JP2004345024A - Leg structure of a legged walking robot and a legged walking robot having the same - Google Patents
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Abstract
【課題】単純な構造で姿勢制御のためのセンシングを行うことができる脚式歩行ロボットの足部構造および脚式歩行ロボットを提供することを課題とする。
【解決手段】2本の可動脚部の下端に複数の足部を有する脚式歩行ロボットの足部構造において、各足部17は、各可動脚部に連結した足部本体37と、足部本体37の裏面に相互に離間して設けられ、足着状態の裏面に加わる足着反力をそれぞれ検出する4つの圧力センサ7Sと、4つの圧力センサ7Sをその検出端となる検出子74において相互に連結すると共に、下面が足裏面を構成する足裏プレート17Sと、を備えたものである。
【選択図】 図9An object of the present invention is to provide a foot structure of a legged walking robot and a legged walking robot that can perform sensing for posture control with a simple structure.
In a foot structure of a legged walking robot having a plurality of legs at the lower ends of two movable legs, each foot 17 includes a foot main body 37 connected to each movable leg, and a foot portion. The four pressure sensors 7S which are provided on the back surface of the main body 37 at a distance from each other and detect a foot reaction force applied to the back surface in a footwear state, respectively, and the four pressure sensors 7S are connected to a detector 74 serving as a detection end thereof. And a sole plate 17S whose lower surface constitutes a sole surface.
[Selection] Fig. 9
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサを備えた脚式歩行ロボットの足部構造およびこれを備えた脚式歩行ロボットに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、2足歩行の脚式歩行ロボットの足部構造として、各足部に6つの自由度を持たせる足首部に6軸力センサ(力覚センサ)を設けたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。この脚式歩行ロボットでは、6軸力センサにより、X軸方向、Y軸方向およびZ軸方向の力成分と、X軸方向、Y軸方向およびZ軸方向のモーメント成分を測定し、各足部の接地の有無と、各可動脚部に加わる力の大きさ(接地反力)および方向とを検出する。そして、この6軸力センサの検出結果と、胴体部側の傾斜センサに検した傾きや角加速度に基づいて、躯体の姿勢を適切に制御するようにしている。
【0003】
【特許文献1】
特開平5−293776号公報(第3頁、図1)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、2足歩行の脚式歩行ロボットでは、ZMPモデルに基づいて歩行を制御する動的歩行と、重心位置が両足部の足裏面の輪郭を結ぶ投影面内に位置するように歩行を制御する静的歩行との2つの制御方法が知られている。静的歩行では、上記の6軸力センサの検出結果だけで姿勢制御が可能であるが、例えば軽量なロボットでは、センサの構造上、測定結果が不安定になり、また十分な演算処理の処理能力が要求される等の問題がある。
【0005】
本発明は、単純な構造で姿勢制御のためのセンシングを行うことができる脚式歩行ロボットの足部構造およびこれを備えた脚式歩行ロボットを提供することをその課題としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の脚式歩行ロボットの足部構造は、複数本の可動脚部の下端にそれぞれ所定の自由度をもって連結した複数の足部を有する脚式歩行ロボットの足部構造において、各足部は、各可動脚部に連結した足部本体と、足部本体の足裏面に相互に離間して設けられ、足着状態の足裏面に加わる足着反力をそれぞれ検出する少なくとも3つである複数の圧力センサと、を備えたことを特徴とする。
【0007】
この構成によれば、足裏面に相互に離間して設けた少なくとも3つの圧力センサにより、足着状態の足裏面に加わる足着反力を検出するようにしているため、この複数の圧力センサの検出結果から、足裏面における概略的な圧力(反力)分布や足着反力の中心点(中心位置)を容易に検出することができる。また、複数の足部における各足着反力の中心点から、接地面における体躯の重心位置を検出することができる。
【0008】
この場合、各圧力センサは、床面に接地すると共に検出端を構成する検出子を有し、検出子の下端部は、板状に形成されていることが、好ましい。
【0009】
ところで、足部が接地(足着)する床面は一様に平坦ではない。例えば、ドアの足摺部や階段等では、足裏面の中央部が接地し一部の圧力センサが非接地状態となる場合が生ずる。上記の構成によれば、各圧力センサの検出子の下端部が比較的広い面積を持つため、上記のような一部の圧力センサが非接地状態となるのを、極力防止することができる。
【0010】
また、本発明の他の脚式歩行ロボットの足部構造は、複数本の可動脚部の下端にそれぞれ所定の自由度をもって連結した複数の足部を有する脚式歩行ロボットの足部構造において、各足部は、各可動脚部に連結した足部本体と、足部本体の裏面に相互に離間して設けられ、足着状態の裏面に加わる足着反力をそれぞれ検出する少なくとも3つである複数の圧力センサと、複数の圧力センサをその検出端となる検出子において相互に連結すると共に、下面が足裏面を構成する足裏プレートと、を備えたことを特徴とする。
【0011】
この構成によれば、足部本体の裏面に少なくとも3つの圧力センサにより、足着反力が検出されるが、複数の圧力センサは、足裏面を構成する足裏プレートにより相互に連結されているため、この場合の足着反力は、足裏プレートを介して複数の圧力センサに加わる。このため、床面の凹凸等(例えば足摺部や階段)により、一部の圧力センサが誤検出(非検出も含む)となることがない。したがって、この複数の圧力センサの検出結果から、足裏面における概略的な圧力(反力)分布や足着反力の中心点(中心位置)を容易に且つ確実に検出することができる。また、複数の足部における各足着反力の中心点から、接地面における体躯の重心位置を検出することができる。
【0012】
この場合、4つの圧力センサを備え、且つ足裏プレートの足裏面は略方形に形成されており、4つの圧力センサは、足裏プレートの4隅に配設されていることが、好ましい。
【0013】
この構成によれば、転倒の可能性を精度良く検出することができると共に、その際の演算処理を容易に行うことができる。
【0014】
これらの場合、足部本体は、複数の圧力センサを一体に保持するセンサホルダを有していることが、好ましい。
【0015】
この構成によれば、複数の圧力センサをユニット化することができると共に、足部本体への取り付けを容易に行うことができる。なお、センサホルダは、足部本体の下部に組み込まれていることが、好ましい。
【0016】
これらの場合、各圧力センサは、気体センサで構成されていることが好ましい。
【0017】
この構成によれば、脚式歩行ロボットの体躯が比較的軽量であっても、応答性等に支障を生ずることがなく、足着反力を安定且つ精度良く検出することができる。
【0018】
この場合、気体センサは、センサ本体と、センサ本体に連なる圧力室と、圧力室の下部開放端を気密に封止する封止膜体と、封止膜体に下側から当接してこれを押圧変形させる検出子と、を有することが好ましい。
【0019】
この構成によれば、検出子の加わる足着反力により、封止膜体が変形し圧力室内の圧力が変化すると、センサ本体がこれをセンシングする。このように、圧力室を封止膜体により気密に封止し、且つこの封止膜体を検出子により変形させるようにしているため、圧力を簡単な構造で精度良くセンシングすることができる。
【0020】
この場合、封止膜体を、圧力室側から基準姿勢に復帰付勢する復帰部材を、更に有していることが、好ましい。
【0021】
この構成によれば、圧力が降下したときに、封止膜体を強制的に復元させることができ、その分、封止膜体を応答性の良好な材料や厚さのもので構成することができ、検出精度を高めることができる。
【0022】
これらの場合、検出子を上下方向にスライド自在に支持すると共に、その下動端位置を位置規制する規制部材を、更に有していることが好ましい。
【0023】
この構成によれば、検出子を介して封止膜体の復元位置を規制することができると共に、検出子自体を適切に保持することができる。
【0024】
また、本発明の脚式歩行ロボットは、上記した脚式歩行ロボットの足部構造を備えたことを特徴とする。また、この場合、2本の前記可動脚部と、これに対応する2つの足部を有することが、好ましい。
【0025】
この構成によれば、足部本体に設けた複数の圧力センサにより、単純な制御方法で歩行(2足歩行)を制御することができる。
【0026】
この場合、複数の圧力センサの検出結果に基づいて、各足部の足裏面における圧力分布を求めると共に、両足部におけるそれぞれの圧力分布から水平面内の体躯の重心位置を求める演算手段と、演算手段で求めた重心位置に基づいて体躯の姿勢を制御する姿勢制御手段と、を更に備え、姿勢制御手段は、両足部が接地する立ち動作において、両足部の足裏面同士を外形線で結ぶ仮想領域から、重心位置が外れないように体躯の姿勢を制御し、且つ一方の足部を上げてから接地するまでの歩行動作において、他方の足部の足裏面から、重心位置が外れないように体躯の姿勢を制御することが、好ましい。
【0027】
この構成によれば、立ち動作において、両足部の足裏面同士を外形線で結ぶ仮想領域から、重心位置が外れないように姿勢を制御し、且つ歩行動作において、他方の足部の足裏面から、重心位置が外れないように姿勢を制御するようにしているため、転倒することなく適切な2足歩行が可能になる。しかも、制御が容易なため、応答性が良好となり、歩行速度をアップすることができる。
【0028】
この場合、姿勢制御手段は、各足部における複数の圧力センサの圧力値が略均等になるように体躯の姿勢を制御することが、好ましい。
【0029】
この構成によれば、床面に凹凸や傾斜があっても、2足歩行を安定に行うことができる。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る脚式歩行ロボットについて、添付図面を参照しながら詳細に説明する。この脚式歩行ロボットは、2足歩行の小型ロボット(身長30cm程度)であり、歩行動作において、いわゆる静的歩行を行うように設計されている。
【0031】
図1に示すように、この脚式歩行ロボット(以下単に「ロボット」)1は、頭部H1、胴部10、一対の腕部(右腕部R61、左腕部L61)および一対の支持脚部(以下単に「脚部」:右脚部R11、左脚部L11)を備えている。また、図2に示すように、制御系の中枢となるメインコントローラ20を胴部10に内蔵し、頭部H1、右腕部R61および左腕部L61の各制御部、並びに、右脚部R11および左脚部L11の各制御部(右脚制御部R21、左脚制御部L21)と、USB等のバス(シリアルバス)H1B並びに21Bを介して、接続されている。このロボット1は、ロボット中心点Pを考慮しながら、一対の脚部である右脚部R11と左脚部L11を交互に踏み出し動作して2足歩行するものである。このため、説明の都合上、以下では、胴部10および脚部11(右脚部R11、左脚部L11)を中心に説明し、頭部H1、右腕部R61および左腕部L61についての説明は適宜省略する。
【0032】
なお、上述の「ロボット中心点」は、ZMP(Zero Moment Point :床圧力によるモーメントがゼロになる床面上の点)の意味を含むものとする。また、参照符号の「R〜」および「L〜」は、それぞれ「右」および「左」を示すが、以下、左右共通の事項に関しては、これらを代表して「R」や「L」を省略して説明する。例えば上記の一対の脚部は、個別には「右脚部R11」や「左脚部L11」であるが、左右共通の事項に関しては、「脚部11」のように説明する。また、姿勢の3自由度の軸を、図4(a)に示すように、ロール軸(R軸)、ピッチ軸(P軸)、ヨー軸(Y軸)とする。また、同図(b)のように実際の構造体(機構構成要素)の形態によって複数の軸を兼ねる様子を示すこともあるが、本実施形態では、実際の形態(構造)に拘わらず、同図(c)に示すように、各軸の要素(機構構成要素)を単一の軸要素によって示し、参照符号を「〜R」(ロール軸)、「〜P」(ピッチ軸)、「〜Y」(ヨー軸)とする。
【0033】
まず、図1〜図3に示すように、脚部11は、股関節部(股関節駆動ユニット)12と、大腿部13と、膝関節部(膝関節駆動ユニット)14と、頸部15と、足首関節部(足首関節駆動ユニット)16と、足部(足平部、足部本体)17と、を備えている。
【0034】
股関節部12は、図1〜図3および図5に示すように、股関節ヨー軸12Yと、股関節ロール軸12Rと、股関節ピッチ軸12Pと、これらの駆動と各回転角の検出を行う股関節駆動・検出部32と、これらの制御のための股関節制御部42と、動力を大腿部13に伝達する図外の動力伝達機構(以下同様に「動力伝達機構」は図示省略)と、を備えている。
【0035】
股関節駆動・検出部32は、股関節ヨー軸12Yを中心に大腿部13を正逆回動(動作)させるためにその回転角(ヨー角)を制御可能に駆動する股関節ヨー角モータ2YMと、駆動された実際のヨー角を検出する股関節ヨー角センサ(例えばポテンショメータ)2YSと、同様に、股関節ロール軸12Rの回転角(ロール角)を制御可能に駆動する股関節ロール角モータ2RMと、そのロール角を検出する股関節ロール角センサ2RSと、股関節ピッチ軸12Pの回転角(ピッチ角)を制御可能に駆動する股関節ピッチ角モータ2PMと、そのピッチ角を検出する股関節ピッチ角センサ2PSと、を備えている。
【0036】
股関節制御部42は、図外のCPU、ROM、RAM等をそれぞれ有するサーボコントローラ2YB、2RBおよび2PBと、同様の構成のセンシングコントローラ2YC、2RCおよび2PCと、を備え、バス21Bを介して胴部10のメインコントローラ20と接続され、脚制御部21の一部として、メインコントローラ20と連携(連動)しつつ、股関節部12内各部を制御している。ここで、各サーボコントローラ2YB、2RBおよび2PBは、それぞれメインコントローラ20からの駆動制御データに基づいて、各モータ2YM、2RMおよび2PMの駆動を制御し、各センシングコントローラ2YC、2RCおよび2PCは、各センサ2YS、2RSおよび2PSからの検出信号を、それぞれメインコントローラ20に検出制御データとして出力(報告)する。
【0037】
膝関節部14は、図1〜図3および図6に示すように、膝関節ピッチ軸14Pと、その駆動と回転角の検出を行う膝関節駆動・検出部34と、これらの制御のための膝関節制御部44と、動力を頸部15に伝達する動力伝達機構と、を備えている。膝関節駆動・検出部34は、膝関節ピッチ軸14Pを中心に脛部15を正逆回動(動作)させるためのピッチ角を制御可能に駆動する膝関節ピッチ角モータ4PMと、そのピッチ角を検出する膝関節ピッチ角センサ4PSと、を備えている。
【0038】
膝関節制御部44は、上述の股関節制御部42と同様に、バス21Bを介してメインコントローラ20と接続され、メインコントローラ20からの駆動制御データに基づいてモータ4PMの駆動を制御する上述同様のサーボコントローラ4PBと、同様にセンサ4PSからの検出信号をメインコントローラ20に検出制御データとして出力するセンシングコントローラ4PCと、を備え、脚制御部21の一部として、メインコントローラ20と連携して、膝関節部14内各部を制御している。
【0039】
足首関節部16は、図1〜図3および図7に示すように、足首関節ピッチ軸16Pと、足首関節ロール軸16Rと、これらの駆動と各回転角の検出を行う足首関節駆動・検出部36と、これらの制御のための足首関節制御部46と、動力を足平部17に伝達する動力伝達機構と、を備えている。足首関節駆動・検出部36は、足首関節ピッチ軸16Pを中心に足平部17を正逆回動(動作)させるためのピッチ角を制御可能に駆動する足首関節ピッチ角モータ6PMと、そのピッチ角を検出する足首関節ピッチ角センサ6PSと、同様に、足首関節ロール軸16Rのロール角を制御可能に駆動する足首関節ロール角モータ6RMと、そのロール角を検出する足首関節ロール角センサ6RSと、を備えている。
【0040】
足首関節制御部46は、上述の股関節制御部42等と同様に、バス21Bを介してメインコントローラ20と接続され、メインコントローラ20からの駆動制御データに基づいて各モータ6PMおよび6RMの駆動を制御する上述同様のサーボコントローラ6PBおよび6RBと、同様に各センサ6PSおよび6RSからの検出信号をメインコントローラ20に検出制御データとして出力するセンシングコントローラ6PCおよび6RCと、を備え、脚制御部21の一部として、メインコントローラ20と連携して、足首関節部16内各部を制御している。
【0041】
足平部17は、図1〜図3および図8〜図11に示すように、足平部17の下側に固定され下面の平面形状に対応して略方形に形成された足裏プレート17Sと、足裏プレート17Sの状態を検出する足裏検出部(足裏センサ部)37と、検出結果に基づく制御を行うための足裏制御部47と、を備えている。
【0042】
足裏検出部37は、それぞれ気体センサから成りそれぞれ進行方向(歩行方向:図示の太い矢印(←)の方向)に向かって足裏プレート17Sの左前(LF)、右前(RF)、左後(LB)および右後(RB)の接地圧力を検出する4つの圧力センサ7LFS、7RFS、7LBSおよび7RBS(以下、各センサを区別無く総称するときには「圧力センサ7S」という)と、4つの各圧力センサ7Sの収容ケースを兼ねる箱状のセンサホルダ51と、を備えている。そして、4つの圧力センサ7Sは、相互に離間するように、平面視略方形に形成された足裏検出部37の4隅にそれぞれ配設されている。
【0043】
なお、実施形態における4つの(気体)圧力センサ7Sは、足裏プレート17Sの中心線に対し左右対称であって、相互の中心軸を結ぶ線が長方形を為すように配設されているが、これを、台形を為すように配設してもよい。また、これに代えて、足裏プレート17Sの中心線に対し左右対称であって、相互の中心軸を結ぶ線が2等辺三角形を為すように配設した、3つの圧力センサ7Sで構成してもよい。
【0044】
センサホルダ51は、ケース状のホルダ本体52と、ホルダ本体52の上側に設けたトッププレート53と、ホルダ本体51の下側に設けたボトムプレート54とから成り、ホルダ本体52には、4つの圧力センサ7Sを収容する4つのセンサ収容部52aが形成されている。トッププレート53の下面には、4つのセンサ収容部52aから外れるように4つのボス部53aが突出しており、このボス部53aに、足裏検出部37を固定するためのねじが上側から螺合するようになっている。また、ボトムプレート54には、4つの圧力センサ7Sの検出子74が貫通する4つのガイド孔(貫通孔)54aが形成されている。
【0045】
各圧力センサ7Sは、センサ本体71と、センサ本体71の下側に連なる圧力室72と、圧力室72の下部開放端を気密に封止する封止膜体73と、封止膜体73に下側から当接してこれを押圧変形させる検出子74とを有している。また、封止膜体73の上側に位置して、変形した封止膜体73を基準姿勢に復帰付勢する復帰ばね(コイルばね)55aおよび当て板55bから成る復帰部材55を有している。
【0046】
検出子74の圧力(足着反力)が作用すると、検出子74が上動し、復帰部材55のばね力に抗して封止膜体73を押圧変形させる。この変形により、圧力室72が収縮し内部圧力が高まりこの圧力をセンサ本体71が検出するようになっている。この状態から、検出子74に加わる圧力が減少すると、復帰ばね55aにより当て板55bが押され、封止膜体73および検出子74が元の基準姿勢に復帰(復元)する。
【0047】
センサ本体71は、シリコン75aをダイアフラム構造に加工し、これにピエゾ抵抗等に基づくゲージセンサ75bを作り込んだチップ75を、圧力室72に連なるガラス基板のパッケージ76に収容したものである。そして、連通孔76aを形成したパッケージ76の突出部分76bを、圧力室72に連なる開口に嵌合(気密に接着)して、圧力室72に臨ませるようにしている。
【0048】
圧力室72は、主要部が上記のセンサ収容部52aで構成されており、天面に形成した下向きの上環状溝55cに上記の復帰ばね55aが収容されている。また、円形に形成された当て板55bの上面には、復帰ばね55aを受ける上向きの下環状溝55dが形成されている。すなわち、復帰ばね55aは、上環状溝55cを受けとして下環状溝55dを介して当て板55bを下方に付勢している。封止膜体73は、シリコンゴム等で構成された円形の膜体であり、圧力室72の下部開放端を閉塞するようにホルダ本体52の下面に気密に接着されている。
【0049】
検出子74は、封止膜体73に接触する円形板部74aと、円形板部74aから下方に延びる軸部74bとから成り、断面略「T」字状に形成されている。軸部74bは、上記のボトムプレート54の貫通孔54aに対し上下方向にスライド自在に係合しており、貫通孔54aの縁部に相当するボトムプレート54の上面が検出子74の下動端位置を位置規制している。すなわち、封止膜体73が水平な基準姿勢に復帰した状態で、検出子74がボトムプレート54の上面に当接するようになっている。軸部74bの下端は半球状に形成され、この下端で検出子74が足裏プレート17Sに接着或いはねじ止め固定されている(図示のものは「ねじ止め」)。
【0050】
足裏プレート17Sは、厚手の樹脂板または金属板で構成されており、図示では省略したが、その足裏面となる下面には滑止め用のシートが貼着され、或いは滑止め用の加工が施されている。そして、足裏プレート17Sの下面の4隅には円形の浅溝17Saが形成され、この各浅溝17Saの中心位置に、各圧力センサ7Sの検出子74に螺合する固定ねじ17Sbが設けられている。すなわち、足裏プレート17Sは、4つの圧力センサ7Sを相互に連結するように設けられている。
【0051】
このように、足平部17の裏面に設けた4つの圧力センサ7Sを足裏プレート17Sで連結するようにしているため、足着の際の床面からの反力(接地圧力)を4つの圧力センサ7Sの圧力値の総和として検出することができるとともに、4つの圧力センサ7Sの圧力値を比較することにより、体躯の傾きなども検出することができる。また、両方の足平部17の各4つの圧力センサ7Sの検出結果から、水平面内における重心位置(ロボット中心点)Pも検出できる。
【0052】
なお、本実施形態では、足裏検出部37と足裏プレート17Sとを分けて構成しているが、一体化して足裏プレート17Sを省略することも可能である。かかる場合には、上記検出子74の下端を平板状とし、各検出子74の接地面積を大きくすることが好ましい。さらに、実施形態では、圧力センサ7Sとして気体センサを用いたが、足裏反力(接地圧力)を検出可能なものであればセンサの種類は限定されるものではない。
【0053】
次に、図1〜図3に示すように、腕部61(右腕部R61、左腕部L61)は、胴部10に対し腕部61をロール方向に回動させるための肩関節ロール軸61Rと、ヨー方向に回動させるための肩関節ヨー軸61Yと、これらを駆動する図外の(肩関節ロール駆動機構と肩関節ヨー駆動機構と各回転角のセンサ等を有する)腕駆動・検出部と、バスH1Bを介して接続された胴部10のメインコントローラ20と連携して腕部61内各部を制御するための図外の腕制御部と、腕部61内各部を作動させるための動力を伝達する図外の動力伝達機構と、を備えている。
【0054】
また、頭部H1は、人間が頭部に有する目、鼻、口等の各機能を擬似的に実現するための光(画像)や音(振動)などについての各種センサや各種ドライバ(図示省略)と、バスH1Bを介して接続されたメインコントローラ20と連携して頭部H1内各部を制御するための図外の頭制御部と、頭部H1内各部(目、口等)に動力を伝達する図外の動力伝達機構と、を備えている。
【0055】
また、胴部10には、メインコントローラ20と、図外の電源ユニットと、胴部10内各部に動力を伝達する図外の動力伝達機構と、を備えている。
【0056】
メインコントローラ20は、CPU210と、ROM220と、RAM230と、周辺制御回路(Peripheral Controller :以下「P−CON」)240と、を備え、互いに内部バス20Bにより接続されている。ROM220は、CPU210で処理する制御プログラムを記憶する制御プログラム領域221と、各部制御の基礎(基準)となる仕様データや基準データ等の制御データを記憶する制御データ領域222を有している。
【0057】
RAM230は、制御テーブル領域231と、情報テーブル領域232と、を有し、各種処理の作業領域として使用される。制御テーブル領域231には、ロボット1内各制御部のサーボコントローラ(例えば図5で前述のサーボコントローラR2YB等:以下、各サーボコントローラR〜B、L〜Bなどを区別無く総称するときには「サーボコントローラSBC」という)に送出(指令)する駆動制御データの元になる制御テーブルが記憶される。また、情報テーブル領域232には、ロボット1内各制御部のセンシングコントローラ(例えば図5で前述のセンシングコントローラR2YC等:以下、各センシングコントローラR〜C、L〜Cなどを区別無く総称するときには「センシングコントローラSSC」という)から入力(報告)された検出制御データに基づく現在状態の情報テーブル(現状テーブル:リードテーブル:現状データ)や、それに基づいて(演算やテーブル参照によって)導出された次の目標状態の情報テーブル(目標テーブル:ムーブテーブル:目標データ)、などの情報テーブルが記憶される。
【0058】
P−CON240には、CPU210の機能を補うとともにロボット1内各制御部とのインタフェース(バスインタフェース)を行うための論理回路や種々の計時を行うタイマ等の機能回路などが、ゲートアレイやカスタムLSIなどにより構成されて組み込まれている。このため、P−CON240は、各部のセンシングコントローラSSCからの検出制御データをそのままあるいは加工して内部バス20Bに取り込むとともに、CPU210と連動して、CPU210等から内部バス20Bに出力された駆動制御データを、そのままあるいは加工して、各部のサーボコントローラSBCに出力する。
【0059】
そして、CPU210は、上記の構成により、ROM220内の制御プログラムや制御データに基づいて、P−CON240を介して各部からの検出制御データを入力し、それらが示す現状値から目標値やそのための制御値を導出して、RAM230内の制御テーブルや情報テーブルを書き換えるなど、各種データ等を処理し、P−CON240を介して各部に駆動制御データを出力することにより、ロボット1全体を制御している。
【0060】
次に、ロボット1の制御全体の処理フローについて、図12を参照して説明する。なお、本処理および以下で説明する各種処理の処理フローは、ソフトウェア(プログラム:ファームウェアを含む)のみばかりでなく、その一部または全部をハードウェア(論理回路、機能回路等)によって実行するものも含むものとする。
【0061】
同図に示すように、電源オン等により処理(S0)が開始すると、まず、適宜所定の初期設定を行い(S1)、次に、各種規定の優先順位によって規制された各種割込を許可し(S2)、何らかの割込が発生するまでは、そのままの状態を維持し(S3:No)、何らかの割込が発生すると(S3:Yes)、それぞれの割込処理に移行して(S4)、その割込処理が終了すると、再度、その状態を維持する(S3:No)。
【0062】
例えば図13に示すように、現在「静止」中のロボット1に対し、頭部H1に対する「前進」等の発声による音声認識やリモコン操作あるいは所定のスイッチ等の操作により、(前進)歩行が指示されると、(前進)歩行指示割込が発生して、(前進)歩行処理(S10)が起動され、(前進)歩行プログラムに移行して(S11)、処理(S10)を終了する(S12)。
【0063】
この場合、例えばそれまでの静止処理等の制御プログラム等に代えて、歩行処理用の制御プログラム(歩行プログラム)をロードしても良いし、歩行プログラムのアドレスを指定するように(例えば歩行モードのセット(オン)等により)処理モードの切替等を行っても良い。これらにより、全体として各種割込に対するロボット1の処理(対応)が、「歩行」に適合したものとなる。また、この歩行プログラム実行中の状態遷移(制御モードあるいは制御対象期間の遷移)は、同図(b)に示すようになる(詳細は後述)。
【0064】
なお、上記の前進歩行処理の例のほか、後進歩行処理その他、起動可能な種々の処理の例を考え得る。例えばレーザ光等により目前の障害物等を検出(監視)可能なセンサなどを頭部H1の目の機能等として備えておき、障害物検出による割込発生によって静止処理(静止プログラム)を起動したり、その後、その静止中に周囲(左右等)を確認して、その確認検出結果(による割込)に応じて、方向転換処理を起動したり、その方向転換処理後には、それを確認後、再度、歩行処理を起動するなど、起動可能な制御プログラムの種類やその起動方法としては、種々のものが考慮でき、且つ実現可能である。
【0065】
また、ロボット1では、例えば図14に示すように、クロック信号の分周信号などに基づく制御用の同期トリガ(ロボット1のように小型の場合、1ms程度以下の周期が望ましい)により、周期制御割込が発生すると、状態検出・目標設定処理(S20)が起動され、まず、全センサ検出結果を取得するため、全てのセンシングコントローラSSCから検出制御データを入力し、RAM230内の前述の現状テーブルを書き換え(S21)、書き換えられた現状テーブルと、そのときの制御プログラム(例えば上述の歩行プログラム)に基づいて、演算やテーブル参照によって次の目標値を導出して、目標テーブルを書き換え(目標値設定)、現状テーブルの現状値と目標テーブルの目標値とから、目標値に一致させるための制御値を導出して、制御テーブルの書き換え(制御値導出)を行う(S22)。
【0066】
次いで、全サーボ(全関節)制御値を出力(指示)するため、その制御テーブルの値(制御値)を示す駆動制御データを、全てのサーボコントローラSBCに出力して(S23)、処理(S20)を終了する(S24)。
【0067】
なお、上述の処理(S20)の例は、定期的な制御処理を行う例、すなわちクロック等に同期して定期的(周期的)にメインコントローラ20と各サーボコントローラSBCや各センシングコントローラSSCとの間の通信(以下「コントローラ間通信」)を行うことによってロボット1全体を制御する例、であるが、不定期(非同期)に制御処理を行うこともできる。
【0068】
この場合、例えば図示の処理(S30)のように、ロボット1内各部のセンサにより変化が検出され、そのセンサ毎に個別の個別検出割込が発生すると、個別検出・目標設定処理(S30)が起動され、その割込要因となったセンサによる検出結果を取得するため、そのセンサを担当するセンシングコントローラSSCから検出制御データを入力して、前述の現状テーブルを書き換え(S31)、同様にそのときの制御プログラムに基づいて、目標値設定(目標テーブル書換)や制御値導出(制御テーブル書換)を行う(S32:S22と同じ)。
【0069】
また、上述では、全サーボ(全関節)制御値出力(S23)を行ったが、点線で図示のように、一旦、現状テーブルの現状値と目標テーブルの目標値と間で差があるもの、言い換えると現状と異なる状態に変化(動作)させる必要のあるもの、のみを抽出し(S33)、その分の制御テーブルの値(制御値)を示す駆動制御データのみを、それに対応するサーボコントローラSBCのみに出力(S34)しても良く、これにより、差分があるものが少ない場合等において、コントローラ間通信を効率化・短縮化できる。
【0070】
ところで、上述の目標値設定・制御値導出処理(S22またはS33)では、例えば図15に示すように、処理(S40:S22やS32のためのサブルーチン)が起動されると、まず、足裏圧平均化(導出)処理を行う(S41)。
【0071】
なお、例えばこの「足裏圧平均化(導出)処理(S41)」で導出された制御値に従って処理(制御)を実行すれば、「足裏圧平均化」を行うことができるが、本処理(S40)では、目標値設定や制御値導出までを行うので、以下に説明する全ての処理は導出処理となる(この意味で「導出」と括弧書きしている)。
【0072】
また、以下では、説明の都合(効率化)上、左足平部L17の足裏左前センサL7LFS、足裏右前センサL7BFS、足裏左後センサL7LBSおよび足裏右後センサL7BFSを、センサ▲1▼、▲2▼、▲3▼および▲4▼とし、同様に右足平部R17についてのセンサR7LFS〜R7BFSを、センサ▲5▼〜▲8▼とする(図17等参照)。また、左足平部L17単独で検出された接地圧力(床反力)のみから求められる重心(床面に投影した重心:以下同じ)を左足重心(左足重心点)LPとし、左足重心LPの目標点を左足目標点(左足中心点、左足重心目標点)LDとし、同様に右足平部R17についての重心を右足重心(右足重心点)RP、目標点を右足目標点(右足中心点、右足重心目標点)RDとし、さらにロボット1全体としての重心を前述のロボット中心点(重心、重心点)P、その目標点を目標点(重心目標点)Dとする。
【0073】
ここで、例えば図16に示すように、左足のセンサ▲1▼の出力値(検出値:圧力値)が100(単位は省略:以下「▲1▼=100」のように示す)、同様に▲2▼=200、▲3▼=200、▲4▼=400の場合、総和は(▲1▼+▲2▼+▲3▼+▲4▼=)900であり、現状では概ね図示の▲1▼▲4▼を結ぶ対角線上の▲4▼に近い位置に左足重心点LPがあるが、▲1▼〜▲4▼の各検出値の全てが平均値225と一致したときに、左足目標点LDに一致するので、この場合、上述の足裏圧平均化(導出)処理(S41)では、左足目標点LDを目標値として、現状値である左足重心点LPを図示の矢印の方向に移動させて左足目標点LDに一致させるための制御値を、演算またはテーブル参照等によって求める(導出する)。
【0074】
より具体的には、前後の差分だけ、すなわち▲1▼と▲2▼の和と▲3▼と▲4▼の和との差((▲1▼+▲2▼)−(▲3▼+▲4▼))を解消(相殺)する分だけ、足首関節ピッチ軸L16Pを回転させるための制御値を導出する。この値は、サーボコントローラL6PBを介して足首関節ピッチ角モータL6PMを駆動するための駆動制御データの元値となる。同様に、左右の差分((▲1▼+▲3▼)−(▲2▼+▲4▼)に相当する分)の相殺分だけ足首関節ピッチ軸L16Rを回転させるための制御値を導出し、サーボコントローラL6RBを介して足首関節ロール角モータL6RMを駆動するための駆動制御データの元値とする。
【0075】
そして、上述と同様のことを右足のセンサ▲5▼〜▲8▼に対して行うことで、右平足R17について、右足目標点RDに右足重心点RPを一致させるための制御値を導出する。
【0076】
上述の足裏圧平均化(導出)処理(S41)が終了すると、図15に示すように、次に、静止時(すなわち現在処理中の制御プログラムが静止プログラムである場合あるいは処理モードが静止モードである場合等)か否かを判別し(S42)、静止時であるときには(S42:Yes)、次に、姿勢安定化(導出)処理を行ってから(S43)、処理(S40)を終了する(S44)。
【0077】
ここで、例えば図17に示すように、左足平部L17の下面の略四角の各点をa〜d、右足平部R17の各点をe〜hとし、図示のように左足が前の場合、外側の角a、b、f、h、g、cを結ぶ多角形(a−b−f−h−g−cを結ぶ多角形:足裏部分+斜線部分)の仮想領域A内に、全体の重心点(ロボット中心点)Pがあれば転倒しないが、姿勢として最も安定した場合の重心点(すなわち理想の重心点)は、概ね図示の左足重心点LPと右足重心点RPとを結ぶ線Nの中央(中心)に相当する点となるので、この点を目標点(重心目標点)Dとする。なお、右足が前の場合等においても同様である(図20等参照)。
【0078】
そこで、上述の足裏圧平均化(導出)処理(S41)によって、左足平部L17および右足平部R17のそれぞれの重心点が、図17に図示の左足重心点LPと右足重心点RPにあるものとすると、仮に、左足のセンサ▲1▼〜▲4▼の出力の総和(▲1▼+▲2▼+▲3▼+▲4▼=)900、右足のセンサ▲5▼〜▲8▼の総和(▲5▼+▲6▼+▲7▼+▲8▼=)1800の場合、ロボット中心点Pは、概ね同図(b)に図示のように線N上の右足側に片寄った(約1/3の)位置にあるので、この場合、上述の姿勢安定化(導出)処理(S43)では、重心目標点Dを目標値として現状値であるロボット中心点Pを一致させ(Pを矢印の方向に移動させてDに一致させ)、同図(b)のようにするための制御値を導出する。この値は、ロボット1内各部(特に脚部11内各部)の各関節を制御する各サーボコントローラSBCに指示する駆動制御データの元値となる。
【0079】
また、図15に示すように、静止時でないときには(S42:No)、次に、前進歩行時(すなわち現在処理中の制御プログラムが前進歩行プログラムである場合あるいは処理モードが前進歩行モードである場合等)か否かを判別し(S45)、前進歩行時でないときには(S45:No)、そのときの制御プログラムや処理モードに従った他の処理(他の処理モードにおける目標値設定・制御値導出処理など)を行った後(S46)、処理(S40)を終了する(S44)。
【0080】
また、前進歩行時であるときには(S45:Yes)、両足安定期(図13の(t1)または(t4)の状態:すなわち歩行時ではあるが、その時点から両足による安定状態に移行しようとしている期間:図17または図20参照)か否かを判別し(S51)、両足安定期であるときには(S51:Yes)、上述の静止時と同様に、姿勢安定化(導出)処理を行ってから(S43)、処理(S40)を終了する(S44)。
【0081】
また、前進歩行時ではあるが(S45:Yes)、両足安定期ではないときには(S51:No)、次に、重心移行期(図13の(t2)または(t5)の状態:すなわち重心のない方の足を前に踏み出すために他方の足を軸足としてその足に重心を移行する期間であり、静歩行のための重心移行期間)か否かを判別し(S52)、重心移行期であるときには(S52:Yes)、次に、左足重心(すなわち左足を軸足とするために左足に重心を移行する)か否かを判別し(S53)、左足重心((t2)の状態)であるときには(S53:Yes)、左足重心移行(導出)処理を行ってから(S54)、処理(S40)を終了する(S44)。
【0082】
この左足重心移行(導出)処理(S54)では、例えば図18に示すように、左足重心点LPを重心目標点Dとする。すなわち、例えば反対側の右足を踏み出す場合等において、静的にも転倒しないためには、左足に全体重を乗せてその足裏の範囲(図示では左足平部L17の下面の略四角a−b−c−dで囲む範囲)に重心(ロボット中心点)Pがあれば倒れないが、姿勢として最も安定する理想重心点は、左足重心点LPとなるので、この点を重心目標点Dとして、ロボット中心点Pを矢印の方向に移動させて重心目標点D(左足重心点LP)に一致させるための制御値を導出し、脚部11内各部等の各関節を制御する各サーボコントローラSBCへの駆動制御データの元値とする。
【0083】
また、図15に示すように、左足重心でないとき(図13の(t5)の状態)には(S53:No)、上述の左足重心移行(導出)処理(S54)と同様ではあるが、右足を重心とする右足重心移行(導出)処理を行ってから(S55)、処理(S40)を終了する(S44)。
【0084】
また、重心移行期でないときには(S52:No)、片足踏出期(図13の(t3)または(t6)の状態)であると判別し、次に、左足重心(すなわち左足を軸足として右足を踏み出す)か否かを判別し(S56)、左足重心であるとき(図13の(t3)の状態)には(S56:Yes)、右足踏出(導出)処理を行ってから(S57)、処理(S40)を終了する(S44)。
【0085】
この右足踏出(導出)処理(S57)では、例えば図19に示すように、左足重心点LPを重心目標点Dとして一致させたまま、反対側の右足を踏み出すために、右足目標点RDのみを前方に移行させ、ロボット中心点Pを重心目標点D(左足重心点LP)に一致させたまま、右足重心点RPを矢印の方向に移動させて右足目標点RDに一致させるための制御値を導出し、各部の各関節を制御する駆動制御データの元値とする。
【0086】
また、図15に示すように、左足重心でないとき(図13の(t6)の状態)には(S56:No)、上述の右足踏出(導出)処理(S54)と同様ではあるが、右足を重心(軸足)として左足を踏み出す左足踏出(導出)処理を行ってから(S58)、処理(S40)を終了する(S44)。
【0087】
そして、例えば図19で上述の右足踏出(導出)処理が終了した時点(図13の(t3)の状態が終了した時点)で、両足安定期((t4)の状態)に移行し、図15で前述のように、両足安定期となったときには(S51:Yes)、例えば図20に示すように、前述同様の姿勢安定化(導出)処理を行ってから(S43)、処理(S40)を終了する(S44)。もちろん、この状態((t3)の状態)から後には、図18〜図20で上述した処理と同様の処理を反対の足について行うことにより((t4)〜(t1)の状態遷移により)、2足の静歩行の処理が行われる。
【0088】
ところで、足部が接地(足着)する床面は一様に平坦ではない。例えば、ドアの足摺部や階段等では、足裏面の一部が接地状態で他の一部が非接地状態となる場合が生じる。例えば図21に示すように、左足平部L17の断面において、位置P1および位置P2に各1つのセンサ7Sが設けられている場合、仮に足裏プレート17Sが無くて各圧力センサ7Sが独立していると、他の位置、例えば図示の位置P3に対応する床面にある突起物Tを踏みつけても、それが各圧力センサ7Sに接触しない限り、それを検出することはできない。
【0089】
これに対し、ロボット1では、足裏プレート17Sを備えて複数の圧力センサ7Sが相互に連結されているので、突起物Tを踏んだときには、各圧力センサ7Sによりその突起物Tの位置P3からの距離L1および距離L2に反比例した圧力が検出できる。このため、床面の凹凸等(例えば足摺部や階段)により、一部の圧力センサ7Sが誤検出(非検出も含む)となることがない。
【0090】
また、この場合、図15で前述した足裏圧平均化(導出)処理(S41)により検出値を平均化して、位置P1と位置P2の双方から等距離の左足目標点LDに、図16で前述と同様に左足重心点LPを一致させると、実際の重心点は、左足目標点LD(左足重心点LP)ではなく、図示の位置P3と位置P2の双方から等距離の仮重心点Qに一致する。この場合、突起物Tと床面に接地する一点とを含む多角形が一時的な足裏となり、仮重心点Qが左足目標点LDより安定する点となるので、上記の足裏圧平均化(導出)処理(S41)が、あたかも理想の仮重心点Qに実際の重心点を一致させて安定化する処理(の代用)になる。このため、床面の突起物T等による影響を受けにくく、転倒のない適切な2足歩行を確保できる。
【0091】
上述のように、ロボット1では、静止時(立ち動作)において、両足部の足裏面同士を外形線で結ぶ仮想領域Aから、ロボット中心点(重心)Pが外れないように姿勢を制御し、且つ歩行時(歩行動作)において、軸足となる足部の足裏面から、ロボット中心点Pが外れないように姿勢を制御するようにしているため、転倒することなく適切な2足歩行が可能であり、しかも、制御が容易なため、応答性が良好となり、歩行速度をアップすることができる。また、各足部(足平部)17における複数の圧力センサ7Sの圧力値が略均等になるように体躯の姿勢を制御するので、床面に凹凸や傾斜があっても、2足歩行を安定に行うことができる。もちろん、その他、要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更も可能である。
【0092】
【発明の効果】
本発明の脚式歩行ロボットの足部構造によれば、複数の圧力センサの検出結果から、複数の足部における各足着反力の中心点や、接地面における体躯の重心位置を簡単に検出することができ、これに基づいて、体躯の姿勢制御を簡単に行うことができる。
【0093】
本発明の他の脚式歩行ロボットの足部構造によれば、足裏プレートを介して検出した複数の圧力センサの検出結果から、複数の足部における各足着反力の中心点や、接地面における体躯の重心位置を確実に且つ簡単に検出することができる。これにより、体躯の姿勢制御を簡単且つ適切に行うことができる。
【0094】
本発明の脚式歩行ロボットによれば、単純な制御方法で歩行(2足歩行)を制御することができ、安価で安定性の優れたロボットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る脚式歩行ロボットの全体斜視図である。
【図2】図1のロボットの制御系を示す概略ブロック図である。
【図3】図1のロボットの自由度構成モデルの模式図である。
【図4】図3の自由度構成モデルの前提の説明図である。
【図5】図2のロボットの股関節部の詳細ブロック図である。
【図6】膝関節部の、図5と同様の詳細ブロック図である。
【図7】足首関節部の、図5と同様の詳細ブロック図である。
【図8】足平部の、図5と同様の詳細ブロック図である。
【図9】図1のロボットの足平部および足裏プレートを示す構造図である。
【図10】図9の足平部および足裏プレートの分解斜視図である。
【図11】図9の足平部の圧力センサ廻りの拡大断面図である。
【図12】図1のロボットの制御全体の概略処理を示すフローチャートである。
【図13】(前進)歩行処理のフローチャートおよびその起動下における状態遷移の説明図である。
【図14】定期的な周期制御割込による状態検出・目標設定処理および不定期の個別検出割込による個別検出・目標設定処理のフローチャートである。
【図15】図14の目標値設定・制御値導出処理のフローチャートである。
【図16】図15の足裏圧平均化導出処理の原理を模式的に示す説明図である。
【図17】静止時または図13の前進歩行時における状態遷移が左足前の両足安定期のときの、図15の姿勢安定化導出処理の原理を模式的に示す説明図である。
【図18】図15の左足重心移行導出処理についての、図17と同様の説明図である。
【図19】図15の右足踏出導出処理についての、図17と同様の説明図である。
【図20】右足踏出後、状態遷移が右足前の両足安定期のときの、図17と同様の説明図である。
【図21】足裏プレートにより複数の圧力センサを連結した利点を示す説明図である。
【符号の説明】
1 ロボット(脚式歩行ロボット)
10 胴体
11(R11、L11) …… 脚部(右脚部、左脚部)
12(R12、L12) …… 股関節部(右〜、左〜)
13(R13、L13) …… 大腿部(右〜、左〜)
14(R14、L14) …… 膝関節部(右〜、左〜)
15(R15、L15) …… 頸部(右〜、左〜)
16(R16、L16) …… 足首関節部(右〜、左〜)
17(R17、L17) …… 足平部(右〜、左〜)
17S(R17S、L17S) …… 足裏プレート(右〜、左〜)
20 メインコントローラ
20B、21B、H1B …… バス
21(R21、L21) …… 脚制御部(右〜、左〜)
51 センサホルダ
54 ボトムプレート(規制部材)
55 復帰部材
61(R61、L61) …… 腕部(右〜、左〜)
▲1▼〜▲8▼、7S、R7〜S、L7〜B …… (足裏)圧力センサ
71 センサ本体
72 圧力室
73 封止膜体
74 検出子
A 仮想領域
D(RD、LD) …… 重心目標点(右足〜、左足〜)
H1 頭部
P ロボット中心点
RP、LP …… 右足重心点、左足重心点
R〜P、L〜P …… ピッチ軸
R〜PM、L〜PM …… ピッチ角モータ
R〜PS、L〜PS …… ピッチ角センサ
R〜R、L〜R …… ロール軸
R〜RM、L〜RM …… ロール角モータ
R〜RS、L〜RS …… ロール角センサ
R〜Y、L〜Y …… ヨー軸
R〜YM、L〜YM …… ヨー角モータ
R〜YS、L〜YS …… ヨー角センサ
SBC、R〜B、L〜B …… サーボコントローラ
SSC、R〜C、L〜C …… センシングコントローラ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a leg structure of a legged walking robot provided with a sensor and a legged walking robot provided with the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a foot structure of a legged walking robot of bipedal walking, a structure in which a six-axis force sensor (force sensor) is provided at an ankle portion in which each leg has six degrees of freedom (for example, see, for example). And Patent Document 1). In this legged walking robot, a force component in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction and a moment component in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction are measured by a six-axis force sensor, and each foot is measured. Is detected, and the magnitude (direction reaction force) and direction of the force applied to each movable leg are detected. The posture of the skeleton is appropriately controlled based on the detection result of the six-axis force sensor and the inclination and the angular acceleration detected by the inclination sensor on the body part side.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-5-293776 (
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Meanwhile, in a bipedal legged walking robot, the walking is controlled based on the ZMP model, and the walking is controlled such that the center of gravity is located within a projection plane connecting the contours of the soles of both feet. Two control methods of static walking are known. In static walking, posture control can be performed only by the detection results of the above-described six-axis force sensor. However, for example, in a lightweight robot, the measurement result becomes unstable due to the structure of the sensor, and sufficient calculation processing is performed. There are problems such as the need for abilities.
[0005]
An object of the present invention is to provide a leg structure of a legged walking robot that can perform sensing for posture control with a simple structure, and a legged walking robot including the same.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The foot structure of the legged walking robot of the present invention is a legged walking robot having a plurality of legs connected to the lower ends of the plurality of movable legs with a predetermined degree of freedom. A foot body connected to each movable leg, and a plurality of at least three feet provided on the back of the foot of the foot and spaced apart from each other to detect foot reaction forces applied to the back of the foot in a foot-wear state. And a pressure sensor.
[0007]
According to this configuration, at least three pressure sensors provided separately from each other on the sole surface of the foot detect a sole reaction force applied to the sole surface of the sole in a sole state. From the detection result, the approximate pressure (reaction force) distribution on the sole surface and the center point (center position) of the foot landing reaction force can be easily detected. Further, the center of gravity of the body on the ground contact surface can be detected from the center point of each foot landing reaction force in the plurality of feet.
[0008]
In this case, it is preferable that each pressure sensor has a detector that is grounded on the floor and constitutes a detection end, and the lower end of the detector is formed in a plate shape.
[0009]
By the way, the floor surface on which the feet touch the ground (footwear) is not uniformly flat. For example, in the case of footsteps or stairs of a door, the center of the sole surface of the foot may be grounded, and some pressure sensors may be in a non-grounded state. According to the above configuration, since the lower end portion of the detector of each pressure sensor has a relatively large area, it is possible to prevent as much as possible some of the pressure sensors from being in the non-ground state.
[0010]
Further, the foot structure of another legged walking robot of the present invention is a legged structure of a legged walking robot having a plurality of legs connected to a lower end of a plurality of movable legs with a predetermined degree of freedom, respectively. Each foot is provided with a foot main body connected to each movable leg, and at least three of which are provided separately from each other on the back surface of the foot main body and detect a foot reaction force applied to the back surface of the foot state. A plurality of pressure sensors and a plurality of pressure sensors are connected to each other at a detector serving as a detection end thereof, and a sole plate whose lower surface constitutes a sole surface is provided.
[0011]
According to this configuration, the foot landing reaction force is detected by the at least three pressure sensors on the back surface of the foot body, but the plurality of pressure sensors are connected to each other by the sole plate constituting the back surface of the foot. Therefore, the foot landing reaction force in this case is applied to the plurality of pressure sensors via the sole plate. Therefore, erroneous detection (including non-detection) of some pressure sensors due to unevenness of the floor surface (for example, footsteps or stairs) does not occur. Therefore, from the detection results of the plurality of pressure sensors, it is possible to easily and reliably detect the approximate pressure (reaction force) distribution on the sole surface and the center point (center position) of the foot landing reaction force. Further, the center of gravity of the body on the ground contact surface can be detected from the center point of each foot landing reaction force in the plurality of feet.
[0012]
In this case, it is preferable that four pressure sensors are provided, the sole surface of the sole plate is formed in a substantially rectangular shape, and the four pressure sensors are arranged at four corners of the sole plate.
[0013]
According to this configuration, the possibility of falling can be detected with high accuracy, and the arithmetic processing at that time can be easily performed.
[0014]
In these cases, it is preferable that the foot main body has a sensor holder that integrally holds the plurality of pressure sensors.
[0015]
According to this configuration, the plurality of pressure sensors can be unitized, and can be easily attached to the foot main body. It is preferable that the sensor holder is incorporated in a lower part of the foot main body.
[0016]
In these cases, each pressure sensor is preferably configured by a gas sensor.
[0017]
According to this configuration, even when the body of the legged walking robot is relatively lightweight, the response to the foot landing can be detected stably and accurately without impairing the response and the like.
[0018]
In this case, the gas sensor includes a sensor body, a pressure chamber connected to the sensor body, a sealing film body that hermetically seals a lower open end of the pressure chamber, and an abutment on the sealing film body from below to form the gas sensor. And a detector to be pressed and deformed.
[0019]
According to this configuration, when the sealing film is deformed due to the foot contact reaction force applied to the detector and the pressure in the pressure chamber changes, the sensor body senses the change. As described above, since the pressure chamber is hermetically sealed with the sealing film body and the sealing film body is deformed by the detector, the pressure can be accurately sensed with a simple structure.
[0020]
In this case, it is preferable to further include a return member that urges the sealing film body from the pressure chamber side to the reference posture.
[0021]
According to this configuration, when the pressure drops, the sealing film body can be forcibly restored, and accordingly, the sealing film body is made of a material and a thickness having good responsiveness. And the detection accuracy can be improved.
[0022]
In these cases, it is preferable that the detector be further slidably supported in the vertical direction and further include a regulating member that regulates the position of the lower moving end.
[0023]
According to this configuration, the restoration position of the sealing film body can be regulated via the detector, and the detector itself can be appropriately held.
[0024]
Further, a legged walking robot according to the present invention includes the leg structure of the legged walking robot described above. In this case, it is preferable to have two movable legs and two corresponding legs.
[0025]
According to this configuration, walking (bipedal walking) can be controlled by a simple control method using the plurality of pressure sensors provided on the foot body.
[0026]
In this case, based on the detection results of the plurality of pressure sensors, calculating means for obtaining the pressure distribution on the sole surface of each foot and obtaining the position of the center of gravity of the body in the horizontal plane from the respective pressure distributions on both feet, Posture control means for controlling the posture of the body based on the position of the center of gravity obtained in the step (a), wherein the posture control means comprises a virtual area connecting the soles of the feet with outlines in a standing motion in which both feet touch the ground. Therefore, the posture of the body is controlled so that the position of the center of gravity does not deviate, and in the walking motion from raising one foot to touching the ground, the position of the center of gravity is not deviated from the back of the foot of the other foot. It is preferable to control the attitude of the user.
[0027]
According to this configuration, in the standing motion, the posture is controlled so that the center of gravity does not deviate from the virtual region connecting the soles of the two feet with the outlines, and in the walking motion, the posture is controlled from the sole of the other leg. Since the posture is controlled so that the position of the center of gravity does not deviate, proper bipedal walking can be performed without falling. Moreover, since the control is easy, the responsiveness is improved and the walking speed can be increased.
[0028]
In this case, it is preferable that the posture control means controls the posture of the body so that the pressure values of the plurality of pressure sensors at each foot are substantially equal.
[0029]
According to this configuration, biped walking can be stably performed even when the floor surface has irregularities or inclination.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a legged walking robot according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. This legged walking robot is a bipedal walking small robot (about 30 cm tall), and is designed to perform so-called static walking in a walking operation.
[0031]
As shown in FIG. 1, this legged walking robot (hereinafter simply referred to as "robot") 1 has a head H1, a
[0032]
The “robot center point” described above includes the meaning of ZMP (Zero Moment Point: a point on the floor where the moment due to the floor pressure becomes zero). In addition, the reference signs “R」 ”and“ L〜 ”indicate“ right ”and“ left ”, respectively, and hereinafter, for items common to the left and right,“ R ”and“ L ”are representatively shown. A description will be omitted. For example, the pair of legs described above are individually “right leg R11” and “left leg L11”, but items common to the left and right are described as “
[0033]
First, as shown in FIGS. 1 to 3, the
[0034]
As shown in FIGS. 1 to 3 and 5, the hip joint portion 12 includes a hip joint yaw axis 12Y, a hip joint roll axis 12R, a hip joint pitch axis 12P, and a hip joint drive / drive for detecting these and detecting each rotation angle. A detection unit 32, a hip joint control unit 42 for controlling these components, and a power transmission mechanism (not shown) for transmitting power to the thigh 13 (hereinafter, the “power transmission mechanism” is similarly omitted) are provided. I have.
[0035]
A hip joint yaw angle motor 2YM that controls the rotation angle (yaw angle) of the thigh portion 13 in a normal or reverse direction (movement) about the hip joint yaw axis 12Y; A hip joint yaw angle sensor (for example, a potentiometer) 2YS that detects an actual driven yaw angle, a hip joint roll angle motor 2RM that similarly drives the rotation angle (roll angle) of the hip joint roll shaft 12R, and a roll thereof A hip joint roll angle sensor 2RS for detecting the angle, a hip joint pitch angle motor 2PM for driving the rotation angle (pitch angle) of the hip joint pitch axis 12P so as to be controllable, and a hip joint pitch angle sensor 2PS for detecting the pitch angle. ing.
[0036]
The hip joint control unit 42 includes servo controllers 2YB, 2RB, and 2PB each having a CPU, ROM, RAM, and the like (not shown), and sensing controllers 2YC, 2RC, and 2PC having the same configuration, and a trunk unit via the
[0037]
As shown in FIGS. 1 to 3 and 6, the knee joint 14 includes a knee joint pitch axis 14 </ b> P, a knee joint driving / detecting
[0038]
The knee
[0039]
As shown in FIGS. 1 to 3 and 7, the ankle joint 16 includes an ankle joint pitch axis 16 </ b> P, an ankle joint roll axis 16 </ b> R, and an ankle joint drive / detection unit that drives these and detects each rotation angle. 36, an ankle joint control section 46 for controlling these, and a power transmission mechanism for transmitting power to the
[0040]
The ankle joint control unit 46 is connected to the
[0041]
As shown in FIGS. 1 to 3 and FIGS. 8 to 11, the
[0042]
The
[0043]
The four (gas)
[0044]
The
[0045]
Each
[0046]
When the pressure of the detector 74 (footwear reaction force) acts, the
[0047]
The
[0048]
The main part of the
[0049]
The
[0050]
The
[0051]
As described above, since the four
[0052]
In the present embodiment, the
[0053]
Next, as shown in FIGS. 1 to 3, the arm portion 61 (the right arm portion R61 and the left arm portion L61) includes a shoulder joint roll shaft 61R for rotating the arm portion 61 in the roll direction with respect to the
[0054]
The head H1 includes various sensors and various drivers (not shown) for light (image) and sound (vibration) for simulating the functions of the human head such as eyes, nose, and mouth. ), A head control unit (not shown) for controlling each unit in the head H1 in cooperation with the
[0055]
Further, the
[0056]
The
[0057]
The
[0058]
The P-
[0059]
Then, the
[0060]
Next, a processing flow of the entire control of the
[0061]
As shown in the figure, when the process (S0) is started by turning on the power or the like, first, predetermined initial settings are appropriately performed (S1), and then various interrupts regulated by various priorities are permitted. (S2) The state is maintained as it is until some interruption occurs (S3: No), and if any interruption occurs (S3: Yes), the process proceeds to each interruption processing (S4). When the interrupt processing is completed, the state is maintained again (S3: No).
[0062]
For example, as shown in FIG. 13, the (forward) walking is instructed to the
[0063]
In this case, for example, a control program for walking processing (walking program) may be loaded instead of the control program for static processing or the like up to that time, or an address of the walking program may be specified (for example, The processing mode may be switched (by setting (ON) or the like). As a result, the processing (response) of the
[0064]
In addition to the above-described example of the forward walking process, various examples of various processes that can be started, such as the backward progressing line process, can be considered. For example, a sensor capable of detecting (monitoring) an obstacle or the like in front by a laser beam or the like is provided as a function of the eyes of the head H1 or the like, and a stationary process (stationary program) is started by an interrupt generated by the obstacle detection. Or, after that, check the surroundings (left and right, etc.) while the vehicle is still, and start the direction change process according to the check detection result (interruption due to), and after confirming it after the direction change process Various types of control programs that can be started, such as starting the walking process again, and methods of starting the control programs can be considered and can be realized.
[0065]
Further, in the
[0066]
Next, in order to output (instruct) all servo (all joint) control values, drive control data indicating the values (control values) of the control table are output to all servo controllers SBC (S23), and the process (S20) ) Is ended (S24).
[0067]
The example of the above-described processing (S20) is an example of performing a periodic control processing, that is, the
[0068]
In this case, for example, as in the illustrated process (S30), when a change is detected by a sensor of each unit in the
[0069]
In the above description, all servo (all joints) control value output (S23) is performed. However, as shown by a dotted line, there is a difference between the current value of the current table and the target value of the target table. In other words, only those which need to be changed (operated) to a state different from the current state are extracted (S33), and only the drive control data indicating the value (control value) of the corresponding control table is converted to the corresponding servo controller SBC. Only the output (S34) may be performed, so that the communication between controllers can be made more efficient and shorter, for example, when there is little difference.
[0070]
In the above-described target value setting / control value deriving process (S22 or S33), for example, as shown in FIG. 15, when the process (S40: subroutine for S22 or S32) is started, first the sole pressure is set. An averaging (derivation) process is performed (S41).
[0071]
In addition, for example, if the processing (control) is executed according to the control value derived in the “foot sole pressure averaging (derivation) processing (S41)”, “foot sole pressure averaging” can be performed. In (S40), since setting of the target value and derivation of the control value are performed, all processes described below are derivation processes (in this sense, “derivation” is written in parentheses).
[0072]
Also, in the following, for convenience of description (efficiency), the sole left front sensor L7LFS, the sole right front sensor L7BFS, the sole left rear sensor L7LBS, and the sole right rear sensor L7BFS of the left foot part L17 are represented by a sensor {circle around (1)}. , {Circle around (2)}, {circle around (3)} and {circle around (4)}, and similarly, the sensors R7LFS to R7BFS for the right foot portion R17 are referred to as sensors {circle around (5)} to {8} (see FIG. 17 and the like). Further, the center of gravity (center of gravity projected on the floor surface: the same applies hereinafter) obtained only from the contact pressure (floor reaction force) detected by the left foot L17 alone is defined as the center of gravity of the left foot (the center of gravity of the left foot) LP, and the target of the center of gravity of the left foot LP The point is defined as a left foot target point (left foot center point, left foot center of gravity target point) LD, similarly, the center of gravity of the right foot portion R17 is defined as a right foot center of gravity (right foot center of gravity point) RP, and the target point is defined as a right foot target point (right foot center point, right foot center of gravity). The center of gravity of the
[0073]
Here, for example, as shown in FIG. 16, the output value (detection value: pressure value) of the sensor (1) of the left foot is 100 (unit is omitted: hereinafter, shown as "1" = 100). In the case of (2) = 200, (3) = 200, and (4) = 400, the sum total is ((1) + (2) + (3) + (4) =) 900, and at present, the sum of the figures shown in FIG. 1) The left foot center of gravity point LP is located at a position close to (4) on the diagonal line connecting (4), but when all the detected values (1) to (4) match the average value 225, the left foot target point is reached. In this case, in the above-described foot sole pressure averaging (deriving) process (S41), the left foot target point LD is set as the target value, and the current value of the left foot center of gravity point LP is set in the direction of the arrow shown in the drawing. A control value to be moved to match the left foot target point LD is obtained by calculation or referring to a table (derived). .
[0074]
More specifically, only the difference before and after, that is, the difference between the sum of (1) and (2) and the sum of (3) and (4) ((1) + (2))-((3) + A control value for rotating the ankle joint pitch axis L16P is derived by an amount that cancels (cancels) (4))). This value becomes the original value of the drive control data for driving the ankle joint pitch angle motor L6PM via the servo controller L6PB. Similarly, a control value for rotating the ankle joint pitch axis L16R by the offset of the difference between the left and right ((1) + (3)-((2) + (4))) is derived. And the original value of drive control data for driving the ankle joint roll angle motor L6RM via the servo controller L6RB.
[0075]
Then, by performing the same operation as described above for the right foot sensors (5) to (8), a control value for matching the right foot center of gravity point RP to the right foot target point RD for the right flat foot R17 is derived. .
[0076]
When the above sole pressure averaging (deriving) processing (S41) is completed, as shown in FIG. 15, when the vehicle is stationary (that is, when the control program currently being processed is a stationary program or when the processing mode is the stationary mode), as shown in FIG. Is determined) (S42), and when it is stationary (S42: Yes), the posture stabilization (derivation) process is performed (S43), and the process (S40) ends. (S44).
[0077]
Here, for example, as shown in FIG. 17, the substantially square points on the lower surface of the left foot part L17 are denoted by a to d, and the respective points of the right foot part R17 are denoted by e to h. Inside a virtual area A of a polygon connecting outer corners a, b, f, h, g, and c (a polygon connecting abffhcc: sole of foot + shaded area), If there is an entire center of gravity point (robot center point) P, the center of gravity does not fall, but the center of gravity when the posture is most stable (that is, the ideal center of gravity point) generally connects the illustrated left foot center of gravity LP and the right foot center of gravity RP. Since this point corresponds to the center (center) of the line N, this point is referred to as a target point (centroid target point) D. The same applies to the case where the right foot is forward (see FIG. 20 and the like).
[0078]
Therefore, the center of gravity of the left foot L17 and the center of gravity of the right foot R17 are located at the center of gravity of the left foot LP and the center of gravity of the right foot RP shown in FIG. 17 by the above-described sole pressure averaging (derivation) processing (S41). Assuming that the sum of the outputs of the left foot sensors (1) to (4) is 900 ((1) + (2) + (3) + (4) =) 900, the right foot sensors (5) to (8) In the case of (5) + (6) + (7) + (8) =) 1800, the robot center point P is generally offset to the right foot side on the line N as shown in FIG. In this case, in the above-described posture stabilization (derivation) process (S43), the robot center point P, which is the current value, is made coincident with the center-of-gravity target point D as the target value (P43). Is moved in the direction of the arrow to coincide with D), and a control value for obtaining the state shown in FIG. This value is the original value of the drive control data instructed to each servo controller SBC for controlling each joint of each part in the robot 1 (particularly each part in the leg 11).
[0079]
Further, as shown in FIG. 15, when the vehicle is not stationary (S42: No), next, when walking forward (that is, when the control program currently being processed is the forward walking program or when the processing mode is the forward walking mode). And the like (S45), and when it is not the time of forward walking (S45: No), other processing (target value setting / control value derivation in another processing mode) according to the control program or processing mode at that time. After performing the processing (S46) (S46), the processing (S40) ends (S44).
[0080]
Further, when the user is walking forward (S45: Yes), the foot is in a stable state (the state of (t1) or (t4) in FIG. 13: that is, while walking; Period: see FIG. 17 or FIG. 20) (S51), and if the foot is in a stable state (S51: Yes), the posture stabilization (derivation) process is performed as in the above-mentioned stationary state. (S43), the process (S40) ends (S44).
[0081]
Also, although it is a time of forward walking (S45: Yes), but not in a stable state of both feet (S51: No), next, the transition to the center of gravity (the state of (t2) or (t5) in FIG. 13: that is, there is no center of gravity) It is a period in which the center of gravity is shifted to the other foot with the other foot as an axis foot in order to step forward on one foot, and it is determined whether or not the center of gravity shift period for quiet walking) (S52). At some point (S52: Yes), it is next determined whether or not the center of gravity of the left foot (that is, the center of gravity is shifted to the left foot to make the left foot an axis foot) (S53), and the center of gravity of the left foot (state of (t2)) is determined. If there is (S53: Yes), the left foot center of gravity shift (derivation) process is performed (S54), and the process (S40) ends (S44).
[0082]
In the left foot center-of-gravity shift (derivation) process (S54), the left foot center-of-gravity point LP is set as the center-of-gravity target point D, for example, as shown in FIG. That is, for example, when the right foot on the opposite side is stepped on, in order not to fall over statically, the entire weight is placed on the left foot and the area of the sole (in the drawing, the substantially square ab on the lower surface of the left foot L17) is shown. If the center of gravity (robot center point) P is within the range enclosed by −cd, the robot will not fall down, but the ideal center of gravity as the posture is most stable is the left foot center of gravity LP. A control value for moving the robot center point P in the direction of the arrow to match the center of gravity target point D (left foot center of gravity point LP) is derived, and the servo controller SBC controls each joint such as each part in the
[0083]
Further, as shown in FIG. 15, when the center of gravity of the left foot is not present (the state of (t5) in FIG. 13) (S53: No), the same as the above-described shift (derivation) processing of left center of gravity (S54), but the right foot Is performed (S55), and the process (S40) ends (S44).
[0084]
When it is not the transition period to the center of gravity (S52: No), it is determined that it is the one foot step (the state of (t3) or (t6) in FIG. 13), and then the center of gravity of the left foot (that is, the right foot with the left foot as the axial foot). Is determined (S56), and when the center of gravity of the left foot (state at (t3) in FIG. 13) (S56: Yes), right foot stepping (derivation) processing is performed (S57). The process (S40) ends (S44).
[0085]
In the right foot stepping (deriving) process (S57), for example, as shown in FIG. 19, only the right foot target point RD is used in order to step on the opposite right foot while keeping the left foot center of gravity LP as the center of gravity target point D. Is moved forward, and the control value for moving the right foot center of gravity RP in the direction of the arrow to match the right foot target point RD while keeping the robot center point P at the center of gravity target point D (left foot center of gravity point LP). Is derived and used as the original value of the drive control data for controlling each joint of each unit.
[0086]
Further, as shown in FIG. 15, when the center of gravity of the left foot is not present (the state of (t6) in FIG. 13) (S56: No), the same as the above-described right foot stepping (deriving) process (S54), but the right foot After performing the left foot stepping (deriving) process of stepping on the left foot with the center of gravity (axial foot) (S58), the process (S40) ends (S44).
[0087]
Then, for example, at the time when the above-described right foot stepping (deriving) process is completed in FIG. 19 (when the state at (t3) in FIG. 13 is completed), the state shifts to the two-foot stable period (state at (t4)). As described above, when both feet are stabilized (S51: Yes), as shown in FIG. 15, for example, as shown in FIG. 20, after performing the same posture stabilization (derivation) process as described above (S43), the process (S40) Is completed (S44). Of course, after this state (the state of (t3)), the same processing as the processing described above with reference to FIGS. 18 to 20 is performed on the opposite leg (by the state transition of (t4) to (t1)), The process of two-legged walking is performed.
[0088]
By the way, the floor surface on which the feet touch the ground (footwear) is not uniformly flat. For example, in the case of a footstep or a staircase of a door, a part of the sole surface may be in a ground state and another part may be in a non-ground state. For example, as shown in FIG. 21, when one
[0089]
On the other hand, in the
[0090]
Further, in this case, the detected values are averaged by the sole pressure averaging (deriving) process (S41) described above with reference to FIG. 15, and the left foot target point LD equidistant from both the position P1 and the position P2 is obtained. When the left foot center of gravity LP is matched in the same manner as described above, the actual center of gravity is not the left foot target point LD (the left foot center of gravity LP), but the temporary center of gravity Q equidistant from both the illustrated positions P3 and P2. Matches. In this case, the polygon including the protrusion T and one point that touches the floor surface becomes a temporary sole, and the temporary center of gravity Q becomes a point that is more stable than the left foot target point LD. The (derivation) process (S41) is a process (substitute) for stabilizing the actual center of gravity by making the actual center of gravity coincide with the ideal temporary center of gravity Q. For this reason, it is hard to be influenced by the protrusion T on the floor surface or the like, and it is possible to secure a proper bipedal walking without falling.
[0091]
As described above, when the
[0092]
【The invention's effect】
According to the foot structure of the legged walking robot of the present invention, it is possible to easily detect the center point of each foot contact reaction force in the plurality of feet and the center of gravity of the body on the ground contact surface from the detection results of the plurality of pressure sensors. Based on this, the posture control of the body can be easily performed.
[0093]
According to the foot structure of another legged walking robot of the present invention, the center point of each foot landing reaction force in the plurality of feet and the contact point can be obtained from the detection results of the plurality of pressure sensors detected via the sole plate. The position of the center of gravity of the body on the ground can be reliably and easily detected. Thereby, the posture control of the body can be easily and appropriately performed.
[0094]
According to the legged walking robot of the present invention, walking (bipedal walking) can be controlled by a simple control method, and a low-cost and highly stable robot can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall perspective view of a legged walking robot according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic block diagram showing a control system of the robot shown in FIG.
FIG. 3 is a schematic view of a degree of freedom configuration model of the robot shown in FIG. 1;
FIG. 4 is an explanatory diagram of a premise of a degree of freedom configuration model of FIG. 3;
FIG. 5 is a detailed block diagram of a hip joint of the robot of FIG. 2;
FIG. 6 is a detailed block diagram of the knee joint similar to FIG. 5;
FIG. 7 is a detailed block diagram similar to FIG. 5 of an ankle joint;
FIG. 8 is a detailed block diagram of the foot portion, similar to FIG.
FIG. 9 is a structural diagram showing a foot portion and a sole plate of the robot of FIG. 1;
FIG. 10 is an exploded perspective view of the foot portion and the sole plate of FIG. 9;
FIG. 11 is an enlarged sectional view of the foot portion of FIG. 9 around a pressure sensor.
FIG. 12 is a flowchart illustrating a schematic process of the entire control of the robot in FIG. 1;
FIG. 13 is a flowchart of (forward) walking processing and an explanatory diagram of a state transition under activation thereof.
FIG. 14 is a flowchart of a state detection / target setting process by a periodic control interrupt and an individual detection / target setting process by an irregular individual detection interrupt;
FIG. 15 is a flowchart of a target value setting / control value deriving process of FIG. 14;
FIG. 16 is an explanatory diagram schematically showing the principle of the sole pressure averaging derivation process of FIG.
17 is an explanatory diagram schematically showing the principle of the posture stabilization deriving process of FIG. 15 when the state transition at the time of standing still or the forward walking in FIG. 13 is a two-foot stable period before the left foot.
18 is an explanatory diagram similar to FIG. 17 of the left foot barycenter shift derivation process of FIG. 15;
FIG. 19 is an explanatory diagram similar to FIG. 17, illustrating the right foot step derivation process of FIG. 15;
FIG. 20 is an explanatory diagram similar to FIG. 17 when the state transition is a two-foot stable period before the right foot after stepping on the right foot.
FIG. 21 is an explanatory diagram showing an advantage of connecting a plurality of pressure sensors by a sole plate.
[Explanation of symbols]
1 robot (legged walking robot)
10 torso
11 (R11, L11) ... leg (right leg, left leg)
12 (R12, L12) ... hip joint (right, left)
13 (R13, L13) ... thigh (from right to left)
14 (R14, L14) ... Knee joint (right, left)
15 (R15, L15) ... Neck (from right to left)
16 (R16, L16) ... Ankle joint (right, left)
17 (R17, L17) ... Foot area (right to left)
17S (R17S, L17S) ... sole plate (right, left)
20 Main controller
20B, 21B, H1B ... bus
21 (R21, L21) ... leg control unit (right to left)
51 Sensor holder
54 Bottom plate (restriction member)
55 Return member
61 (R61, L61) ... arm (right to left)
(1)-(8), 7S, R7-S, L7-B ... (Sole sole) pressure sensor
71 Sensor body
72 pressure chamber
73 sealing film
74 detector
A virtual area
D (RD, LD) …… Target point of center of gravity (right foot ~ left foot ~)
H1 head
P Robot center point
RP, LP… Right foot center of gravity, left foot center of gravity
R-P, L-P Pitch axis
R-PM, L-PM Pitch angle motor
R-PS, L-PS Pitch angle sensor
R-R, L-R ...... Roll axis
R to RM, L to RM Roll motor
R-RS, L-RS Roll angle sensor
RY, LY Yaw axis
R ~ YM, L ~ YM ...... Yaw angle motor
R to YS, L to YS ... Yaw angle sensor
SBC, RB, LB ...... Servo controller
SSC, RC, LC, Sensing controller
Claims (13)
前記各足部は、
前記各可動脚部に連結した足部本体と、
前記足部本体の足裏面に相互に離間して設けられ、足着状態の前記足裏面に加わる足着反力をそれぞれ検出する少なくとも3つである複数の圧力センサと、を備えたことを特徴とする脚式歩行ロボットの足部構造。In a foot structure of a legged walking robot having a plurality of feet connected to a lower end of a plurality of movable legs with a predetermined degree of freedom, respectively,
Each said foot,
A foot body connected to each of the movable legs,
A plurality of pressure sensors provided at a distance from each other on the sole surface of the sole body and detecting at least three reaction forces applied to the sole surface in the sole state. The leg structure of a legged walking robot.
前記検出子の下端部は、板状に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の脚式歩行ロボットの足部構造。Each of the pressure sensors has a detector that is grounded on the floor and constitutes a detection end,
The foot structure of a legged walking robot according to claim 1, wherein a lower end of the detector is formed in a plate shape.
前記各足部は、
前記各可動脚部に連結した足部本体と、
前記足部本体の裏面に相互に離間して設けられ、足着状態の前記裏面に加わる足着反力をそれぞれ検出する少なくとも3つである複数の圧力センサと、
複数の前記圧力センサをその検出端となる検出子において相互に連結すると共に、下面が足裏面を構成する足裏プレートと、を備えたことを特徴とする脚式歩行ロボットの足部構造。In a foot structure of a legged walking robot having a plurality of feet connected to a lower end of a plurality of movable legs with a predetermined degree of freedom, respectively,
Each said foot,
A foot body connected to each of the movable legs,
A plurality of pressure sensors provided at a distance from each other on the back surface of the foot portion main body and detecting at least three reaction forces applied to the back surface in a footwear state,
A foot structure for a legged walking robot, comprising: a plurality of pressure sensors connected to each other at a detector serving as a detection end thereof; and a sole plate having a lower surface forming a sole surface.
4つの前記圧力センサは、前記足裏プレートの4隅に配設されていることを特徴とする請求項3に記載の脚式歩行ロボットの足部構造。It has four pressure sensors, and the sole surface of the sole plate is formed in a substantially square shape,
The foot structure of a legged walking robot according to claim 3, wherein the four pressure sensors are arranged at four corners of the sole plate.
前記姿勢制御手段は、前記両足部が接地する立ち動作において、前記両足部の前記足裏面同士を外形線で結ぶ仮想領域から、前記重心位置が外れないように体躯の姿勢を制御し、
且つ一方の前記足部を上げてから接地するまでの歩行動作において、他方の前記足部の前記足裏面から、前記重心位置が外れないように体躯の姿勢を制御することを特徴とする請求項11に記載の脚式歩行ロボット。Based on the detection results of the plurality of pressure sensors, while calculating the pressure distribution on the sole surface of each foot, from the pressure distribution of each of the two feet, computing means to determine the center of gravity of the body in a horizontal plane, Posture control means for controlling the posture of the body based on the position of the center of gravity determined by the calculation means,
The posture control means, in a standing motion in which the two feet touch the ground, from a virtual area connecting the soles of the two feet with outlines, controls the posture of the body so that the center of gravity does not deviate,
Further, in a walking motion from raising one of the feet to touching the ground, the posture of the body is controlled so that the position of the center of gravity does not deviate from the sole surface of the other foot. 12. The legged walking robot according to item 11.
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