of the robot, that is, a motion plan.
Thereby, the generation of the motion plan is completed in step ST6.
[0040]
Next, robot operation is started in step ST7.
First, in step ST8, the motion generation unit 52 generates the angle data θref of each joint portion from the time series shape data of the motion planning unit 51 and each momentum of each joint portion based on the center of gravity trajectory. The unit 53 calculates an extended ZMP target value based on the angle data θref.
Then, in step ST9, the expanded ZMP stabilizing unit 54 detects the expanded ZMP actual value and the angular momentum of each joint based on the posture information from the angle measurement unit 56 and the detection output from the force sensor 40, and step In ST10, the expanded ZMP actual value is compared with the expanded ZMP target value.
[0041]
Here, if there is an error of a predetermined value or more by comparing the expanded ZMP actual value and the expanded ZMP target value, it is determined in step ST11 whether or not the robot state is the final point of the motion plan. If it is not a point, the process returns to step ST8. If it is a final point, the robot operation is completed in step ST12.
If there is no error greater than or equal to the predetermined value in step ST10, the operation monitoring unit 57 determines in step ST13 whether or not this error can be compensated by the extended ZMP stabilization unit 54, and cannot be compensated. In step ST14, the operation planning unit 51 regenerates the operation plan, and the process returns to step ST2.
On the other hand, when compensation is possible in step ST13, in step ST15, the extended ZMP stabilizing unit 54 of the motion control device 50 changes each shape of the multi-faced rigid body constituted by the robot without changing the shape of the polyhedral rigid body. The error is corrected by adjusting the angular velocity or the like of the joint, and the process proceeds to step ST11.
[0042]
In this way, according to the biped walking humanoid robot 10 according to the embodiment of the present invention, the conventional ZMP normative walking control is performed with the reaction force at the portion that protrudes or contacts the environment when the robot that performs the whole body motion is operated. Based on the expanded ZMP error, which is the difference between the expanded ZMP target value and the measured actual value of the expanded ZMP, the expanded ZMP is defined as the expanded ZMP at the point where the combined moment with gravity is zero. By correcting the motion data, the inertial force generated in the robot 10 is controlled to compensate for the extended ZMP target value.
As a result, the whole body motion of the biped walking humanoid robot can be dynamically and stably ensured by performing stable motion control in the whole body motion such as passive motion, rising motion and forward motion when falling. Can be performed.
[0043]
Here, when the biped walking humanoid robot 10 performs forward motion, for example, the control unit 51 performs the upright shown in FIG. 9A by the motion control based on the motion control device 50 in the extended ZMP standard described above. The head 14 and the hand are put on the floor (see FIG. 9C), and the legs 12L and 12R are separated from the floor (see FIG. 9). (See (D)), the body part 11 is pushed forward (see FIG. 9 (E)), the rear surface (back part) of the body part 11 is put on the floor (see FIG. 9 (F)), and the hand from the floor surface. Rotate and move forward (see FIG. 9 (G)), put the buttocks on the floor and raise the trunk 11 (see FIG. 9 (H)), and attach the back of the foot to the floor and the trunk 11 Is lifted from the floor (see FIG. 9 (I)), the body part 11 is turned upright almost vertically (see FIG. 9 (J)), and finally the figure is As shown in (K), it is possible to stand up again upright.
Here, in FIGS. 9 (C), (E) and (I), as shown in FIGS. 10 (A), (B) and (C) in an enlarged manner, the entire robot is a polyhedral rigid body only by a convex surface. Since the force sensor 40 is provided at the corner or face of the multi-plane rigid body P, the posture of the entire robot at that time is detected from the force sensor 40 that is in contact with the floor surface. It can be accurately detected by the signal and the angle of each joint.
[0044]
In this way, according to the biped walking humanoid robot 10 according to the embodiment of the present invention, the force is applied to the part protruding during the operation or the part contacting the environment during the operation (for example, both knees and the back of the waist). Since the sensor 40 is provided, the current posture of the robot is accurately detected, and based on the detection signal of each force sensor 40, the combined moment of the reaction force against the ground contact surface of the robot and gravity at that time By performing the operation control of the entire robot based on the extended ZMP in which the zero becomes zero, it is possible to reliably perform the operation control of the whole body motion such as the passive motion, the rising motion and the forward motion at the time of falling.
[0045]
In the embodiment described above, the legs 12L and 12R have 6 degrees of freedom and the arms 13L and 13R have 5 degrees of freedom. You may have.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, when the biped walking humanoid robot performs the whole body motion, the motion control device is provided in a part that protrudes when each part of the robot operates or a part that contacts the environment during the operation. Based on the detection signal from the force sensor, the posture of the robot is detected by grasping which part of the robot is in contact with the environment, for example, the floor surface or the wall surface. To correct the operation data from the operation generation unit.
Therefore, the motion control device always corrects the motion data based on the posture of the robot during the whole body motion of the robot. For example, the whole body motion such as passive motion at the time of falling, rising motion and forward motion is ensured stably. It becomes possible to do.
Thus, according to the present invention, there is provided an extremely excellent biped walking type humanoid robot that can easily perform whole body exercise.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the appearance of an embodiment of a biped walking humanoid robot according to the present invention, where (A) is a schematic front view and (B) is a schematic side view.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a mechanical configuration of the biped walking humanoid robot of FIG. 1;
FIG. 3 is a schematic diagram showing the forward swing limit of each joint part of the forward bending part and the leg part of the biped walking humanoid robot of FIG. 1;
4 is a schematic diagram showing a limit of swinging backward of each joint part of a forward bending part and a leg part of the biped walking humanoid robot of FIG. 1; FIG.
5 is a schematic view of each joint part of the forward bending part of the biped walking humanoid robot of FIG. Each is shown.
6 is a side view showing the arrangement of force sensors in the biped walking humanoid robot of FIG. 1. FIG.
7 is a block diagram showing an electrical configuration of the biped walking humanoid robot of FIG. 1; FIG.
FIG. 8 is a flowchart showing operation control of the biped walking humanoid robot of FIG. 1;
FIG. 9 is a left side view sequentially illustrating forward rotation operations of the biped walking humanoid robot of FIG. 1;
FIG. 10 is an enlarged view in the middle of the forward rotation operation of FIG. 9;
[Explanation of symbols]
10 Biped walking humanoid robot
11 Torso
11a upper part
11b bottom
11c forward bending part
11d, 11e Joint (joint drive motor)
12L, 12R Leg
13L, 13R arm
14 heads
15L, 15R thigh
16L, 16R Lower leg
17L, 17R Foot
18L, 183-24L, 24R Joint (joint drive motor)
21L, 21R Knee
25L, 25R upper arm
26L, 26R Lower arm
27L, 27R Hand
28L, 28R-33L, 33R Joint (joint drive motor)
31L, 31R Elbow
35, 36 Joint (joint drive motor)
40 Force sensor
50 Operation control device
51 Operation Planning Department
51a motion library
52 motion generator
53 Extended ZMP Converter
54 Extended ZMP Stabilizer
55 Control unit
56 Angle measurement unit
57 Operation monitoring unit
P polyhedral rigid body

Claims

胴体部と、胴体部の下部両側にて揺動可能な中間に膝部，下端に足部を備えた脚部と、胴体部の上部両側にて揺動可能な中間に肘部，下端に手部を備えた腕部と、胴体部の上端に取り付けられた頭部と、を備えており、
上記脚部の足部，下腿部，大腿部そして上記腕部の手部，下腕部及び上腕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、各駆動手段をそれぞれ駆動制御する動作制御装置とを有している二脚歩行式人型ロボットにおいて、
上記胴体部及び両膝部にそれぞれ力センサを備えており、
ロボットの転倒時の受け身動作，起き上がり動作，前転運動の動作時に接触する接地面に対して、上記動作制御装置が、上記力センサの検出信号に基づいて当該接地面に対する反力と重力との合成モーメントがゼロとなる拡張ＺＭＰを規範としてロボット全体の動作制御を行うことを特徴とする、二脚歩行式人型ロボット。Legs with knees in the middle, swingable on both sides of the lower part of the body, legs on the lower end, and hands on the elbows and lower ends in the middle of swingable on both sides of the upper part of the body An arm portion provided with a portion, and a head portion attached to the upper end of the torso portion,
Driving means for swinging the leg part, leg part, thigh part of the leg part, and hand joint part of the arm part, lower arm part and upper arm part, respectively, and each driving means is driven. In a biped walking humanoid robot having a motion control device to control,
The body part and both knees are equipped with force sensors,
Passive operation during tipping of the robot, standing up operation, with respect to the ground surface in contact during operation of Maeten'un dynamic, the operation control apparatus, the reaction force and gravity on the ground surface based on a detection signal of the force sensor A biped walking humanoid robot, which controls the operation of the entire robot using the extended ZMP with zero as a reference.

力センサが、さらに、頭部の前後，大腿部，足部，肘部にそれぞれ備えられていることを特徴とする、請求項１に記載の二脚歩行式人型ロボット。The biped walking humanoid robot according to claim 1, wherein force sensors are further provided on the front and rear, the thigh, the foot, and the elbow, respectively.

前記動作制御装置が、
各力センサの検出信号に基づいてそのとき接地している部分を検出して、ロボット全体を多面剛体として動作データを生成する動作生成部と、
各力センサの検出信号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動作生成部からの動作データを修正する補償部と、
動作生成部からの動作データに基づいて拡張ＺＭＰ目標値を算出する拡張ＺＭＰ変換部と、を備えており、
上記補償部が、
上記各力センサの検出信号に基づいて検出された拡張ＺＭＰ実測値と拡張ＺＭＰ変換部からの拡張ＺＭＰ目標値を比較して、動作生成部からの動作データの補償量を計算す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人型ロボット。The operation control device is
A motion generation unit that detects a portion that is grounded at that time based on the detection signal of each force sensor, and generates motion data with the entire robot as a multi-faced rigid body;
A compensation unit that detects the posture of the robot based on the detection signal of each force sensor and corrects the motion data from the motion generation unit based on the posture;
An extended ZMP conversion unit that calculates an extended ZMP target value based on motion data from the motion generation unit,
The compensation unit is
Comparing the actual measured value of the extended ZMP detected based on the detection signal of each force sensor and the expanded ZMP target value from the expanded ZMP conversion unit to calculate the compensation amount of the motion data from the motion generation unit, The biped walking humanoid robot according to claim 1 or 2.

前記動作制御装置が、ロボットの動作の要素となる姿勢データを格納した動作ライブラリを備えており、
前記動作生成部が、与えられたロボットの初期状態から所定の動作の最終状態までの中間の動作に関して、動作データを生成する際に動作ライブラリから対応する姿勢データを読み出して、組合せ動作のシーケンスとして動作データを生成することを特徴とする、請求項３に記載の二脚歩行式人型ロボット。The motion control device includes a motion library storing posture data that is an element of robot motion,
When the motion generation unit generates motion data regarding the intermediate motion from the initial state of the given robot to the final state of the predetermined motion, the motion generation unit reads out the corresponding posture data from the motion library and generates a combination motion sequence. The biped walking humanoid robot according to claim 3, wherein motion data is generated.