JP6076873B2 - robot - Google Patents
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Description
本発明は、アームロボット又はアームを備えているロボットに関する。 The present invention relates to an arm robot or a robot including an arm.
ロボットの脚体の動作が制御されることによりロボットの姿勢の安定化を図りながら、ロボットの腕体（アーム）において人間との握手等の接触を伴うタスクを実行させるためのボディ（基体）の姿勢を決定するための技術的手法が提案されている。具体的には、ロボットの腕体の動作タスクを実行する際に腕体に作用する外力を検出あるいは推定される結果に基づき、ボディの最適な姿勢が本技術手法で生成され、脚体の動作が制御される（特許文献１参照）。 The body of the body (base body) for executing tasks involving handshake with humans on the robot arm body (arm) while stabilizing the posture of the robot by controlling the movement of the robot body. Technical techniques for determining posture have been proposed. Specifically, based on the result of detecting or estimating the external force acting on the arm body when executing the robot arm task task, the optimal posture of the body is generated by this technique, and the leg motion Is controlled (see Patent Document 1).
しかし、厳密なキネマティクスモデルにしたがってロボットの動作が制御されることにより、腕体の姿勢に応じて直接的に腰の位置・姿勢が一義的に定められることになる。このため、ロボットの動きが固くなり、その姿勢が不安定になる可能性がある。 However, by controlling the operation of the robot according to a strict kinematics model, the position / posture of the waist is directly determined according to the posture of the arm body. For this reason, the movement of the robot becomes hard and its posture may become unstable.
そこで、本発明は、外力に応じてアームの姿勢を柔軟に変化させながら、基体の姿勢も変化させることで、脚体に対する外力の影響を緩和し姿勢の安定化を図ることができるロボットを提供する。 Therefore, the present invention provides a robot capable of reducing the influence of external force on the leg and stabilizing the posture by changing the posture of the base body while flexibly changing the posture of the arm according to the external force. To do.
本発明は、基体と、前記基体の位置及び姿勢のうち一方又は両方を制御可能に支持する支持機構と、前記基体から延設され、複数のリンク及び当該複数のリンクを連結する複数の関節機構を有するアームと、前記支持機構及び前記関節機構の動作を制御するように構成されている制御装置と、を備えているロボットに関する。 The present invention includes a base body, a support mechanism that supports one or both of the position and posture of the base body in a controllable manner, a plurality of links and a plurality of joint mechanisms that connect the plurality of links. And a control device configured to control operations of the support mechanism and the joint mechanism.
本発明のロボットは、前記制御装置が、トルク指令値を前記複数の関節機構のそれぞれに対して与えることにより、前記アームの動作を制御するとともに、前記複数の関節機構のそれぞれの関節角度の測定値に基づき、全身キネマティクスモデルにしたがって前記基体の位置及び姿勢の設定値を決定し、前記基体と前記アームとの仮想的な相互拘束力を定義する拘束力モデルと、前記基体に対する前記アームの姿勢とに基づいて前記基体に作用する拘束力を算出した上で、当該拘束力に応じて前記設定値を補正することにより前記基体の位置及び姿勢の指令値を生成し、当該指令値にしたがって前記支持機構の動作を制御することを特徴とする。 In the robot of the present invention, the control device controls the operation of the arm by giving a torque command value to each of the plurality of joint mechanisms, and measures the joint angles of the plurality of joint mechanisms. A set value of the position and posture of the base body according to a whole body kinematics model based on the value, a restraint force model that defines a virtual mutual restraint force between the base body and the arm, and a position of the arm relative to the base body Based on the posture, the restraining force acting on the base is calculated, and then the set values are corrected according to the restraining force to generate command values for the position and orientation of the base, and according to the command values The operation of the support mechanism is controlled.
本発明のロボットによれば、各関節機構の角度又は角速度等の指令値ではなくトルク指令値にしたがってアームの動作が制御されるので、外力に応じてアームの姿勢を柔軟に変化させることができる。また、拘束モデルにしたがって算出される仮想的な拘束力にしたがって、アームの動きを吸収するように基体の位置及び姿勢が変化するように支持機構の動作が制御されうる。 According to the robot of the present invention, the arm operation is controlled according to the torque command value, not the command value such as the angle or angular velocity of each joint mechanism, so that the posture of the arm can be flexibly changed according to the external force. . Further, the operation of the support mechanism can be controlled so that the position and posture of the base body change so as to absorb the movement of the arm according to the virtual restraint force calculated according to the restraint model.
したがって、さまざまな形態の外力に応じてアームの姿勢を柔軟に変化させながら、ロボットの姿勢の安定化が図られうる。なお、支持機構が関節機構を有する場合、支持機構の動作はアームの動作とは異なり関節機構のトルク指令値ではなく関節角度又は関節角速度の指令値にしたがって制御されてもよい。 Therefore, the posture of the robot can be stabilized while flexibly changing the posture of the arm according to various forms of external force. When the support mechanism has a joint mechanism, the operation of the support mechanism may be controlled according to the command value of the joint angle or the joint angular velocity instead of the torque command value of the joint mechanism, unlike the operation of the arm.
前記制御装置が、前記基体及び前記アームのそれぞれに定義される端点の間隔に応じた仮想的な弾性力及び当該端点の間隔の変化速度に応じた仮想的な減衰力により前記相互拘束力を定義する拘束モデルを用いて、前記支持機構の動作を制御することが好ましい。 The control device defines the mutual restraining force by a virtual elastic force according to the interval between the end points defined for each of the base body and the arm and a virtual damping force according to the changing speed of the interval between the end points. It is preferable to control the operation of the support mechanism using a constraint model.
前記制御装置が、前記複数のリンクのそれぞれに作用する重力を補償する重力補償トルクを含むトルク指令値を前記複数の関節機構のそれぞれに対して与えることにより、前記アームの動作を制御することが好ましい。 The control device may control the operation of the arm by giving a torque command value including a gravity compensation torque for compensating gravity acting on each of the plurality of links to each of the plurality of joint mechanisms. preferable.
当該構成のロボットによれば、アームに対して外力が作用していない状態で、当該アームの姿勢が自重により変化することなくそのままに維持されうる。 According to the robot having such a configuration, the posture of the arm can be maintained as it is without changing due to its own weight when no external force is applied to the arm.
（ロボットの構成）
図１に示されているロボット１は、基体Ｂ１と、基体Ｂ１を支持する支持機構Ｂ２と、基体Ｂ１から延設されているアームＡと、ロボットの駆動源であるアクチュエータ（図示略）の動作を制御する制御装置２とを備えている。アームＡは、複数の関節機構Ｊi（ｉ＝１〜Ｎ）と、当該複数の関節機構Ｊiを介して連結されている複数のリンクＬiとを備えている。関節機構の数及び各関節機構の自由度（１〜３）は任意に設計されうる。
(Robot configuration)
The robot 1 shown in FIG. 1 includes a base B1, a support mechanism B2 that supports the base B1, an arm A extending from the base B1, and an actuator (not shown) that is a driving source of the robot. And a control device 2 for controlling. The arm A includes a plurality of joint mechanisms J i (i = 1 to N) and a plurality of links L i connected via the plurality of joint mechanisms J i . The number of joint mechanisms and the degrees of freedom (1-3) of each joint mechanism can be arbitrarily designed.
アームＡを構成するアクチュエータの動作に応じて、各関節機構Ｊiの回転自由度に応じた軸回りの関節角度ｑiが制御されることにより、第ｉ−１リンクＬi-1に対する第ｉリンクＬiの相対的な姿勢が調節される。ロボット１は各関節角度ｑiに応じた信号を出力する関節角度センサ（図示略）をさらに備え、制御装置２は各関節角度センサからの出力信号に基づいて各関節角度ｑiを測定する。 Depending on the operation of the actuator which constitutes the arm A, by about the axis of the joint angle q i corresponding to the rotational degrees of freedom of each joint mechanism J i is controlled, the i for the i-1 link L i-1 The relative posture of the link L i is adjusted. The robot 1 further includes a joint angle sensor (not shown) that outputs a signal corresponding to each joint angle q i , and the control device 2 measures each joint angle q i based on an output signal from each joint angle sensor.
支持機構Ｂ２を構成するアクチュエータの動作が制御されることにより、グローバル座標系における基体Ｂ１の位置ＰB1及び姿勢θB1が制御される。制御装置２は、電子制御ユニット（ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏ回路等により構成されている。）又はコンピュータにより構成されている。 By controlling the operation of the actuator constituting the support mechanism B2, the position P B1 and the posture θ B1 of the base B1 in the global coordinate system are controlled. The control device 2 is configured by an electronic control unit (configured by a CPU, ROM, RAM, I / O circuit, etc.) or a computer.
第ｉリンク座標系（ローカル座標系）における外力等の値は、第ｉリンクの姿勢行列Ｔ（ｉ）＝Πk=1~iＴ（ｋ）（「Π」は積を表わす。）を用いてグローバル座標系の値に座標変換される。各リンクローカル座標系で定義されている拘束力モデル（後述）の基準点ＰLk及びＰB1のそれぞれの座標値がグローバル座標系の座標値に変換される。 The values of the external force and the like in the i-th link coordinate system (local coordinate system) use the i-th link attitude matrix T (i) = Π k = 1 to i T (k) (“Π” represents a product). Are converted to values in the global coordinate system. The coordinate values of the reference points P Lk and P B1 of the constraint force model (described later) defined in each link local coordinate system are converted into the coordinate values of the global coordinate system.
（制御装置の構成）
図２に示されている制御装置２は、アーム制御要素２１と、全身運動生成要素２２と、拘束力算出要素２３と、位置・姿勢指令要素２４と、支持機構制御要素２５とを備えている。制御装置２の各構成要素は、メモリと、当該メモリから必要なデータ及びプログラムを読み出した上で、後述する担当演算処理を実行する演算処理装置（ＣＰＵ）とにより構成されている。
(Configuration of control device)
The control device 2 shown in FIG. 2 includes an arm control element 21, a whole body motion generation element 22, a restraint force calculation element 23, a position / posture command element 24, and a support mechanism control element 25. . Each component of the control device 2 includes a memory and an arithmetic processing unit (CPU) that executes necessary arithmetic processing to be described later after reading necessary data and programs from the memory.
ロボット１が関節角度指令値ｑcmdにより各関節機構Ｊiの関節角度ｑiが制御される関節駆動型のロボットである場合、制御装置２はトルク変換器を備えている（米国特許公報ＵＳ７，９８６，１１８Ｂ２参照）。各関節機構のトルク指令値trq_cmdが、当該トルク変換器により関節角度指令値ｑcmd又は関節角速度指令値ｄｑcmd／ｄｔに変換される。これにより、ロボット１が擬似的にトルク指令型のロボットとして制御されうる。 When the robot 1 is a joint-driven robot in which the joint angle q i of each joint mechanism J i is controlled by the joint angle command value qcmd, the control device 2 includes a torque converter (US Pat. No. 7,986). , 118B2). The torque command value trq_cmd of each joint mechanism is converted into the joint angle command value qcmd or the joint angular velocity command value dqcmd / dt by the torque converter. Thereby, the robot 1 can be controlled as a pseudo torque command type robot.
（ロボット及びその制御装置の機能）
（アーム制御要素の機能）
（関節空間におけるトルク指令）
アーム制御要素２１により、アームＡの動力学モデルを表わす関係式（２１）にしたがって、第１トルク指令値（関節空間におけるトルク指令値）trq_joint_cmd≡trq1_cmd＝［trq1_cmd(1), ..trq1_cmd(i), ..trq1_cmd(N)］が設定される。
(Robot and its control device functions)
(Function of arm control element)
(Torque command in joint space)
The first torque command value (torque command value in the joint space) trq_joint_cmd≡trq1_cmd = [trq1_cmd (1), ..trq1_cmd (i) according to the relational expression (21) representing the dynamic model of the arm A by the arm control element 21 ), ..trq1_cmd (N)] is set.
A(q)(d2q/dt2)+B(q,(dq/dt))+g(q)=trq1_cmd ..(21)。 A (q) (d 2 q / dt 2 ) + B (q, (dq / dt)) + g (q) = trq1_cmd .. (21).
各関節機構の角度ｑ＝［ｑ（１）, .ｑ（ｉ）, ..ｑ（Ｎ）］、関節角速度（ｄｑ／ｄｔ）、関節角加速度（ｄ2ｑ／ｄｔ2）、慣性行列Ａ（ｑ）、遠心力・コリオリ力Ｂ（ｑ，（ｄｑ／ｄｔ））及び重力補償トルクｇ（ｑ）のそれぞれは、当該角度ｑの時系列的な変化態様を定める角度軌道に基づいて定められる。 Angle q = [q (1), .q (i), ..q (N)] of each joint mechanism, joint angular velocity (dq / dt), joint angular acceleration (d 2 q / dt 2 ), inertia matrix A Each of (q), centrifugal force / Coriolis force B (q, (dq / dt)) and gravity compensation torque g (q) is determined based on an angular trajectory that defines a time-series variation of the angle q. .
関係式（２１）によれば、関節角度指令値ｑcmdが出力されない場合、制御点ＰC以外の箇所においてアームＡに作用する外力に応じて、当該アームＡを受動的に作動させるような第１トルク指令値trq1_cmdが出力される。したがって、リンクＬiが外力に応じて受動的に動く。 According to equation (21), if the joint angle command value qcmd is not output, in response to an external force acting on the arm A at a location other than the control point P C, the like is passively actuated the arm A 1 Torque command value trq1_cmd is output. Therefore, the link L i moves passively according to the external force.
関係式（２１）左辺における重力補償項ｇ（ｑ）により、ロボット１の姿勢にかかわらず各リンクＬiに作用する重力が補償される。したがって、各リンクＬiに作用する外力Ｆに応じて、ロボット１が各リンクＬiに作用する重力による影響を補償しながら受動的に操作されうる。ロボット１は外力Ｆが０になった場合、各リンクＬiの位置及び姿勢、ひいてはアームＡの位置及び姿勢をそのまま変化させずに維持することができる。 The gravity acting on each link L i is compensated by the gravity compensation term g (q) on the left side of the relational expression (21) regardless of the posture of the robot 1. Therefore, according to the external force F acting on each link L i, the robot 1 may be passively operated while compensating for the influence of the gravitational force acting on each link L i. Robot 1 when an external force F is zero, the position and posture of each link L i, can be maintained without directly changing the position and orientation of the thus arm A.
（操作空間におけるトルク指令）
関節空間におけるトルク制御と同時に、操作空間における力制御も同時に実行される。操作空間における制御点ＰCは動作中に任意の位置に定義される。当該制御点ＰCにおいてアームＡに発生させる力Ｆcmdと操作空間に射影された慣性行列ΛCに基づいて関係式（２２）にしたがって、操作空間において発生させる力Fcmd*として変換される。
(Torque command in operation space)
Simultaneously with the torque control in the joint space, the force control in the operation space is simultaneously executed. The control point P C in the operation space is defined at an arbitrary position during operation. Based on the force Fcmd generated in the arm A at the control point P C and the inertia matrix Λ C projected onto the operation space, the force Fcmd * generated in the operation space is converted according to the relational expression (22).
Fcmd*=ΛCFcmd ..(22)。
任意の制御点ＰCに対して基体Ｂ１を基準として定義されるヤコビ行列ＪCにより、関係式（２３）にしたがって、当該制御点ＰCにおいてアームＡに発生させる力Ｆcmd*が各関節のトルク指令値trq_task_cmd≡trq2_cmd＝［trq2_cmd(1), ..trq2_cmd(i), ..trq2_cmd(N)］として分配される。「T」は転置を表わす。
Fcmd * = Λ C Fcmd .. (22).
According to the Jacobian matrix J C defined with respect to the base B1 for an arbitrary control point P C , the force Fcmd * generated in the arm A at the control point P C is the torque of each joint according to the relational expression (23). It is distributed as command value trq_task_cmd≡trq2_cmd = [trq2_cmd (1), ..trq2_cmd (i), ..trq2_cmd (N)]. “ T ” represents transposition.
trq2_cmd=JcTFcmd*..(23)。 trq2_cmd = Jc T Fcmd * .. (23).
制御点ＰCがエンドエフェクタとしての第ＮリンクＬNに定義されている場合、基体Ｂ１の座標系を基準として定義されているヤコビ行列ＪCは関係式（２２１）にしたがって定義されている。これは一般的なヤコビ行列である。 When the control point P C is defined in the Nth link L N as the end effector, the Jacobian matrix J C defined with reference to the coordinate system of the base B1 is defined according to the relational expression (221). This is a general Jacobian matrix.
Jc=(J1, ..Ji, ..Jn), Ji=(Ji1, Ji2, Ji3, Ji4, Ji5, Ji6)T ..(221)。 Jc = (J1, ..Ji, ..Jn), Ji = (Ji1, Ji2, Ji3, Ji4, Ji5, Ji6) T .. (221).
一方、制御点ＰCが第ｉリンクＬi（ｉ＜Ｎ）上の任意の位置にある場合のヤコビ行列ＪCは関係式（２２２）にしたがって定義される。 On the other hand, the Jacobian matrix J C when the control point P C is at an arbitrary position on the i-th link L i (i <N) is defined according to the relational expression (222).
Jc=(J1, ..Ji, 0, ..0) ..(222)。 Jc = (J1, ..Ji, 0, ..0) .. (222).
制御点ＰCが定義される第ｉリンクＬ（ｉ）の駆動用の第ｉ関節機構Ｊ（ｉ）のグローバル座標系における位置を表わすベクトルＰJ(i)及び姿勢を表わす行列ΘJ(i)が算出される。第ｉリンクＬ（ｉ）に対して位置及び姿勢が固定されているリンク座標系（ローカル座標系）における制御点ＰCの第ｉ関節機構Ｊ（ｉ）に対するオフセットを表わすベクトルＰc_offsetにより定義される。これにより、グローバル座標系における制御点ＰC＝ＰJ(i)＋ΘJ(i)Ｐc_offsetが定義される。 A vector P J (i) representing the position in the global coordinate system of the i-th joint mechanism J (i) for driving the i-th link L (i) where the control point P C is defined, and a matrix Θ J (i representing the attitude ) Is calculated. It is defined by a vector Pc_offset representing the offset of the control point P C with respect to the i-th joint mechanism J (i) in the link coordinate system (local coordinate system) whose position and orientation are fixed with respect to the i-th link L (i). . Thereby, the control point P C = P J (i) + Θ J (i) Pc_offset in the global coordinate system is defined.
これにより、第ｉリンクＬi上の制御点ＰCにおいてアームＡに発生させる力指令値Ｆcmdが、第ｉ関節機構Ｊiとこれよりも基体Ｂ１に近い側に関節機構Ｊ1〜Ｊi-1のそれぞれの第２トルク指令値trq2_cmd（ｋ）（ｋ＝１〜ｉ）に変換される。 As a result, the force command value Fcmd generated in the arm A at the control point P C on the i-th link L i becomes the i-th joint mechanism J i and the joint mechanisms J 1 to J i− closer to the base B1 than this. 1 is converted into each second torque command value trq2_cmd (k) (k = 1 to i).
（関節空間及び操作空間におけるトルク指令の合成）
関係式（２３１）により表わされるゼロ空間への射影行列ＮC Tが用いられて、関係式（２３２）にしたがって最終的なトルク指令値trq_cmdが設定される。これにより、制御点ＰCにおいてアームＡに力を発生させるための第２トルク指令値trq2_cmdと、当該制御点ＰCよりも基体Ｂ１に対して近い側の関節機構Ｊkの第１トルク指令値trq1_cmd(k)とが相互に干渉することが回避されうる。
(Composition of torque command in joint space and operation space)
A projection matrix N C T onto the zero space represented by the relational expression (231) is used, and a final torque command value trq_cmd is set according to the relational expression (232). Accordingly, the second torque command value trq2_cmd for generating a force on the arm A in the control point P C, the first torque command value of the joint mechanism J k of the side close to the substrate B1 than the control point P C It can be avoided that trq1_cmd (k) interferes with each other.
NcT=I-JcTJc*T, Jc*T=ΛcJcA-1, Λc-1=JcA-1JcT..(231)。 Nc T = I-Jc T Jc * T , Jc * T = ΛcJcA −1 , Λc −1 = JcA −1 Jc T .. (231).
trq_cmd=NcTtrq1_cmd+trq2_cmd,
trq1_cmd=(trq1_cmd(1), ..trq1_cmd(i), trq1_cmd(i+1), ..trq1_cmd(N)),
trq2_cmd=(trq2_cmd(1), ..trq2_cmd(i), 0, ..0) ..(232)。
trq_cmd = Nc T trq1_cmd + trq2_cmd,
trq1_cmd = (trq1_cmd (1), ..trq1_cmd (i), trq1_cmd (i + 1), ..trq1_cmd (N)),
trq2_cmd = (trq2_cmd (1), ..trq2_cmd (i), 0, ..0) .. (232).
したがって、制御点ＰCにおいてアームＡに作用する外力Ｆは、第ｉリンクＬi及び第ｉリンクＬiよりも基体Ｂ１に対して近い側にある関節機構Ｊ1〜Ｊi-1のトルク指令値trq_cmd（１）〜trq_cmd（ｉ）に反映される。その一方、当該力Ｆは、第ｉリンクＬiよりも基体Ｂ１に対して遠い側にある関節機構Ｊi+1〜ＪNのトルク指令値trq_cmd（ｉ＋１）〜trq_cmd（Ｎ）には反映されない。 Therefore, the external force F acting on the arm A at the control point P C is the torque command of the joint mechanisms J 1 to J i-1 that are closer to the base B1 than the i-th link L i and the i-th link L i. It is reflected in the values trq_cmd (1) to trq_cmd (i). On the other hand, the force F is not reflected in the torque command values trq_cmd (i + 1) to trq_cmd (N) of the joint mechanisms J i + 1 to J N that are further to the base B1 than the i-th link L i. .
（全身運動生成要素の機能）
全身運動生成要素２２により、各関節角度ｑの測定値ｑactに基づき、全身キネマティクスモデルにしたがってロボット１の全身運動が計算される。これにより、基体Ｂ１の位置ＰB1[XYZ]及び姿勢θB1[XYZ]が設定される。
(Function of whole body movement generation element)
The whole body motion generation element 22 calculates the whole body motion of the robot 1 according to the whole body kinematic model based on the measured value qact of each joint angle q. Thereby, the position P B1 [XYZ] and the posture θ B1 [XYZ] of the base B1 are set.
（拘束力算出要素の機能）
拘束力算出要素２３は、拘束力モデルとしての仮想力モデル（ＶＦＭ）を用いて、基体Ｂ１及び各リンクＬiに対して作用する仮想的な拘束力ＦCFM（ｋ）（ｋ＝１〜Ｍ）を算出する。仮想力モデルによれば、Ｍ個の仮想的な拘束要素ＣＦＭ（ｋ）により、基体Ｂ１及び各リンクＬiの相互拘束力が定義されている。一のリンクＬiに対して定義される拘束要素の数は１に限定される必要はなく複数であってもよい。リンクの数と、拘束要素の数とは一致していなくてもよい。拘束要素ＣＦＭ（ｋ）は、任意数の仮想的な弾性要素（バネ要素）及び減衰要素（ダンパ要素）の任意の組み合わせにより構成されている。各拘束要素ＣＦＭ（ｋ）の構成は同一であってもよく、相違していてもよい。
(Function of binding force calculation element)
Restraining force calculating element 23, by using the virtual force model (VFM) as binding model, virtual restraining force F CFM acting against the substrate B1 and each link L i (k) (k = 1~M ) Is calculated. According to the virtual force model, by the M virtual restraining elements CFM (k), the substrate B1 and the mutual binding of each link L i is defined. The number of constraint elements defined for one link L i need not be limited to 1 and may be plural. The number of links and the number of constraint elements do not need to match. The restraining element CFM (k) is configured by any combination of an arbitrary number of virtual elastic elements (spring elements) and damping elements (damper elements). The configuration of each constraint element CFM (k) may be the same or different.
例えば、拘束要素ＣＦＭ（ｋ）が、図３（ａ）に示されているように、並列接続されている仮想的な弾性要素（弾性係数Ｋ）及び減衰要素（減衰係数Ｄ）により構成されている。そのほか、拘束要素ＣＦＭ（ｋ）が、図３（ｂ）に示されているように、並列接続されている仮想的な弾性要素（弾性係数Ｋ１）及び減衰要素（減衰係数Ｄ）と、これらに直列接続されているさらなる弾性要素（弾性係数Ｋ２）とにより構成されていてもよい。 For example, as shown in FIG. 3A, the constraining element CFM (k) is composed of a virtual elastic element (elastic coefficient K) and a damping element (damping coefficient D) connected in parallel. Yes. In addition, as shown in FIG. 3B, the constraining element CFM (k) includes a virtual elastic element (elastic coefficient K1) and a damping element (damping coefficient D) connected in parallel. You may be comprised by the further elastic element (elastic coefficient K2) connected in series.
拘束力算出要素２３によれば、拘束要素ＣＦＭ（ｋ）の基体Ｂ１側の端点ＰB1_CFM（ｋ）及びアームＡ側の端点ＰA_CFM（ｋ）の間隔Ｌ（ｋ）及びその変化速度ｄＬ（ｋ）／ｄｔが算出される。 According to restraining force calculating element 23, the distance L (k) and its change rate dL (k substrates B1 end point P B1_CFM of restraining elements CFM (k) (k) and the arm A side end point P A_CFM (k) ) / Dt is calculated.
第ｋ拘束要素ＣＦＭ（ｋ）が並列接続されている仮想的な弾性要素及び減衰要素により定義されている場合（図３（ａ）参照）、第ｋ拘束要素ＣＦＭ（ｋ）による基体Ｂ１及び該当リンクＬiの相互拘束力ＦCFM（ｋ）が、弾性要素の弾性係数（バネ係数）Ｋ（ｋ）及び減衰要素の減衰係数（ダンパ係数）Ｄ（ｋ）に基づき、関係式（２３３）にしたがって算出される。 When the kth constraint element CFM (k) is defined by a virtual elastic element and a damping element connected in parallel (see FIG. 3A), the base B1 by the kth constraint element CFM (k) and the corresponding link L i mutual restraining force F CFM (k) is based on the elastic modulus of the elastic element damping coefficient (spring coefficient) K (k) and a damping element (damper coefficient) D (k), the equation (233) Therefore, it is calculated.
FCFM(k)=K(k)×L(k)+D(k)×(dL(k)/dt) ..(233)。 F CFM (k) = K (k) × L (k) + D (k) × (dL (k) / dt) (233).
仮想力モデルに代えて接触力センサモデル（ＣＳＭ）が拘束力モデルとして採用されてもよい。この場合、グローバル座標系における接触力ＦCSM（ｋ）が第ｉリンクＬiに作用する拘束力ＦCFM（ｋ）として定義される。 Instead of the virtual force model, a contact force sensor model (CSM) may be adopted as the restraint force model. In this case, the contact force F CSM in the global coordinate system (k) is defined as a constraint force F CFM (k) acting on the i-th link L i.
（位置・姿勢指令要素の機能）
位置・姿勢指令要素２４により、基体Ｂ１の位置指令値ＰB1_cmd[XYZ]及び姿勢指令値θB1_cmd[XYZ]が計算される。
(Function of position / posture command element)
The position / posture command element 24 calculates a position command value P B1_cmd [XYZ] and a posture command value θ B1_cmd [XYZ] of the base B1.
具体的には、各拘束要素ＣＦＭ(k)の基体Ｂ１側の端点ＰB1_CFM(k)の重心ＰICFM＝Σk=1~MＰB1_CFM(k)を始点とし、各拘束力ＦCFM(k)の合力である合計拘束力（ベクトル）ＦICFM＝Σk=1~MＦCFM(k)が算出される（図４（ａ）参照）。合計拘束力ＦICFM（大きさ）に対して関係式（２４０）により表わされるリミット処理が施されることにより、１次合計拘束力ＦICFM*（ベクトル）が求められる（図４（ｂ）参照）。 Specifically, the center of gravity P ICFM = Σ k = 1 to M P B1_CFM (k) of the end point P B1_CFM (k) on the base B1 side of each constraint element CFM (k) is used as a starting point, and each constraint force F CFM (k ) Is a total binding force (vector) F ICFM = Σ k = 1 to M F CFM (k) (see FIG. 4A). By applying the limit process represented by the relational expression (240) to the total restraining force F ICFM (magnitude), the primary total restraining force F ICFM * (vector) is obtained (see FIG. 4B). ).
FICFM*=0 (if FICFM<Fmin),
=FICFM (if Fmin≦FICFM≦Fmax),
=FICFM (if Fmax<FICFM) ..(240)。
F ICFM * = 0 (if F ICFM <F min ),
= F ICFM (if F min ≤F ICFM ≤F max ),
= F ICFM (if F max <F ICFM ) .. (240).
１次合計拘束力ＦICFM*が基体座標系に射影された結果が２次合計拘束力ＦICFM**として求められる（図４（ｂ）参照）。「基体座標系」は、基体Ｂ１の重心等の代表点を原点とし、基体Ｂ１の体幹回転中心軸をＺ軸（ヨー軸）とする３次元直交座標系である。２次合計拘束力ＦICFM**からオイラー角δθICFM[XYZ]＝（δθICFM[X]、δθICFM[Y]、δθICFM[Z]）が算出される。当該オイラー角及びゲイン行列Ｍθ＝Ｄｉａｇ（ＭθX，ＭθY，ＭθZ）を用いて、関係式（２４１）にしたがって各軸回りの角度変化量δθB1[XYZ]が計算される。 The result of projecting the primary total restraining force F ICFM * onto the base coordinate system is obtained as the secondary total restraining force F ICFM ** (see FIG. 4B). The “base coordinate system” is a three-dimensional orthogonal coordinate system in which a representative point such as the center of gravity of the base B1 is the origin, and the trunk rotation center axis of the base B1 is the Z axis (yaw axis). Euler angles δθ ICFM [XYZ] = (δθ ICFM [X] , δθ ICFM [Y] , δθ ICFM [Z] ) are calculated from the secondary total binding force F ICFM **. The Euler angles and the gain matrix M θ = Diag (M θX, M θY, M θZ) using a relational expression (241) in accordance with angle variation .delta..theta B1 around the axes [XYZ] is computed.
δθB1[XYZ]=MθδθICFM[XYZ] ..(241)。 Δθ B1 [XYZ] = M θ Δθ ICFM [XYZ] .. (241).
そして、関係式（２４２）にしたがって、基体Ｂ１の最終的な姿勢指令値θB1_cmd[XYZ]が計算される（図５（ａ）参照）。 Then, according to the relational expression (242), the final posture command value θ B1_cmd [XYZ] of the base B1 is calculated (see FIG. 5A).
θB1_cmd[XYZ]=δθB1[XYZ]+θB1[XYZ]..(242)。 θ B1 — cmd [XYZ] = δθ B1 [XYZ] + θ B1 [XYZ] .. (242).
ロボット１が有する力センサ（図示略）の出力信号に基づき、アームＡの根元部分ＰB1_A（例えば第１関節機構Ｊ1）に作用する力Ｆact [XYZ]が測定される。当該力測定値と、コンプライアンス係数Ｋcmp[XYZ]を用いて、関係式（２４３）にしたがって各軸方向の変位量δＰB1[XYZ]に変換される。 A force Fact [XYZ] acting on the root portion P B1_A (for example, the first joint mechanism J 1 ) of the arm A is measured based on an output signal of a force sensor (not shown) of the robot 1. Using the force measurement value and the compliance coefficient Kcmp [XYZ] , the displacement is converted into the displacement amount δP B1 [XYZ] in each axial direction according to the relational expression (243).
δPB1[XYZ]=Fact[XYZ]/Kcmp[XYZ] ..(243)。 δP B1 [XYZ] = Fact [XYZ] / Kcmp [XYZ] .. (243).
そして、関係式（２４４）にしたがって、基体Ｂ１の最終的な位置指令値ＰB1_cmd[XYZ]が計算される。 Then, the final position command value P B1 — cmd [XYZ] of the base B1 is calculated according to the relational expression (244).
PB1_cmd[XYZ]=δPB1[XYZ]+PB1[XYZ]..(244)。 P B1_ cmd [XYZ] = δP B1 [XYZ] + P B1 [XYZ] .. (244).
外力Ｆの影響により支持機構Ｂ２が床面に対して傾斜する可能性がある。そこで、ロボット１が有する傾斜センサ（ジャイロセンサなど）により支持機構Ｂ２の傾斜角度θB2[XY]及び角速度dθB2[XY]/dtが推定される（図５参照）。当該推定結果に基づき、関係式（２４５）にしたがって、Ｘ軸及びＹ軸回りの第２姿勢変化量δθB2_cmd[XY]に変換される。この場合、第２姿勢変化量δθB2_cmd[XY]が加えられた形で基体Ｂ１の最終的な姿勢指令値θB1_cmd[XYZ]が計算される（図５（ｂ）参照）。 The support mechanism B2 may be inclined with respect to the floor surface due to the influence of the external force F. Therefore, the inclination angle θ B2 [XY] and the angular velocity dθ B2 [XY] / dt of the support mechanism B2 are estimated by an inclination sensor (such as a gyro sensor) of the robot 1 (see FIG. 5). Based on the estimation result, it is converted into the second posture change amount δθ B2 — cmd [XY] around the X axis and the Y axis according to the relational expression (245). In this case, the final posture command value θ B1_cmd [XYZ] of the base body B1 is calculated in a form in which the second posture change amount δθ B2_cmd [XY] is added (see FIG. 5B).
δθB2_cmd[XY]=KP_B2[XY]θB2[XY]+KV_B2[XY](dθB2[XY]/dt) ..(245)。 δθ B2 — cmd [XY] = K P — B2 [XY] θ B2 [XY] + K V — B2 [XY] (dθ B2 [XY] / dt) .. (245).
（支持機構制御要素の機能）
支持機構制御要素２５により、支持機構Ｂ２の動作が制御されることにより、基体Ｂ１の位置ＰB1及び姿勢θB1が制御される。この際、ロボット１の姿勢安定化のため、ロボット１のＺＭＰが接地領域により画定される支持安定領域に含まれるように、支持機構Ｂ２の動作が制御される。例えば、接地状態を維持したままの支持機構Ｂ２の動作によって基体Ｂ１の位置ＰB1及び姿勢θB1が制御されてもよい（図５（ａ）（ｂ）実線参照）。接地位置を変更するような支持機構Ｂ２の動作によって基体Ｂ１の位置ＰB1及び姿勢θB1が制御されてもよい（図５（ａ）（ｂ）破線及び斜線矢印参照）。また、支持機構Ｂ２はトルク指令型ではなく、関節角度指令型の制御対象として制御される。
(Function of support mechanism control element)
By controlling the operation of the support mechanism B2 by the support mechanism control element 25, the position P B1 and the posture θ B1 of the base body B1 are controlled. At this time, in order to stabilize the posture of the robot 1, the operation of the support mechanism B2 is controlled so that the ZMP of the robot 1 is included in the support stable region defined by the ground contact region. For example, the position P B1 and the posture θ B1 of the base body B1 may be controlled by the operation of the support mechanism B2 while maintaining the grounding state (see solid lines in FIGS. 5A and 5B). The position P B1 and the posture θ B1 of the base body B1 may be controlled by the operation of the support mechanism B2 that changes the contact position (see the broken lines and the hatched arrows in FIGS. 5A and 5B). Further, the support mechanism B2 is controlled not as a torque command type but as a joint angle command type control target.
（実施例１）
オペレータが、ロボットの腕体をつかんで動かした場合の当該ロボットの動作が検証された。ロボットは、図６に示されているように、脚式移動ロボットであり、人間と同様に、基体Ｂ１と、基体Ｂ１の上方に配置された頭部Ｂ０と、基体Ｂ１の上部に上部両側から延設された左右のアームＡと、基体Ｂ１の下部から下方に延設された左右の脚体（支持機構）Ｂ２とを備えている（再表０３／０９０９７８号公報及び再表０３／０９０９７９号公報等参照）。
Example 1
The operation of the robot was verified when the operator grabbed and moved the robot arm. As shown in FIG. 6, the robot is a legged mobile robot. Like a human, the robot is a base B1, a head B0 disposed above the base B1, and an upper part of the base B1 from both upper sides. There are provided left and right arms A that are extended and left and right legs (supporting mechanisms) B2 that are extended downward from the lower part of the base B1 (see Table 03/090978 and Table 03/090979). (See publications).
基体Ｂ１はヨー軸回りに相対的に回動しうるように上下に連結された上部および下部により構成されている。頭部Ｂ０は基体Ｂ１に対してヨー軸回りに回動する等、動くことができる。 The base B1 is composed of an upper part and a lower part that are connected vertically so as to be relatively rotatable about the yaw axis. The head B0 can move, such as rotating around the yaw axis with respect to the base B1.
アームＡは第１リンクＬ１と、第２リンクＬ２とを備えている。左右のアームＡのそれぞれの先端にはハンド（第３リンク）Ｌ３が設けられている。基体Ｂ１と第１リンクＬ１とは第１関節機構（肩関節機構）Ｊ１を介して連結され、第１リンクＬ１と第２リンクＬ２とは第２関節機構（肘関節機構）Ｊ２を介して連結され、第２リンクＬ２とハンドＬ３とは第３関節機構（手首関節機構）Ｊ３を介して連結されている。第１関節機構Ｊ１はロール、ピッチおよびヨー軸回りの回動自由度を有し、第２関節機構Ｊ２はピッチ軸回りの回動自由度を有し、第３関節機構Ｊ３はロール、ピッチ、ヨー軸回りの回動自由度を有している。 The arm A includes a first link L1 and a second link L2. A hand (third link) L3 is provided at the tip of each of the left and right arms A. The base B1 and the first link L1 are connected via a first joint mechanism (shoulder joint mechanism) J1, and the first link L1 and the second link L2 are connected via a second joint mechanism (elbow joint mechanism) J2. The second link L2 and the hand L3 are connected via a third joint mechanism (wrist joint mechanism) J3. The first joint mechanism J1 has a degree of freedom of rotation about the roll, pitch and yaw axes, the second joint mechanism J2 has a degree of freedom of rotation about the pitch axis, and the third joint mechanism J3 has a roll, pitch, It has a degree of freedom of rotation about the yaw axis.
脚体Ｂ２は第１脚体リンクＢＬ１と、第２脚体リンクＢＬ２と、足平部ＢＬ３とを備えている。基体Ｂ１と第１脚体リンクＢＬ１とは股関節機構（第１脚関節機構）ＢＪ１を介して連結され、第１脚体リンクＢＬ１と第２脚体リンクＢＬ２とは膝関節機構（第２脚関節機構）ＢＪ２を介して連結され、第２脚体リンクＢＬ２と足平部ＢＬ３とは足関節機構（第３脚関節機構）ＢＪ３を介して連結されている。 The leg B2 includes a first leg link BL1, a second leg link BL2, and a foot portion BL3. The base B1 and the first leg link BL1 are connected via a hip joint mechanism (first leg joint mechanism) BJ1, and the first leg link BL1 and the second leg link BL2 are connected to a knee joint mechanism (second leg joint). Mechanism) The second leg link BL2 and the foot BL3 are connected via the BJ2 and the foot joint mechanism (third leg joint mechanism) BJ3.
股関節機構ＢＪ１はロール、ピッチおよびロール軸回りの回動自由度を有し、膝関節機構ＢＪ２はピッチ軸回りの回動自由度を有し、足関節機構ＢＪ３はロールおよびピッチ軸回りの回動自由度を有している。股関節機構ＢＪ１、膝関節機構ＢＪ２および足関節機構ＢＪ３は「脚関節機構群」を構成する。なお、脚関節機構群に含まれる各関節機構の並進および回転自由度は適宜変更されてもよい。また、股関節機構ＢＪ１、膝関節機構ＢＪ２および足関節機構ＢＪ３のうち任意の１つの関節機構が省略された上で、残りの２つの関節機構の組み合わせにより脚関節機構群が構成されていてもよい。さらに、脚体Ｂ２が膝関節とは別の第２脚関節機構を有する場合、当該第２脚関節機構が含まれるように脚関節機構群が構成されてもよい。足部ＢＬ３の底には着地時の衝撃緩和のため弾性素材が設けられている（特開２００１−１２９７７４号公報参照）。 The hip joint mechanism BJ1 has a degree of freedom of rotation about the roll, the pitch, and the roll axis, the knee joint mechanism BJ2 has a degree of freedom of rotation about the pitch axis, and the ankle joint mechanism BJ3 rotates about the roll and the pitch axis. Has a degree of freedom. The hip joint mechanism BJ1, the knee joint mechanism BJ2, and the ankle joint mechanism BJ3 constitute a “leg joint mechanism group”. The translational and rotational degrees of freedom of each joint mechanism included in the leg joint mechanism group may be changed as appropriate. In addition, any one of the hip joint mechanism BJ1, the knee joint mechanism BJ2, and the ankle joint mechanism BJ3 may be omitted, and the leg joint mechanism group may be configured by a combination of the remaining two joint mechanisms. . Further, when the leg B2 has a second leg joint mechanism different from the knee joint, the leg joint mechanism group may be configured to include the second leg joint mechanism. An elastic material is provided on the bottom of the foot portion BL3 to alleviate the impact at the time of landing (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-129774).
ロボット１の脚体Ｂ２の動作は、特許第３１３２１５６号公報等に記載されている姿勢安定化の手法にしたがって制御される。アームＡの動作は、本発明の重力トルクのみが補償されている受動的な関節駆動モードにしたがって制御される。 The operation of the leg B2 of the robot 1 is controlled according to a posture stabilization technique described in Japanese Patent No. 3132156. The operation of arm A is controlled according to the passive joint drive mode in which only the gravitational torque of the present invention is compensated.
本実施例では、図７に示されているように、基体Ｂ１と、左右の第１リンクＬ１［Ｒ］及びＬ１［Ｌ］のそれぞれとの間に端点が異なる２つの拘束要素が定義されている。また、基体Ｂ１と、左右の第２リンクＬ２［Ｒ］及びＬ２［Ｌ］のそれぞれとの間に１つの拘束要素が定義されている。基体Ｂ１の姿勢のみが制御される。基体Ｂ１の基準位置（腰部）の拘束条件は設定されない。 In this embodiment, as shown in FIG. 7, two constraint elements having different end points are defined between the base B1 and each of the left and right first links L1 [R] and L1 [L]. Yes. In addition, one constraint element is defined between the base body B1 and each of the left and right second links L2 [R] and L2 [L]. Only the posture of the base B1 is controlled. The constraint condition for the reference position (waist) of the base B1 is not set.
図８（ａ）〜（ｃ）のそれぞれに黒矢印で示されているように、右アームＡ［Ｒ］に外力を作用させた場合（例えば、オペレータが右アームＡ［Ｒ］を掴んで力を加えた場合）のロボット１の動作について検証した。その結果、図８（ａ）〜（ｃ）のそれぞれに白矢印で示されているように、基体Ｂ１のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸のそれぞれの回りの姿勢変化によって当該外力が吸収されるように脚体Ｂ２の動作が制御されることが確認された。 When an external force is applied to the right arm A [R] as shown by the black arrows in each of FIGS. 8A to 8C (for example, the operator holds the right arm A [R] The operation of the robot 1 was verified. As a result, as indicated by white arrows in FIGS. 8A to 8C, the external force is absorbed by the posture changes around the X axis, Y axis, and Z axis of the base B1. Thus, it was confirmed that the operation of the leg B2 was controlled.
（実施例２）
実施例２では、実施例１と同じ脚式移動ロボット１（図６参照）を対象として、図９（ａ）（ｂ）のそれぞれに黒矢印で示されているように、右アームＡ［Ｒ］及び左アームＡ［Ｌ］のそれぞれに外力を作用させた場合のロボット１の動作について検証した。その結果、基体Ｂ１の姿勢変化だけでは吸収しきれない外力成分が吸収されるように、図９（ａ）（ｂ）のそれぞれに白矢印で示されているように、足平部ＢＬ３の位置が変更されるように脚体Ｂ２の動作が制御されることが確認された。
(Example 2)
In the second embodiment, for the same legged mobile robot 1 (see FIG. 6) as in the first embodiment, as shown by the black arrows in FIGS. 9A and 9B, the right arm A [R ] And the operation of the robot 1 when an external force is applied to each of the left arm A [L]. As a result, the position of the foot portion BL3 as shown by the white arrow in each of FIGS. 9A and 9B is absorbed so that an external force component that cannot be absorbed only by the posture change of the base B1 is absorbed. It was confirmed that the operation of the leg B2 is controlled so that the change is made.
１‥ロボット、２‥制御装置、Ａ‥アーム、Ｂ１‥基体、Ｂ２‥支持機構、Ｊi‥関節機構、Ｌi‥リンク。 1 ‥ robot, 2 ‥ controller, A ‥ arm, B1 ‥ substrate, B2 ‥ support mechanism, J i ‥ joint mechanism, L i ‥ link.
Claims (3)
前記制御装置が、トルク指令値を前記複数の関節機構のそれぞれに対して与えることにより、前記アームの動作を制御するとともに、
前記複数の関節機構のそれぞれの関節角度の測定値に基づき、全身キネマティクスモデルにしたがって前記基体の位置及び姿勢の設定値を決定し、
前記基体と前記アームとの仮想的な相互拘束力を定義する拘束力モデルと、前記基体に対する前記アームの姿勢とに基づいて前記基体に作用する拘束力を算出した上で、当該拘束力に応じて前記設定値を補正することにより前記基体の位置及び姿勢の指令値を生成し、当該指令値にしたがって前記支持機構の動作を制御することを特徴とするロボット。 A base, a support mechanism that controllably supports one or both of the position and orientation of the base, and an arm that extends from the base and has a plurality of links and a plurality of joint mechanisms that connect the plurality of links A control device configured to control operations of the support mechanism and the joint mechanism,
The control device controls the operation of the arm by giving a torque command value to each of the plurality of joint mechanisms,
Based on the measured values of the joint angles of the plurality of joint mechanisms, the set values of the position and posture of the base body are determined according to a whole body kinematic model,
Based on a restraint force model that defines a virtual mutual restraint force between the base body and the arm and a posture of the arm with respect to the base body, a restraint force acting on the base body is calculated, and then the restraint force is determined. The robot generates a command value for the position and orientation of the base body by correcting the set value, and controls the operation of the support mechanism according to the command value.
前記制御装置が、前記基体及び前記アームのそれぞれに定義される端点の間隔に応じた仮想的な弾性力及び当該端点の間隔の変化速度に応じた仮想的な減衰力により前記相互拘束力を定義する拘束モデルを用いて、前記支持機構の動作を制御することを特徴とするロボット。 The robot according to claim 1, wherein
The control device defines the mutual restraining force by a virtual elastic force according to the interval between the end points defined for each of the base body and the arm and a virtual damping force according to the changing speed of the interval between the end points. A robot characterized by controlling the operation of the support mechanism using a constraint model.
前記制御装置が、前記複数のリンクのそれぞれに作用する重力を補償する重力補償トルクを含むトルク指令値を前記複数の関節機構のそれぞれに対して与えることにより、前記アームの動作を制御することを特徴とするロボット。 The robot according to claim 1 or 2,
The control device controls the operation of the arm by giving a torque command value including a gravity compensation torque for compensating the gravity acting on each of the plurality of links to each of the plurality of joint mechanisms. Characteristic robot.
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