JP4475708B2 - Legged mobile robot and its motion control method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体のメカニズムや動作をモデル化して構成されるリアリスティックなロボットのメカニズムに係り、特に、ヒトやサルなどの脚式移動型動物の身体メカニズムをモデル化した脚式移動型ロボットのメカニズムに関する。
【0002】
更に詳しくは、本発明は、それぞれの可動脚が着床及び離床動作を協調的に繰り返し実行することにより柔軟な動作パターンを実現することができる脚式移動型ロボットのメカニズムやその制御方法に係り、特に、各々の可動脚にローラ・スケート靴のような滑走ユニットを装着してダイナミック且つ高速な移動動作を行う脚式移動型ロボットのメカニズムやその制御方法に関する。
【0003】
【従来の技術】
ロボットの語源は、スラブ語のROBOTA(奴隷機械)に由来するといわれている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは1960年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット(industrial robot)であった。
【0004】
最近では、ヒトやサルなどの2足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作を模した脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。2足直立による脚式移動は、クローラ式や、4足又は6足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、階段の昇降や障害物の乗り越えなど、柔軟な歩行・走行動作を実現できるという点で優れている。
【0005】
例えば、特開平3−184782号公報には、脚式歩行ロボットのうち、胴体より下に相当する構造体に適用される関節構造について開示している。
【0006】
ヒトの生体メカニズムや動作をエミュレートした脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、若しくは「人間型」のロボット(humanoid robot)と呼ぶ。人間型ロボットは、例えば、生活支援、すなわち住環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動の支援などを行うことができる。
【0007】
人間形若しくは人間型と呼ばれるロボットを研究・開発する意義を、例えば以下の2つの視点から把握することができよう。
【0008】
1つは、人間科学的な視点である。すなわち、人間の下肢及び/又は上肢に似た構造のロボットを作り、その制御方法を考案して、人間の歩行動作をシミュレートするというプロセスを通じて、歩行を始めとする人間の自然な動作のメカニズムを工学的に解明することができる。このような研究成果は、人間工学、リハビリテーション工学、あるいはスポーツ科学など、人間の運動メカニズムを扱う他のさまざまな研究分野の進展に大いに還元することができるであろう。
【0009】
もう1つは、人間のパートナーとして生活を支援する、すなわち住環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動の支援を行うロボットの開発である。この種のロボットは、人間の生活環境のさまざまな局面において、人間から教わりながら個々に個性の相違する人間又は環境への適応方法を学習し、機能面でさらに成長していく必要がある。このとき、ロボットが「人間形」すなわち人間と同じ形又は同じ構造をしている方が、人間とロボットとのスムースなコミュニケーションを行う上で有効に機能するものと考えられる。
【0010】
例えば、踏んではならない障害物を避けながら部屋を通り抜ける方法を実地においてロボットに教示するような場合、クローラ式や4足式ロボットのように教える相手が自分と全く違う構造をしているよりも、同じような格好をしている2足歩行ロボットの方がユーザ(作業員)はるかに教え易く、またロボットにとっても教わり易い筈であろう(例えば、高西著「2足歩行ロボットのコントロール」(自動車技術会関東支部<高塑>No.25,1996APRIL)を参照のこと)。そもそも、人間の住環境のほとんどは人間が持つ形態や行動様式に合わせて形成されたものであるから、ロボットが人間型の形態を有していることは人間の住環境との親和性を高める上で必須であるとも言える。
【0011】
人間型ロボットの用途の1つとして、産業活動・生産活動等における各種の難作業の代行が挙げられる。例えば、原子力発電プラントや火力発電プラント、石油化学プラントにおけるメンテナンス作業、製造工場における部品の搬送・組立作業、高層ビルにおける清掃、火災現場その他における救助といったような危険作業・難作業の代行などである。但し、この種の産業利用に特化したロボットは、特定の用途若しくは機能を実現することが設計・製作上の至上の主題であり、2足歩行を前提とはするものの、ヒトやサルなど直立歩行動物が本来持つ身体メカニズムや動作を機械装置として忠実に再現する必要は必ずしもない。例えば、特定用途を実現するために手先の自由度や動作機能を強化する一方で、用途には比較的関係が低いとされる頭部や体幹部(脊椎など)、腰部などの自由度を制限し又を省略することはある程度許容すべきである。この結果、2足歩行と謂えども、ロボットの作業や動作の外観上で、ヒトとしては不自然さが残ることがあるが、かかる点は妥協せざるを得ない。
【0012】
また、人間型ロボットの他の用途として、難作業の代行などの生活支援というよりも、生活密着型、すなわち人間との「共生」という用途が挙げられる。この種のロボットは、ヒトやサルなどの2足の直立歩行を行う動物が本来持つ、全身協調型の動作メカニズムを忠実に再現し、その自然に円滑な動作を実現することを至上の目的とする。また、ヒトやサルなどの知性の高い直立動物をエミュレートする以上、四肢を用いた動作の表現力が豊かであることが望ましい。さらに、予め入力された動作パターンを単に忠実に実行するだけではなく、相手の言葉や態度(「褒める」とか「叱る」、「叩く」など)に呼応した、生き生きとした動作表現を実現することも要求される。この意味において、ヒトを模したエンターティンメント・ロボットは、まさに「人間型ロボット」と呼ぶに相応しい。
【0013】
既に周知のように、人体は数百の関節すなわち数百に上る自由度を備えている。限りなくヒトに近い動作を脚式移動ロボットに付与するためには、ほぼ同じ自由度を与えることが好ましいが、これは技術的には極めて困難である。何故ならば、1つの自由度に対して少なくとも各1つのアクチュエータを配設する必要があるが、数百のアクチュエータをロボットという機械装置上に実装することは、製造コストの点からも、重量やサイズなど設計の観点からも不可能に等しい。また、自由度が多いと、その分だけロボットの位置・動作パターン制御や姿勢安定制御等のための計算量が指数関数的に増大してしまう。
【0014】
このため、人体よりもはるかに少ない数十程度の関節自由度で人間型ロボットを構成するのが一般的である。したがって、少ない自由度を用いてより自然な動作を如何にして実現するかが、人間型ロボットの設計・制御において重要な課題の1つといえる。
【0015】
例えば、脊椎などのように柔軟性を持つ機構が人間の生活の場で多様で複雑な動作をするために重要であることは、人間工学などの観点から既に明らかである。脊椎を意味する体幹関節自由度は、産業的な用途上は存在価値が低いが、エンターティンメントやその他の生活密着型の人間型ロボットには重要である。なお且つ、状況に応じて柔軟さを能動的に調節できることが求められている。
【0016】
また、2足直立歩行を行う脚式移動ロボットは、柔軟な歩行・走行動作(例えば階段の昇降や障害物の乗り越え等)を実現できる点で優れている反面、重心位置が高くなるため、その分だけ姿勢制御や安定歩行制御が難しくなる。特に、生活密着型のロボットの場合、ヒトやサルなどの知性動物における自然な動作や感情を豊かに表現しながら姿勢や安定歩行を制御しなければならない。
【0017】
2足歩行による脚式移動を行うタイプのロボットに関する姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に数多提案されている。ここで言う安定な「歩行」を、「転倒することなく、脚を使って移動すること」と定義することができよう。
【0018】
歩行時には、重力と歩行運動に伴なって生じる加速度によって、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが作用する。いわゆる「ダランベールの原理」によると、それらは路面から歩行系への反作用としての床反力、床反力モーメントとバランスする。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内側にピッチ及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわち「ZMP(Zero Moment Point)」が存在する。
【0019】
ロボットの安定歩行に関する提案の多くは、このZMPを歩行の安定度判別の規範として用いている。ZMP規範に基づく2足歩行パターン生成は、足底着地点を予め設定でき、路面形状に応じた足先の運動学的拘束条件を考慮し易いなどの利点がある。
【0020】
例えば、特開平5−305579号公報には、脚式移動ロボットの歩行制御装置について開示している。同公報に記載の歩行制御装置は、ZMP(Zero Moment Point)すなわち歩行するときの床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点を目標値に一致させるように制御するものである。
【0021】
また、特開平5−305581号公報に記載の脚式移動ロボットは、ZMPが支持多面体(多角形)内部、又は、着地、離床時にZMPが支持多面体(多角形)の端部から少なくとも所定の余裕を有する位置にあるように構成した。この結果、外乱などを受けても所定距離だけZMPの余裕があり、歩行の安定性の向上を図ることができる。
【0022】
また、特開平5−305583号公報には、脚式移動ロボットの歩き速度をZMP目標位置によって制御する点について開示している。すなわち、同公報に記載の脚式移動ロボットは、予め設定された歩行パターン・データを用い、ZMPを目標位置に一致させるように脚部関節を駆動するとともに、上体の傾斜を検出して、その検出値に応じて設定された歩行パターン・データの吐き出し速度を変更するようにしている。この結果、予期しない凹凸を踏んでロボットが例えば前傾するときは吐き出し速度を速めることで姿勢を回復できる。またZMPが目標位置に制御できるので、両脚支持期において吐き出し速度を変更しても支障がない。
【0023】
また、特開平5−305585号公報には、脚式移動ロボットの着地位置をZMP目標位置によって制御する点について開示している。すなわち、同公報に記載の脚式移動ロボットは、ZMP目標位置と実測位置とのずれを検出して、それを解消する様に脚部の一方または双方を駆動するか、又は、ZMP目標位置まわりにモーメントを検出してそれが零になる様に脚部を駆動することで安定歩行を行うようになっている。
【0024】
また、特開平5−305586号公報には、脚式移動ロボットの傾斜姿勢をZMP目標位置によって制御する点について開示している。すなわち、同公報に記載の脚式移動ロボットは、ZMP目標位置まわりのモーメントを検出し、モーメントが生じているときは、それが零になるように脚部を駆動することで安定歩行を行うようになっている。
【0025】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように脚式移動型ロボットの歩行動作に関しては、ZMPを安定度判別度規範に用いた数多の研究・開発が既になされてきている。
【0026】
しかしながら、歩行動作は脚式移動ロボットの基本動作パターンとして重要ではあるが、動作パターンの全てではない。そもそも脚式移動は、柔軟な歩行・走行動作が可能であることが優れた特徴であり、階段の昇降や障害物の乗り越えを行う他、ジャンプ動作、高所からの飛び降り動作も脚式移動ロボットはサポートすべきである。
【0027】
また、エンターティンメント向けの人間型ロボットの場合には、歩行・走行、ジャンプなど、人間の日常生活上の基本的な動作パターンの他に、さらにゲームやスポーツなど、各種の競技種目に関連する全身運動を行うことが期待されている。
【0028】
例えば、脚式移動ロボットにローラ・スケート靴を履かせることにより、床面上を滑動させてもよいであろう。ロボットのローラ・スケーティングへの適用は、単に娯楽性を発揮するだけにとどまらず、通常の歩行動作よりもダイナミックで速い移動作業を、他の機構を変更することなく実現できるという利点もある。例えば、荷物の搬送時などにローラー・スケート靴を履いたロボットを適用することもできるであろう。
【0029】
従来の脚式移動ロボットでは、その自由度構造などの問題から移動速度が比較的遅く(等身大の脚式移動ロボットでは、最大移動速度は2.0Km/h程度)、ダイナミックで高速な移動が困難であった。
【0030】
スケーティングの動作制御を行うことにより移動する脚式移動ロボットの従来例としては、4足歩行ロボット”TITAN”(Proceedings ofthe 1999 IEEE International Conference on Robotics & Automation Detroit, Michigan・May 1999)が挙げられる。しかしながら、TITANは、4足ロボットであり2足による直立歩行を想定したものではなく、また、ヒトのような生命体のメカニズムを真似ることを必ずしも目的とはしていない。また、TITANは上肢を含んだ構成のロボットに関するスケーティング動作制御について提案するものではない。
【0031】
本発明の目的は、それぞれの可動脚が着床及び離床動作を協調的に繰り返し実行することにより柔軟な動作パターンを実現することができる、優れた脚式移動型ロボットのメカニズム及びその制御方法を提供することにある。
【0032】
本発明の更なる目的は、ローラー・スケート靴を履くことにより、通常の歩行よりもダイナミックで高速な移動作業を実現することができる、優れた脚式移動型ロボットのメカニズム及びその制御方法を提供することにある。
【0033】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第1の側面は、2以上の可動脚からなる下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、下肢の運動により各種の動作パターンを実現する脚式移動ロボットであって、
前記可動脚の略最下端に配設された、所定の滑走方向を持つ滑走ユニットと、
前記下肢及び上体を用いた全身運動を動作制御する制御手段とを具備し、
前記制御手段は、前記滑走ユニットの滑走方向と前記移動ロボットの進行方向のなす角度を調整することによって滑走動作に伴なう移動速度を制動することを特徴とする脚式移動ロボットである。
【0034】
ここで言う滑走ユニットとは、たとえば、足底の裏面に複数の回転ローラを装備した「ローラ・スケーティング・ユニット」であり、ローラの回転方向によって規定される滑走方向を備えている。
【0035】
滑走ユニットは、例えば可動脚に対して着脱自在に取り付けられている。したがって、滑走ユニットを取り外すだけで、脚式移動ロボットは、歩行や走行などの通常の脚式移動動作パターンを実行することができる。
【0036】
滑走ユニットは、滑走方向に沿った進行方向にはほとんど摩擦力などの負荷がかからない。このため、各可動脚の滑走ユニットを進行方向に揃えることで、滑走中の移動速度を持続することができる。他方、滑走方向に一致しない(例えば滑走方向と直交する)進行方向では、摩擦力が印加される。このため、滑走開始時や移動速度が減速したときには、1つの可動脚において、滑走ユニットの滑走方向を脚式移動ロボットの進行方向に交叉するように設定するとともに、該可動脚を後方に蹴り出すことによって加速動作を実現することができる。また、滑走期間中においては、滑走ユニットを滑走方向に交叉させて該可動脚を着床することによって路面との間で摩擦力を発生させることで、制動作用を導出することができる。
【0037】
したがって、本発明に係る脚式移動ロボットによれば、通常の関節自由度のみを以って容易に実現し得る動作パターンのみを用いて滑走動作を行い、この結果、ダイナミックで高速な移動動作を行うことができる。
【0038】
脚式移動ロボットが一連の滑走動作を行っている期間中、制御手段は、ZMP軌跡制御により姿勢安定制御を行うことで、滑走中のロボットの転倒を防止することができる。
【0039】
また、脚式移動ロボットは、さらに、前記上体の傾斜及び/又は姿勢を検出する姿勢検出手段と、前記可動脚の着床及び離床を検出する接地確認手段と、滑走動作による移動速度を検出する移動速度検出手段とを備えていてもよい。また、制御手段は、これら姿勢検出手段、接地確認手段、及び移動速度検出手段が検出若しくは算出した結果に基づいて、脚式移動ロボットをZMP軌跡制御による姿勢安定制御を行うことができる。
【0040】
また、本発明の第2の側面は、2以上の可動脚からなる下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、下肢の運動により各種の動作パターンを実現する脚式移動ロボットの動作制御方法であって、前記可動脚の略最下端には所定の滑走方向を持つ滑走ユニット配設されており、
前記滑走ユニットを前記滑走方向に略一致させることによって移動速度を維持するステップと、
前記滑走ユニットの滑走方向を前記脚式移動ロボットの進行方向のなす角度を調整することによって滑走動作に伴なう移動速度を制動するステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの動作制御方法である。
【0041】
前記滑走ユニットは前記可動脚に対して着脱自在に取り付けられていてもよい。
【0042】
また、該動作制御方法は、さらに、各可動脚の滑走ユニットの滑走方向を進行方向に揃えることで、滑走中の移動速度を持続するように制御するステップを備えていてもよい。
【0043】
また、該動作制御方法は、さらに、少なくとも1つの可動脚の滑走ユニットの滑走方向を前記脚式移動ロボットの進行方向に交叉するように設定するとともに該可動脚を後方に蹴り出すことによって加速動作を実現するステップを備えていてもよい。
【0044】
また、該動作制御方法は、さらに、少なくとも1つの可動脚の滑走ユニットの滑走方向を前記脚式移動ロボットの進行方向に交叉するように設定するとともに該可動脚を着床することによって制動作用を導出するステップを備えていてもよい。
【0045】
また、該動作制御方法は、さらに、ZMP軌跡制御により前記脚式移動ロボットの姿勢安定制御を行うステップを備えていてもよい。
【0046】
また、前記脚式移動ロボットは、前記上体の傾斜及び/又は姿勢を検出する姿勢検出手段と、前記可動脚の着床及び離床を検出する接地確認手段と、滑走動作による移動速度を検出する移動速度検出手段とをさらに備え、
該動作制御方法は、さらに、前記姿勢検出手段、接地確認手段、及び移動速度検出手段の少なくとも1つの出力に基づいて、ZMP軌跡制御により前記脚式移動ロボットの姿勢安定制御を行うステップを備えていてもよい。
【0047】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施例や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【0048】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を詳解する。
【0049】
図1及び図2には本発明の実施に供される人間形又は人間型ロボット100を前方及び後方の各々から眺望した様子を示している。
【0050】
本実施例に係る人間型ロボット100は、両足平にローラー・スケーティング・ユニット200を着脱自在に取り付けることができる。図3及び4には、人間型ロボット100の足平にローラ・スケーティング・ユニット200を装着する様子を示している。ローラ・スケーティング・ユニット200は、足底の裏面に1以上のローラが回転自在に取り付けられ、滑走動作を実現するための機構ユニットである。
【0051】
図3に示すように、人間型ロボット100の脚部ユニットの先端(例えば足首関節部の下端)には、断面が逆T字形状のスライダ201が配設されている。他方、ローラ・スケーティング・ユニット200の足平上面には、スライダ201を挿入するガイド・レール202が形設されている。
【0052】
ガイド・レール202の挿入口近傍には、突起状のストッパ203が足平の上面から出没自在に配設されている。図3に示すように、ストッパ203が埋没した状態では、ガイド・レール203の挿入口が完全に開放され、ローラ・スケーティング・ユニット200をその他の足平ユニットと取り外し交換することが可能となる。他方、図4に示すように、ガイド・レール202がスライダ201を完全に受容した状態でストッパ203を最大限に突出させることにより、ローラ・スケーティング・ユニット200を脚部ユニットの先端に固定することができる。
【0053】
図5には、ローラ・スケーティング・ユニット200に取り付けられた検出機構について図解している。ローラ・スケートのような滑走動作を好適に制御するためには、制御用の入力値として足平が床面に接地しているか否かの接地確認と、滑走中の移動速度を検出する必要がある。
【0054】
前者の接地確認に関しては、マイクロ・スイッチ211Aとドグ211Bを用いて検出することができる。すなわち、接地により足平にロボット100の自重が印加され、足平が沈む(すなわち、ドグ211Bが突き上がる)ことによって、マイクロ・スイッチ211Aが作動して、接地の有無を検出することができる。
【0055】
また、移動速度に関しては、ローラの端面に付設されたエンコーダ(回転検出計)213の出力を基に算出することができる。すなわち、エンコードされた回転数とローラの円周の積により移動量が分かり、移動量を経過時間で除算することにより移動速度が算出される。
【0056】
図6及び図7には、両足にローラ・スケーティング・ユニット200を取り付けた人間型ロボット100が路面を滑走する動作を前方及び後方の各々から眺望した様子を示している。
【0057】
図6及び図7を見ても分かるように、スケーティングのために必要な全身運動のパターンは、脚式移動ロボット100の自由度構造上からも許容された動作範囲内である。言い換えれば、ローラ・スケーティング・ユニット200をロボット100の各々の可動脚に適用することによって、標準的に備えた関節自由度のみを以って容易に実現し得る動作パターンを用いて、ロボット100はダイナミックで高速な滑走すなわち移動動作を行うことができる訳である。(但し、人間型ロボット100が滑走動作を行うための全身運動パターンの算出処理等については後述で詳解する。)
【0058】
さらに、図8には、この人間型ロボット100が具備する関節自由度構成を模式的に示している。図示の通り、人間型ロボット100は、2本の腕部と頭部1を含む上体と、移動動作を実現する2本の脚部からなる下肢と、上肢と下肢とを連結する体幹部とで構成される。
【0059】
頭部1を支持する首関節は、首関節ヨー軸2と、首関節ピッチ軸3と、首関節ロール軸4という3自由度を有している。
【0060】
また、各腕部は、肩関節ピッチ軸8と、肩関節ロール軸9と、上腕ヨー軸10と、肘関節ピッチ軸11と、前腕ヨー軸12と、手首関節ピッチ軸13と、手首関節ロール軸14と、手部15とで構成される。手部15は、実際には、複数本の指を含む多関節・多自由度構造体である。但し、手部15の動作自体は、ロボット100の姿勢安定制御や歩行動作制御に対する寄与や影響が少ないので、本明細書ではゼロ自由度と仮定する。したがって、左右の各腕部は7自由度を有するとする。
【0061】
また、体幹部は、体幹ピッチ軸5と、体幹ロール軸6と、体幹ヨー軸7という3自由度を有する。
【0062】
また、下肢を構成する左右各々の脚部は、股関節ヨー軸16と、股関節ピッチ軸17と、股関節ロール軸18と、膝関節ピッチ軸19と、足首関節ピッチ軸20と、関節ロール軸21と、足部(足底)22とで構成される。股関節ピッチ軸17と股関節ロール軸18の交点は、本実施例に係るロボット100の股関節位置を定義するものとする。人体の足部(足底)22は、実際には多関節・多自由度の足底を含んだ構造体であるが、本実施例に係る人間型ロボット100の足底はゼロ自由度とする。したがって、左右の各脚部は6自由度で構成される。
【0063】
以上を総括すれば、本実施例に係る人間型ロボット100全体としては、合計で3+7×2+3+6×2=32自由度を有することになる。但し、エンターティンメント向けの人間型ロボット100が必ずしも32自由度に限定される訳ではない。設計・製作上の制約条件や要求仕様等に応じて、自由度すなわち関節数を適宜増減することができることは言うまでもない。
【0064】
上述したような人間型ロボット100が持つ各自由度は、実際にはアクチュエータを用いて実装される。外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形状に近似させること、2足歩行という不安定構造体に対して姿勢制御を行うことなどの要請から、アクチュエータは小型且つ軽量であることが好ましい。本実施例では、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ACサーボ・アクチュエータを搭載することとした。なお、この種のACサーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願人に既に譲渡されている特願平11−33386号明細書に開示されている。
【0065】
図9には、人間型ロボット100の制御システム構成を模式的に示している。同図に示すように、人間型ロボット100は、ヒトの四肢を表現した各機構ユニット30,40,50R/L,60R/Lと、各機構ユニット間の協調動作を実現するための適応制御を行う制御ユニット80とで構成される(但し、R及びLの各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下同様)。
【0066】
人間型ロボット100全体の動作は、制御ユニット80によって統括的に制御される。制御ユニット80は、CPU(Central ProcessingUnit)チップやメモリ・チップ等の主要回路コンポーネント(図示しない)で構成される主制御部81と、電源装置やロボット100の各構成要素とのデータやコマンドの授受を行うインターフェース(いずれも図示しない)などを含んだ周辺回路82とで構成される。
【0067】
本実施例では、電源装置は、ロボット100を自立的に駆動するためのバッテリを含んだ構成(図9には図示しない)となっている。自立駆動型であれば、人間型ロボット100の物理的な行動半径は、電源ケーブルによる制限を受けず、自由に歩行することができる。また、歩行やその他の上肢を含めた各種の運動時に、電源ケーブルとの干渉を考慮する必要がなくなり、広範囲野移動作業を含む動作の制御が容易になる。
【0068】
図8に示したロボット100内の各関節自由度は、それぞれに対応するアクチュエータによって実現される。すなわち、頭部ユニット30には、首関節ヨー軸2、首関節ピッチ軸3、首関節ロール軸4の各々を表現する首関節ヨー軸アクチュエータA2、首関節ピッチ軸アクチュエータA3、首関節ロール軸アクチュエータA4がそれぞれ配設されている。
【0069】
また、体幹部ユニット40には、体幹ピッチ軸5、体幹ロール軸6、体幹ヨー軸7の各々を表現する体幹ピッチ軸アクチュエータA5、体幹ロール軸アクチュエータA6、体幹ヨー軸アクチュエータA7がそれぞれ配備されている。
【0070】
また、腕部ユニット50R/Lは、上腕ユニット51R/Lと、肘関節ユニット52R/Lと、前腕ユニット53R/Lに細分化されるが、肩関節ピッチ軸8、肩関節ロール軸9、上腕ヨー軸10、肘関節ピッチ軸11、肘関節ロール軸12、手首関節ピッチ軸13、手首関節ロール軸14の各々を表現する肩関節ピッチ軸アクチュエータA8、肩関節ロール軸アクチュエータA9、上腕ヨー軸アクチュエータA10、肘関節ピッチ軸アクチュエータA11、肘関節ロール軸アクチュエータA12、手首関節ピッチ軸アクチュエータA13、手首関節ロール軸アクチュエータA14がそれぞれ配備されている。
【0071】
また、脚部ユニット60R/Lは、大腿部ユニット61R/Lと、膝ユニット62R/Lと、脛部ユニット63R/Lに細分化されるが、股関節ヨー軸16、股関節ピッチ軸17、股関節ロール軸18、膝関節ピッチ軸19、足首関節ピッチ軸20、足首関節ロール軸21の各々を表現する股関節ヨー軸アクチュエータA16、股関節ピッチ軸アクチュエータA17、股関節ロール軸アクチュエータA18、膝関節ピッチ軸アクチュエータA19、足首関節ピッチ軸アクチュエータA20、足首関節ロール軸アクチュエータA21がそれぞれ配備されている。
【0072】
各アクチュエータA2,A3…は、より好ましくは、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニット内に搭載したタイプの小型ACサーボ・アクチュエータ(前述)である。
【0073】
頭部ユニット30、体幹部ユニット40、腕部ユニット50、各脚部ユニット60などの各機構ユニット毎に、アクチュエータ駆動制御用の副制御部35,45,55,65がそれぞれ配備されている。さらに、各脚部60R,Lの足底が着床したか否かを検出する接地確認センサ91及び92、及び移動速度を検出する移動速度センサ94及び95を装着するとともに、体幹部ユニット40内には、姿勢を計測する姿勢センサ93を装備している。
【0074】
本実施例では、姿勢センサ93として加速度センサを用いるものとする。また、接地確認センサ91,92の各々は、図5を参照しながら説明したように、マイクロ・スイッチ211A及びドグ211Bの組み合わせで構成される。また、移動速度センサ94,95の各々は、スケーティング・ユニット200のローラ端面に付設されたエンコーダ213(回転検出計)によって構成される。接地確認センサ91,92の出力により、足底22の着床及び離床期間、ひいては脚部ユニットが滑走脚又は遊脚のいずれであるかを判別することができる。また、滑走脚となっている脚部ユニットのエンコーダ出力を採用することで、ロボット100の滑走速度を算出することができる。また、姿勢センサの出力により、体幹部分の傾きや姿勢を検出することができる。
【0075】
主制御部80は、各センサ91〜93の出力に応答して制御目標をダイナミックに補正することができる。より具体的には、副制御部35,45,55,65の各々に対して適応的な制御を行い、人間型ロボット100の上肢、体幹、及び下肢の協調した動作を実現することができる。主制御部81は、ユーザ・コマンド等に従って、足部運動、ZMP(Zero Moment Point)軌道、体幹運動、上肢運動、腰部高さなどを設定するとともに、これらの設定内容に従った動作を指示するコマンドを各副制御部35,45,55,65に転送する。
【0076】
そして、各々の副制御部35,45…では、主制御部81からの受信コマンドを解釈して、各関節アクチュエータA2,A3…に対して駆動制御信号を出力する。ここで言う「ZMP」とは、歩行中の床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点のことであり、また、「ZMP軌道」とは、例えばロボット100の歩行動作期間中などにZMPが動く軌跡を意味する。
【0077】
次いで、ロボット100に対してローラー・スケート靴を「履かせる」ことにより、歩行よりも高速な移動を実現するための制御手順について説明する。
【0078】
本実施例では、物理的には図8に示す多関節自由度構成を具備する人間型ロボット100を、さらに多質点近似モデルに置き換えて全身運動パターンの算出の演算処理を行うようになっている。現実の人間型ロボット100は、無限のすなわち連続的な質点の集合体であるが、有限数で離散的な質点からなる近似モデルに置き換えることによって、その計算量を削減することが主な目的である。
【0079】
図10には、本実施例に係る全身運動パターンの計算のために導入される、人間型ロボット100の線形且つ非干渉の多質点近似モデルを図解している。
【0080】
図10において、O−XYZ座標系は絶対座標系におけるロール、ピッチ、ヨー各軸を表し、また、O’−X’Y’Z’座標系はロボット100とともに動く運動座標系におけるロール、ピッチ、ヨー各軸を表している。同図に示す多質点モデルでは、iはi番目に与えられた質点を表す添え字であり、miはi番目の質点の質量、r’iはi番目の質点の位置ベクトル(但し運動座標系)を表すものとする。また、後述する腰部運動制御において特に重要な腰部質点の質量はmh、その位置ベクトルはr’h(r’hx,r’hy,r’hz)とし、また、ZMPの位置ベクトルをr’zmpとする。
【0081】
図10に示す非厳密の多質点近似モデルにおいては、モーメント式は線形方程式の形式で記述され、該モーメント式はピッチ軸及びロール軸に関して干渉しない、という点を充分理解されたい。
【0082】
このような多質点近似モデルは、概ね以下の処理手順により生成することができる。
【0083】
(1)ロボット100全体の質量分布を求める。
(2)質点を設定する。質点の設定方法は、設計者のマニュアル入力であっても、所定の規則に従った自動生成のいずれでも構わない。
(3)各領域i毎に、重心を求め、その重心位置と質量miを該当する質点に付与する。
(4)各質点miを、質点位置riを中心とし、その質量に比例した半径に持つ球体として表示する。
(5)現実に連結関係のある質点すなわち球体同士を連結する。
【0084】
多質点近似モデルは、言わば、ワイヤフレーム・モデルの形態でロボット100を表現したものである。本実施例では、図10を見ても判るように、この多質点近似モデルは、両肩、両肘、両手首、体幹、腰部、及び、両足首の各々を質点として設定したものである。
【0085】
なお、図10に示す多質点モデルの腰部情報における各回転角(θhx,θhy,θhz)は、人間型ロボット100における腰部の姿勢すなわちロール、ピッチ、ヨー軸の回転を規定するものである(図11には、ロボット100の多質点近似モデルにおける腰部周辺の拡大図を示しているので、確認されたい)。
【0086】
次いで、本実施例に係る人間型ロボット100が滑走動作を行うための全身運動パターンの算出処理手順について説明する。
【0087】
ロボットは、通常、動作する前に予め生成された運動パターンに従って各関節すなわちアクチュエータを駆動制御することによって、所定の動作を実現するようになっている。本実施例に係るロボット100の場合、任意の足部運動パターン、ZMP軌道、体幹運動パターン、上肢運動パターン等に基づいて、安定したスケーティング運動を可能とする腰部運動パターンを生成するようになっている。ここで言うZMP(Zero Moment Point)軌道とは、脚式移動ロボットにおいて、足底(若しくは足裏)をある一点で床面に固定したとき、歩行やローラ・スケーティングその他の全身運動パターンを実行する期間中において、モーメントが発生しないような点のことを言う(前述)。
【0088】
本実施例のように1つの可動脚が6自由度を持つ脚式移動ロボット(図8を参照のこと)の場合、各足部22R/Lの位置と腰部の水平位置及び高さによって両脚の姿勢が一意に定まる。したがって、スケーティング動作のための腰部運動パターンを生成するということは、脚の姿勢すなわち下肢の「歩容」を決定することに他ならない。(「歩容」(gait)とは、多脚ロボットの動作パターンのうち、特に歩行時における下肢の動作パターン(例えば、足の浮かせ方の順序やそのタイミングなどについてのパターン)のことを意味する技術用語である。多脚ロボットの歩容は、脚の位相差およびデューティ比を用いて表される(日本ロボット学会のロボット学術用語集による)。)
【0089】
図12には、本実施例に係るロボット100が安定したスケーティング動作を実現するための腰部運動の制御処理手順をフローチャートの形式で示している。但し、以下では、図10に示すような線形・非干渉多質点近似モデルを用いてロボット100の各関節位置や動作を記述するものとし、且つ、計算に際し以下の[数1]に示すようなパラメータを用いることとする。また、ダッシュ(´)付きの記号は運動座標系のパラメータ等を記述するものと理解されたい。
【0090】
【数1】
【0091】
また、ロボット100の腰部高さが一定(r’hz+rqz=const)で、且つ、膝部質点がゼロであることを前提とする。
【0092】
図12に示した処理手順は、ロボット100の歩行や身振り・手振りなどの動作を指示する旨のユーザ・コマンド等の入力に応答して開始する。本実施例では、ユーザ・コマンドが指示するロボット100の動作は、スケーティング動作を意味する。但し、ユーザの指示は、その他の動作、例えば、直立不動時の上肢と体幹を用いた身振り・手振り、2足による普通歩行時、2足歩行時における上肢と体幹を用いた身振り・手振りなどを含んでいてもよい。
【0093】
かかるユーザ・コマンドは、主制御部81において解釈され、足部(より具体的には足底)運動、足部運動から導出されるZMP軌道、体幹運動、上肢運動、腰部の姿勢や高さなど、各部の駆動・動作を実際に決定するためのパターンが設定される(ステップS11)。より具体的には、まず足部運動パターン、次いでZMP軌道、体幹運動パターン、そして上肢運動パターンを設定する。また、腰部の運動に関しては、Z’方向のみ設定し、X’及びY’の各方向については未知とする。
【0094】
次に、線形・非干渉多質点近似モデルを用いて、足部、体幹、そして上肢運動により発生する設定ZMP上でのピッチ軸、ロール軸まわりの各モーメント(Mx,My)を算出する(ステップS12)。
【0095】
次いで、線形・非干渉多質点近似モデルを用いて、腰部水平面内運動(r’hx,r’hy)によって発生する設定ZMP上でのモーメントを算出する(ステップS13)。
【0096】
次いで、設定ZMP上におけるモーメントに関する釣り合い式を、ロボットとともに動く運動座標系O’−X’Y’Z’上で導出する(ステップS14)。より具体的には、足部、体幹、そして上肢運動により発生するモーメント(Mx,My)を既知変数の項として右辺に、腰部質点の水平運動に関する項(rhx,rhy)を未知変数の項として左辺にまとめ、下式に示すような線形・非干渉なZMP方程式(1)を導出する。
【0097】
【数2】
【0098】
但し、以下が成立するものとする。
【0099】
【数3】
【0100】
次いで、上記のZMP方程式(1)を解いて、腰部水平面内軌道を算出する(ステップS15)。例えば、オイラー法やルンゲ・クッタ法などの数値的解法(周知)を用いてZMP方程式(1)を解くことで、未知変数としての腰部の水平絶対位置(rhx,rhy)の数値解を求めることができる(ステップS16)。ここで求められる数値解は、安定歩行可能な腰部運動パターンの近似解であり、より具体的にはZMPが目標位置に入るような腰部水平絶対位置である。ZMP目標位置は、通常、着床した足底に設定される。
【0101】
算出された近似解上では予め設定した体幹・上肢運動が実現できない場合には、体幹・上肢運動パターンの再設定・修正を行う(ステップS17)。この際、膝部の軌道を算出してもよい。
【0102】
次いで、上述のようにして得られた全身運動パターンを代入して、厳密モデル(すなわち、剛体、若しくは非常に多くの質点からなるロボット100の精密なモデル)における設定ZMP上のモーメント(eMx,eMy)を算出する(ステップS18)。非厳密モデルでは上記の[数3]が成立することを前提としたが、厳密ではかかる前提を要しない(すなわち時間の変化に対して一定である必要はない)。
【0103】
厳密モデルにおけるモーメント(eMx,eMy)は、腰部運動の発生するモーメント誤差である。続くステップS19では、このモーメント(eMx,eMy)が非厳密モデルにおける近似モーメントの許容値(εMx,εMy)未満か否かを判定する。許容値ε未満であれば、腰部安定運動パターンの厳密解及び安定したスケーティング動作を実現できる全身運動パターンを得ることができたので(ステップS20)、本ルーチン全体を終了する。
【0104】
他方、厳密モデルにおけるモーメント(eMx,eMy)が近似モデルにおけるモーメントの許容値(εMx,εMy)以上であった場合には、厳密モデルにおけるモーメント(eMx,eMy)を用いて近似モデルにおける既知発生モーメント(Mx,My)を修正して(ステップS21)、再びZMP方程式の導出を行い、許容値ε未満に収束するまで、腰部運動パターンの近似解の算出と修正を繰り返し実行する。
【0105】
図12に示す処理手順によれば、可動脚を交互に用いて滑走するローラ・スケーティング動作を行うために、足部運動の他に、体幹運動や上肢運動の設定に基づいて姿勢を安定させる腰部運動を実現することができる。体幹運動や上肢運動とは、身振りや手振りなどのロボットの上半身を用いた表現動作に相当する。また、各可動脚が6自由度からなる脚式移動ロボット100(図8を参照のこと)の場合、各足部22R/Lの位置と腰部の水平位置と高さで、脚の姿勢すなわち下肢の「歩容」が一意に定まるので、腰部運動パターンを生成することは下肢の「歩容」を決定することを意味する。
【0106】
また、図13には、本実施例に係るロボット100において安定したスケーティング動作を行うための、腰部運動の制御処理手順に関する他の例をフローチャートの形式で示している。但し、該処理手順では、上述と同様に、線形・非干渉多質点近似モデルを用いてロボット100の各関節位置や動作を記述するものとする。
【0107】
該処理手順は、ロボット100の歩行や身振り・手振りなどの動作を指示する旨のユーザ・コマンド等の入力に応答して開始する。本実施例では、ユーザ・コマンドが指示するロボット100の動作は、スケーティング動作を意味する。但し、ユーザの指示は、その他の動作、例えば、直立不動時の上肢と体幹を用いた身振り・手振り、2足による普通歩行時、2足歩行時における上肢と体幹を用いた身振り・手振りなどを含んでいてもよい。
【0108】
かかるユーザ・コマンドは、主制御部81において解釈され、足部(より具体的には足底)運動、足部運動から導出されるZMP軌道、体幹運動、上肢運動、腰部の姿勢や高さなど、各部の駆動・動作を実際に決定するためのパターンが設定される(ステップS31)。より具体的には、まず足部運動パターン、次いでZMP軌道、体幹運動パターン、そして上肢運動パターンを設定する。また、腰部の運動に関しては、Z’方向のみ設定し、X’及びY’の各方向については未知とする。
【0109】
次に、線形・非干渉多質点近似モデルを用いて、足部、体幹、そして上肢運動により発生する設定ZMP上でのピッチ軸、ロール軸まわりの各モーメント(Mx,My)を算出する(ステップS32)。
【0110】
次いで、腰部水平面内運動(r’hx,r’hy)をフーリエ級数展開する(ステップS33)。当業界において既に周知のように、フーリエ級数展開することにより、時間軸成分を周波数成分に置き換えて演算することができる。すなわち、この場合には腰部の動きを周期的な動きとして捉えることができる。また、FFT(拘束フーリエ変換)を適用することができるので、計算速度を大幅に向上させることができる。
【0111】
次いで、設定ZMP上でのピッチ軸、ロール軸まわりの各モーメント(Mx,My)についてもフーリエ級数展開する(ステップS34)。
【0112】
次いで、腰部水平面内軌道のフーリエ係数を算出し、さらに逆フーリエ級数展開することで(ステップS35)、腰部運動の近似解が求まる(ステップS36)。ここで求められる近似解は、安定歩行可能な腰部運動パターンを規定する腰部の水平絶対位置の近似解(rhx,rhy)であり、より具体的にはZMPが目標位置に入るような腰部水平絶対位置である。ZMP目標位置は、通常、着床した足底に設定される。
【0113】
算出された近似解上では予め設定した体幹・上肢運動が実現できない場合には、体幹・上肢運動パターンの再設定・修正を行う(ステップS37)。この際、膝部の軌道を算出してもよい。
【0114】
次いで、上述のようにして得られた全身運動パターンを代入して、厳密モデル(すなわち、剛体、若しくは非常に多くの質点からなるロボット100の精密なモデル)における設定ZMP上のモーメント(eMx,eMy)を算出する(ステップS38)。非厳密モデルでは上記の[数3]が成立することを前提としたが、厳密ではかかる前提を要しない(すなわち時間の変化に対して一定である必要はない)。
【0115】
厳密モデルにおけるモーメント(eMx,eMy)は、腰部運動の発生するモーメント誤差である。続くステップS39では、このモーメント(eMx,eMy)が近似モデルにおけるモーメントの許容値(εMx,εMy)未満か否かを判定する。許容値ε未満であれば、腰部安定運動パタンーの厳密解及び安定スケーティング動作を実現できる全身運動パターンを得ることができたので(ステップS40)、本ルーチン全体を終了する。
【0116】
他方、厳密モデルにおけるモーメント(eMx,eMy)が近似モデルにおけるモーメントの許容値(εMx,εMy)以上であった場合には、厳密モデルにおけるモーメント(eMx,eMy)を用いて非厳密モデルにおける既知発生モーメント(Mx,My)を修正して(ステップS41)、再びフーリエ級数展開して、許容値ε未満に収束するまで、腰部運動パターンの近似解の算出と修正を繰り返し実行する。
【0117】
当業者であれば、図13に示す処理手順によっても、図12で示した処理手順と同様、体幹運動や上肢運動の設定に基づいて安定したスケーティング動作が可能な腰部運動を実現することができる、ということを理解できるであろう。特に、ZMP方程式の数値的解法に頼らず、フーリエ級数展開を用いることで、周期運動を高速に求めると同時に、FFT(高速フーリエ変換)を適用することでモーメント計算そのものを高速化することができる。
【0118】
体幹運動や上肢運動とは、身振りや手振りなどのロボットの上半身を用いた表現動作に相当する。また、各可動脚が6個の関節自由度の脚式移動ロボット100(図8を参照のこと)の場合、各足部22R/Lの位置と腰部の高さで脚の姿勢が一意に定まるので、腰部運動パターンを生成することは、脚の姿勢すなわち下肢の「歩容」を決定することを意味する(前述)。
【0119】
図14〜図16には、ローラ・スケーティング・ユニット200を各可動脚に装着した脚式移動ロボット100が、スケーティング動作により直進あるいは左右方向に旋回する運動を行うときの各足底の動きを図解している。
【0120】
図14に示すように、まず右脚の股関節ヨー軸アクチュエータを駆動させるなどして、右足底を、ロボット100の進行方向すなわちピッチ軸とは一致しない向きにする。図示の例では、右足底をx軸すなわちロール軸に略平行になるように移動させている。但し、右脚部ではなく左脚部の方を駆動させてもよい(以下、同様に左右の脚の可動を交換してもよいと解釈されたい)。
【0121】
さらに、右足底を接地させて後方にける動作を行うことによって、左足部に対して移動の初速度V0を印加する。このとき、旋回角度θを所望の値に設定することによって、直進、右旋回、及び左旋回のいずれかを選択することができる。
【0122】
上記した一連の動作中には、ZMPを安定度判定規範とするZMP軌跡制御(図12又は図13を参照のこと)を行うことによって、スケーティング開始時のロボット100の姿勢を安定化させ転倒を防止することができる。
【0123】
直進、右旋回、若しくは左旋回いずれかの方向で滑走を開始し、加速され、移動速度Vtが安定すると、図15に示すように、左右の足底をx軸すなわちロール軸方向に揃える。この結果、ロボット100は、移動方向を維持しつつ移動速度を減衰しながら滑走する。滑走動作中も、ZMP軌跡制御(図12又は図13を参照のこと)を行うことによって、ロボット100の姿勢を安定化させ転倒を防止することができる。
【0124】
移動速度Vtが所定の移動速度まで減衰すると、図16に示すように、左脚の股関節ヨー軸アクチュエータを駆動させるなどして、左足底を、ロボット100の進行方向すなわちピッチ軸とは一致しない向きにする。図示の例では、左足底をx軸すなわちロール軸に略平行になるように移動させている。
【0125】
さらに、左足底を接地させて後方にける動作を行うことによって、左足部に対して移動の初速度V0を印加する。このとき、旋回角度θを所望の値に設定することによって、直進、右旋回、及び左旋回のいずれかを選択することができる。
【0126】
上記した一連の動作中には、ZMPを安定度判定規範とするZMP軌跡制御(図12又は図13を参照のこと)を行うことによって、スケーティング開始時のロボット100の姿勢を安定化させ転倒を防止することができる。
【0127】
図14〜図16に示すような、加速、速度の減衰、加速という動作パターンを順次繰り返すことによって、ロボット100は安定した滑走動作を継続することができる。また、加速の際に旋回角度θを設定することによって、直進、右旋回、及び左旋回を適宜実行して、滑走中に任意の軌跡を描くこともできる。
【0128】
また、図17〜図19には、ローラ・スケーティング・ユニット200を各可動脚に装着した脚式移動ロボット100が、スケーティング動作中に減速及び/又は停止する運動を行うときの各足底の動きを図解している。
【0129】
スケーティングにより滑走中のロボット100を減速しあるいは停止させたいときには、右足底と左足底が平行して前進している状態(図15を参照のこと)から、図17に示すように、右足部若しくは左足部を遊脚させ、その遊脚した足部を滑走路面に接地させて、その際に発生する摩擦力を調整することによって、ロボット100の移動速度Vtを制動することができる。
【0130】
このような一連の制動動作中において、ZMP軌跡制御(図12又は図13を参照のこと)を行うことによって、ロボット100の姿勢を安定化させ転倒を防止することができる。
【0131】
あるいは、右足底と左足底が平行して前進している状態(図15を参照のこと)から、図18に示すように、右足底と左足底の双方を、前端が内側に且つ後端が外側に向くようにすることで、進行方向に摩擦力を印可して、移動速度Vtを減衰せしめる。このとき、進行方向に対する各足底の傾きθを調整することにより、制動を調整することができる。
【0132】
このような一連の制動動作中において、ZMP軌跡制御(図12又は図13を参照のこと)を行うことによって、ロボット100の姿勢を安定化させ転倒を防止することができる。
【0133】
あるいは、回転ローラ部にブレーキ機能を備えて、該ブレーキを制御することによって、ロボット100の移動速度Vtを減衰させ停止させるようにしてもよい(図19を参照のこと)。この場合も、ZMP軌跡制御(図12又は図13を参照のこと)を行うことによって、制動時のロボット100の姿勢を安定化させ転倒を防止することができる。
【0134】
[追補]
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。
【0135】
本明細書中では、ロボットの体幹ピッチ軸5と、体幹ロール軸6と、体幹ヨー軸7という3自由度をロボットの腰部の姿勢(θhx,θhy,θhz)として扱ったが、腰部の位置は人間型ロボット100と現実のヒトやサルなどの2足直立歩行動物の身体メカニズムとの対比により柔軟に解釈されたい。
【0136】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈されるべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【0137】
参考のため、人間型ロボットの関節モデル構成を図20に図解しておく。同図に示す例では、肩関節5から上腕、肘関節6、前腕、手首7及び手部8からなる部分を「上肢」と呼ぶ。また、肩関節5から股関節11までの範囲を「体幹部」と呼び、ヒトの胴体に相当する。また、体幹部のうち特に股関節11から体幹関節10までの範囲を「腰部」と呼ぶ。体幹関節10は、ヒトの背骨が持つ自由度を表現する作用を有する。また、股関節11より下の大腿部12、膝関節14、下腿部13、足首15及び足部16からなる部分を「下肢」と呼ぶ。一般には、股関節より上方を「上体」と呼び、それより下方を「下体」と呼ぶ
【0138】
また、図21には、人間型ロボットの他の関節モデル構成を図解している。同図に示す例は、体幹関節10を有しない点で図20に示した例とは相違する。各部の名称については図を参照されたい。背骨に相当する体幹関節が省略される結果として人間型ロボットの上体の動きは表現力を失う。但し、危険作業や難作業の代行など、産業目的の人間型ロボットの場合、上体の動きを要しない場合がある。なお、図20及び図21で用いた参照番号は、それ以外の図面とは一致しない点を理解されたい。
【0139】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、それぞれの可動脚が着床及び離床動作を協調的に繰り返し実行することにより柔軟な動作パターンを実現することができる、優れた脚式移動型ロボットのメカニズム及びその制御方法を提供することができる。
【0140】
また、本発明によれば、ローラー・スケート靴を履くことにより、通常の歩行よりもダイナミックで高速な移動作業を実現することができる、優れた脚式移動型ロボットのメカニズム及びその制御方法を提供することができる。
【0141】
本発明に係る脚式移動ロボットによれば、各々の可動脚の略最下端に滑走ユニットを装着することで、通常の関節自由度のみを以って容易に実現し得る動作パターンのみを用いて滑走動作を行い、この結果、ダイナミックで高速な移動動作を行うことができる。滑走ユニットは、例えば可動脚に対して着脱自在に取り付けられている。したがって、滑走ユニットを取り外すだけで、脚式移動ロボットは、歩行や走行などの通常の脚式移動動作パターンを実行することができる。
【0142】
滑走ユニットは、滑走方向に沿った進行方向にはほとんど摩擦力などの負荷がかからない。このため、各可動脚の滑走ユニットを進行方向に揃えることで、滑走中の移動速度を持続することができる。他方、滑走方向に一致しない(例えば滑走方向と直交する)進行方向では、摩擦力が印加される。このため、滑走開始時や移動速度が減速したときには、1つの可動脚において、滑走ユニットの滑走方向を脚式移動ロボットの進行方向に交叉するように設定するとともに、該可動脚を後方に蹴り出すことによって加速動作を実現することができる。また、滑走期間中においては、滑走ユニットの滑走方向を脚式移動ロボットの進行方向にに交叉させて該可動脚を着床することによって、路面との間で摩擦力を発生させて、制動作用を導出することができる。
【0143】
また、脚式移動ロボットが一連の滑走動作を行っている期間中、制御手段は、ZMP軌跡制御により姿勢安定制御を行うことで、滑走中のロボットの転倒を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施に供される人間型ロボット100を前方から眺望した様子を示た図である。
【図2】本発明の実施に供される人間型ロボット100を後方から眺望した様子を示た図である。
【図3】人間型ロボット100の足平にローラー・スケーティング・ユニットを装着する様子を示した図である。
【図4】人間型ロボット100の足平にローラー・スケーティング・ユニットを装着する様子を示した図である。
【図5】ローラ・スケーティング・ユニット200に取り付けられた検出機構について図解している。
【図6】両足にローラ・スケーティング・ユニット200を取り付けた人間型ロボット100が路面を滑走する動作を前方から眺望した図である。
【図7】両足にローラ・スケーティング・ユニット200を取り付けた人間型ロボット100が路面を滑走する動作を後方から眺望した図である。
【図8】本実施例に係る人間型ロボット100が具備する自由度構成モデルを模式的に示した図である。
【図9】本実施例に係る人間型ロボット100の制御システム構成を模式的に示した図である。
【図10】本実施例に係る歩行制御の計算のために導入される、人間型ロボット100の線形且つ非干渉の多質点近似モデルを示した図である。
【図11】図10に示したロボット100の多質点近似モデルにおける腰部周辺の拡大図である。
【図12】本実施例に係る人間型ロボット100が安定したスケーティング動作を行うことができる腰部運動の制御処理手順の一例を示したフローチャートである。
【図13】本実施例に係る人間型ロボット100が安定したスケーティング動作を行うことができる腰部運動の制御処理手順の他の例を示したフローチャートである。
【図14】ローラ・スケーティング・ユニット200を各可動脚に装着した脚式移動ロボット100がスケーティング動作を行うときの各足底の動きを示した図であり、より具体的には、ロボット100を直進あるいは左右方向に旋回させるときの足底の動きを示した図である。
【図15】ローラ・スケーティング・ユニット200を各可動脚に装着した脚式移動ロボット100がスケーティング動作を行うときの各足底の動きを示した図であり、より具体的には、ロボット100を直進あるいは左右方向に旋回させるときの足底の動きを示した図である。
【図16】ローラ・スケーティング・ユニット200を各可動脚に装着した脚式移動ロボット100がスケーティング動作を行うときの各足底の動きを示した図であり、より具体的には、ロボット100を直進あるいは左右方向に旋回させるときの足底の動きを示した図である。
【図17】ローラ・スケーティング・ユニット200を各可動脚に装着した脚式移動ロボット100がスケーティング動作を行うときの各足底の動きを示した図であり、より具体的には、ロボット100を減速及び/又は停止させるときの足底の動きを示した図である。
【図18】ローラ・スケーティング・ユニット200を各可動脚に装着した脚式移動ロボット100がスケーティング動作を行うときの各足底の動きを示した図であり、より具体的には、ロボット100を減速及び/又は停止させるときの足底の動きを示した図である。
【図19】ローラ・スケーティング・ユニット200を各可動脚に装着した脚式移動ロボット100がスケーティング動作を行うときの各足底の動きを示した図であり、より具体的には、ロボット100を減速及び/又は停止させるときの足底の動きを示した図である。
【図20】人間型ロボットの関節モデル構成を模式的に示した図である。
【図21】人間型ロボットの関節モデル構成を模式的に示した図である。
【符号の説明】
1…頭部,2…首関節ヨー軸
3…首関節ピッチ軸,4…首関節ロール軸
5…体幹ピッチ軸,6…体幹ロール軸
7…体幹ヨー軸,8…肩関節ピッチ軸
9…肩関節ロール軸,10…上腕ヨー軸
11…肘関節ピッチ軸,12…前腕ヨー軸
13…手首関節ピッチ軸,14…手首関節ロール軸
15…手部,16…股関節ヨー軸
17…股関節ピッチ軸,18…股関節ロール軸
19…膝関節ピッチ軸,20…足首関節ピッチ軸
21…足首関節ロール軸,22…足部(足底)
30…頭部ユニット,40…体幹部ユニット
50…腕部ユニット,51…上腕ユニット
52…肘関節ユニット,53…前腕ユニット
60…脚部ユニット,61…大腿部ユニット
62…膝関節ユニット,63…脛部ユニット
80…制御ユニット,81…主制御部
82…周辺回路
91,92…接地確認センサ
93…姿勢センサ
100…人間型ロボット
200…ローラ・スケーティング・ユニット
201…スライダ
202…ガイド・レール
203…ストッパ
211A…ドグ
211B…マイクロ・スイッチ
213…エンコーダ(回転検出計)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a realistic robot mechanism configured by modeling biological mechanisms and operations, and more particularly to a legged mobile robot that models the body mechanisms of legged mobile animals such as humans and monkeys. Regarding the mechanism.
[0002]
More specifically, the present invention relates to a mechanism and control method for a legged mobile robot in which each movable leg can realize a flexible movement pattern by repeatedly executing landing and leaving movements in a coordinated manner. In particular, the present invention relates to a mechanism and control method for a legged mobile robot that performs a dynamic and high-speed moving operation by attaching a sliding unit such as a roller skate shoe to each movable leg.
[0003]
[Prior art]
It is said that the word “robot” comes from the Slavic word ROBOTA (slave machine). In Japan, robots started to spread from the end of the 1960s, but many of them are industrial robots such as manipulators and transfer robots for the purpose of automating and unmanned production operations in factories. Met.
[0004]
Recently, research and development on legged mobile robots simulating the body mechanisms and movements of biped upright walking such as humans and monkeys has progressed, and expectations for practical use are also increasing. Leg-type movement with two legs standing upright is unstable and difficult to control posture and walking, compared to crawler type, four-legged or six-legged type, etc. It is excellent in that it can realize traveling motion.
[0005]
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-184782 discloses a joint structure applied to a structure corresponding to a lower part of a torso of a legged walking robot.
[0006]
A legged mobile robot that emulates a human biological mechanism or movement is particularly called a “humanoid” or “humanoid robot”. The humanoid robot can provide, for example, life support, that is, support for human activities in various situations in daily life such as a living environment.
[0007]
The significance of researching and developing robots called humanoids or humanoids can be understood from, for example, the following two viewpoints.
[0008]
One is a human scientific viewpoint. In other words, through the process of creating a robot with a structure resembling human lower limbs and / or upper limbs, devising its control method and simulating human walking motion, the mechanism of human natural motion including walking Can be elucidated in engineering. Such research results can be greatly reduced to the progress of various other research fields dealing with human movement mechanisms, such as ergonomics, rehabilitation engineering, or sports science.
[0009]
The other is the development of a robot that supports life as a human partner, that is, supports human activities in various situations in the living environment and other daily lives. This kind of robot needs to learn how to adapt to a person or an environment with different personalities while learning from humans in various aspects of the human living environment, and needs to grow further in terms of functionality. At this time, it is considered that the robot having the “human shape”, that is, the same shape or the same structure as the human, functions effectively for smooth communication between the human and the robot.
[0010]
For example, when teaching the robot how to get through the room while avoiding obstacles that should not be stepped on, rather than having a completely different structure than the one you are teaching, such as a crawler type or quadruped type robot, A biped robot with similar appearance would be much easier for the user (worker) to teach and would be easier for the robot to teach (for example, “Control of biped robot” by Takanishi ( Automobile Engineering Association Kanto Branch <Koyo> No. 25, 1996 APRIL)). In the first place, since most of the human living environment is formed according to the form and behavior of human beings, having a humanoid form increases the affinity with the human living environment. It can be said that it is essential above.
[0011]
One of the uses of the humanoid robot is to perform various difficult operations in industrial activities and production activities. For example, maintenance work at nuclear power plants, thermal power plants, petrochemical plants, transportation and assembly work of parts at manufacturing plants, cleaning of high-rise buildings, substitution of dangerous work and difficult work such as rescue at fire sites etc. . However, robots specializing in this type of industrial use have the ultimate design and production theme of realizing specific uses or functions, and are supposed to be biped, but humans and monkeys stand upright. It is not always necessary to faithfully reproduce the body mechanisms and movements inherent to walking animals as mechanical devices. For example, while strengthening the degree of freedom and movement functions of the hand to realize a specific application, it limits the degree of freedom of the head, trunk (such as the spine), and the waist, which are relatively unrelated to the application. It should be allowed to some extent to omit it. As a result, biped walking and so-called edo may remain unnatural for humans in terms of the appearance of robot work and operations, but this point must be compromised.
[0012]
Further, as another use of the humanoid robot, there is a use that is close to life, that is, “symbiosis” with a human, rather than life support such as substitution of difficult work. This type of robot is designed to faithfully reproduce the whole body cooperative movement mechanism inherent in animals that walk on two legs upright, such as humans and monkeys, and to achieve its natural and smooth movement. To do. In addition, as long as it emulates highly intelligent upright animals such as humans and monkeys, it is desirable that the expression of movement using the extremities is rich. Furthermore, not only to faithfully execute the pre-input motion pattern, but also to realize a lively motion expression that responds to the opponent's language and attitude (such as “praise”, “speak”, “beat”). Is also required. In this sense, an entertainment robot that imitates humans is just right to call it a “humanoid robot”.
[0013]
As already known, the human body has hundreds of joints, or hundreds of degrees of freedom. It is preferable to give almost the same degree of freedom in order to give the movement to the legged mobile robot as close as possible to a human, but this is extremely difficult technically. This is because it is necessary to arrange at least one actuator for each degree of freedom. However, mounting several hundred actuators on a mechanical device called a robot is difficult in terms of manufacturing cost. This is impossible from the design point of view. In addition, if the degree of freedom is large, the amount of calculation for the position / motion pattern control, posture stability control, and the like of the robot increases exponentially.
[0014]
For this reason, it is common to construct a humanoid robot with joint degrees of freedom of about several tens, which is much smaller than the human body. Therefore, it can be said that one of the important issues in the design and control of a humanoid robot is how to realize a more natural motion using a small degree of freedom.
[0015]
For example, it is already clear from the viewpoint of ergonomics that a flexible mechanism such as the spine is important for performing various and complex operations in the human life. The degree of freedom of trunk joints, which means the spine, has low value for industrial applications, but is important for entertainment and other life-oriented humanoid robots. Moreover, it is required that the flexibility can be actively adjusted according to the situation.
[0016]
In addition, legged mobile robots that perform biped upright walking are superior in that they can realize flexible walking and running operations (for example, raising and lowering stairs and getting over obstacles), but the center of gravity is higher, so Posture control and stable walking control become difficult by the amount. In particular, in the case of robots that are closely linked to daily life, postures and stable walking must be controlled while richly expressing natural movements and emotions in intelligent animals such as humans and monkeys.
[0017]
Numerous techniques related to posture control and stable walking have been proposed for robots of the type that perform legged movement by biped walking. Stable “walking” here can be defined as “moving with legs without falling down”.
[0018]
At the time of walking, gravity, inertial force, and these moments act on the road surface from the walking system due to gravity and acceleration caused by walking motion. According to the so-called “Dalambert principle”, they balance with the floor reaction force and the floor reaction force moment as a reaction from the road surface to the walking system. As a result of the dynamic reasoning, there is a point where the pitch and roll axis moment become zero on the side of the support polygon formed by the sole contact point and the road surface, or “ZMP (Zero Moment Point)”.
[0019]
Many of the proposals regarding the stable walking of the robot use this ZMP as a standard for determining the stability of walking. The biped walking pattern generation based on the ZMP norm has advantages such that a foot landing point can be set in advance and it is easy to consider the kinematic constraint conditions of the foot according to the road surface shape.
[0020]
For example, JP-A-5-305579 discloses a walking control device for a legged mobile robot. The walking control device described in this publication controls ZMP (Zero Moment Point), that is, a point on the floor where the moment caused by the floor reaction force when walking is zero to coincide with the target value.
[0021]
Further, in the legged mobile robot described in Japanese Patent Laid-Open No. 5-305581, the ZMP is at least a predetermined margin from the inside of the support polyhedron (polygon) or from the end of the support polyhedron (polygon) when landing or getting off the floor. It was comprised so that it might be in the position which has. As a result, even if a disturbance or the like is received, there is a ZMP margin for a predetermined distance, and the stability of walking can be improved.
[0022]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-305583 discloses that the walking speed of a legged mobile robot is controlled by the ZMP target position. That is, the legged mobile robot described in the publication uses the walking pattern data set in advance, drives the leg joint so that the ZMP matches the target position, detects the inclination of the upper body, The discharge speed of the walking pattern data set according to the detected value is changed. As a result, when the robot leans forward, for example, by stepping on unexpected irregularities, the posture can be recovered by increasing the discharge speed. In addition, since the ZMP can be controlled to the target position, there is no problem even if the discharge speed is changed during the both-leg support period.
[0023]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-305585 discloses that the landing position of a legged mobile robot is controlled by the ZMP target position. That is, the legged mobile robot described in the publication detects a deviation between the ZMP target position and the actually measured position and drives one or both of the legs so as to eliminate it, or around the ZMP target position. A stable walking is performed by detecting the moment and driving the leg so that it becomes zero.
[0024]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-305586 discloses that the tilting posture of a legged mobile robot is controlled by the ZMP target position. In other words, the legged mobile robot described in the publication detects a moment around the ZMP target position, and when a moment is generated, drives the leg so that the moment becomes zero, so that a stable walking is performed. It has become.
[0025]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, many researches and developments using ZMP as a stability discriminant criterion have already been made regarding the walking motion of a legged mobile robot.
[0026]
However, although the walking motion is important as the basic motion pattern of the legged mobile robot, it is not all of the motion pattern. In the first place, the leg-type movement is characterized by its flexible walking and running movements, and it is also a leg-type mobile robot that moves up and down stairs and climbs over obstacles, and jumps and jumps from high places. Should be supported.
[0027]
In addition, in the case of a humanoid robot for entertainment, in addition to basic movement patterns in daily life such as walking, running, jumping, etc., it is related to various competition events such as games and sports. Expected to do full body exercise.
[0028]
For example, a legged mobile robot could be slid on the floor by putting on roller skates. The application of the robot to roller skating is not limited to providing amusement, but also has an advantage that a moving work that is dynamic and faster than a normal walking motion can be realized without changing other mechanisms. For example, it may be possible to apply a robot wearing roller skates when transporting luggage.
[0029]
In conventional legged mobile robots, the moving speed is relatively slow due to problems such as the degree of freedom structure (the maximum moving speed is about 2.0 Km / h in a life-size legged mobile robot), and dynamic and high-speed movement is possible. It was difficult.
[0030]
A conventional example of a legged mobile robot that moves by performing skating motion control is a quadruped walking robot “TITAN” (Proceedings of the 1999 IEEE International Conference on Robotics & Automation Detroit, Michigan May 1999). However, TITAAN is a quadruped robot and is not intended to walk upright with two legs, and does not necessarily aim to imitate the mechanism of a living organism such as a human. In addition, TITAan does not propose skating motion control for a robot including an upper limb.
[0031]
An object of the present invention is to provide an excellent mechanism and control method for a legged mobile robot in which each movable leg can realize a flexible motion pattern by repeatedly performing landing and leaving motions cooperatively. It is to provide.
[0032]
A further object of the present invention is to provide an excellent mechanism for a legged mobile robot and a method for controlling the same, which can realize a dynamic and high-speed moving operation as compared with normal walking by wearing roller skates. There is to do.
[0033]
[Means and Actions for Solving the Problems]
The present invention has been made in consideration of the above-mentioned problems, and a first side surface of the present invention is composed of a lower limb composed of two or more movable legs and an upper body disposed above the lower limb. It is a legged mobile robot that realizes various motion patterns by the movement of
A sliding unit having a predetermined sliding direction disposed at a substantially lowermost end of the movable leg;
Control means for controlling the whole body movement using the lower limbs and upper body,
The control means is a legged mobile robot that brakes a moving speed associated with a sliding operation by adjusting an angle formed by a sliding direction of the sliding unit and a traveling direction of the mobile robot.
[0034]
The sliding unit mentioned here is, for example, a “roller skating unit” equipped with a plurality of rotating rollers on the bottom surface of the sole, and has a sliding direction defined by the rotation direction of the rollers.
[0035]
The sliding unit is detachably attached to the movable leg, for example. Therefore, the legged mobile robot can execute a normal legged movement operation pattern such as walking or running only by removing the sliding unit.
[0036]
The sliding unit hardly receives a load such as a frictional force in the traveling direction along the sliding direction. For this reason, the moving speed during sliding can be maintained by aligning the sliding units of the movable legs in the traveling direction. On the other hand, a frictional force is applied in a traveling direction that does not coincide with the sliding direction (for example, orthogonal to the sliding direction). For this reason, at the start of sliding or when the moving speed is reduced, the sliding direction of the sliding unit is set so as to cross the traveling direction of the legged mobile robot in one movable leg, and the movable leg is kicked backward. Thus, acceleration operation can be realized. Further, during the sliding period, the braking action can be derived by generating frictional force with the road surface by crossing the sliding unit in the sliding direction and landing the movable leg.
[0037]
Therefore, according to the legged mobile robot according to the present invention, the sliding motion is performed using only the motion pattern that can be easily realized with only the normal joint degrees of freedom. It can be carried out.
[0038]
During the period in which the legged mobile robot performs a series of sliding operations, the control means can prevent the robot from falling over by performing posture stability control by ZMP trajectory control.
[0039]
Further, the legged mobile robot further detects posture of the upper body and / or posture detecting means, a grounding confirmation means for detecting landing and leaving of the movable leg, and detecting a moving speed by the sliding motion. And a moving speed detecting means. Further, the control means can perform the attitude stability control by the ZMP trajectory control of the legged mobile robot based on the results detected or calculated by the attitude detection means, the ground contact confirmation means, and the movement speed detection means.
[0040]
The second aspect of the present invention is a leg type that includes a lower limb composed of two or more movable legs and an upper body disposed above the lower limb, and realizes various operation patterns by movement of the lower limb. A mobile robot operation control method, wherein a sliding unit having a predetermined sliding direction is disposed at a substantially lowermost end of the movable leg,
Maintaining the moving speed by making the sliding unit substantially coincide with the sliding direction;
Braking the moving speed associated with the sliding operation by adjusting the angle between the sliding direction of the sliding unit and the traveling direction of the legged mobile robot;
An operation control method for a legged mobile robot, comprising:
[0041]
The sliding unit may be detachably attached to the movable leg.
[0042]
Further, the operation control method may further include a step of controlling the moving speed during the sliding so as to be maintained by aligning the sliding direction of the sliding unit of each movable leg with the traveling direction.
[0043]
Further, the motion control method further includes setting the sliding direction of the sliding unit of at least one movable leg so as to cross the traveling direction of the legged mobile robot, and accelerating operation by kicking the movable leg backward. There may be provided a step of realizing.
[0044]
Further, the operation control method further sets the sliding direction of the sliding unit of at least one movable leg so as to cross the traveling direction of the legged mobile robot and applies a braking action by landing the movable leg. A step of deriving may be provided.
[0045]
The motion control method may further include a step of performing posture stability control of the legged mobile robot by ZMP trajectory control.
[0046]
The legged mobile robot detects posture of the upper body and / or posture, a grounding confirmation unit for detecting landing and leaving of the movable leg, and a moving speed by a sliding motion. A moving speed detecting means;
The operation control method further includes a step of performing posture stability control of the legged mobile robot by ZMP trajectory control based on at least one output of the posture detection unit, the ground contact confirmation unit, and the movement speed detection unit. May be.
[0047]
Other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from a more detailed description based on embodiments of the present invention described later and the accompanying drawings.
[0048]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0049]
FIG. 1 and FIG. 2 show a state in which the humanoid or humanoid robot 100 used for carrying out the present invention is viewed from the front and the rear.
[0050]
The humanoid robot 100 according to the present embodiment can detachably attach the roller skating unit 200 to both feet. 3 and 4 show how the roller skating unit 200 is mounted on the foot of the humanoid robot 100. FIG. The roller skating unit 200 is a mechanism unit that realizes a sliding operation with one or more rollers rotatably attached to the back surface of the sole.
[0051]
As shown in FIG. 3, a slider 201 having an inverted T-shaped cross section is disposed at the tip of the leg unit of the humanoid robot 100 (for example, the lower end of the ankle joint). On the other hand, a
[0052]
In the vicinity of the insertion opening of the
[0053]
FIG. 5 illustrates a detection mechanism attached to the roller skating unit 200. In order to suitably control the sliding motion such as roller skating, it is necessary to check whether the foot is in contact with the floor as an input value for control and to detect the moving speed during the sliding. is there.
[0054]
The former grounding confirmation can be detected using the micro switch 211A and the dog 211B. That is, the dead weight of the robot 100 is applied to the foot by the grounding, and the foot sinks (that is, the dog 211B is pushed up), so that the micro switch 211 A Can be operated to detect the presence or absence of grounding.
[0055]
Further, the moving speed can be calculated based on the output of an encoder (rotation detector) 213 attached to the end face of the roller. That is, the amount of movement is determined by the product of the encoded rotation speed and the circumference of the roller, and the movement speed is calculated by dividing the amount of movement by the elapsed time.
[0056]
FIG. 6 and FIG. 7 show a state in which the humanoid robot 100 with the roller skating unit 200 attached to both feet looks at the movement of sliding on the road surface from the front and the rear.
[0057]
As can be seen from FIGS. 6 and 7, the pattern of whole body motion necessary for skating is within an allowable motion range from the viewpoint of the degree of freedom structure of the legged mobile robot 100. In other words, by applying the roller skating unit 200 to each movable leg of the robot 100, using the motion pattern that can be easily realized with only the joint degrees of freedom provided as standard, the robot 100 Is a dynamic and fast sliding or moving movement. (However, the calculation process of the whole body movement pattern for the humanoid robot 100 to perform the sliding motion will be described in detail later.)
[0058]
Further, FIG. 8 schematically shows a joint degree-of-freedom configuration of the humanoid robot 100. As shown in the figure, the humanoid robot 100 includes an upper body including two arms and a
[0059]
The neck joint that supports the
[0060]
Each arm portion includes a shoulder
[0061]
The trunk has three degrees of freedom: a
[0062]
Further, the left and right legs constituting the lower limb are a hip
[0063]
In summary, the entire humanoid robot 100 according to the present embodiment has a total of 3 + 7 × 2 + 3 + 6 × 2 = 32 degrees of freedom. However, the humanoid robot 100 for entertainment is not necessarily limited to 32 degrees of freedom. It goes without saying that the degree of freedom, that is, the number of joints, can be increased or decreased as appropriate in accordance with design and manufacturing constraints and required specifications.
[0064]
Each degree of freedom of the humanoid robot 100 as described above is actually implemented using an actuator. It is preferable that the actuator be small and light in light of demands such as eliminating the appearance of extra bulges on the appearance and approximating the shape of a human body, and performing posture control on an unstable structure such as biped walking. . In this embodiment, a small AC servo actuator of a gear direct connection type and a servo control system of a single chip built in a motor unit is mounted. This type of AC servo actuator is disclosed in, for example, Japanese Patent Application No. 11-33386, which has already been assigned to the present applicant.
[0065]
FIG. 9 schematically shows a control system configuration of the humanoid robot 100. As shown in the figure, the humanoid robot 100 performs adaptive control for realizing cooperative operation between each
[0066]
The entire operation of the humanoid robot 100 is controlled by the
[0067]
In this embodiment, the power supply apparatus has a configuration (not shown in FIG. 9) including a battery for driving the robot 100 independently. If it is a self-supporting drive type, the physical action radius of the humanoid robot 100 can be freely walked without being restricted by the power cable. In addition, it is not necessary to consider interference with the power cable during various exercises including walking and other upper limbs, and the operation control including the wide field movement work becomes easy.
[0068]
Each degree of freedom of joint in the robot 100 shown in FIG. 8 is realized by a corresponding actuator. That is, the head unit 30 includes a neck joint yaw axis actuator A that represents the neck
[0069]
The
[0070]
Further, the arm unit 50R / L is subdivided into an
[0071]
The
[0072]
Each actuator A 2 , A Three Is more preferably a small AC servo actuator (described above) of a gear direct connection type and a servo control system that is mounted on a motor unit in a single chip.
[0073]
For each mechanism unit such as the head unit 30, the
[0074]
In this embodiment, an acceleration sensor is used as the attitude sensor 93. In addition, each of the ground confirmation sensors 91 and 92 includes a combination of the micro switch 211A and the dog 211B as described with reference to FIG. Each of the moving speed sensors 94 and 95 is configured by an encoder 213 (rotation detector) attached to the roller end surface of the skating unit 200. Based on the outputs of the ground contact confirmation sensors 91 and 92, it is possible to determine whether the
[0075]
The
[0076]
Each
[0077]
Next, a description will be given of a control procedure for realizing a movement faster than walking by “putting” the robot 100 with roller skates.
[0078]
In the present embodiment, the humanoid robot 100 having the multi-joint degree of freedom configuration shown in FIG. 8 is physically replaced with a multi-mass point approximation model to perform the calculation process of the whole body motion pattern. . The actual humanoid robot 100 is an infinite, that is, a collection of continuous mass points, but its main purpose is to reduce the amount of calculation by replacing it with an approximate model consisting of a finite number of discrete mass points. is there.
[0079]
FIG. 10 illustrates a linear and non-interfering multi-mass point approximation model of the humanoid robot 100 introduced for the calculation of the whole body motion pattern according to the present embodiment.
[0080]
In FIG. 10, the O-XYZ coordinate system represents the roll, pitch, and yaw axes in the absolute coordinate system, and the O′-X′Y′Z ′ coordinate system represents the roll, pitch, Each axis of yaw is represented. In the multi-mass model shown in the figure, i is a subscript representing the i-th given mass, m i Is the mass of the i-th mass point, r ' i Represents the position vector of the i-th mass point (however, the motion coordinate system). The mass of the lumbar mass point, which is particularly important in lumbar motion control described later, is m h The position vector is r ′ h (R ' hx , R ' hy , R ' hz ) And the position vector of ZMP is r ′ zmp And
[0081]
In the inexact multi-mass point approximation model shown in FIG. 10, it should be fully understood that the moment formula is described in the form of a linear equation, and the moment formula does not interfere with the pitch axis and the roll axis.
[0082]
Such a multi-mass point approximation model can be generated by the following processing procedure.
[0083]
(1) The mass distribution of the entire robot 100 is obtained.
(2) Set the mass point. The mass point setting method may be manual input by the designer or automatic generation according to a predetermined rule.
(3) For each region i, the center of gravity is obtained, and the position of the center of gravity and mass m i Is assigned to the relevant mass point.
(4) Each mass point m i , The mass position r i Is displayed as a sphere with a radius proportional to its mass.
(5) The mass points that are actually connected, that is, the spheres are connected.
[0084]
In other words, the multi-mass point approximation model represents the robot 100 in the form of a wire frame model. In the present embodiment, as can be seen from FIG. 10, this multi-mass point approximation model is set with each of shoulders, elbows, wrists, trunk, waist, and both ankles as mass points. .
[0085]
Note that each rotation angle (θ in the waist information of the multi-mass model shown in FIG. hx , Θ hy , Θ hz ) Regulates the posture of the waist in the humanoid robot 100, that is, the rotation of the roll, pitch, and yaw axes (FIG. 11 shows an enlarged view around the waist in the multi-mass point approximation model of the robot 100. Want to be confirmed).
[0086]
Next, a whole body motion pattern calculation processing procedure for the humanoid robot 100 according to the present embodiment to perform a sliding motion will be described.
[0087]
A robot normally realizes a predetermined operation by driving and controlling each joint, that is, an actuator, according to a motion pattern generated in advance before the operation. In the case of the robot 100 according to the present embodiment, based on an arbitrary foot movement pattern, ZMP trajectory, trunk movement pattern, upper limb movement pattern, etc., a lumbar movement pattern that enables stable skating movement is generated. It has become. ZMP (Zero Moment Point) trajectory here refers to a legged mobile robot that performs walking, roller skating, and other whole body movement patterns when the sole (or sole) is fixed to the floor at a certain point. This is the point where no moment is generated during the period (described above).
[0088]
In the case of a legged mobile robot in which one movable leg has six degrees of freedom as in this embodiment (see FIG. 8), the position of both legs depends on the position of each foot 22R / L and the horizontal position and height of the waist. The posture is uniquely determined. Therefore, generating a lumbar movement pattern for a skating action is nothing but determining the leg posture, that is, the “gait” of the lower limbs. (“Gait” means a movement pattern of the lower limbs during walking, for example, a movement pattern of a multi-legged robot (for example, a pattern regarding the order and timing of how to lift a foot). A technical term, the gait of a multi-legged robot is expressed using the phase difference and duty ratio of the legs (according to the Robotic Scientific Glossary of the Robotics Society of Japan).
[0089]
FIG. 12 is a flowchart showing a control process procedure of the lumbar movement for realizing a stable skating operation by the robot 100 according to the present embodiment. However, in the following, each joint position and operation of the robot 100 will be described using a linear / non-interference multi-mass point approximation model as shown in FIG. 10, and as shown in the following [Formula 1] in the calculation. Parameters will be used. In addition, it should be understood that symbols with a dash (') describe parameters of the motion coordinate system.
[0090]
[Expression 1]
[0091]
Further, the waist height of the robot 100 is constant (r ′ hz + R qz = Const) and the knee mass point is assumed to be zero.
[0092]
The processing procedure shown in FIG. 12 is started in response to an input of a user command or the like for instructing the robot 100 to perform an operation such as walking, gesturing, or hand shaking. In this embodiment, the operation of the robot 100 indicated by the user command means a skating operation. However, the user's instructions are other actions, for example, gestures / hand gestures using the upper limbs and trunk when standing upright, during normal walking with two legs, gestures / gestures using upper limbs and trunk during two-legged walking Etc. may be included.
[0093]
Such a user command is interpreted by the
[0094]
Next, using the linear / non-interference multi-mass point approximation model, moments around the pitch axis and roll axis on the set ZMP generated by the foot, trunk, and upper limb movements (M x , M y ) Is calculated (step S12).
[0095]
Next, the motion in the lumbar horizontal plane (r ′ hx , R ' hy ) To calculate the moment on the set ZMP (step S13).
[0096]
Next, a balance equation regarding the moment on the set ZMP is derived on the motion coordinate system O′-X′Y′Z ′ that moves with the robot (step S14). More specifically, the moment generated by the foot, trunk, and upper limb movements (M x , M y ) On the right side as a term of a known variable, and a term (r hx , R hy ) On the left side as unknown variable terms, and a linear and non-interfering ZMP equation (1) as shown in the following equation is derived.
[0097]
[Expression 2]
[0098]
However, the following shall hold.
[0099]
[Equation 3]
[0100]
Next, the above-mentioned ZMP equation (1) is solved to calculate the waist horizontal plane trajectory (step S15). For example, by solving the ZMP equation (1) using a numerical solution (well-known) such as the Euler method or the Runge-Kutta method, the horizontal absolute position of the waist (r hx , R hy ) Can be obtained (step S16). The numerical solution obtained here is an approximate solution of a waist motion pattern that enables stable walking, and more specifically, a waist horizontal absolute position where ZMP enters the target position. The ZMP target position is usually set at the planted sole.
[0101]
When the trunk / upper limb movement set in advance cannot be realized on the calculated approximate solution, the trunk / upper limb movement pattern is reset / corrected (step S17). At this time, the knee trajectory may be calculated.
[0102]
Next, the whole body motion pattern obtained as described above is substituted, and the moment (eM on the set ZMP in the exact model (that is, a precise model of the robot 100 consisting of a rigid body or a very large number of mass points). x , EM y ) Is calculated (step S18). In the inexact model, it is assumed that the above [Equation 3] holds, but in the strict case, such an assumption is not required (that is, it is not necessary to be constant with respect to a change in time).
[0103]
Moment in exact model (eM x , EM y ) Is a moment error generated by the waist motion. In the subsequent step S19, this moment (eM x , EM y ) Is the allowable value of the approximate moment in the inexact model (εM x , ΕM y ) It is determined whether it is less than. If it is less than the allowable value ε, the whole body motion pattern capable of realizing the exact solution of the waist stable motion pattern and the stable skating motion can be obtained (step S20), and the entire routine is terminated.
[0104]
On the other hand, the moment in the exact model (eM x , EM y ) Is the allowable moment (εM) in the approximate model x , ΕM y ) Or more, the moment in the exact model (eM x , EM y ) To the known generated moment (M x , M y ) Is corrected (step S21), the ZMP equation is derived again, and the calculation and correction of the approximate solution of the waist motion pattern are repeatedly executed until the ZMP equation converges below the allowable value ε.
[0105]
According to the processing procedure shown in FIG. 12, in order to perform the roller skating operation that slides using the movable legs alternately, the posture is stabilized based on the settings of the trunk motion and the upper limb motion in addition to the foot motion. Can be realized. Trunk exercises and upper limb exercises correspond to expression operations using the upper body of the robot such as gestures and hand gestures. Further, in the case of a legged mobile robot 100 (see FIG. 8) in which each movable leg has six degrees of freedom, the leg posture, that is, the lower limb is determined by the position of each foot 22R / L and the horizontal position and height of the waist. Since the “gait” is uniquely determined, generating the lumbar movement pattern means determining the “gait” of the lower limbs.
[0106]
FIG. 13 is a flowchart showing another example related to the control process procedure of the lower back motion for performing a stable skating operation in the robot 100 according to the present embodiment. However, in this processing procedure, as described above, the joint positions and operations of the robot 100 are described using a linear / non-interference multi-mass point approximation model.
[0107]
The processing procedure starts in response to an input of a user command or the like for instructing the robot 100 to perform an operation such as walking, gesturing, or hand gesture. In this embodiment, the operation of the robot 100 indicated by the user command means a skating operation. However, the user's instructions are other actions such as gestures / hand gestures using the upper limbs and trunk when standing upright, during normal walking with two legs, and gestures / gestures using upper limbs and trunk during two-legged walking. Etc. may be included.
[0108]
Such a user command is interpreted by the
[0109]
Next, using the linear / non-interference multi-mass point approximation model, moments around the pitch axis and roll axis on the set ZMP generated by the foot, trunk, and upper limb movements (M x , M y ) Is calculated (step S32).
[0110]
Next, exercise in the lumbar horizontal plane (r ′ hx , R ' hy ) Is expanded into a Fourier series (step S33). As already well known in the art, the time series component can be replaced with the frequency component for calculation by expanding the Fourier series. That is, in this case, the movement of the waist can be regarded as a periodic movement. Moreover, since FFT (constrained Fourier transform) can be applied, the calculation speed can be greatly improved.
[0111]
Next, each moment (M x , M y ) Is also expanded by Fourier series (step S34).
[0112]
Next, the Fourier coefficient of the lumbar horizontal plane trajectory is calculated, and further developed by inverse Fourier series (step S35), whereby an approximate solution of the lumbar motion is obtained (step S36). The approximate solution obtained here is an approximate solution of the horizontal absolute position of the waist (r hx , R hy More specifically, it is the waist horizontal absolute position where ZMP enters the target position. The ZMP target position is usually set at the planted sole.
[0113]
If the preset trunk / upper limb movement cannot be realized on the approximate solution, the trunk / upper limb movement pattern is reset / corrected (step S37). At this time, the knee trajectory may be calculated.
[0114]
Next, the whole body motion pattern obtained as described above is substituted, and the moment (eM on the set ZMP in the exact model (that is, a precise model of the robot 100 consisting of a rigid body or a very large number of mass points). x , EM y ) Is calculated (step S38). In the inexact model, it is assumed that the above [Equation 3] holds, but in the strict case, such an assumption is not required (that is, it is not necessary to be constant with respect to a change in time).
[0115]
Moment in exact model (eM x , EM y ) Is a moment error generated by the waist motion. In the subsequent step S39, this moment (eM x , EM y ) Is the allowable moment (εM) in the approximate model x , ΕM y ) It is determined whether it is less than. If it is less than the allowable value ε, the whole body motion pattern capable of realizing the exact solution of the waist stable motion pattern and the stable skating operation can be obtained (step S40), and the entire routine is terminated.
[0116]
On the other hand, the moment in the exact model (eM x , EM y ) Is the allowable moment (εM) in the approximate model x , ΕM y ) Or more, the moment in the exact model (eM x , EM y ) To the known moment (M x , M y ) (Step S41), the Fourier series expansion is performed again, and the calculation and correction of the approximate solution of the waist motion pattern are repeated until convergence to below the allowable value ε.
[0117]
A person skilled in the art will realize a waist exercise that can perform a stable skating operation based on the settings of trunk exercise and upper limb exercise as well as the procedure shown in FIG. 12 by the processing procedure shown in FIG. You will understand that you can. In particular, by using Fourier series expansion without relying on the numerical solution of the ZMP equation, periodic motion can be obtained at high speed, and at the same time, the moment calculation itself can be speeded up by applying FFT (Fast Fourier Transform). .
[0118]
Trunk exercises and upper limb exercises correspond to expression operations using the upper body of the robot such as gestures and hand gestures. When each movable leg is a legged mobile robot 100 (see FIG. 8) having six joint degrees of freedom, the leg posture is uniquely determined by the position of each foot 22R / L and the height of the waist. Therefore, generating a lumbar movement pattern means determining the posture of the leg, that is, the “gait” of the lower limb (described above).
[0119]
FIGS. 14 to 16 show the movements of the soles when the legged mobile robot 100 with the roller skating unit 200 attached to each movable leg performs a straight motion or a left-right turn motion by a skating operation. Is illustrated.
[0120]
As shown in FIG. 14, first, the hip joint yaw axis actuator of the right leg is driven, for example, so that the right sole is oriented not to coincide with the traveling direction of the robot 100, that is, the pitch axis. In the illustrated example, the right sole is moved so as to be substantially parallel to the x axis, that is, the roll axis. However, the left leg may be driven instead of the right leg (hereinafter, it should be construed that the movement of the left and right legs may be exchanged similarly).
[0121]
Furthermore, the initial velocity V of the movement with respect to the left foot is obtained by moving the right sole to the ground and moving backward. 0 Apply. At this time, by setting the turning angle θ to a desired value, it is possible to select any one of straight travel, right turn, and left turn.
[0122]
During the above-described series of operations, ZMP trajectory control (see FIG. 12 or 13) with ZMP as a stability determination standard is performed to stabilize the posture of the robot 100 at the start of skating and toppling over. Can be prevented.
[0123]
Starts gliding in one of the straight, right or left turn directions, is accelerated, and travel speed V t As shown in FIG. 15, the left and right soles are aligned in the x-axis direction, that is, the roll axis direction. As a result, the robot 100 slides while attenuating the moving speed while maintaining the moving direction. By performing ZMP trajectory control (see FIG. 12 or FIG. 13) even during the sliding operation, the posture of the robot 100 can be stabilized and the fall can be prevented.
[0124]
Movement speed V t As shown in FIG. 16, the left foot is set in a direction that does not coincide with the traveling direction of the robot 100, that is, the pitch axis, by driving the hip joint yaw axis actuator of the left leg. In the illustrated example, the left sole is moved so as to be substantially parallel to the x axis, that is, the roll axis.
[0125]
In addition, by moving the left sole to the ground and moving backward, the initial velocity of movement V with respect to the left foot 0 Apply. At this time, by setting the turning angle θ to a desired value, it is possible to select any one of straight travel, right turn, and left turn.
[0126]
During the above-described series of operations, ZMP trajectory control (see FIG. 12 or 13) with ZMP as a stability determination standard is performed to stabilize the posture of the robot 100 at the start of skating and toppling over. Can be prevented.
[0127]
The robot 100 can continue a stable gliding operation by sequentially repeating the operation patterns of acceleration, velocity attenuation, and acceleration as shown in FIGS. Further, by setting the turning angle θ at the time of acceleration, straight travel, right turn, and left turn can be appropriately executed to draw an arbitrary trajectory during sliding.
[0128]
FIGS. 17 to 19 show the soles when the legged mobile robot 100 with the roller skating unit 200 mounted on each movable leg performs a motion of decelerating and / or stopping during the skating operation. Illustrates the movement.
[0129]
When it is desired to decelerate or stop the sliding robot 100 by skating, from the state where the right sole and the left sole are moving forward in parallel (see FIG. 15), as shown in FIG. Alternatively, the moving speed V of the robot 100 is adjusted by allowing the left foot to swing freely, grounding the free leg to the runway surface, and adjusting the frictional force generated at that time. t Can be braked.
[0130]
During such a series of braking operations, ZMP trajectory control (see FIG. 12 or FIG. 13) can be performed to stabilize the posture of the robot 100 and prevent overturning.
[0131]
Alternatively, from the state in which the right and left soles are moving forward in parallel (see FIG. 15), as shown in FIG. 18, both the right and left soles have a front end inward and a rear end. By facing outward, frictional force is applied in the traveling direction, and the moving speed V t Is attenuated. At this time, the braking can be adjusted by adjusting the inclination θ of each sole with respect to the traveling direction.
[0132]
During such a series of braking operations, ZMP trajectory control (see FIG. 12 or FIG. 13) can be performed to stabilize the posture of the robot 100 and prevent overturning.
[0133]
Alternatively, the rotational speed of the robot 100 can be controlled by providing a brake function in the rotating roller unit and controlling the brake. t May be attenuated and stopped (see FIG. 19). Also in this case, by performing the ZMP trajectory control (see FIG. 12 or FIG. 13), the posture of the robot 100 during braking can be stabilized and the fall can be prevented.
[0134]
[Supplement]
The present invention has been described in detail above with reference to specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can make modifications and substitutions of the embodiments without departing from the gist of the present invention.
[0135]
In this specification, three degrees of freedom of the robot's
[0136]
In short, the present invention has been disclosed in the form of exemplification, and should not be interpreted in a limited manner. In order to determine the gist of the present invention, the claims section described at the beginning should be considered.
[0137]
For reference, the joint model configuration of a humanoid robot is illustrated in FIG. In the example shown in the figure, a portion including the
[0138]
FIG. 21 illustrates another joint model configuration of a humanoid robot. The example shown in the figure is different from the example shown in FIG. 20 in that the trunk joint 10 is not provided. Refer to the figure for the names of each part. As a result of the omission of the trunk joint corresponding to the spine, the upper body movement of the humanoid robot loses its expressive power. However, in the case of humanoid robots for industrial purposes such as substitution for dangerous work and difficult work, there is a case where the movement of the upper body is not required. It should be understood that the reference numerals used in FIGS. 20 and 21 do not match those in the other drawings.
[0139]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, an excellent legged mobile robot in which each movable leg can realize a flexible motion pattern by cooperatively repeatedly performing landing and leaving motions. And a control method thereof.
[0140]
Further, according to the present invention, there is provided an excellent mechanism for a legged mobile robot capable of realizing a dynamic and high-speed moving work as compared with normal walking by wearing roller skates and a control method thereof. can do.
[0141]
According to the legged mobile robot according to the present invention, only the motion pattern that can be easily realized with only a normal joint degree of freedom can be obtained by mounting the sliding unit at the substantially lowermost end of each movable leg. As a result, a dynamic and high-speed moving operation can be performed. The sliding unit is detachably attached to the movable leg, for example. Therefore, the legged mobile robot can execute a normal legged movement operation pattern such as walking or running only by removing the sliding unit.
[0142]
The sliding unit hardly receives a load such as a frictional force in the traveling direction along the sliding direction. For this reason, the moving speed during sliding can be maintained by aligning the sliding units of the movable legs in the traveling direction. On the other hand, a frictional force is applied in a traveling direction that does not coincide with the sliding direction (for example, orthogonal to the sliding direction). For this reason, at the start of sliding or when the moving speed is reduced, the sliding direction of the sliding unit is set so as to cross the traveling direction of the legged mobile robot in one movable leg, and the movable leg is kicked backward. Thus, acceleration operation can be realized. Also, during the sliding period, the sliding direction of the sliding unit is crossed with the moving direction of the legged mobile robot and the movable leg is landed to generate a frictional force between the road surface and the braking action. Can be derived.
[0143]
In addition, during the period in which the legged mobile robot performs a series of sliding motions, the control means can perform posture stabilization control by ZMP trajectory control, thereby preventing the robot from sliding down.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a state in which a humanoid robot 100 used for carrying out the present invention is viewed from the front.
FIG. 2 is a view showing a state in which a humanoid robot 100 used for carrying out the present invention is viewed from behind.
FIG. 3 is a diagram showing a state where a roller skating unit is mounted on the foot of the humanoid robot 100;
4 is a view showing a state where a roller skating unit is mounted on the foot of the humanoid robot 100. FIG.
FIG. 5 illustrates a detection mechanism attached to a roller skating unit 200.
FIG. 6 is a view of the humanoid robot 100 with the roller skating unit 200 attached to both feet as viewed from the front, sliding on the road surface.
FIG. 7 is a view of the humanoid robot 100 with the roller skating unit 200 attached to both feet as viewed from the rear, sliding on the road surface.
FIG. 8 is a diagram schematically illustrating a degree-of-freedom configuration model included in the humanoid robot 100 according to the present embodiment.
FIG. 9 is a diagram schematically illustrating a control system configuration of the humanoid robot 100 according to the present embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing a linear and non-interfering multi-mass point approximation model of the humanoid robot 100 introduced for calculation of walking control according to the present embodiment.
11 is an enlarged view around the waist in the multi-mass point approximate model of the robot 100 shown in FIG.
FIG. 12 is a flowchart showing an example of a control process procedure of a waist motion that allows the humanoid robot 100 according to the present embodiment to perform a stable skating operation.
FIG. 13 is a flowchart illustrating another example of the control process procedure of the waist motion that enables the humanoid robot 100 according to the present embodiment to perform a stable skating operation.
FIG. 14 is a diagram showing the movement of each sole when a legged mobile robot 100 with a roller skating unit 200 mounted on each movable leg performs a skating operation; more specifically, the robot It is the figure which showed the motion of the sole when turning 100 straightly or turning right and left.
FIG. 15 is a diagram showing the movement of each sole when a legged mobile robot 100 with a roller skating unit 200 mounted on each movable leg performs a skating operation; more specifically, the robot It is the figure which showed the motion of the sole when turning 100 straightly or turning right and left.
FIG. 16 is a diagram showing the movement of each sole when the legged mobile robot 100 with the roller skating unit 200 mounted on each movable leg performs a skating operation; more specifically, the robot It is the figure which showed the motion of the sole when turning 100 straightly or turning right and left.
FIG. 17 is a diagram showing the movement of each sole when the legged mobile robot 100 with the roller skating unit 200 attached to each movable leg performs a skating operation; more specifically, the robot It is the figure which showed the motion of the sole when decelerating and / or stopping 100. FIG.
FIG. 18 is a diagram showing the movement of each sole when a legged mobile robot 100 with a roller skating unit 200 attached to each movable leg performs a skating operation; more specifically, the robot It is the figure which showed the motion of the sole when decelerating and / or stopping 100. FIG.
FIG. 19 is a diagram showing the movement of each sole when a legged mobile robot 100 with a roller skating unit 200 mounted on each movable leg performs a skating operation; more specifically, the robot It is the figure which showed the motion of the sole when decelerating and / or stopping 100. FIG.
FIG. 20 is a diagram schematically showing a joint model configuration of a humanoid robot.
FIG. 21 is a diagram schematically showing a joint model configuration of a humanoid robot.
[Explanation of symbols]
1 ... head, 2 ... neck yaw axis
3 ... Neck joint pitch axis, 4 ... Neck joint roll axis
5 ... trunk pitch axis, 6 ... trunk roll axis
7 ... trunk yaw axis, 8 ... shoulder joint pitch axis
9 ... Shoulder joint roll axis, 10 ... Upper arm yaw axis
11 ... Elbow joint pitch axis, 12 ... Forearm yaw axis
13 ... wrist joint pitch axis, 14 ... wrist joint roll axis
15 ... hand, 16 ... hip yaw axis
17 ... Hip pitch axis, 18 ... Hip roll axis
19 ... Knee joint pitch axis, 20 ... Ankle joint pitch axis
21 ... Ankle joint roll axis, 22 ... Foot (plantar)
30 ... head unit, 40 ... trunk unit
50 ... arm unit, 51 ... upper arm unit
52 ... Elbow joint unit, 53 ... Forearm unit
60 ... Leg unit, 61 ... Thigh unit
62 ... knee joint unit, 63 ... shin unit
80 ... control unit, 81 ... main control unit
82. Peripheral circuit
91, 92 ... Grounding confirmation sensor
93 ... Attitude sensor
100 ... humanoid robot
200: Roller skating unit
201 ... Slider
202 ... guide rail
203 ... Stopper
211A ... Dog
211B ... Micro switch
213 ... Encoder (rotation detector)
Claims (13)
前記足部に配設された、所定の滑走方向を持つ滑走ユニットと、
前記滑走ユニットを用いた滑走動作期間中に、ZMP軌跡制御により前記脚式移動ロボットの姿勢安定制御を行う制御手段と、
を具備し、
前記制御手段は、
(a)前記滑走動作期間中における所望の動作を実現するための足部運動、体幹運動、上肢運動、腰部の姿勢及び高さを設定し、(b)前記の設定した足部運動に基づいてZMP軌道を設定し、(c)前記の設定されたZMP上でモーメントが釣り合う腰部運動の解を求め、(d)前記腰部運動の解に基づいて所望の滑走動作の全身運動パターンを生成する、
ことを特徴とする脚式移動ロボット。 A legged mobile robot composed of at least an upper limb, a lower limb, a foot, a trunk and a waist ,
A sliding unit disposed on the foot and having a predetermined sliding direction;
Control means for performing posture stability control of the legged mobile robot by ZMP trajectory control during a sliding operation period using the sliding unit ;
Comprising
The control means includes
(A) Set foot motion, trunk motion, upper limb motion, posture of the waist and height for realizing desired motion during the sliding motion period, and (b) based on the set foot motion ZMP trajectory is set, (c) a solution of a waist motion in which moments are balanced on the set ZMP is obtained, and (d) a whole body motion pattern of a desired sliding motion is generated based on the solution of the waist motion. ,
This is a legged mobile robot.
前記制御手段は、前記姿勢検出手段、接地確認手段、及び移動速度検出手段の少なくとも1つの出力に基づいて、ZMP軌跡制御により前記脚式移動ロボットの姿勢安定制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。Furthermore, it comprises posture detection means for detecting the inclination or posture of the upper body, ground contact confirmation means for detecting landing and leaving of the movable leg, and movement speed detection means for detecting the movement speed by the sliding action,
The control means performs posture stability control of the legged mobile robot by ZMP trajectory control based on at least one output of the posture detection means, the ground contact confirmation means, and the movement speed detection means. The legged mobile robot according to 1.
(a)前記滑走動作期間中における所望の動作を実現するための足部運動、体幹運動、上肢運動、腰部の姿勢及び高さを設定するステップと、(b)前記の設定した足部運動に基づいてZMP軌道を設定するステップと、(c)前記の設定されたZMP上でモーメントが釣り合う腰部運動の解を求めるステップと、(d)前記腰部運動の解に基づいて所望の滑走動作の全身運動パターンを生成するステップと、
を有し、前記滑走ユニットを用いた滑走動作期間中に、ZMP軌跡制御により前記脚式移動ロボットの姿勢安定制御を行うことを特徴とする脚式移動ロボットの動作制御方法。An operation control method for a legged mobile robot comprising at least an upper limb, a lower limb, a foot, a trunk and a waist , and a sliding unit having a predetermined sliding direction disposed on the foot,
(A) a step of setting a foot motion, trunk motion, upper limb motion, waist posture and height for realizing a desired motion during the sliding motion period; and (b) the set foot motion. A step of setting a ZMP trajectory based on the following: (c) a step of obtaining a solution of a lumbar motion in which moments are balanced on the set ZMP; Generating a whole body movement pattern;
And controlling the posture of the legged mobile robot by means of ZMP trajectory control during a sliding motion period using the sliding unit .
さらに、前記姿勢検出手段、接地確認手段、及び移動速度検出手段の少なくとも1つの出力に基づいて、ZMP軌跡制御により前記脚式移動ロボットの姿勢安定制御を行うステップを有することを特徴とする請求項8に記載の脚式移動ロボットの動作制御方法。 The legged mobile robot includes posture detecting means for detecting the inclination or posture of the upper body, ground contact confirmation means for detecting landing and leaving of the movable leg, and moving speed detecting means for detecting a moving speed by a sliding action. And further comprising
The method further comprises a step of performing posture stability control of the legged mobile robot by ZMP trajectory control based on at least one output of the posture detection unit, the ground contact confirmation unit, and the movement speed detection unit. 9. An operation control method for a legged mobile robot according to 8.
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