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JP5099733B2 - Control device for legged mobile robot - Google Patents
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JP5099733B2 - Control device for legged mobile robot - Google Patents

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Description

本発明はホームロボットや各種サービスロボット等に用いる脚式移動型の2足歩行ロボットの動作を生成したり、動作をフィードバック制御する装置に関するものである。 The present invention relates to an apparatus for generating a motion of a legged mobile biped walking robot used for a home robot, various service robots, and the like, and for performing feedback control of the motion.

従来、脚式移動ロボットの動作は、ロボットが床から受ける反力の作用中心点であるZMP(Zero-Moment Point)を規範として生成されてきた(高西、石田、山崎、加藤:日本ロボット学会誌、vol.3、no.4、pp.325-336、1985、特開2002-326173)。ここで、ZMPは床反力の作用中心点であるため、床反力中心点と呼ばれる場合もある。   Conventionally, the movement of a legged mobile robot has been generated based on the ZMP (Zero-Moment Point), which is the center of action of the reaction force that the robot receives from the floor (Takanishi, Ishida, Yamazaki, Kato: The Robotics Society of Japan Vol.3, no.4, pp.325-336, 1985, JP 2002-326173). Here, since ZMP is an action center point of the floor reaction force, it may be called a floor reaction force center point.

脚式移動ロボットが水平な床面上を歩く場合、ZMPが足裏と床面の接触点が形成する支持多角形の内部に含まれる限り、ロボットは転倒せずに歩行を継続することが保証される。一方、ZMPが支持多角形の端に来ると、ロボットの足裏と床面との接触が離れることで、ロボットが転倒する可能性が生じる。  When a legged mobile robot walks on a horizontal floor, the robot is guaranteed to continue walking without falling as long as the ZMP is contained within the support polygon formed by the contact point between the sole and the floor. Is done. On the other hand, when the ZMP comes to the end of the support polygon, the contact between the sole of the robot and the floor surface is separated, which may cause the robot to fall.

しかしながら、先に述べたようにZMPは床反力の作用中心点であるため、ZMPを用いても足裏と床面が滑るかどうかを判定することはできない。また、脚式移動ロボットの手先が環境と接触する場合には、接触点の間で内力が発生するが、内力の影響はZMPの位置には現れない。つまり、この場合もZMPを用いることでは、ロボットと環境の接触点で、滑りが生じたり接触が離れるといった接触状態の遷移を判定することは不可能である。   However, as described above, since ZMP is a center point of action of floor reaction force, it cannot be determined whether or not the sole and the floor surface slip even if ZMP is used. Further, when the hand of the legged mobile robot comes into contact with the environment, an internal force is generated between the contact points, but the influence of the internal force does not appear at the ZMP position. That is, in this case as well, using ZMP, it is impossible to determine the transition of the contact state such as slippage or separation at the contact point between the robot and the environment.

特許第3132156号明細書において、ZMPを規範にして脚式移動ロボットが階段を上る動作が生成されている。しかし、先に述べたように、ZMPを用いたのでは接触点が単一の面上にない場合や、接触点で滑りが生じる場合には、接触状態の遷移を判定することは出来ない。これは、ロボットは床から3次元の力と3次元のモーメントを受けるが、ZMPではモーメントのうち床面と平行な2成分のみを用いているからである。   In the specification of Japanese Patent No. 3132156, a motion in which a legged mobile robot climbs stairs is generated based on ZMP. However, as described above, when ZMP is used, when the contact point is not on a single surface or when slip occurs at the contact point, the transition of the contact state cannot be determined. This is because the robot receives a three-dimensional force and a three-dimensional moment from the floor, but ZMP uses only two components of the moment parallel to the floor surface.

特開2002-326173号公報JP 2002-326173 A 特許第3132156号明細書Japanese Patent No. 3132156

本発明の第1の目的は、脚式移動ロボットにおいて、ロボットに加わる3次元の力と3次元のモーメントを考慮し、そして、これら3次元の力と3次元のモーメントが力−モーメント空間において形成する接触力凸多面錐を用いて、接触状態の遷移を判定する機能を有する脚式移動ロボットの制御装置を提供することにある。 A first object of the present invention is to consider a three-dimensional force and a three-dimensional moment applied to the robot in a legged mobile robot, and these three-dimensional force and three-dimensional moment are formed in a force-moment space. An object of the present invention is to provide a control device for a legged mobile robot having a function of determining a transition of a contact state using a contact force convex polyhedral cone.

さらに、本発明の第2の目的は、脚式移動ロボットにおいて、ロボットに加わる3次元の力と3次元のモーメントを考慮し、そして、これら3次元の力と3次元のモーメントが力−モーメント空間において形成する接触力凸多面錐を用いて、接触状態が遷移しない脚式移動ロボットの動作を生成する装置を提供することにある。 Furthermore, a second object of the present invention is to consider a three-dimensional force and a three-dimensional moment applied to the robot in a legged mobile robot, and these three-dimensional force and three-dimensional moment are force-moment space. It is an object of the present invention to provide an apparatus for generating a motion of a legged mobile robot in which a contact state does not change using a contact force convex polyhedral cone formed in the above.

さらに、本発明の第3の目的は、脚式移動ロボットにおいて、ロボットに加わる3次元の力と3次元のモーメントを考慮し、ロボットの姿勢を実時間でフィードバック制御する脚式移動ロボットの動作制御装置を提供することにある。 A third object of the present invention is a legged mobile robot, taking into account the three-dimensional force and three-dimensional moment applied to the robot, the operation control of a legged mobile robot which feedback controls the posture of the robot in real time To provide an apparatus.

上記した第1の目的を達成するために、少なくとも上体と、前記上体に連結された複数本の脚部からなる脚式移動ロボットの制御装置において、前記ロボットが動作する際に、慣性力及び重力によりロボットが受ける3次元の力(f )及び3次元のモーメント(τ )を求め、前記ロボットが環境に接触している各接触点(1・・・・K)において、ロボットに対し発生可能な3次元の力の集合である摩擦コーンをL角錐として近似するため当該L角錐における各側辺(1・・・L)毎に、前記L角錐の各側辺となる単位ベクトルと、該側辺方向の力の大きさを定める非負のスカラーとの積により、各側辺方向に発生可能な力を規定し、これらの和を各接触点においてロボットに対し発生可能な3次元の力の集合とするとともに、各接触点において、前記L角錐の各側辺方向に発生可能な力と各接触点の位置ベクトルとの外積を規定し、これらの和を各接触点においてロボットに対し発生可能な3次元のモーメントの集合とし、各接触点それぞれにおける前記3次元の力の集合及び前記3次元のモーメントの集合の全接触点(1・・・・K)についての和を、前記ロボットに対し発生可能な反力及びモーメントの集合である接触力凸多面錐として規定し、3次元の力及びモーメントの空間において、前記ロボットが動作する際に慣性力及び重力によりロボットが受ける力(f )及びモーメント(τ )を打ち消す逆方向の力及びモーメント(−f 、―τ )が、前記接触力凸多面錐に含まれない場合、少なくとも一部の接触点において接触が離れる接触状態の遷移を判定する手段を具備するようにした。 In order to achieve the first object described above, in a control device for a legged mobile robot comprising at least an upper body and a plurality of legs connected to the upper body , an inertial force is applied when the robot operates. and obtains a three-dimensional force robot receives (f G) and three-dimensional moment (tau G) by gravity, each contact point where the robot is in contact with the environment in (1 · · · · K), the robot In order to approximate a friction cone, which is a set of three-dimensional forces that can be generated, as an L pyramid, for each side (1... L) in the L pyramid, a unit that becomes each side of the L pyramid. and vector, the product of the non-negative scalar defining the size of those said side edges force, defines the possible occurrence force each side direction, these sums can be generated with respect to the robot at each contact point as well as a set of three-dimensional forces, At the point of contact, said defining the outer product of the L pyramid of the position vector of each side direction can be generated force and the contact point, three-dimensional moment that can be generated with respect to the robot in these sums each contact point A set of the three-dimensional force set at each contact point and the sum of the three-dimensional moment set for all contact points (1... K), The contact force is defined as a convex polyhedral cone that is a set of moments, and the force (f G ) and moment (τ G ) that the robot receives by inertial force and gravity when the robot moves in a three-dimensional force and moment space. reverse forces and moments (-f G, G) to cancel the can, if not included in the contact force PCC, the contact state in which the contact leaves at least part of the contact points Qian It was set to comprise a means for determining.

さらに、上記した第2の目的を達成するために、生成したロボットの動作に対応して、慣性力及び重力によりロボットが受ける3次元の力(f 及び3次元のモーメント(τ を求め、該3次元の力(f 及び3次元のモーメント(τ )を打ち消す逆方向の力及びモーメント(−f 、―τ が、前記接触力凸多面錐に含まれるように、ロボットの動作を生成する手段を具備するようにした。 Furthermore, in order to achieve the second object, the three-dimensional force (f G ) and the three-dimensional moment G ) received by the robot due to the inertial force and gravity corresponding to the generated movement of the robot. The reverse force and moment (−f G , −τ G ) that cancels the three-dimensional force (f G ) and the three-dimensional moment G ) are included in the contact force convex polyhedral cone. A means for generating a robot motion is provided.

目標となる3次元の力と3次元のモーメントを計算し、与えられたロボットの姿勢に対応して力−モーメント空間において形成される接触力凸多面錐を算出し、さらに、前記計算された3次元の力と3次元のモーメントの目標値が接触力凸多面錐に含まれない場合は3次元の力と3次元のモーメントの目標値を修正する手段を有するため、ロボットと環境との接触が離れるような、接触状態の遷移がない安定な脚式移動ロボットの動作を生成することができる。 A target three-dimensional force and a three-dimensional moment are calculated, a contact force convex polyhedral cone formed in a force-moment space corresponding to a given robot posture is calculated, and the calculated 3 When the target value of the three-dimensional force and the three-dimensional moment is not included in the contact force convex polyhedral cone , the robot has a means for correcting the target value of the three-dimensional force and the three-dimensional moment so that the contact between the robot and the environment It is possible to generate a motion of a stable legged mobile robot that has no contact state transition , such as leaving.

さらに、上記した第3の目的を達成するために、ロボットが動作する際に、慣性力及び重力によりロボットが受ける3次元の力(f 及び3次元のモーメント(τ を現在のロボットの関節角度情報及び位置姿勢の情報に基づいて算出し、平面上の歩行において、実時間で算出した3次元の力(f 及び3次元のモーメント(τ )を打ち消す逆方向の力及びモーメント(−f 、―τ が前記接触力凸多面錐に含まれるように、前記ロボットの姿勢をフィードバック制御する手段を具備した。 Further, in order to achieve the above third object, when the robot operates, the three-dimensional force (f G ) and the three-dimensional moment G ) that the robot receives due to inertial force and gravity are applied to the current robot. Calculated based on the joint angle information and position / orientation information, and in the walking on the plane, the three-dimensional force (f G ) and the three-dimensional moment G ) calculated in real time are reversed and Means for feedback controlling the posture of the robot is provided so that a moment (-f G , -τ G ) is included in the contact force convex polyhedral cone.

3次元の力と3次元のモーメントを考慮して、実時間で姿勢をフィードバック制御する手段を有するため、接触状態が遷移しないような、安定な脚式移動ロボットの動作制御が実時間で実現できる。 Considering 3D force and 3D moment, it has a means for feedback control of posture in real time, so stable motion control of legged mobile robot can be realized in real time without contact state transition .

本発明は上記のように構成したので、脚式移動ロボットにおいて、ロボットと環境との接触状態の遷移を判定でき、かつ接触状態を遷移させないロボットの動作を容易に得ることができ、ロボットの姿勢を実時間でフィードバック制御することが可能になる。 Since the present invention is configured as described above, Te legged mobile robot odor, can determine the transition of the state of contact between the robot and the environment, and the operation of the robot not to transition the contact state can be easily obtained, the robot It becomes possible to perform feedback control of the attitude in real time.

脚式移動ロボットが床面上に立ち、手先で環境と接している図である。FIG. 2 is a diagram showing a legged mobile robot standing on the floor and touching the environment with a hand. 脚式移動ロボットの足裏と床面との接触を表す図である。It is a figure showing the contact of the sole of a legged mobile robot and a floor surface. 摩擦が十分ある平らな床面上での歩行における、足裏支持領域と、力・モーメントの領域を示す図である。It is a figure which shows the sole support area | region and the area | region of a force and a moment in the walk on the flat floor surface with sufficient friction. 滑りやすい床面上の歩行における、力の領域を示す図である。It is a figure which shows the area | region of force in the walk on the floor surface which is slippery. 滑りやすい床面上の歩行における、鉛直軸まわりのモーメントの範囲を示す図である。It is a figure which shows the range of the moment of the surroundings of a vertical axis in the walk on a slippery floor surface. 2次元平面内で脚式移動ロボットが対象物を押しながら歩く図である。It is a figure where a legged mobile robot walks while pushing an object in a two-dimensional plane. 接触力凸多面体に含まれない力・モーメントの凸多面体への正射影を示す図である。It is a figure which shows the orthogonal projection to the convex polyhedron of the force and moment which are not contained in a contact force convex polyhedron. 接触力凸多面錐を用いた脚式移動ロボットの動作生成を示す図である。It is a figure which shows operation | movement production | generation of the legged mobile robot using a contact force convex polyhedral cone. 力・モーメントを考慮した実時間制御系の図である。It is a figure of the real-time control system which considered force and moment.

本発明は脚式移動ロボットにおいて、ロボットと環境との接触状態の遷移を判定でき、かつ接触状態を遷移させないロボットの動作を容易に得ることができ、ロボットの姿勢を実時間でフィードバック制御すること可能にするため、少なくとも上体と、前記上体に連結された複数本の脚部からなる脚式移動ロボットの制御装置において、ロボットに加わる3次元の力と3次元のモーメントを算出することにより、平面上の歩行における足裏と床面との接触において、少なくとも一部の接触点において接触が離れる接触状態の遷移を判定する手段を備えることによって実現した。 The invention Te legged mobile robot odor, robot and can determine the transition state of contact with the environment, and can be the operation of the robot not to transition the contact state obtained easily, feedback control of the posture of the robot in real time order to be able to, calculating at least a body, in the control system of a legged mobile robot comprising a plurality of legs coupled to the body, a three-dimensional force and three-dimensional moment applied to the robot by, Te contacts smell between the sole and the floor surface at walking on a plane, it was achieved by providing a means for determining a transition of contact away contact in some points of contact even without low.

以下、添付図面を参照してこの発明の一つの実施の形態に係る脚式移動ロボットの制御装置を説明する。脚式移動ロボットとしては2足歩行ロボットを例にとる。   Hereinafter, a control apparatus for a legged mobile robot according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. An example of a legged mobile robot is a biped walking robot.

まず、本発明の第一の実施例として、脚式移動ロボットが歩行などの動作を行うとき、環境からロボットが受ける3次元の力と3次元のモーメントを算出する手段、与えられたロボットの姿勢に対応して力−モーメント空間において形成される接触力凸多面錐を算出する手段を示す。 First, as a first embodiment of the present invention, when a legged mobile robot performs an action such as walking, a means for calculating a three-dimensional force and a three-dimensional moment received by the robot from the environment, a given robot posture The means for calculating the contact force convex polyhedral cone formed in the force-moment space corresponding to is shown.

図1は、この実施の形態に係る制御装置が適用される脚式移動ロボット、より具体的には2足歩行ロボットを全体的に示す概略図である。ΣRは基準座標系であり、ΣBはロボット腰部に固定された座標系、ΣLiは第iリンク(i=1,・・・,n)の重心に固定された座標系を表す。ΣRに関する位置ベクトルについて、PHj(=[xHjHjHj(j=1,2)は各手先、pFj(=[xFjFjFj)(j=1,2)は各足裏のリンクに固定された点、pLi(=[xLiLiLi)はΣLiの原点、p(=[x)はΣBの原点を表す。また、各手先の接触領域と各足裏の支持領域を構成する多角形の頂点を手先か足先かを区別せずp(k=1,・・・,k)とし、pG(=[x)はロボットの重心を表す位置ベクトルであり、

Figure 0005099733
のように定義されるとする。さらに、z0はロボットが水平面上を歩行する場合の床面の高さを表すものとする。fHi(=[(fHi)x(fHi)y(fHi)z])、τHj(j=1,2)は各手先が受ける力・モーメント、fFj,τFj(j=1,2)は各足裏が受ける力・モーメントである。同様に、fは点pで受ける力とする。なお、図ではモーメントを太矢印で表している。nは、点pにおける単位拘束法線ベクトルを表す。I、ωはそれぞれ第iリンクの基準座標系に関する慣性テンソル、角速度ベクトルを表す。以上述べた位置ベクトル、力、モーメントは、全て基準座標系Σで表すものとする。 FIG. 1 is a schematic diagram generally showing a legged mobile robot, more specifically a biped walking robot, to which the control device according to this embodiment is applied. ΣR is a reference coordinate system, ΣB is a coordinate system fixed to the robot waist, and ΣLi is a coordinate system fixed to the center of gravity of the i-th link (i = 1,..., N). For the position vector related to ΣR, P Hj (= [x Hj y Hj z Hj ] T (j = 1, 2) is each hand, p Fj (= [x Fj y Fj z Fj ] T ) (j = 1, 2) ) Is a fixed point on the link of each sole, p Li (= [x Li y Li z Li ] T ) is the origin of ΣLi, p B (= [x B y B z B ] T ) is the origin of ΣB In addition, it is assumed that p k (k = 1,..., K) is used as the apex of the polygon that forms the contact area of each hand and the support area of each sole, and pG (= [x G y G z G] T) is a position vector representing the center of gravity of the robot,
Figure 0005099733
Is defined as follows. Further, z0 represents the height of the floor surface when the robot walks on a horizontal plane. f Hi (= [(f Hi ) x (f Hi ) y (f Hi ) z] T ), τ Hj (j = 1, 2) is the force / moment received by each hand, f Fj , τ Fj (j = 1, 2) are the force and moment that each sole receives. Similarly, f k is the force applied at the point p k. In the figure, moments are indicated by thick arrows. n k represents a unit constraint normal vector at the point p k . I i and ω i represent an inertia tensor and an angular velocity vector related to the reference coordinate system of the i-th link, respectively. Above mentioned position vectors, forces, moments, is intended to refer in all the reference coordinate system sigma R.

ロボットが動作する際に、慣性力および重力によりロボットが受ける力を基準座標系Σで表したものをf、ロボットが受ける基準座標系まわりのモーメントをτとする。ロボットに加わる力・モーメントは数式(1)、数式(2)により与えられる。

Figure 0005099733
Figure 0005099733

ここで、
Figure 0005099733

はロボットの質量、g=[0 0 −g]Tは重力ベクトルを表す。また、
Figure 0005099733

は重心まわりの角運動量を表す。 When the robot is operated, inertial and those representing the forces robot receives the reference coordinate system sigma R by gravity f G, the moment about the reference coordinate system in which the robot is subjected to tau G. The force / moment applied to the robot is given by equations (1) and (2).
Figure 0005099733
Figure 0005099733

here,
Figure 0005099733

Is the mass of the robot, and g = [0 0 -g] T is the gravity vector. Also,
Figure 0005099733

Represents the angular momentum around the center of gravity.

ロボットに力fおよびモーメントτが加わったとき、ロボットは接触している環境から反力・モーメントを受ける。ロボットが接触している環境から受ける反力を基準座標系で表したものをf、ロボットが受ける基準座標系まわりのモーメントをτとすると、これらは手先・足裏と環境との接触面の幾何学的な形状から、数式(3)、数式(4)が得られる。

Figure 0005099733

Figure 0005099733

さらに、各接触点がロボットに対して発生可能な力の集合は、摩擦コーンをL角錐で近似した場合、数式(5)により与えられる。
Figure 0005099733
ここに、μは各点の摩擦係数、
Figure 0005099733
が各点の摩擦コーンを近似するL角錐の側辺となる様な単位ベクトルで、
Figure 0005099733
は各点に加わる接線方向の力の大きさにより定まる非負のスカラである。数式(5)を数式(3)、数式(4)に代入すると、(f,τ)がとり得る値の集合は、数式(6)、数式(7)により得られる。
Figure 0005099733
Figure 0005099733
(f,τ)はベクトルの非負1次結合で表されていることから、これらが力・モーメントの空間でとり得る値の集合は接触力凸多面錐になる。 When a force f G and moment τ G are applied to the robot, the robot receives a reaction force / moment from the environment in contact with the robot. When the reaction force received from the environment in contact with the robot is expressed in the reference coordinate system as f C , and the moment around the reference coordinate system received by the robot as τ C , these are the contact surfaces of the hand, sole, and environment. Equations (3) and (4) are obtained from the geometrical shape.
Figure 0005099733

Figure 0005099733

Furthermore, the set of forces that each contact point can generate on the robot is given by Equation (5) when the friction cone is approximated by an L pyramid.
Figure 0005099733
Where μ k is the coefficient of friction at each point,
Figure 0005099733
Is a unit vector that is the side of an L pyramid that approximates the friction cone of each point,
Figure 0005099733
Is a non-negative scalar determined by the magnitude of the tangential force applied to each point. Equation (5) Equation (3), are substituted into Equation (4), a set of values that can take (f C, tau C) is Equation (6) is obtained by Equation (7).
Figure 0005099733
Figure 0005099733
(F C, τ C) from that represented by nonnegative linear combination of vectors, the set of these can take the space of a force and moment values ing the contact force convex polyhedral cone.

ロボットに力fおよびモーメントτが加わった場合、(−f,−τ)が数式(6)、数式(7)によって表される接触力凸多面錐に含まれない場合は、釣り合いの関係は成立せず、接触状態は必ず遷移する。 When force f G and moment τ G are applied to the robot, if (−f G , −τ G ) is not included in the contact force convex polyhedral cone represented by Equation (6) and Equation (7) , This relationship is not established, and the contact state always changes.

次に、この発明の第2番目の実施例として、十分な摩擦のある平面上を脚式移動ロボットが歩行する場合に、接触状態の遷移を判定する手段を示す。十分に摩擦がある床面上で接触状態が遷移するのは、ある接触点において接触が離れる場合である。図2に示す様に、ロボットの足裏のみが水平面と接触している場合を考える。ロボットの足先と水平面の間には十分に大きな摩擦が働くと仮定すると、水平面方向の力と鉛直軸まわりのモーメントについては任意の反力が発生し、数式(8)、数式(9)、数式(10)の釣り合いの関係は必ず成立する。

Figure 0005099733


Figure 0005099733
Figure 0005099733
ここで、
Figure 0005099733

は任意の非負数である。一方、鉛直方向の力と水平方向のモーメントは、数式(11)、数式(12)、数式(13)で表されるが、これらは常に釣り合いが成立するとは限らない。
Figure 0005099733
Figure 0005099733
Figure 0005099733

なお、本実施例における数式(8)〜(13)は、実施例1において行った(−fG,−τG)が数式(6)数式()によって表される接触力凸多面錐に含まれるか否かの評価を、水平面方向の力と鉛直軸周りのモーメントについては任意の反力が発生することを前提にして、力、モーメントの関係式で表したものである。
ここでは、より具体的には、数式(11)、数式(12)、数式(13)が成立するためには、右辺に含まれる非負のスカラー

Figure 0005099733
が存在しなくてはならない。逆に言うと、与えられたロボットの動作に対して、非負のスカラー
Figure 0005099733
が存在するかどうかによって、接触状態が遷移するかどうかが判定される。 Next, as a second embodiment of the present invention, means for determining transition of the contact state when a legged mobile robot walks on a plane with sufficient friction is shown. The contact state transitions on a floor surface having sufficient friction is when the contact leaves at a certain contact point. Consider the case where only the sole of the robot is in contact with the horizontal plane as shown in FIG. Assuming that a sufficiently large friction acts between the robot foot and the horizontal plane, an arbitrary reaction force is generated for the force in the horizontal plane direction and the moment about the vertical axis, and the formulas (8), (9), The balance relationship of Formula (10) is always established.

Figure 0005099733


Figure 0005099733
Figure 0005099733
here,
Figure 0005099733

Is any non-negative number. On the other hand, the vertical force and the horizontal moment are expressed by Equation (11), Equation (12), and Equation (13), but these are not always balanced.
Figure 0005099733
Figure 0005099733
Figure 0005099733

In addition, numerical formula (8)-(13) in a present Example is contained in the contact force convex polyhedral cone whose (-fG,-(tau) G) performed in Example 1 is represented by numerical formula (6) and numerical formula ( 7 ). The evaluation of whether or not the force is generated is expressed by a relational expression of force and moment on the premise that an arbitrary reaction force is generated for the force in the horizontal plane direction and the moment about the vertical axis.
Here, more specifically, in order for Formula (11), Formula (12), and Formula (13) to hold, a non-negative scalar included in the right side is used.

Figure 0005099733
Must exist. Conversely, a non-negative scalar for a given robot motion
Figure 0005099733
It is determined whether or not the contact state transitions depending on whether or not there exists.

図3に、平らな床面上におけるロボットと床との接触領域と、これに対応する数式(11)、数式(12)、数式(13)で表された接触力凸多面錐の適当な(f)zの値における断面を示す。 FIG. 3 shows an appropriate contact area between the robot and the floor on a flat floor surface, and the contact force convex polyhedral cones expressed by the corresponding equations (11), (12), and (13) ( The cross section at the value of f C ) z is shown.

本発明の第番目の実施例として、腕を有する脚式移動ロボットを仮定し、腕が環境と接触する場合を想定する。前項までとは異なり、この場合はロボットと環境との接触が単一の面内に含まれるとは限らない。また、この場合、手先と足先の接触点の間で働く内力の影響が顕著になる。図6に示す2次元の場合を例にとり、実施例を説明する。2次元平面内の運動を仮定するので、2次元の力と1次元のモーメントを考慮すればよい。力やモーメントの釣り合いの関係式をまとめると、数式(14)のようになる。

Figure 0005099733
次に、この接触力凸多面錐に加えて、内力を考える。ロボットの手が環境と接する場合、ロボットが持つ運動量や角運動量には影響を及ぼさない接触力の成分である内力が存在する。この場合、内力の関係式は数式(15)のように表すことができる。
Figure 0005099733
ここで、φは内力に関するパラメータである。数式(14)は式が三つに対して、変数が
Figure 0005099733
の四つである。しかしながら、数式(14)に加えて数式(15)を考えることで、式の数と変数の数が合い、変数を一意に求めることができる。このとき、これらの変数に負のものが含まれるならば、接触状態が遷移することを判定できる。つまり、手先が環境と接触する場合は、接触力凸多面錐に加えて内力の関係式を用いることで、接触状態の遷移を判定する。 As the third embodiment of the present invention, assuming the legged mobile robot having an arm, a case where the arm is in contact with the environment. Unlike the previous section, in this case, the contact between the robot and the environment is not necessarily included in a single plane. In this case, the influence of the internal force that acts between the contact points of the hand and the toe becomes significant. The embodiment will be described by taking the two-dimensional case shown in FIG. 6 as an example. Since a motion in a two-dimensional plane is assumed, a two-dimensional force and a one-dimensional moment may be considered. Summarizing the relational expression of force and moment balance, the following formula (14) is obtained.
Figure 0005099733
Then, in addition to the contact force PCC this, consider the internal force. When the robot's hand comes into contact with the environment, there is an internal force that is a component of contact force that does not affect the momentum or angular momentum of the robot. In this case, the internal force relational expression can be expressed as in Expression (15).
Figure 0005099733
Here, φ is a parameter relating to internal force. In Equation (14), there are three variables and variables
Figure 0005099733
There are four. However, considering Formula (15) in addition to Formula (14), the number of formulas matches the number of variables, and the variables can be uniquely determined. At this time, if these variables include negative values, it can be determined that the contact state transitions. That is, when the hand touches the environment, the transition of the contact state is determined by using the internal force relational expression in addition to the contact force convex polyhedral cone.

本発明の第番目の実施例として、接触状態を遷移させないような脚式移動ロボットの動作を生成する手法を示す。本発明の第1番目の実施例により与えられたロボットの動作に対して、ロボットが受ける力・モーメントを算出する手法、ならびに接触力多面錐を計算する手法を示した。ここでは、算出された力・モーメントが接触力多面錐に含まれない場合に、動作を修正する手法を示す。 As a fourth embodiment of the present invention, showing a technique for generating an operation of the legged mobile robot so as not to shift the contact state. The method for calculating the force / moment received by the robot and the method for calculating the contact force convex polyhedral cone with respect to the motion of the robot given by the first embodiment of the present invention are shown. Here, a method of correcting the operation when the calculated force / moment is not included in the contact force convex polyhedral cone is shown.

接触力多面錐に含まれない(−f,−τ)が与えられたとき、次のアルゴリムにより、接触力凸多面錐に含まれ、かつ、ユークリッドノルムにより定義された距離が最も近いものに変換することができる。変換後の値を

Figure 0005099733

と表記する。(f,τ)を数式(15)の連立不等式で表される凸多面錐に正射影する。
Figure 0005099733

この射影を
Figure 0005099733

とすると、所望の射影は、
Figure 0005099733

Figure 0005099733

と求めることができる。このアルゴリズムの説明図を図7に示す。 When (−f G , −τ G ) that is not included in the contact force convex polyhedral cone is given, the distance that is included in the contact force convex polyhedral cone and defined by the Euclidean norm is closest by the following algorithm. Can be converted into a thing. The converted value
Figure 0005099733

Is written. (F G , τ G ) is orthogonally projected onto the convex polyhedral cone represented by the simultaneous inequality of Expression (15).
Figure 0005099733

This projection
Figure 0005099733

Then the desired projection is
Figure 0005099733

Figure 0005099733

It can be asked. An explanatory diagram of this algorithm is shown in FIG.

数式(15)を利用した脚式移動ロボットの動作生成手法を図8に示す。つまり、最初にロボットの動作を生成しておき、数式(1)、数式(2)にもとづいてロボットに加わる3次元の力、モーメントを計算する。これが接触力凸多面錐に含まれない場合は、数式(17)、数式(18)に基づいて(−f,−τ)を射影し、動作を修正する。 FIG. 8 shows a motion generation method for a legged mobile robot using Equation (15). That is, first advance generates an operation of the robot, the formula (1), 3-dimensional forces, the moment calculation applied to the robot on the basis of the equation (2). When this is not included in the contact force convex polyhedral cone, the operation is corrected by projecting (−f G , −τ G ) based on the equations (17) and (18).

本発明の第2から第の実施例において、摩擦が十分ある床面上の歩行や手先が環境と接触する場合について、接触状態の遷移を判定した。これら全ての場合において共通して言えることは、凸多面錐を用いていることである。つまり、それぞれの場合において、本発明の第5の実施例を用いることで、接触状態が遷移しない脚式移動ロボットの動作を生成することができる。 In the second to fourth embodiments of the present invention, the transition of the contact state was determined for walking on the floor surface with sufficient friction or when the hand touches the environment. What can be said in common in all these cases is the use of convex polyhedral cones. That is, in each case, by using the fifth embodiment of the present invention, it is possible to generate an action of a legged mobile robot in which the contact state does not change.

本発明の第番目の実施例として、ロボットの姿勢を実時間でフィードバック制御する手法を示す。この手法においては、実時間で現在のロボットの関節角度情報や機体の位置姿勢の情報より、ロボットが受ける力・モーメントを算出する。そして、ロボットが受ける力・モーメントの目標値と比較をし、その目標値に収束するようにロボットの動作を制御する。この制御系のブロック線図を図9に示す。 As a fifth embodiment of the present invention, a technique for feedback control of the posture of a robot in real time is shown. In this method, the force / moment received by the robot is calculated from the current joint angle information of the robot and the position and orientation information of the aircraft in real time. Then, a comparison is made with the target values of the force and moment received by the robot, and the operation of the robot is controlled so as to converge to the target value. A block diagram of this control system is shown in FIG.

本発明の第2、第3の実施例において、摩擦が十分ある床面上の歩行手先が環境と接触する場合について、接触状態の遷移を判定した。これらすべての場合において共通して数式(1)、数式(2)を用いている。つまり、それぞれの場合において、本発明の第5の実施例を用いることで、実時間でロボットの動作を制御することができる。
In the second and third embodiments of the present invention, the transition of the contact state was determined for walking on the floor surface with sufficient friction or when the hand touches the environment. In all these cases, the formulas (1) and (2) are used in common. That is, in each case, the robot operation can be controlled in real time by using the fifth embodiment of the present invention.

Claims (3)

少なくとも上体と、前記上体に連結された複数本の脚部からなる脚式移動ロボットの制御装置において、
前記ロボットが動作する際に、慣性力及び重力によりロボットが受ける3次元の力(f )及び3次元のモーメント(τ )を求め、
前記ロボットが環境に接触している各接触点(1・・・・K)において、ロボットに対し発生可能な3次元の力の集合である摩擦コーンをL角錐として近似するため当該L角錐における各側辺(1・・・L)毎に、前記L角錐の各側辺となる単位ベクトルと、該側辺方向の力の大きさを定める非負のスカラーとの積により、各側辺方向に発生可能な力を規定し、これらの和を各接触点においてロボットに対し発生可能な3次元の力の集合とするとともに
各接触点において、前記L角錐の各側辺方向に発生可能な力と各接触点の位置ベクトルとの外積を規定し、これらの和を各接触点においてロボットに対し発生可能な3次元のモーメントの集合とし、
各接触点それぞれにおける前記3次元の力の集合及び前記3次元のモーメントの集合の全接触点(1・・・・K)についての和を、前記ロボットに対し発生可能な反力及びモーメントの集合である接触力凸多面錐として規定し、
3次元の力及びモーメントの空間において、前記ロボットが動作する際に慣性力及び重力によりロボットが受ける力(f )及びモーメント(τ )を打ち消す逆方向の力及びモーメント(−f 、―τ )が、前記接触力凸多面錐に含まれない場合、少なくとも一部の接触点において接触が離れる接触状態の遷移を判定する手段を備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。
In a control device for a legged mobile robot comprising at least an upper body and a plurality of legs connected to the upper body,
When the robot moves, a three-dimensional force (f G ) and a three-dimensional moment (τ G ) that the robot receives due to inertial force and gravity are obtained,
Each contact point of the robot is in contact with the environment in (1 · · · · K), to approximate the friction cone is a set of 3-dimensional forces that can be generated with respect to the robot as L pyramid, the L pyramids each side in (1 · · · L) each, the L and the unit vectors, which are each side of the pyramid, the product of the non-negative scalar defining the size of those said side edges directed force, each side of the defining a possible occurrence force in a square direction, with the sum of these is a set of 3-dimensional forces that can be generated with respect to the robot at each contact point,
At each contact point, the outer product of the force that can be generated in each side direction of the L pyramid and the position vector of each contact point is defined, and the sum of these is a three-dimensional moment that can be generated for the robot at each contact point. A set of
A set of reaction forces and moments that can be generated with respect to the robot by adding the sum of the set of three-dimensional forces and the set of three-dimensional moments at all contact points for all contact points (1... K). The contact force is defined as a convex polyhedral cone ,
In the space of a three-dimensional forces and moments, the robot receives from the inertial force and gravity when the robot is operated force (f G) and moment reverse forces and moments to cancel the (τ G) (-f G, - A control device for a legged mobile robot, comprising: means for determining a transition of a contact state in which contact is separated at least at some contact points when τ G ) is not included in the contact force convex polyhedral cone .
生成したロボットの動作に対応して、慣性力及び重力によりロボットが受ける3次元の力(f 及び3次元のモーメント(τ を求め、該3次元の力(f 及び3次元のモーメント(τ )を打ち消す逆方向の力及びモーメント(−f 、―τ が、前記接触力凸多面錐に含まれるように、ロボットの動作を生成する手段を備えたことを特徴とする請求項1記載の脚式移動ロボットの制御装置。 Corresponding to the generated movement of the robot, a three-dimensional force (f G ) and a three-dimensional moment G ) received by the robot due to inertial force and gravity are obtained, and the three-dimensional force (f G ) and three-dimensional reverse forces and moments cancel the moment (τ G) (-f G, -τ G) as is included in the contact force PCC, characterized in that it comprises means for generating a motion of the robot The control device for a legged mobile robot according to claim 1. ロボットが動作する際に、慣性力及び重力によりロボットが受ける3次元の力(f 及び3次元のモーメント(τ を現在のロボットの関節角度情報及び位置姿勢の情報に基づいて算出し、平面上の歩行において、実時間で算出した3次元の力(f 及び3次元のモーメント(τ )を打ち消す逆方向の力及びモーメント(−f 、―τ が前記接触力凸多面錐に含まれるように、前記ロボットの姿勢をフィードバック制御する手段を備えたことを特徴とする請求項2記載の脚式移動ロボットの制御装置。 When the robot moves, the three-dimensional force (f G ) and the three-dimensional moment G ) received by the robot due to inertial force and gravity are calculated based on the current joint angle information and position / orientation information of the robot. in walking on a plane, a three-dimensional force calculated in real time (f G) and reverse forces and moments to cancel the three-dimensional moment (τ G) (-f G, -τ G) is the contact force 3. The control apparatus for a legged mobile robot according to claim 2, further comprising means for feedback control of the posture of the robot so as to be included in the convex polyhedral cone.
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