JP4505809B2 - Three-legged leg-wheel mobile robot - Google Patents
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Description
本発明は、傾斜やうねりなどがある路面上を歩行する３脚構造の脚車輪型移動ロボットに関する。 The present invention relates to a legged wheeled mobile robot having a three-legged structure that walks on a road surface with inclination or undulation.
今後、市場における生活、医療福祉、公共分野等へのサービスロボットの需要増加が見込まれるなか、人間共存空間における移動形態として２足歩行ロボットの研究開発が盛んに行われている（例えば特許文献１、２）。しかし、２足歩行ロボットは階段等の障害物に対する踏破性能が高い反面、転倒時の安全性やエネルギ効率が低い問題点がある。
また車輪を利用した高効率な走行性能と脚を利用した高い踏破性能を併せ持つ脚車輪方式の開発も数多くおこなわれている。しかし、脚車輪型の多くが常時、静的安定状態をとる機構を採用しているため自由度数が多く、複雑な構成となってしまう問題点がある。
このような問題点を解決するため車輪型倒立振子に上体構造をもたせた移動機構も提案されている（例えば特許文献３）。
In the future, research and development of biped walking robots are actively conducted as a movement form in a human coexistence space, while an increase in demand for service robots for life in the market, medical welfare, public fields, etc. is expected (for example, Patent Document 1). 2). However, the biped robot has a high level of performance with respect to obstacles such as stairs, but has a problem of low safety and energy efficiency when it falls.
In addition, a lot of leg-wheel systems have been developed that have both high-efficiency running performance using wheels and high traverse performance using legs. However, since many of the leg wheel types always employ a mechanism that takes a static stable state, there is a problem in that the number of degrees of freedom is large and the structure becomes complicated.
In order to solve such problems, a moving mechanism in which a wheel-type inverted pendulum has an upper body structure has also been proposed (for example, Patent Document 3).
特許文献１の「脚式移動ロボット」は、図１４に示すように、２以上の可動脚からなる下肢と、上体とで構成され、下肢及び上体を用いた全身運動を動作制御することにより、各種の動作パターンを実現し、それぞれの可動脚の最下端には所定の滑走方向を持つ滑走ユニットが着脱自在に取り付けられており、滑走ユニットを滑走方向に一致させることによって移動速度を維持するとともに、滑走ユニットを滑走方向と異ならせることによって移動速度を制御することができるようになっている。
As shown in FIG. 14, the “legged mobile robot” of
特許文献２の「２足歩行ロボット」は、図１５に示すように、伸縮かつ揺動可能な脚と、該脚の端部に回転可能に設けた平行２輪と、脚に設けた６軸力センサとを備え、平行２輪走行を行う脚を２本有し、２足歩行を行う２足歩行ロボットにおいて、前記脚の端部を３次元の任意の位置に移動する脚端移動手段と、前記各脚の平行２輪の向きを独立して変える操向手段とを備えたものである。 As shown in FIG. 15, the “biped walking robot” of Patent Document 2 includes a leg that can be expanded and contracted, two parallel wheels that are rotatably provided at the end of the leg, and six axes that are provided on the leg. A biped walking robot having two legs for parallel two-wheel running, and a leg end moving means for moving the end of the leg to an arbitrary three-dimensional position; And steering means for independently changing the directions of the two parallel wheels of each leg.
特許文献３の「脚車輪型移動ロボット」は、図１６に示すように、本体５１の中央に伸縮自在に中央脚５２を設けると共に、その中央脚５２の下端に中央駆動輪５３を設け、本体５１の左右両側に、本体に対して回動自在に、かつ伸縮自在に側脚５４を設け、その側脚に側部駆動輪５５を設けたものである。
As shown in FIG. 16, the “leg-wheel type mobile robot” of Patent Document 3 is provided with a
特許文献３の「脚車輪型移動ロボット」は、脚と脚先端部に車輪を持ち、脚と車輪の両方を使用して歩行するロボットであり、平坦地では車輪走行で高速かつ効率的に移動し、車輪走行が困難な段差、階段、溝等を歩行動作で踏破することで移動全体を効率的に行うことができる特徴がある。
しかし階段や段差、溝などは通常の平坦地と違い、踏面の奥行きに幾何的制約があるため、ロボット歩行の際に意図せずに車輪が動いてしまうと、段差、階段の踏み外し、接触による転倒、溝への落下などの可能性がある。そのため、歩行路面が平坦でなく、予想外の傾斜やうねりなどがある場合、車輪が動くことで歩行安定性を損なうとともに、踏面が制限される場所では歩行そのものが困難となる問題点があった。
The “leg-wheel type mobile robot” of Patent Document 3 is a robot that has wheels at the leg and the tip of the leg, and walks using both the leg and the wheel. In addition, there is a feature that the entire movement can be efficiently performed by stepping over steps, stairs, grooves, and the like that are difficult to travel on wheels.
However, unlike normal flat ground, stairs, steps, grooves, etc. have geometric restrictions on the depth of the tread, so if the wheel moves unintentionally when walking the robot, the step, stepping off the step, There is a possibility of falling or dropping into a groove. Therefore, when the walking road surface is not flat and there are unexpected inclinations and undulations, there is a problem that walking stability is impaired due to movement of the wheels, and walking itself is difficult in places where the tread surface is restricted. .
すなわち、脚歩行中の片足を上げた状態（以下「遊脚状態」と呼ぶ）では上体の動的な安定を確保しつつ、車輪を動かさずに歩行するような軌道を事前に計算できるが、計算は歩行路面を完全な平坦と仮定し行うため、実際の歩行路面のように傾斜やうねりが存在すると遊脚中に予想外の力が働くことで、接地側の車輪が動いてしまい、安定な歩行や、階段、段差のような踏面に制限がある場所での歩行が困難となる問題点があった。 In other words, in a state where one leg is raised while walking a leg (hereinafter referred to as “free leg state”), a trajectory for walking without moving the wheel can be calculated in advance while ensuring dynamic stability of the upper body. Because the calculation assumes that the walking road surface is completely flat, if there is an inclination or undulation like the actual walking road surface, an unexpected force works during the swing leg, and the wheel on the grounding side moves, There was a problem that it was difficult to walk on a stable walk or where there was a restriction on the treads such as stairs and steps.
この問題点を解決するためには、路面斜度を事前に知る必要がある。しかし、ロボットが未知の路面を歩行する場合、歩行動作中のロボットは動的に動作しているため、傾斜計のように静的重力加速度を検出する手段では誤差が大きく利用できない問題点があった。 In order to solve this problem, it is necessary to know the slope of the road surface in advance. However, when a robot walks on an unknown road surface, the robot that is walking is moving dynamically, so there is a problem that the error cannot be used with a means of detecting static gravity acceleration like an inclinometer. It was.
本発明は上述した種々の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、歩行路面が平坦でなく、予想外の傾斜やうねりなどがある場合でも、路面斜度を歩行しながら推定し、その推定斜度を利用して安定に歩行することができる脚車輪型移動ロボットを提供することにある。 The present invention has been made to solve the various problems described above. That is, the object of the present invention is to estimate the slope of the road surface while walking even when the walking road surface is not flat and has unexpected slope or undulation, and to walk stably using the estimated slope. It is to provide a leg-wheel type mobile robot capable of performing the above.
本発明によれば、本体と、該本体の中央に下方に伸縮自在に設けられた中央脚と、本体の左右両側に水平軸を中心に回動自在にかつ下方に伸縮自在に設けられた１対の側脚と、中央脚及び１対の側脚の下端にそれぞれ設けられた足首・車輪駆動部と、前記中央脚、側脚および足首・車輪駆動部を制御する歩行制御装置と備え、
前記足首・車輪駆動部は、走行方向に間隔を隔てた車輪軸を有する２本の車輪と、該車輪軸を回転可能に支持しかつ該車輪軸と間隔を隔てた水平軸Ｏを中心に揺動可能な足部フレームと、該水平軸Ｏを中心に揺動可能であり中央脚又は側脚の下端が固定された上部フレームと、該上部フレームに水平軸Ｏを中心に回転可能に支持され上部フレームに固定された駆動装置で回転駆動される駆動軸と、該駆動軸の回転を２本の車輪に同期して伝達する同期伝達装置と、足部フレームに対する駆動軸の回転を制動するブレーキと、駆動装置の出力トルクを計測するトルク計測装置と、鉛直軸に対する水平軸Ｏまわりの中央脚又は側脚の傾斜角度θ １ を計測する足首角度センサと、車輪の回転角度θ ２ を計測する車輪角度センサと、を有し、
前記歩行制御装置は、更に出力トルク、傾斜角度θ １ 及び回転角度θ ２ から、２本の車輪が接触する路面の傾斜角度αを計算し、これに基づき中央脚、側脚および足首・車輪駆動部を制御し、
該歩行制御装置により、中央脚又は１対の側脚を交互に立脚および遊脚として交互に振り出して歩行する、ことを特徴とする３脚構造の脚車輪型移動ロボットが提供される。
According to the present invention, a main body, a central leg provided in the center of the main body so as to be extendable downward, and a left and right both sides of the main body are provided so as to be rotatable about a horizontal axis and extend downward. A pair of side legs, an ankle / wheel drive unit provided at the lower end of each of the central leg and the pair of side legs, and a walking control device for controlling the central leg, the side leg and the ankle / wheel drive unit,
The ankle / wheel drive unit has two wheels having wheel shafts spaced apart in the running direction, and supports the wheel shafts rotatably and swings around a horizontal axis O spaced from the wheel shafts. A movable foot frame, an upper frame that is swingable about the horizontal axis O and has a lower end of a central leg or a side leg fixed thereto, and is supported by the upper frame so as to be rotatable about the horizontal axis O. A drive shaft that is rotationally driven by a drive device fixed to the upper frame, a synchronous transmission device that transmits the rotation of the drive shaft in synchronization with two wheels, and a brake that brakes the rotation of the drive shaft relative to the foot frame When measures a torque measuring device for measuring the output torque of the drive unit, and the ankle angle sensor for measuring a tilt angle theta 1 of the central leg or side legs around a horizontal axis O with respect to the vertical axis, the rotation angle theta 2 of the wheel A wheel angle sensor,
The walking control device further calculates the inclination angle α of the road surface in contact with the two wheels from the output torque, the inclination angle θ 1 and the rotation angle θ 2 , and based on this, the center leg, the side leg and the ankle / wheel drive are calculated. Control the part
By the walking control device, a leg-wheel type mobile robot having a three-leg structure is provided in which a center leg or a pair of side legs are alternately swung out as a standing leg and a free leg.
また、前記歩行制御装置は、計算された路面の傾斜角度αに１より小さい正の比例定数Ｋを積算し、さらにその積算値を所定の角度内に制限し、制限した傾斜角度を路面の傾斜角度として中央脚、側脚および足首・車輪駆動部を制御する。 The walking control device adds a positive proportionality constant K smaller than 1 to the calculated road inclination angle α, further limits the integrated value within a predetermined angle, and limits the limited inclination angle to the road inclination. Control the central leg, side leg and ankle / wheel drive as angle.
上記本発明の構成によれば、３脚構造の脚車輪型移動ロボットにおいて、未知路面を歩行中のロボットの脚、各構成要素の位置と速度、接地側車輪の位置と速度、駆動に必要なトルク（例えばモータ電流）から、ロボットのダイナミクスを考慮した制御装置により、ロボットが倒立する路面斜度を推定する。
ロボットは路面傾斜方向により計画軌道に対して行き過ぎ／遅れといった追従誤差を示す。追従誤差が大きくなると車輪が動くことで誤差が吸収されるため、推定斜度に対して追従誤差を小さくする方向に接地側足首指令に変更を加えることで車輪の動きを抑制し、歩行を安定化させることができる。
従って、歩行中の車輪の動きを抑制する効果が得られることで、実際の路面がもつゆるい傾斜やうねりなどに対してロボットの歩行を安定化させ、階段や段差、溝などの歩行による踏破が可能となる。
According to the configuration of the present invention described above, in a legged wheeled mobile robot having a three-legged structure, the leg of the robot walking on an unknown road surface, the position and speed of each component, the position and speed of the ground side wheel, and necessary for driving. From the torque (for example, motor current), the road surface inclination at which the robot is inverted is estimated by a control device that takes into account the dynamics of the robot.
The robot shows a tracking error such as overshoot / delay with respect to the planned trajectory depending on the road surface inclination direction. As the tracking error increases, the wheel moves and the error is absorbed. Therefore, by changing the grounding side ankle command in a direction that reduces the tracking error with respect to the estimated inclination, the wheel movement is suppressed and walking is stabilized. It can be made.
Therefore, the effect of suppressing the movement of the wheel during walking is obtained, so that the robot's walking is stabilized against the gentle slope or undulation of the actual road surface, and the stepping through the stairs, steps, grooves, etc. is prevented. It becomes possible.
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common part in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
（脚車輪型移動ロボットの概要とモデル化）
図１は、本発明の脚車輪型移動ロボット１０の全体構成図である。この図において、（ａ）は正面から見た構成図、（ｂ）は側面から見た構成図を示している。
この図に示すように、本発明のロボット１０は、本体１２（中央胴体部）に取り付けられた中央脚１４とそれを基準にＳａｇｉｔｔａｌ（鉛直）面内で回転する左右１対の側脚１６とからなる３脚構造である。各脚１２、１４にスライド自由度を設け、脚先端に中央２、左右各１の計４箇所に足首関節と２列に並んだ足首・車輪駆動部１８を配置している。歩行制御装置２０は、中央脚１４、側脚１６および足首・車輪駆動部１８を制御する。
(Outline and modeling of leg-wheel mobile robot)
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a leg-wheel type
As shown in this figure, a
走行時は、中央脚１４と左右の側脚１６を前後に開脚し、機構的に安定姿勢をとる。車輪機構は操舵機構を持たないが、接地車輪に回転速度差を設定することで旋回を行う。
When traveling, the center leg 14 and the left and
歩行時は、左右の側脚１６を同じ軌道で動作させ、中央脚１４と左右の側脚１６を交互に振り出すことで、鉛直面内で２足歩行とほぼ同等な運動を行う。すなわち、歩行制御装置２０により、中央脚１４又は１対の側脚１６を交互に立脚および遊脚として交互に振り出して歩行する。
なお、「立脚」とは、歩行時において足首・車輪駆動部１８が路面１に接し装置全体を支持する脚（中央脚１４又は１対の側脚１６の一方）であり、「遊脚」とは、歩行時において「立脚」に支持された本体１２に上部が支持さら足首・車輪駆動部１８が路面１から離れた状態にある脚（中央脚１４又は１対の側脚１６の他方）を意味する。
During walking, the left and
The “standing leg” is a leg (one of the
なお、図１において、θ１は鉛直軸に対する立脚の回転角、θ２は立脚の車輪回転角、θ３は立脚に対する遊脚の回転角、θ４は鉛直軸に対する遊脚の回転角、Ｓｃは中央脚１４の重心とヒップジョイント（側脚１６の回転軸）との距離、ＳＬとＳＲは左右の側脚１６の重心とヒップジョイント（側脚１６の回転軸）との距離、ｍ１〜ｍ５は各部材の質量、Ｊ１〜Ｊ５は各部材の重心まわりの慣性モーメント、Ｉｘ１とＩＺ１〜ＩＺ６は各部材の長さである。 In FIG. 1, θ 1 is the rotation angle of the stance with respect to the vertical axis, θ 2 is the rotation angle of the wheels of the stance, θ 3 is the rotation angle of the free leg with respect to the stance, θ 4 is the rotation angle of the free leg with respect to the vertical axis, and S c is the distance between the center of gravity and the hip joint of the central leg 14 (the rotation axis of the side legs 16), S L and S R is the distance between the center of gravity and the hip joint of the left and right side leg 16 (the rotation axis of the side legs 16), m 1 to m 5 are the mass of each member, J 1 to J 5 are the moments of inertia around the center of gravity of each member, and I x1 and I Z1 to I Z6 are the length of each member.
歩行時の立脚は前後左右の４車輪を接地することで足裏平面を形成する。本発明のロボット１０のＬａｔｅｒａｌ（横）方向重心Ｇは、接地した車輪の間に位置することで、機構的な安定性を得ることができる。本発明のロボット１０では平坦地を走行し、段差、階段等を歩行することを想定しており、障害物との位置合わせ等を走行動作中に行うことで、歩行は鉛直方向のみで十分であり、横方向自由度を省略している。
The stance legs during walking form a sole flat surface by grounding the four wheels on the front, rear, left and right. The lateral direction center of gravity G of the
図２は、足首・車輪駆動部１８の全体構成図である。この図において、（ａ）は左側面図、（ｂ）はＢ-Ｂ断面図、（ｃ）はＣ-Ｃ矢視図である。
この図に示すように、 足首・車輪駆動部１８は、２本の車輪２１、足部フレーム２２、上部フレーム２３、駆動装置２４、駆動軸２５、同期伝達装置２６、ブレーキ２７、トルク計測装置２８、足首角度センサ２９及び車輪角度センサ３０を備える。
FIG. 2 is an overall configuration diagram of the ankle /
As shown in this figure, the ankle /
２本の車輪２１は、走行方向（図２（ｃ）で左右）に間隔を隔てた車輪軸２１ａを有する。
足部フレーム２２は、車輪軸２１ａを回転可能に支持し、かつ車輪軸２１ａと間隔を隔てた水平軸Ｏを中心に揺動可能に構成されている。
上部フレーム２３は、水平軸Ｏを中心に揺動可能であり、中央脚１４又は側脚１６の下端が上部に固定されたコの字状の部材である。
駆動軸２５は、上部フレーム２３に水平軸Ｏを中心に回転可能に支持され、上部フレーム２３に固定された駆動装置２４で回転駆動される。駆動装置２４は、数値制御可能なモータであり、１対のベベルギヤ２４ａを介して駆動軸２５を回転駆動する。
同期伝達装置２６は、駆動軸２５と車輪軸２１ａに固定された３つのプーリ２６ａとこれにエンドレスに架け渡されたタイミングベルト２６ｂとからなり、駆動軸２５の回転を２本の車輪２１に同期して伝達する。
ブレーキ２７は、足部フレーム２２に対する駆動軸２５の回転を制動する。
The two
The
The
The
The
The
トルク計測装置２８は、モータの電流を検出する電流計であり、これから擬似的に駆動装置２４の出力トルクを計測する。
足首角度センサ２９は、上部フレーム２３に固定され足部フレーム２２の回転角を検出する回転センサであり、水平軸Ｏまわりの中央脚又は側脚の傾斜角度θ１を計測する。
車輪角度センサ３０は、足部フレーム２２に固定され駆動軸２５の回転角を検出する回転センサであり、車輪２１の回転角度θ２を計測する。
The
The
The
歩行制御装置２０は、出力トルク、傾斜角度θ１及び回転角度θ２から、２本の車輪が接触する路面の傾斜角度αを計算し、これに基づき中央脚、側脚および足首・車輪駆動部を制御する。
The walking
上述したように、図２の足首・車輪駆動部１８には２本の車輪軸２１ａと１本の駆動軸２５があり、駆動装置２４のモータトルクはベベルギヤ２４ａを介して駆動軸２５を回転するとともに、タイミングベルト２６ｂを介して両車輪軸２１ａも回転する。また駆動軸端のブレーキ２７が作動すると駆動軸１５は足部フレーム２２と結合され、車輪２１がロックされる。
As described above, the ankle /
図３は、本発明のロボット１０の走行時のモデル図であり、（ａ）はブレーキの作動時、（ｂ）は非作動時を示している。
図３（ａ）に示すように、ブレーキ作動時には、車輪接地部が足底と同じ状態が形成され、モータトルクＴ１は上体の起こし上げに作用する。また、ブレーキ非作動時にはモータトルクＴ２は図３（ｂ）のように上体を起こし上げる動きと同時に、反力は車輪２１が上体重心の下側に入り込む動きにも作用し、車輪型倒立振子とほぼ等価な系となる。数１の（１）式は図３（ｂ）の運動方程式を示している。
FIG. 3 is a model diagram when the
As shown in FIG. 3A, when the brake is operated, the wheel ground contact portion is formed in the same state as the sole, and the motor torque T1 acts to raise the upper body. In addition, when the brake is not operated, the motor torque T2 moves up to raise the upper body as shown in FIG. 3B, and the reaction force also acts on the movement of the
（１）式から１入力で２自由度が負荷バランスによって駆動されることがわかる。またブレーキ作動／非作動で上体起こし上げ動作を比較すると、ブレーキ非作動時には車輪２１が動くことでトルクＴが低減されることもわかる。一方、歩行状態で車輪移動する場合、移動量をある程度抑制する必要もあることから、図１のθ１、 θ２の２軸を１アクチュエータで制御する必要がある。以下、本発明では、制御上の困難性を回避するため、歩行時は立脚側をブレーキ非作動とし、遊脚側のみブレーキを作動させるものとする。
From equation (1), it can be seen that with one input, two degrees of freedom are driven by the load balance. Further, when comparing the raising operation of the upper body by operating the brake, it can be seen that the torque T is reduced by the movement of the
（高速歩行軌道生成）
図１、図２に示した本発明のロボット１０は９入力１３出力のシステムとなる。しかし、機軸中心に左右対称形であることから図３（ａ）のような平面モデルと見なし、５入力（中央車輪足首、左右車輪足首、股関節回転、中央スライド、左右スライド）７自由度（θ１，θ２，θ３，θ４，θ５，ＳＣ，ＳＬＲ）のシステムとしてモデル化した。歩行時のブレーキを前述のように設定することで、遊脚車輪回転θ５を除いた５入力６自由度システムとしてモデル化し、ロボット全体の運動方程式は（１）式を拡張して数２の（２）式のように表現できる。
(High-speed walking trajectory generation)
The
歩行軌道については、本発明のロボット１０は１つの力学的干渉条件をもつことから５つの軌道を任意に決定すると全ての自由度が決まる。これまでの軌道生成では遊脚の軌道となる遊脚重心ｘ，ｚ方向位置ｈｘ，ｈｚと股関節高さｚｈｉｐ，遊脚足部絶対角度θｈ（＝θ１−θ３−θ４）に、全重心ｘ方向位置Ｇｘをそれぞれ設定していたが、Ｇｘのかわりに接地車輪回転角度θ２＝０となる条件を加えることで遊脚中に立脚車輪が移動しない軌道を生成することができる。
Regarding the walking trajectory, the
図４に新たに設定した軌道パラメータを、数３の（３）式に運動学式を示す。（３）式の１行目は力学的干渉条件式を示している。これは（２）式のθ１、θ２に関する運動方程式の右辺は反転した同入力であることから、２式を足し合わせることで導出することができる。２〜６行目は任意に決定した５軌道を示している。
（３）式よりサンプリング毎に逐次、逆行列計算と数値積分することでそれぞれの自由度に対する軌道を算出できる。
FIG. 4 shows the newly set trajectory parameters, and the kinematic equation is shown in Equation (3) of Equation 3. The first line of the equation (3) shows a mechanical interference conditional expression. This can be derived by adding the two expressions because the right side of the equation of motion related to θ 1 and θ 2 in the expression (2) is the same input inverted. The 2nd to 6th lines show 5 orbits determined arbitrarily.
The trajectory for each degree of freedom can be calculated by performing inverse matrix calculation and numerical integration sequentially for each sampling from the equation (3).
この条件では遊脚を前方に振り出す慣性力を全体重心の移動によって相殺する効果を生むため、結果として歩行時の安定性を確保できる。しかし軌道計算内に力学的に干渉するθ２を入れるため、遊脚運動初期値を適切に設定しないと各軸の可動範囲内に収まる軌道を生成することが出来ない。 Under this condition, the inertial force that swings the swinging leg forward is canceled by the movement of the entire center of gravity, and as a result, stability during walking can be ensured. However, since θ2 that mechanically interferes is included in the trajectory calculation, a trajectory that falls within the movable range of each axis cannot be generated unless the initial value of the free leg motion is set appropriately.
また図５に示す遊脚開始直前の全体重心ｘ方向位置Ｇｘ１の安定条件は立脚内にあることで、両脚中央に近いほど安定性も高い。安定性を確保し、遊脚期間に車輪を動かさないため、遊脚運動の初期値の基準として遊脚開始直前のＧｘ１とその速度ｄ（Ｇｘ１）／ｄｔを設定するものとした。Ｇｘ１は具体的には足底長の１／２〜１／４の範囲で固定した。速度ｄ（Ｇｘ１）／ｄｔが大きすぎると着地時に重心位置Ｇｘ３が前方に、小さすぎると後方に大きくシフトし、正常な軌道が生成されない。このためＧｘ３≒Ｇｘ１という指標を設け、適切な値に調整するものとした。実際のｄ（Ｇｘ１）／ｄｔは軌道計算を試行的に実施して調整した。 Further, the stability condition of the overall center-of-gravity x-direction position G x1 immediately before the start of the free leg shown in FIG. 5 is in the standing leg, and the stability is higher as it is closer to the center of both legs. In order to ensure stability and not move the wheel during the free leg period, G x1 immediately before the start of the free leg and its speed d (G x1 ) / dt are set as a reference for the initial value of the free leg movement. Specifically, G x1 was fixed in the range of ½ to ¼ of the sole length. If the speed d (G x1 ) / dt is too large, the center of gravity position G x3 is shifted forward when landing, and if it is too small, the center of gravity Gx3 is greatly shifted backward, and a normal trajectory is not generated. For this reason, an index of G x3 ≈G x1 is provided and adjusted to an appropriate value. The actual d (G x1 ) / dt was adjusted by performing orbital calculation on a trial basis.
図５に示す（１）（２）両脚期間はこれまで同様、全重心ｘ方向位置Ｇｘをパラメータとして計算した。（１）前半両脚期間終了時と・遊脚期間終了時に重心速度を持つため、各速度を終了、初期値に持つ５次曲線で繋いでいる。また（４）補正期間は遊脚中にモデル誤差や路面影響等の影響で立脚車輪が動くため、車輪移動して移動分の補正を行う。
このようにオフラインで計画した軌道に対して各軸毎に位置・速度フィードバック制御を行う。歩行中、立脚足首車輪軸では足首軸の状態量のみをフィードバックし、股関節及び、スライド脚についてはフィードバック項に加え、算出軌道と逆動力学モデルから計算した計算電流ｕｄを加えている。数４の（４）式に計算方法を示す。
The (1) and (2) both leg periods shown in FIG. 5 were calculated using the total center-of-gravity x-direction position Gx as a parameter as before. (1) Since the center of gravity has a speed at the end of the first leg period and at the end of the free leg period, the speeds are terminated and connected by a quintic curve having an initial value. Also, (4) during the correction period, the stand-up wheels move due to model errors, road surface effects, etc. during the free leg, so the wheels are moved to correct the amount of movement.
In this way, position / speed feedback control is performed for each axis for the trajectory planned off-line. During walking, feeding back only the state quantity of the ankle axis is standing ankle wheel shaft, hip and, for sliding the leg in addition to the feedback section is added calculated current u d calculated from the calculated orbit and inverse dynamic model. Equation (4) shows the calculation method.
（歩行安定化手法）
実際に路面を歩行する際、遊脚中に立脚側車輪が走行してしまう現象が発生する。遊脚中は（４）式に示すように足首角度を制御し、足首角度に偏差があると車輪が走行するトルクが与えられることになる。足首角度に偏差が発生する理由としてはモデル誤差、サーボ遅れ等のさまざまな影響が考えられるが、試験では路面位置を変更すると立脚中の走行量に大きく差が出ることがあったことから特に路面傾斜による応答遅れ等が大きな原因と考えられる。実際に試験を行った路面では約１，２ｄｅｇ程度の緩やかなうねりを持っている。歩行軌道、制御ではこれをモデル化していないことから、歩行中に路面傾斜を推定し、車輪が走行するトルクを抑制するように制御することとした。
(Walk stabilization method)
When actually walking on the road surface, a phenomenon occurs in which the stance side wheel travels during the free leg. During the free leg, the ankle angle is controlled as shown in the equation (4). If there is a deviation in the ankle angle, a torque for running the wheel is given. Various reasons such as model errors and servo delays can be considered as reasons for deviations in the ankle angle. However, in the test, changing the road surface position may cause a large difference in the amount of travel during standing. Response delay due to the inclination is considered to be a major cause. The road surface actually tested has a gentle swell of about 1 or 2 degrees. Since this is not modeled in the walking trajectory and control, the slope of the road surface is estimated during walking, and control is performed so as to suppress the torque traveled by the wheels.
斜度推定については、遊脚を振るダイナミクスの影響等を無視してロボットを図６に示すような上体を１質点に近似した簡易的なモデルとして計算する。この倒立振子の運動法的式は（１）式と同様に数５の（５）ａ式のように表すことができる。
（５）ａ式を線形化すると数５の（５）ｂ式のようになる。
For estimation of the inclination, the influence of the dynamics of swinging the free leg is ignored, and the robot is calculated as a simple model that approximates the upper body to one mass point as shown in FIG. The kinematic equation of this inverted pendulum can be expressed as in equation (5) a, like equation (1).
(5) When equation a is linearized, equation (5) b is obtained.
さらにｘ’に対するシステム方程式の形に変換すると（ｄ（ｓｉｎα）／ｄｔ＝０と仮定する）数６の（６）ａ式のように変換できる。
また観測行列Ｃ（変数に対して観測＝計測できる変数を示す行列）は数６の（６）ｂ式のようになる。
ここで、θｗｈｌ、ｄ（θｗｈｌ）／ｄｔは、車輪回転センサより計測可能であり、θｕｐ、ｄ（θｕｐ）／ｄｔは足首回転センサ他、脚、股間節などの位置センサの情報から換算して算出可能である。
Further, when converted into the form of a system equation for x ′ (assuming d (sin α) / dt = 0), it can be converted as shown in Equation 6 (6) a.
An observation matrix C (observation with respect to variables = matrix indicating variables that can be measured) is expressed by Equation (6) b in
Here, θ whl , d (θ whl ) / dt can be measured from the wheel rotation sensor, and θ up , d (θ up ) / dt are information on position sensors such as the ankle rotation sensor, legs, and crotch joints. It can be calculated by converting from
Ｃ，Ａの可観測行列のランクはフルランク（可観測行列のランクがフルランク＝可観測性が成立する：可観測行列に関する計算は一般的計算手法のため詳細は省略）となり、Ｃ，Ａは可観測であり、角度αを求める制御装置（オブザーバ）を構成することが可能である。 The rank of the observable matrix of C and A is full rank (the rank of the observable matrix is full rank = observability is established: the calculation regarding the observable matrix is a general calculation method, and the details are omitted). Is observable, and it is possible to configure a control device (observer) for obtaining the angle α.
図７はオブザーバの構成＋αの導出部を示す。ブロック図に示されるＡ，ｂ，Ｃは（６）ａ式と（６）ｂ式に示す行列を使用する（オブザーバの構成は一般的なものである）。
Ｋはオブザーバのフィードバックゲインマトリクスを示す。オブザーバのフィードバックゲインマトリクスを選ぶことでＡ-ＫＣの極を任意に指定することが出来、推定値の真の状態量に対する追従性を変化させることができる。（実際には極配置法でＡ-ＫＣの極を安定かつ追従性がよいと考えられるポイントに設定（経験的な設定方法があるが、基本的には試行錯誤的に設定する）し、Ｋを設定している（フィードバックゲインマトリクス、極配置法に関する計算は一般的計算手法のため詳細は省略）。
FIG. 7 shows the derivation unit for the observer configuration + α. A, b, and C shown in the block diagram use the matrices shown in Equations (6) a and (6) b (the observer configuration is general).
K represents an observer feedback gain matrix. By selecting the feedback gain matrix of the observer, the pole of A-KC can be arbitrarily designated, and the followability of the estimated value with respect to the true state quantity can be changed. (In practice, the pole placement method sets the pole of A-KC to a point where stability and followability are considered good (there is an empirical setting method, but basically it is set by trial and error) (Feedback gain matrix, calculation regarding the pole placement method is a general calculation method, and details are omitted).
以上より、ｕとＹを図７で与えることで、ｘ’が導出される。ｘ’の５番目の要素はｓｉｎαであるため、逆関数（Ｓｉｎ-１）を計算することでαを導出することができる。
なお、ｕ（足首・車輪駆動機構のモータ入力電流∝入力トルク）は、モータ制御部内に位置、速度等のフィードバックループを形成しているためにロボット内にあるモータアンプ（電流指令アンプ）に電流指令を与えており、その電流指令を計算に使用する。
From the above, x ′ is derived by giving u and Y in FIG. Since the fifth element of x ′ is sin α, α can be derived by calculating an inverse function (Sin −1 ).
Note that u (motor input current ∝ input torque of the ankle / wheel drive mechanism) is a current in a motor amplifier (current command amplifier) in the robot because a feedback loop of position, speed, etc. is formed in the motor control unit. A command is given and the current command is used for the calculation.
すなわち斜度αは倒立振子に対する外乱と見なすことができ、ｓｉｎαを状態量と考えることで（５）式を線形化し、ｄ（ｓｉｎα）／ｄｔ＝０と仮定するとシステムの状態方程式と出力方程式が数６の（６）ａ式、（６）ｂ式のように得られる。これよりオブザーバを図７のように構成することで路面斜度αを推定できる。ここで推定されたαは上体のダイナミクス影響を無視しているため、推定値にはダイナミクスやモデル誤差の影響が現れることになる。このため実際に計算で使用する推定斜度にはゲインを設定し、調整を行うとともに、路面斜度は１，２ｄｅｇ程度であることから、過大な斜度を出力しないような制限を設ける。
That is, the inclination α can be regarded as a disturbance to the inverted pendulum, and by assuming sin α as a state quantity, the equation (5) is linearized, and assuming that d (sin α) / dt = 0, the state equation and the output equation of the system are This is obtained as shown in Equation 6 (6) a and (6) b. Accordingly, the road surface inclination α can be estimated by configuring the observer as shown in FIG. Since α estimated here ignores the effect of upper body dynamics, the estimated value will be affected by dynamics and model errors. For this reason, gain is set and adjusted for the estimated gradient actually used in the calculation, and the road surface gradient is about 1 or 2 degrees, so that a limit is set so as not to output an excessive gradient.
平坦地でロボットが静的に倒立する条件は重心が足首直上に存在する場合となるのに対し、斜面上では数７の（７）式で示される。倒立振子が斜度αの斜面上に静的に倒立する重心傾斜角ΔθＧ（＝α＋θＧ）はαより計算できる。 The condition for the robot to stand upside down on a flat ground is when the center of gravity is located just above the ankle, while on the slope, it is expressed by Equation (7). The center-of-gravity inclination angle Δθ G (= α + θ G ) at which the inverted pendulum is statically inverted on the slope having the inclination α can be calculated from α.
次にこのΔθＧに対してロボットに姿勢変更を加える方法について述べる。実際には遊脚中のロボットが後方に走る場合、重心軌道を前方に倒れるようにΔθＧを加えることでバランスを取り直すことになるが、ロボットが後方に走行していることは現在の状態が軌道より遅れて偏差が発生していることを示している。この遅れ分を本来修正しなければならないΔθＧに相当する角度と考え、軌道を後方にΔθＧ分ずらすことで軌道と現在の状態との偏差を抑制し、走行量を抑制するものとする。ロボットが前方に走行する場合には反対に軌道がより前方に倒れる側に加えることとなる。ΔθＧは下部構造重心位置と上部構造重心位置の相対角を示している。実際のロボットでは足首関節と下部構造重心位置は一致していないため、ΔθＧを直接自由度に反映することはできないが、現構成ではｌに比べて足首関節-下部構造重心距離ｌｌｏｗが十分小さいため、近似的に立脚側の足首関節角度に対してΔθＧの修正を行う。また軌道生成では立脚側足裏と遊脚側足裏が常に平行になるような軌道を与えているが、立脚側足首角度変更に伴い、遊脚側足首角度からΔθＧを減算することで足裏が平行になる条件を保つ。また本手法では足首角度のみを修正するため、着地姿勢が崩れ、着地が予定通り行われないことが推測されることから着地時間近傍で遊脚スライドゲインを小さくすることで着地衝撃による反発力が発生しにくいようにする。図８に本発明の歩行制御装置のブロック図を示す。
Next, a method of changing the posture of the robot with respect to this Δθ G will be described. Actually, when the robot in the swinging leg runs backward, it will be rebalanced by adding Δθ G so that the center of gravity trajectory falls forward, but the current state is that the robot is running backward. It shows that the deviation occurs behind the orbit. This delay is regarded as an angle corresponding to Δθ G that should be corrected originally, and the deviation between the track and the current state is suppressed by shifting the track backward by Δθ G , and the travel amount is suppressed. On the contrary, when the robot travels forward, the trajectory is added to the side that falls forward. Δθ G indicates the relative angle between the lower structure centroid position and the upper structure centroid position. Because the actual ankle joint and the lower structure the position of the center of gravity in the robot does not match, can not be reflected in the degree of freedom [Delta] [theta] G directly, the ankle joint in comparison with l in the current configuration - substructure centroid distance l low enough Since it is small, Δθ G is corrected with respect to the ankle joint angle on the stance side. Also, in the trajectory generation, a trajectory is provided so that the stance leg-side sole and the free leg-side sole are always parallel, but with the change in the stance leg-side ankle angle, Δθ G is subtracted from the leg-side ankle angle. Maintain the condition that the back is parallel. In addition, since only the ankle angle is corrected in this method, the landing posture collapses and it is estimated that the landing will not be performed as scheduled. Make it difficult to occur. FIG. 8 shows a block diagram of the walking control device of the present invention.
（試作機システム構成）
表１に試作機仕様を示す。本発明のロボットは、電源に２次電池を搭載し、無線ＬＡＮ化することで自立移動が可能な構成とした。図９に試験機システム構成を示す。
(Prototype system configuration)
Table 1 shows the prototype specifications. The robot of the present invention has a configuration in which a secondary battery is mounted on a power source and can move independently by using a wireless LAN. FIG. 9 shows the tester system configuration.
（歩行試験）
開発した制御系の有効性を検証するため、試作機による歩行試験を行った。階段歩行では遊脚中の立脚側車輪移動量が大きい場合、階段から落下し計測が出来ないため、平胆地で実施した。本軌道は図５で示す各フェーズを（１）１．５ｓｅｃ＋（２）１．５ｓｅｃ＋（３）１．０ｓｅｃ＝４．０ｓｅｃ／歩で行う軌道で、これまでの約１０ｓｅｃ／歩に比べ、２倍以上の高速化が計られている。なお（４）は平坦地歩行では省略している。
(Walking test)
In order to verify the effectiveness of the developed control system, we conducted a walking test using a prototype. When walking on stairs, if the amount of wheel movement on the stance side during swinging is large, it falls from the stairs and cannot be measured. This trajectory is a trajectory in which each phase shown in FIG. 5 is performed at (1) 1.5 sec + (2) 1.5 sec + (3) 1.0 sec = 4.0 sec / step. The speed is more than doubled. Note that (4) is omitted for walking on flat ground.
図１０は本発明の安定化制御を行わずに、所定の軌道で歩行した際の全重心ｘ方向位置Ｇｘの計画値と計測値（１歩分）を示している。軌道はほぼ計画値に追従し、安定化制御を行わなくても歩行には成功していることがわかる。しかし歩行開始位置を変更するとこれまで同様に重心軌道はほぼ同様な追従性を示すが、遊脚開始から終了までの車輪走行距離には大きく差が出る結果となった。
図１１は安定化制御なしで車輪走行距離に差が出た３箇所の開始位置で歩行を行ったときの車輪回転θ２を示している。安定化制御の有効性を確認するため同位置で安定化制御を行って歩行した時の車輪回転θ２を計測した。結果を図１２に示す。
FIG. 10 shows a planned value and a measured value (for one step) of the total center-of-gravity x-direction position Gx when walking on a predetermined trajectory without performing the stabilization control of the present invention. The trajectory almost follows the planned value, and it can be seen that walking is successful without stabilization control. However, when the walking start position is changed, the center-of-gravity trajectory shows almost the same followability as before, but the wheel travel distance from the start to the end of the free leg is greatly different.
FIG. 11 shows the wheel rotation θ 2 when walking at the three start positions where the wheel travel distance differs without stabilization control. In order to confirm the effectiveness of the stabilization control, the wheel rotation θ 2 when walking while performing the stabilization control at the same position was measured. The results are shown in FIG.
図１１、１２を比較すると安定化制御なしで車輪走行距離が大きいＰｏｉｎｔ２、３では安定化制御を行うことで車輪走行距離を抑制する効果が見られる。しかしＰｏｉｎｔ１のように安定化制御なしで車輪走行距離がもともと小さな開始位置では制御を行うことでむしろ車輪走行距離が増える傾向が出た。開始位置設定では置き方等による誤差もあるため何度か試験を行ったが、距離に誤差はあるもののほぼ同様の傾向が観測された。本制御系ではオブザーバのモデルを簡易的に近似しているため、車輪がほぼ動かないような場合でもモデル化誤差やダイナミクスの影響が傾斜として推定されてしまい、これを修正するため回転量が増える方向に働くものと推測される。
11 and 12, the points 2 and 3 having a large wheel travel distance without stabilization control have an effect of suppressing the wheel travel distance by performing the stabilization control. However, there is a tendency that the wheel travel distance increases rather by performing control at the starting position where the wheel travel distance is originally small without the stabilization control as in
図１３は安定化制御効果の大きかったＰｏｉｎｔ２での接地側足首角度θ１（遊脚期間のみ拡大）について元計画軌道、制御結果を加えた軌道と計測値の結果である。足首角度軌道にΔθＧを加減算することで車輪回転量を抑制している様子が分かる。
同制御系を用いて段差高さ１００ｍｍ、踏面奥行き２３０ｍｍを持つ階段３段で４歩の連続昇り動作を行い、成功した。
FIG. 13 shows the results of the original planned trajectory, the trajectory to which the control result is added, and the measurement value for the ground contact side ankle angle θ 1 (only the free leg period is enlarged) at Point 2 where the stabilization control effect is large. It can be seen that the amount of wheel rotation is suppressed by adding or subtracting Δθ G to the ankle angle trajectory.
Using this control system, we succeeded in four steps of continuous climbing with three steps with a step height of 100 mm and a tread depth of 230 mm.
３脚車輪型ロボットの高速歩行を行うための軌道生成及び、遊脚中の安定化制御について述べた。試作機を用いた歩行試験により平坦地及び、階段で、これまでの２倍以上の速度での歩行に成功し、提案した手法の有効性を確認した。
また、試験では平坦地では転倒することはなく、階段もほとんどの歩行で成功している。
The trajectory generation for high-speed walking of a tripod wheel type robot and the stabilization control during the free leg were described. In a walking test using a prototype, we succeeded in walking on flat ground and stairs at a speed more than twice as high as before, and confirmed the effectiveness of the proposed method.
Moreover, in the test, it does not fall on a flat ground, and the stairs are successful in most walking.
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。 In addition, this invention is not limited to the Example and embodiment mentioned above, Of course, it can change variously in the range which does not deviate from the summary of this invention.
１０ 脚車輪型移動ロボット、１２ 本体、１４ 中央脚、１６ 側脚、
１８ 足首・車輪駆動部、２０ 歩行制御装置、
２１ 車輪、２１ａ 車輪軸、２２ 足部フレーム、２３ 上部フレーム、
２４ 駆動装置、２４ａ ベベルギヤ、２５ 駆動軸、
２６ 同期伝達装置、２６ａ プーリ、２６ｂ タイミングベルト、
２７ ブレーキ、２８ トルク計測装置、
２９ 足首角度センサ、３０ 車輪角度センサ
10 leg wheel type mobile robot, 12 body, 14 central leg, 16 side leg,
18 ankle / wheel drive unit, 20 walking control device,
21 wheels, 21a wheel axles, 22 foot frames, 23 upper frames,
24 drive unit, 24a bevel gear, 25 drive shaft,
26 synchronous transmission device, 26a pulley, 26b timing belt,
27 brakes, 28 torque measuring devices,
29 Ankle angle sensor, 30 Wheel angle sensor
Claims (2)
前記足首・車輪駆動部は、走行方向に間隔を隔てた車輪軸を有する２本の車輪と、該車輪軸を回転可能に支持しかつ該車輪軸と間隔を隔てた水平軸Ｏを中心に揺動可能な足部フレームと、該水平軸Ｏを中心に揺動可能であり中央脚又は側脚の下端が固定された上部フレームと、該上部フレームに水平軸Ｏを中心に回転可能に支持され上部フレームに固定された駆動装置で回転駆動される駆動軸と、該駆動軸の回転を２本の車輪に同期して伝達する同期伝達装置と、足部フレームに対する駆動軸の回転を制動するブレーキと、駆動装置の出力トルクを計測するトルク計測装置と、鉛直軸に対する水平軸Ｏまわりの中央脚又は側脚の傾斜角度θ １ を計測する足首角度センサと、車輪の回転角度θ ２ を計測する車輪角度センサと、を有し、
前記歩行制御装置は、更に出力トルク、傾斜角度θ １ 及び回転角度θ ２ から、２本の車輪が接触する路面の傾斜角度αを計算し、これに基づき中央脚、側脚および足首・車輪駆動部を制御し、
該歩行制御装置により、中央脚又は１対の側脚を交互に立脚および遊脚として交互に振り出して歩行する、ことを特徴とする３脚構造の脚車輪型移動ロボット。 A main body, a central leg provided in the center of the main body so as to be extendable downward, and a pair of side legs provided on both the left and right sides of the main body so as to be rotatable about a horizontal axis and extendable downward. An ankle / wheel drive unit provided at the lower end of each of the central leg and the pair of side legs, and a walking control device for controlling the central leg, the side leg and the ankle / wheel drive unit,
The ankle / wheel drive unit has two wheels having wheel shafts spaced apart in the running direction, and supports the wheel shafts rotatably and swings around a horizontal axis O spaced from the wheel shafts. A movable foot frame, an upper frame that is swingable about the horizontal axis O and has a lower end of a central leg or a side leg fixed thereto, and is supported by the upper frame so as to be rotatable about the horizontal axis O. A drive shaft that is rotationally driven by a drive device fixed to the upper frame, a synchronous transmission device that transmits the rotation of the drive shaft in synchronization with two wheels, and a brake that brakes the rotation of the drive shaft relative to the foot frame When measures a torque measuring device for measuring the output torque of the drive unit, and the ankle angle sensor for measuring a tilt angle theta 1 of the central leg or side legs around a horizontal axis O with respect to the vertical axis, the rotation angle theta 2 of the wheel A wheel angle sensor,
The walking control device further calculates the inclination angle α of the road surface in contact with the two wheels from the output torque, the inclination angle θ 1 and the rotation angle θ 2 , and based on this, the center leg, the side leg and the ankle / wheel drive are calculated. Control the part
A leg-wheel type mobile robot having a three-leg structure, wherein the walking control device causes the central leg or a pair of side legs to alternately swing out as a standing leg and a free leg.
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