【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は脚式移動ロボットの歩
行制御装置に関し、より具体的にはモデルで想定するロ
ボットの剛性と実際の剛性とのズレをフィードバック補
償して見掛け上の剛性を増加させ、ロボットを理想的な
剛体モデルで扱うことができる様にしたものに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a walking control device for a legged mobile robot, and more specifically, it increases the apparent rigidity by feedback-compensating for the deviation between the rigidity assumed by the model and the actual rigidity of the robot. Then, the robot can be handled by an ideal rigid body model.
【０００２】[0002]
【従来の技術】脚式移動ロボットとしては例えば、特開
昭６２−９７００６号公報記載のものが知られている。2. Description of the Related Art As a legged mobile robot, for example, one described in Japanese Patent Laid-Open No. 62-97006 is known.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】この様な脚式移動ロボ
ットが安定に歩行するためには、所定の力学的な安定条
件を満足しなければならない。従って、ロボットはリア
ルタイムにその力学問題を解きながら歩行するか、ある
いは予め解いておいて歩行することになる。そのときに
使用されるロボットのモデルが、実際のロボットを十分
に精度良く近似していれば良いが、実際にはモデル化の
困難な要素が多く含まれていたり、種々の制約、例えば
演算処理時間の短縮やモデル製作労力の軽減などから、
近似モデルが使用されることが多い。In order for such a legged mobile robot to walk stably, it is necessary to satisfy a predetermined dynamic stability condition. Therefore, the robot walks while solving the dynamic problem in real time, or walks after solving it in advance. It is only necessary that the robot model used at that time approximates the actual robot with sufficient accuracy, but in reality it contains many elements that are difficult to model, and various constraints such as arithmetic processing. From the reduction of time and the labor of model production,
Approximate models are often used.
【０００４】ところで、脚式移動ロボットは、移動の際
に脚部を高速で振らなければならない反面、脚部の関節
やリンクに大きな負荷（曲げモーメント）がかかると言
う特徴がある。それ故に、脚部を振るために必要なエネ
ルギを削減するために、ないしは脚部を振ることで発生
する反力によって安定性が低下することを防止するため
に、ロボットの脚部は軽量でイナーシャ（慣性力）が低
いことが望ましい。ところが、上記の近似モデルがロボ
ットの剛性は十分に大きいと言う仮定に基づいていた
り、ロボットの弾性要素を十分に考慮していない場合、
実際のロボットの剛性はその通りに十分大きいことが必
要になる。ここにロボットに対して、軽量で低イナーシ
ャであることと、高剛性であることと言う、両立の困難
な要求が課せられることになる。特に、脚式移動ロボッ
トは関節など剛性を高くすることが難しい可動部を必ず
有するし、歪みを検出するタイプの力センサなどやはり
剛性を高くすることが困難な要素を含んでいることも多
く、軽量、低イナーシャ化を追求しながら、ロボットに
含まれる弾性要素を無視できるほどまで剛性を高くする
ことは、実質的に不可能と言って差し支えない。従っ
て、実際に弾性要素を含むロボットについて剛体モデル
を想定し、それを使用して力学的な安定条件を満足させ
て歩行させようとしても、実際のロボットとモデルとの
間に存在する近似誤差のために所期の歩行安定性が得ら
れないと言う問題が生じる。By the way, the legged mobile robot is characterized in that the legs must be swung at high speed during movement, but a large load (bending moment) is applied to the joints and links of the legs. Therefore, in order to reduce the energy required to swing the legs, or to prevent the stability from being reduced by the reaction force generated by swinging the legs, the legs of the robot are lightweight and inertial. A low (inertial force) is desirable. However, if the above approximation model is based on the assumption that the rigidity of the robot is sufficiently large, or if the elastic elements of the robot are not sufficiently considered,
It is necessary that the rigidity of the actual robot is sufficiently large. Here, the requirements that the robot be lightweight and have low inertia and high rigidity are difficult to achieve at the same time. In particular, legged mobile robots always have moving parts such as joints that are difficult to increase in rigidity, and often include elements that are difficult to increase in rigidity, such as force sensors that detect strain. It can be said that it is practically impossible to increase the rigidity to such an extent that the elastic elements included in the robot can be ignored while pursuing light weight and low inertia. Therefore, even if a rigid body model is actually assumed for a robot that includes elastic elements and an attempt is made to walk using it while satisfying the mechanical stability conditions, the approximation error that exists between the actual robot and the model Therefore, there arises a problem that desired walking stability cannot be obtained.
【０００５】従って、この発明の目的は上記した欠点を
解消し、ロボットのモデルとして剛体モデルを使用する
ことを可能として制御系の負担を軽減し、軽量、低イナ
ーシャ化によって生じる剛性不足を許容した上で、上記
した歩行安定性が低下するのを防止する様にした脚式移
動ロボットの歩行制御装置を提供することにある。Therefore, the object of the present invention is to solve the above-mentioned drawbacks, to enable the use of a rigid body model as a model of a robot, to reduce the load on the control system, and to allow for the lack of rigidity caused by the reduction in weight and inertia. Another object of the present invention is to provide a walking control device for a legged mobile robot, which prevents the above-mentioned deterioration of walking stability.
【０００６】更には、剛性不足を補償することで、ロボ
ットに対してコンプライアンスの自由度を増加すること
ができる様にした脚式移動ロボットの歩行制御装置を提
供することを目的とする。It is another object of the present invention to provide a walking control device for a legged mobile robot which can increase the degree of freedom of compliance with respect to the robot by compensating for insufficient rigidity.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ためにこの発明は例えば請求項１項に示す如く、関節と
脚部リンクとを有し、該脚部リンクで自重を支持し、ま
たは移動のための駆動力を発生する脚式移動ロボットの
歩行制御装置であって、該関節を目標値に従うように追
従制御する関節サーボ系を備えるものにおいて、該関節
部またはその近傍に作用するモーメントを検出する手
段、前記検出したモーメントから前記関節部またはその
近傍の変形量を推定する手段、及び前記推定された変形
量を減少または解消するように前記関節の目標値を補正
する手段を備えるように構成した。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention has a joint and a leg link as shown in claim 1, for supporting its own weight by the leg link, or A walking control device for a legged mobile robot that generates a driving force for movement, including a joint servo system that follows and controls the joint so as to follow a target value, and a moment acting on the joint or its vicinity. And a means for estimating the amount of deformation of the joint portion or its vicinity from the detected moment, and a means for correcting the target value of the joint so as to reduce or eliminate the estimated amount of deformation. Configured to.
【０００８】[0008]
【作用】関節部またはその近傍に作用するモーメントを
検出し、検出したモーメントから関節部またはその近傍
の変形量を推定し、その変形量を減少または解消するよ
うに関節の目標値を補正する様にしたことから、脚部リ
ンクがモデルで予定する剛性を不足して変形したとして
も、その変形を補償することができる。即ち、ロボット
を剛体モデルで近似して制御値を決定するだけで所期の
歩行安定性を確保することができて制御系の負担を軽減
することができると共に、脚部リンクを軽量かつ低イナ
ーシャな構造とすることができ、歩行安定性を一層向上
させることができる。更には、弾性モデルを処理できな
い様な比較的低レベルの制御装置を使用する場合やモデ
ルに関する演算をより高速に処理することが必要な場合
など、種々の制約から剛体モデルを使用しながら実際に
は弾性要素を含むロボットを制御する場合に、弾性要素
を考慮したかの様に安定に歩行させることができる。ま
た制御装置は特に高性能なものが必要ではなく、ロボッ
トの弾性要素を現実的に設計できる程度まで許容するこ
とができる。[Function] Detecting the moment acting on the joint part or its vicinity, estimating the deformation amount of the joint part or its vicinity from the detected moment, and correcting the target value of the joint so as to reduce or eliminate the deformation amount. Therefore, even if the leg link deforms due to lack of the rigidity planned in the model, the deformation can be compensated. That is, the desired walking stability can be ensured by reducing the control system load by approximating the robot with a rigid body model, and the leg links are lightweight and have low inertia. The structure can be made different, and walking stability can be further improved. Furthermore, when using a relatively low-level controller that cannot process an elastic model, or when it is necessary to process the model-related operations at a higher speed, etc. When controlling a robot including elastic elements, can walk stably as if the elastic elements were taken into consideration. Further, the control device does not need to have a particularly high performance, and the elastic element of the robot can be allowed to the extent that it can be realistically designed.
【０００９】[0009]
【実施例】以下、脚式移動ロボットとして２足歩行のロ
ボットを例にとってこの発明の実施例を説明する。図１
はそのロボット１を全体的に示す説明スケルトン図であ
り、左右それぞれの脚部リンク２に６個の関節を備える
（理解の便宜のために各関節をそれを駆動する電動モー
タで示す）。該６個の関節は上から順に、腰の脚部回旋
用の関節１０Ｒ，１０Ｌ（右側をＲ、左側をＬとする。
以下同じ）、腰のロール方向（ｘ方向）の関節１２Ｒ，
１２Ｌ、同ピッチ方向（ｙ方向）の関節１４Ｒ，１４
Ｌ、膝部のロール方向の関節１６Ｒ，１６Ｌ、足首部の
ロール方向の関節１８Ｒ，１８Ｌ、同ピッチ方向の関節
２０Ｒ，２０Ｌとなっており、その下部には足平２２
Ｒ，２２Ｌが取着されると共に、最上位には筐体（基
体）２４が設けられ、その内部には制御ユニット２６が
格納される。Embodiments of the present invention will be described below by taking a bipedal robot as an example of a legged mobile robot. Figure 1
Is an explanatory skeleton diagram showing the robot 1 as a whole, and each of the left and right leg links 2 is provided with 6 joints (for the sake of convenience of understanding, each joint is shown by an electric motor for driving it). The six joints are referred to as the joints 10R and 10L for rotating the legs of the waist in order from the top (R on the right side and L on the left side).
The same shall apply hereinafter), the joint 12R in the roll direction (x direction) of the waist,
12L, joints 14R and 14 in the same pitch direction (y direction)
L, joints 16R and 16L in the roll direction of the knees, joints 18R and 18L in the roll direction of the ankles, and joints 20R and 20L in the same pitch direction.
The R and 22L are attached, a casing (base) 24 is provided at the top, and a control unit 26 is stored inside the casing.
【００１０】上記において腰関節は関節１０Ｒ（Ｌ），
１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）から構成され、また足関節
は、関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）から構成される。
また、腰関節と膝関節との間は大腿リンク３２Ｒ，３２
Ｌで、膝関節と足関節との間は下腿リンク３４Ｒ，３４
Ｌで連結される。ここで、脚部リンク２は左右の足につ
いてそれぞれ６つの自由度を与えられ、歩行中にこれら
の６×２＝１２個の関節（軸）をそれぞれ適宜な角度に
駆動することで、足全体に所望の動きを与えることがで
き、任意に３次元空間を歩行することができる様に構成
される。先に述べた様に、上記した関節は電動モータを
備え、更にはその出力を倍力するハーモニック減速機
（商品名）などを備えるが、その詳細は先に本出願人が
提案した出願（特願平１−３２４２１８号、特開平３−
１８４７８２号）などに述べられており、それ自体はこ
の発明の要旨とするところではないので、これ以上の説
明は省略する。In the above, the hip joint is joint 10R (L),
12R (L) and 14R (L), and the ankle joint is composed of joints 18R (L) and 20R (L).
Further, the thigh links 32R, 32 are provided between the hip joint and the knee joint.
L, the lower leg links 34R, 34 between the knee joint and the ankle joint
Connected by L. Here, the leg link 2 is given six degrees of freedom for each of the left and right feet, and by driving these 6 × 2 = 12 joints (axes) to appropriate angles during walking, It is configured so that a desired movement can be given to the robot and the robot can walk arbitrarily in a three-dimensional space. As described above, the above-mentioned joint is equipped with an electric motor and further with a harmonic speed reducer (trade name) that boosts the output of the joint. For details, refer to the application (special feature) previously proposed by the applicant. Japanese Patent Application No. 1-324218 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-324218
No. 184782) and the like, which is not the gist of the present invention per se, and further description will be omitted.
【００１１】図１に示すロボット１において、足首部に
は公知の６軸力センサ３６が設けられ、足平を介してロ
ボットに伝達されるｘ，ｙ，ｚ方向の力成分Ｆｘ，Ｆ
ｙ，Ｆｚとその方向まわりのモーメント成分Ｍｘ，Ｍ
ｙ，Ｍｚとを測定し、足部の着地の有無と支持脚に加わ
る力の大きさと方向とを検出する。また足平２２Ｒ
（Ｌ）の四隅には静電容量型の接地スイッチ３８（図１
で図示省略）が設けられて、足平の接地の有無を検出す
る。更に、筐体２４には傾斜センサ４０が設置され、ｘ
−ｚ平面内のｚ軸に対する傾きとその角速度、同様にｙ
−ｚ平面内のｚ軸に対する傾きとその角速度を検出す
る。また各関節の電動モータには、その回転量を検出す
るロータリエンコーダが設けられる。更に、図１では省
略するが、ロボット１の適宜な位置には傾斜センサ４０
の出力を補正するための原点スイッチ４２と、フェール
対策用のリミットスイッチ４４が設けられる。これらの
出力は前記した筐体２４内の制御ユニット２６に送られ
る。In the robot 1 shown in FIG. 1, a well-known 6-axis force sensor 36 is provided at the ankle portion, and force components Fx, F in the x, y, z directions transmitted to the robot via the foot.
y, Fz and moment components Mx, M around that direction
By measuring y and Mz, the presence or absence of landing of the foot and the magnitude and direction of the force applied to the supporting leg are detected. Also foot 22R
In the four corners of (L), a capacitance type grounding switch 38 (see FIG.
(Not shown in the figure) is provided to detect whether or not the foot is grounded. Further, the inclination sensor 40 is installed in the housing 24, and x
The tilt with respect to the z axis in the z plane and its angular velocity, as well as y
-Detect the tilt with respect to the z-axis in the z-plane and its angular velocity. The electric motor of each joint is provided with a rotary encoder that detects the amount of rotation. Further, although omitted in FIG. 1, the inclination sensor 40 is provided at an appropriate position of the robot 1.
An origin switch 42 for compensating the output of No. 1 and a limit switch 44 for fail countermeasure are provided. These outputs are sent to the control unit 26 in the housing 24 described above.
【００１２】図２は制御ユニット２６の詳細を示すブロ
ック図であり、マイクロ・コンピュータから構成され
る。そこにおいて傾斜センサ４０などの出力はＡ／Ｄ変
換器５０でデジタル値に変換され、その出力はバス５２
を介してＲＡＭ５４に送られる。また各電動モータに隣
接して配置されるエンコーダの出力はカウンタ５６を介
してＲＡＭ５４内に入力されると共に、接地スイッチ３
８などの出力は波形整形回路５８を経て同様にＲＡＭ５
４内に格納される。制御ユニット内にはＣＰＵからなる
演算装置６０が設けられており、後述の如くＲＯＭ６４
に格納されている歩行パターンに基づいて各関節の駆動
に必要な制御値を算出してＤ／Ａ変換器６６とサーボア
ンプを介して各関節を駆動する電動モータに出力する。FIG. 2 is a block diagram showing the details of the control unit 26, which comprises a microcomputer. The output of the tilt sensor 40 or the like is converted into a digital value by the A / D converter 50, and the output is converted to the bus 52.
Is sent to the RAM 54 via. The output of the encoder arranged adjacent to each electric motor is input into the RAM 54 via the counter 56, and the ground switch 3
Outputs of 8 and the like pass through the waveform shaping circuit 58 and are similarly transferred to the RAM 5
4 is stored. An arithmetic unit 60 including a CPU is provided in the control unit, and a ROM 64 is provided as described later.
A control value required for driving each joint is calculated on the basis of the walking pattern stored in, and is output to the electric motor driving each joint via the D / A converter 66 and the servo amplifier.
【００１３】続いて、この制御装置の動作を説明する。Next, the operation of this control device will be described.
【００１４】図３はその動作を示す足関節１８，２０Ｒ
（Ｌ）についてのブロック線図である。この制御におい
ては足関節を除く他の関節１０，１２，１４，１６Ｒ
（Ｌ）については公知の位置、速度フィードバックのみ
を行って各関節の角度を指令値に追従制御すると共に、
図示の如く足関節１８，２２Ｒ（Ｌ）については更に、
足部の弾性変形をフィードバック補償する様にした。即
ち、足関節１８，２２Ｒ（Ｌ）は脚部リンク２の先端に
位置するので、その重量が増加することは脚部リンク全
体のイナーシャを大きく増加させるため、軽量化を優先
することになる。また２軸が交差する構造となっている
ため、剛性を高くする設計にも限界がある。また足関節
１８，２０Ｒ（Ｌ）の下部には前記した６軸力センサ３
６が配置されているために、他の部分に比べて相対的に
剛性が低い。そこで、図１に示したロボット１について
は剛体モデルで捉えて指令値を決定すると共に、足部周
辺を図４に示す様にバネ・ダンパ・質点系として近似
し、６軸力センサ３６で検出したモーメントをそのバネ
に作用する力と考えて変形量を推定し、それを打ち消す
様に剛体モデルを前提として決定された指令値を補正
し、それを操作量として足関節を駆動する様にした。FIG. 3 shows the operation of the ankle joints 18 and 20R.
It is a block diagram about (L). In this control, other joints other than the ankle joint 10, 12, 14, 16R
Regarding (L), only known position and velocity feedback is performed to control the angle of each joint to follow the command value, and
For the ankle joints 18 and 22R (L) as shown,
The elastic deformation of the foot is compensated by feedback. That is, since the ankle joints 18 and 22R (L) are located at the tips of the leg links 2, an increase in the weight of the ankle joints greatly increases the inertia of the entire leg links, so that weight reduction is prioritized. Further, since the two axes intersect each other, there is a limit to the design for increasing the rigidity. The 6-axis force sensor 3 described above is provided below the ankle joints 18 and 20R (L).
Since 6 is arranged, the rigidity is relatively low compared to other portions. Therefore, regarding the robot 1 shown in FIG. 1, the command value is determined by capturing it with a rigid body model, and the vicinity of the foot is approximated as a spring / damper / mass system as shown in FIG. 4 and detected by the 6-axis force sensor 36. The amount of deformation is estimated by considering the generated moment as the force acting on the spring, and the command value determined based on the rigid body model is corrected so as to cancel it, and the ankle joint is driven with that as the operation amount. .
【００１５】簡単のために、ダンパの効果を無視して静
的な釣合条件の下で考える。足部の剛性をｋfoot、力を
Ｆ、変位量をＸとすると、Ｆ＝ｋfoot・Ｘ、と言う関係
が成立する。この剛性ｋfootにはサーボ系の剛性とロボ
ット１の機械的な剛性とが含まれる。そこで、この制御
では、この剛性ｋfootの逆数１／ｋfootを求め、その逆
数１／ｋfootに関連した値をフィードバックゲインｋｄ
として検出したモーメントに乗じて足関節角度の指令値
θankle.commを補正する様にした。即ち、図５に示す様
に、フィードバックゲインｋｄによってサーボ系の剛性
と機械的な剛性とに等価な値を補償して見掛け上剛性を
無限大にする様にした。即ち、図４に示すモデルにおい
て足関節の角度の指令値θankle.commに対して、剛性が
無限大でないために実際の足関節の角度がθankle.act
になったとすると、足関節のまわりのモーメントＭは剛
性が無限大であれば、モデルで予定するモーメントＭco
mmは、 Ｍcomm＝mgh × sin( θankle.comm) となるはずであるが、実際の足関節の角度がθankle.ac
t となったために、実際のモーメントＭact が Ｍact ＝mgh × sin( θankle.act) となり、 Ｍcomm ＜ Ｍact となる。ここで、適当な補正をほどこして、θankle.ac
t ＝θankle.commとなったとすると、 Ｍact ＝mgh × sin( θankle.comm) となる。このとき、この実際のモーメントＭact によっ
て発生する足関節回りの変形量( θankle.deformとす
る) は前記の如く、 θankle.deform＝Ｍact × ｋｄ となるので、修正された指令値(θ'ankle.comm)を θ'ankle.comm＝θankle.comm−θankle.deform とすれば、 θankle.act ＝θ'ankle.comm ＋ Ｍact ・ｋｄ＝θa
nkle.comm となる。この様に足関節回りの変形を補償する結果、ロ
ボット１は少なくとも足関節１８，２０Ｒ（Ｌ）につい
ては、見掛け上無限大の剛性を得たことになる。尚、ロ
ボットが静的な釣合条件の下にないときは、運動方程式
を解いて該操作量を決定すれば良い。For the sake of simplicity, the effect of the damper is neglected and considered under a static balance condition. If the foot rigidity is kfoot, the force is F, and the displacement is X, then the relationship F = kfoot · X holds. This rigidity kfoot includes the rigidity of the servo system and the mechanical rigidity of the robot 1. Therefore, in this control, the reciprocal 1 / kfoot of this stiffness kfoot is obtained, and the value related to the reciprocal 1 / kfoot is set to the feedback gain kd.
The ankle joint angle command value θankle.comm is corrected by multiplying the moment detected as. That is, as shown in FIG. 5, the feedback gain kd is used to compensate for the equivalent values of the rigidity of the servo system and the mechanical rigidity so that the rigidity becomes infinite. That is, in the model shown in FIG. 4, since the rigidity is not infinite with respect to the ankle joint angle command value θankle.comm, the actual ankle joint angle is θankle.act.
If the rigidity is infinite, the moment M around the ankle joint is
mm should be Mcomm = mgh × sin (θankle.comm), but the actual angle of the ankle joint is θankle.ac
Since t, the actual moment Mact becomes Mact = mgh × sin (θankle.act), and Mcomm <Mact. Here, make an appropriate correction, and then θankle.ac
If t = θankle.comm, then Mact = mgh × sin (θankle.comm). At this time, since the amount of deformation around the ankle joint (defined as θankle.deform) generated by this actual moment Mact is θankle.deform = Mact × kd as described above, the corrected command value (θ'ankle. comm) is θ'ankle.comm = θankle.comm − θankle.deform, θankle.act = θ'ankle.comm + Mact · kd = θa
It will be nkle.comm. As a result of compensating for the deformation around the ankle joint in this way, the robot 1 has an apparently infinite rigidity for at least the ankle joint 18, 20R (L). When the robot is not under the static balance condition, the equation of motion may be solved to determine the operation amount.
【００１６】更に特徴的なことは、足関節については剛
性を見掛け上無限大にすることができた結果、図５に示
す様にコンプライアンス（制御）の自由度を増したこと
である。従って、図３ブロック線図に示す様に、コンプ
ライアンス制御ゲインｋｃを用いてコンプライアンス制
御を行うときも、一層効果的に行うことができる。What is more characteristic is that the rigidity of the ankle joint can be apparently infinite, and as a result, the degree of freedom in compliance (control) is increased as shown in FIG. Therefore, as shown in the block diagram of FIG. 3, even when the compliance control is performed by using the compliance control gain kc, it can be more effectively performed.
【００１７】以上を前提として以下図６、図７フロー・
チャートを参照して詳細に説明する。尚、図６は図２に
示す制御ユニット２６の動作を示すフロー・チャートの
前半部（スタート〜Ｓ３０）、図７は後半部（Ｓ３２〜
ＥＮＤ）である。Based on the above, the flow of FIG. 6 and FIG.
This will be described in detail with reference to the chart. 6 is a first half (start to S30) of the flow chart showing the operation of the control unit 26 shown in FIG. 2, and FIG. 7 is a second half (S32 to S30).
END).
【００１８】先ず図６のＳ１０で装置各部をイニシャラ
イズした後、Ｓ１２に進んで歩行パターンi θcomm
（ｔ）を検索する。これはロボット１が理想的に平坦で
かつ硬さも均一な路面を歩行するときの各関節角の目標
値を示す。ここで添字i は関節の番号を示し、添字は時
刻ｔのときの角度を示す。関節の番号は下から順に、２
０Ｒ＝１，２０Ｌ＝２，．．とする（図４ではｉ＝１か
ら４を”ankle ”と示した）。これらの時系列データは
先に述べた様にロボット１を剛体モデルで近似した上、
予め大型コンピュータで算出しておき、前記した制御ユ
ニット内のマイクロ・コンピュータのＲＯＭ６４に格納
しておく。First, after initializing each part of the apparatus in S10 of FIG. 6, the process proceeds to S12 and the walking pattern i θcomm
Search for (t). This indicates the target value of each joint angle when the robot 1 walks on an ideally flat road surface with uniform hardness. Here, the subscript i indicates the joint number, and the subscript indicates the angle at the time t. The joint number is 2 from the bottom.
0R = 1, 20L = 2 ,. ． (In FIG. 4, i = 1 to 4 are shown as “ankle”). These time series data are obtained by approximating the robot 1 with a rigid body model as described above,
It is calculated in advance by a large-scale computer and stored in the ROM 64 of the microcomputer in the control unit described above.
【００１９】続いてＳ１４に進んでパラメータ、例えば
フィードバックゲインｋpos,ｋｖ... を入力する。続い
てＳ１６に進んでタイマ値ｔ、カウンタ値Count 及び関
節番号（カウンタ）値を零にリセットし、Ｓ１８に進ん
で歩行を開始し、Ｓ２０に進んで関節番号ｉをカウント
するカウンタ値を１にセットする。次いでＳ２２に進ん
でセットした関節番号に該当する関節角度ｉθcomm
（ｔ）（ｉ＝１）などをＲＯＭ６４から読み出す。尚、
図示のｉθcomm（ｔ＋1 ）は現在の時刻ｔの次の時刻、
即ち次回のプログラム起動時の目標関節角度を示す。ま
たＦｔ（Ｃ）は着地衝撃吸収制御期を示すフラグであ
り、当該期間にあるときそのビットが１にセットされ
る。この制御では着地衝撃吸収制御期は、遊脚期間中お
よびそれに続く着地直後とする。遊脚期間中に着地衝撃
吸収制御を実施するようにしたのは、予定より早く着地
した場合に備えるためである。Then, in S14, parameters such as feedback gains kpos, kv ... Are input. Then, the process proceeds to S16, in which the timer value t, the counter value Count and the joint number (counter) value are reset to zero, the process proceeds to S18 to start walking, and the process proceeds to S20 to set the counter value for counting the joint number i to 1. set. Next, in S22, the joint angle iθcomm corresponding to the set joint number is set.
(T) (i = 1) and the like are read from the ROM 64. still,
Iθcomm (t + 1) shown is the time next to the current time t,
That is, it indicates the target joint angle at the next program startup. Ft (C) is a flag indicating the landing impact absorption control period, and its bit is set to 1 during the period. In this control, the landing impact absorption control period is set during the swing leg period and immediately after the subsequent landing. The reason why the landing impact absorption control is executed during the swing leg period is to prepare for the case of landing earlier than planned.
【００２０】次いで、Ｓ２４に進んでセンサ検出値を読
み込む。ここでｉθact はｉ番目の関節の実際の関節角
度を、Ｍは図４などで説明した足部に加わる実際のモー
メント（先のＭact)を示す。次いでＳ２６に進んで関節
角度の指令値ｉθcommと実際の関節角度ｉθact との偏
差に位置フィードバック制御ゲインｋpos を乗じて、ア
ンプに指令される速度指令値のうちの位置フィードバッ
ク制御成分が算出される。次いでＳ２８に進んで、現在
の時刻をｔとすれば、時刻ｔ＋１における関節角度の指
令値i θcomm（ｔ＋１）と現在の時刻ｔにおける関節角
度指令値ｉθcomm（ｔ）の差分にゲインｋｖを乗じるこ
とによってアンプに指令される速度指令値のうちの速度
フィードフォワード制御成分が算出される。Next, in S24, the sensor detection value is read. Here, iθact is the actual joint angle of the i-th joint, and M is the actual moment (the previous Mact) applied to the foot described with reference to FIG. Next, in S26, the deviation between the joint angle command value iθcomm and the actual joint angle iθact is multiplied by the position feedback control gain kpos to calculate the position feedback control component of the speed command value commanded to the amplifier. Next, in S28, assuming that the current time is t, the difference between the joint angle command value i θcomm (t + 1) at time t + 1 and the joint angle command value i θcomm (t) at current time t is multiplied by the gain kv. The speed feedforward control component of the speed command value commanded to the amplifier is calculated by.
【００２１】続いてＳ３０に進んで関節番号ｉが５以上
か否か、即ち膝から上の関節か否かを判断し、否定され
るときは足関節であるので、図７のＳ３２に進む。Ｓ３
２では着地衝撃吸収制御を実行するか否かをフラグＦｔ
（Ｃ）によって判断する。前述の如く遊脚期間中および
それに続く着地直後にあってはこのフラグのビットが１
にセットされ、Ｓ３４に進んでコンプライアンス制御ゲ
インｋｃを算出する。ゲインｋｃは図８に示す如くその
特性が設定されており、Count(時間相当値) で検索して
求める。次いでＳ３６に進んで求めたゲインｋｃを検出
したモーメントＭに乗じてアンプに指令する速度指令値
のうち第３のコンプライアンス制御成分ｉv3を算出し、
次いでＳ３８に進んでCount 値をインクリメントする。
尚、Ｓ３２でフラグのビットが０、即ち、着地衝撃吸収
制御期にないと判断されるときはＳ４０に進んで第３の
制御値を零にすると共に、Ｓ４２に進んでCount 値を零
にリセットする。Next, in S30, it is judged whether or not the joint number i is 5 or more, that is, whether or not the joint is above the knee. If the judgment is negative, the joint is an ankle joint, so the routine proceeds to S32 in FIG. S3
In 2, the flag Ft indicates whether or not the landing impact absorption control is executed.
Judge by (C). As described above, the bit of this flag is 1 during the swing period and immediately after the subsequent landing.
Is set and the process proceeds to S34 to calculate the compliance control gain kc. The characteristic of the gain kc is set as shown in FIG. 8, and is obtained by searching with Count (time equivalent value). Next, the program proceeds to S36 to multiply the obtained gain kc by the detected moment M to calculate the third compliance control component iv3 of the speed command value to command the amplifier,
Next, in S38, the Count value is incremented.
If the flag bit is 0 in S32, that is, if it is determined that the landing impact absorption control period is not in progress, the program proceeds to S40 to set the third control value to zero, and to S42 to reset the Count value to zero. To do.
【００２２】続いて、Ｓ４４に進んで前記した弾性変形
補償ゲインｋｄを求める。ゲインｋｄは図９に示す如く
その特性が設定されており、時刻ｔで検索して求める。
ここでゲインｋｄは前記した様にサーボ系とロボットの
機械的な剛性の和であるｋfootの逆数（" ＫＤ" とす
る）に関連した値とし、両脚支持期ではＫＤより小さく
設定し、片脚支持期では値ＫＤに設定すると共に、ＫＤ
に対して滑らかに変化する様に設定した。尚、両脚支持
期の補正量を小さくするのは、両脚支持期は閉リンクと
なり、足関節を補正すると干渉が発生し、目的とする補
償を却って適切に行えないためである。次いでＳ４６に
進み、求めたゲインｋｄを使用して図示の式から第４の
速度制御値iV4 を算出する。Then, in S44, the elastic deformation compensation gain kd is obtained. The characteristic of the gain kd is set as shown in FIG. 9, and the gain kd is obtained by searching at the time t.
Here, the gain kd is a value related to the reciprocal of kfoot, which is the sum of the mechanical rigidity of the servo system and the robot (referred to as "KD"), as described above. In the support period, the value is set to KD and KD
It was set to change smoothly with respect to. The reason why the correction amount in the both-leg supporting period is made small is that the both-leg supporting period becomes a closed link, and when the ankle joint is corrected, interference occurs, and the intended compensation cannot be properly performed on the contrary. Next, in S46, the gain kd thus obtained is used to calculate the fourth speed control value iV4 from the equation shown.
【００２３】続いてＳ５２に進んで算出した全ての制御
値を加算して総和iVCOMMを求めてサーボアンプに出力
し、Ｓ５４に進んで関節番号カウンタをインクリメント
し、Ｓ５６に進んで最終関節か否か判断し、肯定される
ときはＳ５８に進んで次の目標関節角度ｉθcomm（ｔ＋
1 ）を検索するためにタイマ値ｔをインクリメントし、
Ｓ６０において歩行終了と判断されるまで、上記した作
業を繰り返す。Then, in S52, all the calculated control values are added to obtain the total sum iVCOMM and output to the servo amplifier. In S54, the joint number counter is incremented, and in S56, it is determined whether or not the joint is the final joint. If the judgment is affirmative, the routine proceeds to S58, where the next target joint angle iθcomm (t +
1) increment the timer value t to retrieve
The above-mentioned work is repeated until it is determined in S60 that the walking is completed.
【００２４】この実施例は上記の如く剛性の比較的低い
足関節に作用するモーメントを検出してその変形を補正
する様にしたので、ロボットとしては剛体モデルで近似
して制御値を決定し、その制御値を補正して剛性不足に
よる位置ズレなどを効果的に修正する様にした。従っ
て、ロボットを所期の通り安定して歩行させることがで
きる。また図５に関して述べた様に剛性を見掛け上無限
大にしてモデルで予定する理論上の剛性を与える様にし
たことから、コンプライアンス（制御）の自由度が大幅
に増加し、着地するときの衝撃などを一層効果的に吸収
することができる。更に、剛体モデルで近似して安定歩
行を実現する様にしたことから、弾性モデルを処理でき
ない様な比較的低レベルの制御装置を使用することも可
能となり、またモデルに関する演算をより高速に処理す
ることも可能となる。この様に剛体モデルを使用しなが
ら、弾性要素を含むロボットを、あたかも弾性要素を考
慮したかの様に、安定に歩行させることができる。In this embodiment, since the moment acting on the ankle joint having a relatively low rigidity is detected and its deformation is corrected as described above, the robot determines the control value by approximating with a rigid body model. The control value is corrected to effectively correct the positional deviation due to insufficient rigidity. Therefore, the robot can walk stably as expected. Further, as described with reference to FIG. 5, since the rigidity is set to be apparently infinite to give the theoretical rigidity planned in the model, the degree of freedom in compliance (control) is significantly increased, and the impact at the time of landing is greatly increased. Can be absorbed more effectively. In addition, since a stable walking is realized by approximating with a rigid body model, it is possible to use a relatively low-level control device that cannot process the elasticity model, and the calculation related to the model can be processed at higher speed. It is also possible to do. As described above, the robot including the elastic element can be stably walked as if the elastic element is taken into consideration while using the rigid body model.
【００２５】尚、上記においてゲインｋｄの値を１／ｋ
footに関連した値として剛性不足分を相殺することによ
り剛性を見掛け上無限大にしたが、これに限られるもの
ではなく、適宜な剛性となる様にｋｄの値を設定しても
良い。また、剛性不足を補う制御とコンプライアンス制
御とを併用する例を示したが、剛性不足を補う制御のみ
に止めても良いことは言うまでもない。In the above, the value of the gain kd is 1 / k
Although the rigidity is apparently made infinite by canceling the insufficient rigidity as a value related to foot, the value is not limited to this, and the value of kd may be set so as to have an appropriate rigidity. Further, although the example in which the control for compensating for insufficient rigidity and the compliance control are used together is shown, it goes without saying that the control for compensating for insufficient rigidity may be stopped.
【００２６】また、上記において、図８ないし図９の離
床、着床は接地スイッチ３８の出力から検出すれば良い
が、それ以外にも歩行パターンで予め設計された時間を
用いても良く、あるいは６軸力センサ３６の検出したモ
ーメント、外力、ないしは後で第２実施例で述べる電流
センサの検出値などを適宜設定するしきい値と比較して
判断しても良い。Further, in the above, the leaving and landing of FIGS. 8 to 9 may be detected from the output of the ground switch 38, but other than that, a time previously designed by the walking pattern may be used, or The moment detected by the 6-axis force sensor 36, the external force, or the detection value of the current sensor described later in the second embodiment may be compared with a threshold value that is appropriately set for the determination.
【００２７】図２に想像線で示す様に電流センサを設け
た構成は、この発明の第２実施例を示す。即ち、モデル
と実際のロボットとの誤差が関節角度制御ループのサー
ボ剛性が低いことが要因となっている場合は、モータに
流れる電流Ｉにモータのトルク定数Ｔc を乗ずることに
よって負荷トルクＴL が、さらにはモータの角度誤差が
推定できるので、関節を駆動するモータに流れる電流値
を検出して第１実施例と同様の制御を行う様にした。具
体的には図７フロー・チャートのＳ２４においてモーメ
ントの代わりにモータ電流Ｉを読み込み、負荷トルクＴ
L を、 ＴL ＝Ｔc ×Ｉ と求めて制御すれば良い。A configuration in which a current sensor is provided as shown by an imaginary line in FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. That is, when the error between the model and the actual robot is caused by the low servo rigidity of the joint angle control loop, the load torque TL is calculated by multiplying the current I flowing through the motor by the torque constant Tc of the motor. Furthermore, since the angle error of the motor can be estimated, the same control as in the first embodiment is performed by detecting the current value flowing in the motor that drives the joint. Specifically, in S24 of the flow chart of FIG. 7, the motor current I is read in place of the moment and the load torque T
L may be controlled by obtaining TL = Tc * I.
【００２８】同様に図２に想像線で示す様にストレイン
ゲージを設けた構成は、この発明の第３実施例を示す。
即ち、モデルと実際のロボットとの誤差がハーモニック
減速機の剛性不足に起因するときは、ストレインゲージ
を用いてハーモニック減速機の非線形摩擦を測定し、図
７フロー・チャートのＳ４６において測定値にゲインを
乗じた値をフィードバックして非線形摩擦を補償する。
尚、ストレインゲージに非線形摩擦の測定およびトルク
制御による補償については、『ハーモニック・ドライブ
の弾性を利用したトルク計測とそのトルク制御への応
用』（橋本稔ほか。ハーモニックドライブ国際シンポジ
ウム（1991年）講演資料（招7-1 ））に述べられている
ので、ここでの説明は省略する。Similarly, a structure in which a strain gauge is provided as shown by an imaginary line in FIG. 2 shows a third embodiment of the present invention.
That is, when the error between the model and the actual robot is due to insufficient rigidity of the harmonic reducer, the nonlinear friction of the harmonic reducer is measured using a strain gauge, and the measured value is gained in S46 of the flow chart of FIG. The value multiplied by is fed back to compensate for non-linear friction.
Regarding the measurement of nonlinear friction on the strain gauge and compensation by torque control, "Torque measurement using elasticity of harmonic drive and its application to torque control" (Minori Hashimoto et al. International Symposium on Harmonic Drive (1991)) Since it is described in the document (Invitation 7-1)), the explanation here is omitted.
【００２９】尚、上記において足関節に制御を行う例を
示したが、それに限られるものではなく、膝関節ないし
はその上方の関節について行っても良い。Although an example in which the ankle joint is controlled has been described above, the invention is not limited to this, and the knee joint or the joint above the knee joint may be controlled.
【００３０】また上記において、歩行パターンとして予
め設定しておく場合に適用する例を示したが、それに限
られるものではなく、歩行のときリアルタイムに求める
様にした技術に適用させても良い。Further, in the above, an example of application when presetting as a walking pattern has been shown, but the invention is not limited to this, and it may be applied to a technique that is obtained in real time during walking.
【００３１】また上記において、２足歩行の脚式移動ロ
ボットを例にとって説明してきたが、それに限られるも
のではなく、３足以上の脚式移動ロボットにも妥当する
ものである。In the above description, the bipedal legged mobile robot has been described as an example, but the present invention is not limited to this and is also applicable to a legged mobile robot having three or more legs.
【００３２】[0032]
【発明の効果】関節と脚部リンクとを有し、該脚部リン
クで自重を支持し、または移動のための駆動力を発生す
る脚式移動ロボットの歩行制御装置であって、該関節を
目標値に従うように追従制御する関節サーボ系を備える
ものにおいて、該関節部またはその近傍に作用するモー
メントを検出する手段、前記検出したモーメントから前
記関節部またはその近傍の変形量を推定する手段、及び
前記推定された変形量を減少または解消するように前記
関節の目標値を補正する手段を備えるように構成したの
で、実際には無限大の剛性を有しない関節部やその近傍
の変形を補償し、見掛け上の剛性を無限大にすることが
可能となるため、ロボットを剛体モデルで近似して設計
した歩行パターンに基づいて歩行制御する場合、モデル
誤差を縮小することができるので歩行安定性を一層向上
させることが可能となる。また、言い換えれば関節部ま
たはその近傍の剛性不足を補うことができるので、脚部
リンクの軽量化、低イナーシャ化を進めることが可能と
なる。更に、ロボットのモデルとして、剛体モデルを使
用するほうが弾性までも考慮したモデルを使用する場合
に比べれば制御装置にかかる負荷が小さいので、比較的
低レベルの制御装置で安定な歩行制御を実現できる。A walking control device for a legged mobile robot having a joint and a leg link, which supports its own weight by the leg link or generates a driving force for movement. In a joint servo system that performs follow-up control so as to follow a target value, means for detecting a moment acting on the joint portion or its vicinity, means for estimating a deformation amount of the joint portion or its vicinity from the detected moment, Also, since it is configured to include means for correcting the target value of the joint so as to reduce or eliminate the estimated deformation amount, the deformation of the joint portion which does not actually have infinite rigidity and its vicinity is compensated. However, since it is possible to make the apparent rigidity infinite, model error can be reduced when walking control is performed based on the walking pattern designed by approximating the robot with a rigid body model. It is possible to further improve the walking stability because it is. In other words, since it is possible to compensate for the lack of rigidity of the joint portion or its vicinity, it is possible to promote the weight reduction and the inertia reduction of the leg link. Further, the load on the control device is smaller when a rigid body model is used as a model of the robot than when a model considering elasticity is also used, so stable walking control can be realized with a relatively low level control device. .
【００３３】請求項２項の装置にあっては、前記ロボッ
トに作用するモーメントおよび／または力に応じて前記
関節の目標値を補正して前記ロボットにコンプライアン
スを与える様にしたことから、即ち、見掛け上、剛性を
無限大にすることができたので、コンプライアンス（制
御）の自由度を増加させることができ、それにより着地
時の衝撃なども一層効果的に緩和でき、一層安定な歩行
制御を実現することができる。According to the apparatus of claim 2, the target value of the joint is corrected according to the moment and / or the force acting on the robot to give the robot compliance, that is, Apparently, the rigidity could be made infinite, so the degree of freedom of compliance (control) can be increased, and the impact at the time of landing can be alleviated more effectively, resulting in more stable walking control. Can be realized.
【図１】この発明に係る脚式移動ロボットの歩行制御装
置を全体的に示す概略図である。FIG. 1 is an overall schematic view of a walking control device for a legged mobile robot according to the present invention.
【図２】図１に示す制御ユニットの説明ブロック図であ
る。FIG. 2 is an explanatory block diagram of a control unit shown in FIG.
【図３】図２に示す制御ユニットの動作を示すブロック
線図である。FIG. 3 is a block diagram showing an operation of the control unit shown in FIG.
【図４】図３ブロック線図に示す弾性変形補償を説明す
る足関節について仮想的に設定したバネ・質点系を示す
説明図である。FIG. 4 is an explanatory view showing a spring / mass system virtually set for an ankle joint for explaining elastic deformation compensation shown in the block diagram of FIG. 3;
【図５】図３ブロック線図に示す弾性変形補償を説明す
る説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating elastic deformation compensation shown in the block diagram of FIG. 3;
【図６】図２に示す制御ユニットの動作を示すフロー・
チャートの前半部である。FIG. 6 is a flow showing the operation of the control unit shown in FIG.
The first half of the chart.
【図７】図２に示す制御ユニットの動作を示すフロー・
チャートで、図６のフロー・チャートに続く後半部であ
る。7 is a flowchart showing the operation of the control unit shown in FIG.
It is the second half of the chart following the flow chart of FIG.
【図８】図７フロー・チャートで使用するコンプライア
ンス制御ゲインの経時的特性を示すタイミング・チャー
トである。FIG. 8 is a timing chart showing the characteristics over time of the compliance control gain used in the flow chart of FIG.
【図９】図７フロー・チャートで使用する弾性変形補正
ゲインの経時的特性を示すタイミング・チャートであ
る。9 is a timing chart showing the characteristics over time of the elastic deformation correction gain used in the flow chart of FIG.
１ 脚式移動ロボット（２足歩行ロボ
ット） ２ 脚部リンク １０Ｒ，１０Ｌ 脚部回旋用の関節 １２Ｒ，１２Ｌ 腰部のロール方向の関節 １４Ｒ，１４Ｌ 腰部のピッチ方向の関節 １６Ｒ，１６Ｌ 膝部のロール方向の関節 １８Ｒ，１８Ｌ 足首部のロール方向の関節 ２０Ｒ，２０Ｌ 足首部のピッチ方向の関節 ２２Ｒ，２２Ｌ 足平 ２４ 筐体 ２６ 制御ユニット ３６ ６軸力センサ1 leg type mobile robot (bipedal walking robot) 2 leg link 10R, 10L joint for rotation of leg 12R, 12L joint in roll direction of waist 14R, 14L joint in pitch direction of waist 16R, 16L roll direction of knee Joints 18R, 18L Ankle roll direction joints 20R, 20L Ankle pitch direction joints 22R, 22L Foot flats 24 Housing 26 Control unit 36 6-axis force sensor
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9547593AJPH0663881A (en) | 1992-03-31 | 1993-03-30 | Walking control device for leg type mobile robot |
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10531592 | 1992-03-31 | ||
| JP4-105315 | 1992-03-31 | ||
| JP9547593AJPH0663881A (en) | 1992-03-31 | 1993-03-30 | Walking control device for leg type mobile robot |
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0663881Atrue JPH0663881A (en) | 1994-03-08 |
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9547593AWithdrawnJPH0663881A (en) | 1992-03-31 | 1993-03-30 | Walking control device for leg type mobile robot |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001138273A (en)* | 1999-11-08 | 2001-05-22 | Sony Corp | Legged mobile robot and control method thereof |
| KR100835354B1 (en)* | 2006-07-05 | 2008-06-04 | 삼성전자주식회사 | Walking robot and its control method |
| JP2010115780A (en)* | 2010-01-28 | 2010-05-27 | Sony Corp | Leg type mobile robot and method for controlling the same |
| JP2013244540A (en)* | 2012-05-23 | 2013-12-09 | Nachi Fujikoshi Corp | Gravity slope correcting method and device of industrial robot |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001138273A (en)* | 1999-11-08 | 2001-05-22 | Sony Corp | Legged mobile robot and control method thereof |
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