JP3674787B2 - Robot apparatus motion control device, motion control method, and computer program - Google Patents
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Description
本発明は、少なくとも複数の可動部を備えたロボット装置の動作制御装置及び動作制御方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、可動脚などを備えた移動式のロボット装置において、ZMPを安定度判別規範に用いて姿勢安定化制御を行なうロボット装置の動作制御装置及び動作制御方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。 The present invention relates to an operation control apparatus and an operation control method for a robot apparatus including at least a plurality of movable parts, and a computer program. In particular, in a mobile robot apparatus including movable legs, the stability determination of ZMP is performed. The present invention relates to an operation control apparatus and operation control method for a robot apparatus that performs posture stabilization control using a norm, and a computer program.
さらに詳しくは、本発明は、機体上の部位毎の目標(希望)軌道を修正して未知外力モーメント及び未知外力を補償するロボット装置の動作制御装置及び動作制御方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。 More particularly, the present invention relates to an operation control device and operation control method for a robot apparatus that corrects an unknown external force moment and an unknown external force by correcting a target (desired) trajectory for each part on the body, and a computer program.
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の“ROBOTA(奴隷機械)”に由来すると言われている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは1960年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット(industrial robot)であった。 A mechanical device that uses an electrical or magnetic action to perform a movement resembling human movement is called a “robot”. It is said that the word “robot” comes from the Slavic word “ROBOTA (slave machine)”. In Japan, robots started to spread from the end of the 1960s, but many of them are industrial robots such as manipulators and transfer robots for the purpose of automating and unmanned production operations in factories. Met.
最近では、ヒトやサルなどの2足直立歩行を行なう動物の身体メカニズムや動作を模した脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。2足直立による脚式移動は、クローラ式や、4足又は6足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。 Recently, research and development on legged mobile robots simulating the body mechanisms and movements of biped upright walking such as humans and monkeys has progressed, and expectations for practical use are also increasing. Leg type movement with two legs standing up is unstable and difficult to control posture and walking, compared to crawler type, four or six legs type, etc., but walking with irregularities on the work path such as rough terrain and obstacles It is excellent in that it can realize flexible movement work, such as being able to cope with discontinuous walking surfaces such as up and down of surfaces and stairs and ladders.
また、ヒトの生体メカニズムや動作を再現した脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、若しくは「人間型」のロボット(humanoid robot)と呼ぶ。人間型ロボットは、例えば、生活支援、すなわち住環境その他の日常生活上のさまざまな場面における人的活動の支援などを行なうことができる。 A legged mobile robot that reproduces a human biological mechanism and operation is particularly called a “humanoid” or “humanoid robot”. The humanoid robot can provide, for example, life support, that is, support for human activities in various situations in daily life such as a living environment.
人間の作業空間や居住空間のほとんどは、2足直立歩行という人間が持つ身体メカニズムや行動様式に合わせて形成されおり、車輪その他の駆動装置を移動手段とした現状の機械システムが移動するのには多くの障壁が存在する。したがって、機械システムすなわちロボットがさまざまな人的作業を代行し、さらに人間の住空間に深く浸透していくためには、ロボットの移動可能範囲が人間のそれとほぼ同じであることが好ましい。これが、脚式移動ロボットの実用化が大いに期待されている所以でもある。 Most of the human working space and living space are formed according to the human body mechanism and behavioral style of biped upright walking, and the current mechanical system using wheels and other driving devices as moving means moves. There are many barriers. Therefore, in order for the mechanical system, that is, the robot to perform various human tasks and penetrate deeply into the human living space, it is preferable that the movable range of the robot is substantially the same as that of the human. This is also why the practical application of legged mobile robots is highly expected.
2足の脚式移動ロボットに関する姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に数多提案されている。ここで言う安定な「歩行」とは、「転倒することなく、脚を使って移動すること」と定義することができる。ロボットの姿勢安定化制御は、ロボットの転倒を回避する上で非常に重要である。何故ならば、転倒は、ロボットが実行中の作業を中断することを意味し、且つ、転倒状態から起き上がって作業を再開するために相当の労力や時間が払われるからである。また、転倒によって、ロボット本体自体、あるいは転倒するロボットと衝突する相手側の物体にも、致命的な損傷を与えてしまう危険があるからである。 Many techniques relating to posture control and stable walking related to a biped legged mobile robot have already been proposed. Stable “walking” as used herein can be defined as “moving with legs without falling down”. Robot posture stabilization control is very important in avoiding robot overturning. This is because a fall means that the robot is interrupting the work being executed, and a considerable amount of labor and time are spent to get up from the fall state and resume the work. In addition, there is a danger of causing fatal damage to the robot body itself or the object on the other side that collides with the falling robot.
脚式移動ロボットの姿勢安定化制御や歩行時の転倒防止に関する提案の多くは、ZMP(Zero Moment Point)を歩行の安定度判別の規範として用いている。ZMPによる安定度判別規範は、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが路面から歩行系への反作用としての床反力並びに床反力モーメントとバランスするという「ダランベールの原理」に基づく。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形(すなわちZMP安定領域)の内側にピッチ軸及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわちZMPが存在する(例えば、非特許文献1を参照のこと)。 Many proposals related to posture stabilization control of legged mobile robots and prevention of falls during walking use ZMP (Zero Moment Point) as a norm for determining the stability of walking. The standard for discriminating the stability by ZMP is the principle of d'Alembert that gravity and inertia force from the walking system to the road surface, and these moments balance with the floor reaction force and the floor reaction force moment as a reaction from the road surface to the walking system. based on. As a result of mechanical reasoning, there is a point where the pitch axis and roll axis moments become zero, that is, ZMP, inside the support polygon (that is, the ZMP stable region) formed by the sole contact point and the road surface (for example, non-patented) (Ref. 1).
要約すれば、ZMP規範とは、「歩行のあらゆる瞬間において、ZMPが足部と路面とが形成する支持多角形の内側に存在し、且つ、ロボットが路面に押す方向の力が作用すれば、ロボットが転倒(機体が回転運動)することなく安定に歩行できる」とするものである。 In summary, the ZMP norm is: “At every moment of walking, the ZMP exists inside the support polygon formed by the foot and the road surface, and the force in the direction in which the robot pushes the road surface acts. “The robot can walk stably without falling down (the body is rotating)”.
ZMP規範に基づく2足歩行パターン生成によれば、足底着地点をあらかじめ設定することができ、路面形状に応じた足先の運動学的拘束条件を考慮し易いなどの利点がある。また、ZMPを安定度判別規範とすることは、力ではなく軌道を運動制御上の目標値として扱うことを意味するので、技術的に実現可能性が高まる。 According to the biped walking pattern generation based on the ZMP norm, there is an advantage that a foot landing point can be set in advance and it is easy to consider a kinematic constraint condition of a foot according to the road surface shape. In addition, using ZMP as a stability determination criterion means that a trajectory is treated as a target value in motion control instead of force, and thus technically feasible.
例えば、脚式移動ロボットは、ZMPがゼロとなる床面上の点を目標値に一致させるようにして安定歩行を行なうことができる(例えば、特許文献1を参照のこと)。 For example, a legged mobile robot can perform a stable walk by making a point on the floor where ZMP becomes zero coincide with a target value (see, for example, Patent Document 1).
また、脚式移動ロボットは、ZMPが支持多面体(多角形)内部、又は、着地、離床時にZMPが支持多角形の端部から少なくとも所定の余裕を有する位置にあるように構成することができる(例えば、特許文献2を参照のこと)。この場合、外乱などを受けても所定距離だけZMPの余裕があり、歩行時の機体の安定性が向上する。 Further, the legged mobile robot can be configured such that the ZMP is in the support polyhedron (polygon) or at a position where the ZMP has at least a predetermined margin from the end of the support polygon when landing or getting off ( For example, see Patent Document 2). In this case, even if a disturbance or the like is received, there is a ZMP margin for a predetermined distance, and the stability of the aircraft during walking is improved.
また、脚式移動ロボットの歩き速度をZMP目標位置によって制御することができる(例えば、特許文献3を参照のこと)。すなわち、あらかじめ設定された歩行パターン・データを用い、ZMPを目標位置に一致させるように脚部関節を駆動するとともに、上体の傾斜を検出してその検出値に応じて設定された歩行パターン・データの吐き出し速度を変更する。未知の凹凸を踏んでロボットが例えば前傾するときは、吐き出し速度を速めることで姿勢を回復することができる。またZMPを目標位置に制御するので、両脚支持期で吐き出し速度を変更しても支障がない。 Also, the walking speed of the legged mobile robot can be controlled by the ZMP target position (see, for example, Patent Document 3). That is, using the walking pattern data set in advance, the leg joint is driven so that the ZMP matches the target position, the inclination of the upper body is detected, and the walking pattern set according to the detected value Change the data discharge rate. When the robot leans forward, for example, by stepping on unknown irregularities, the posture can be recovered by increasing the discharge speed. Further, since the ZMP is controlled to the target position, there is no problem even if the discharge speed is changed during the both-leg support period.
また、脚式移動ロボットの着地位置をZMP目標位置によって制御することができる(例えば、特許文献4を参照のこと)。すなわち、同公報に記載の脚式移動ロボットは、ZMP目標位置と実測位置とのずれを検出し、それを解消するように脚部の一方又は双方を駆動するか、又はZMP目標位置まわりにモーメントを検出してそれが零になるように脚部を駆動することで、安定歩行を実現する。 Further, the landing position of the legged mobile robot can be controlled by the ZMP target position (see, for example, Patent Document 4). That is, the legged mobile robot described in the publication detects a deviation between the ZMP target position and the actually measured position and drives one or both of the legs so as to eliminate it, or a moment around the ZMP target position. Is detected, and the leg is driven so that it becomes zero, thereby realizing stable walking.
また、脚式移動ロボットの傾斜姿勢をZMP目標位置によって制御することができる(例えば、特許文献5を参照のこと)。すなわち、ZMP目標位置まわりのモーメントを検出し、モーメントが生じたときは、それが零になるように脚部を駆動することで安定歩行を行なう。 Further, the tilt posture of the legged mobile robot can be controlled by the ZMP target position (see, for example, Patent Document 5). That is, the moment around the ZMP target position is detected, and when the moment is generated, the leg is driven so that the moment becomes zero, thereby performing stable walking.
上述したように、ZMPを安定度判別規範に用いたロボットの姿勢安定化制御は、足底接地点と路面の形成する支持多角形の内側にピッチ及びロール軸モーメントがゼロとなる点を探索することにある。 As described above, the robot posture stabilization control using ZMP as a stability determination criterion searches for a point where the pitch and roll axis moment become zero inside the support polygon formed by the sole contact point and the road surface. There is.
しかしながら、本発明者らの先験的な検証の結果、ロボットが高速に脚式動作する際には、機体に対してはピッチ軸並びにロール軸回りのモーメントだけでなく、ヨー軸すなわちZ軸回りにもモーメントが発生することが判明した。 However, as a result of a priori verification by the present inventors, when the robot is legged at high speed, not only the moment about the pitch axis and the roll axis but also the yaw axis, that is, the Z axis It was also found that a moment was generated.
図6には、2足脚式移動ロボットの歩行速度[秒/歩]とヨー軸方向に発生するモーメントNmとの関係(例)を表している。同図からも判るように、脚式移動ロボットが1歩当りに要する時間が短くなる、すなわち歩行速度が増加するにつれて、ヨー軸モーメントは著しく増大していく。 FIG. 6 shows a relationship (example) between the walking speed [second / step] of the biped legged mobile robot and the moment Nm generated in the yaw axis direction. As can be seen from the figure, the time required for the legged mobile robot to take one step is shortened, that is, as the walking speed increases, the yaw moment increases significantly.
このようなヨー軸モーメントは、やがて機体を旋回させるような作用を及ぼし、ロボットの足底と路面間にヨー軸回りの滑りが生じ、これが歩行の安定性に大きく影響するなど、期待された脚式作業を安定且つ正確に実現する上で障害となる。さらに、このヨー軸モーメントの影響が甚だしくなると、ロボットを転倒へと導き、機体や衝突物の損壊という事態も招きかねない。 Such a yaw-axis moment will eventually cause the aircraft to turn, causing slippage around the yaw axis between the bottom of the robot and the road surface, which greatly affects the stability of walking. This is an obstacle to realizing the formula work stably and accurately. Furthermore, if the influence of the yaw axis moment becomes significant, it may lead to the robot falling over and the situation where the airframe and the collision object are damaged.
また、脚式移動ロボットは、一般に、左右の上肢、下肢、体幹など複数の部位グループで構成され、さまざまな関節自由度を備えているが、歩行などの運動時にロール、ピッチ、ヨーの各軸回りに機体に印加されるモーメント・エラーを打ち消すために、これら複数の部位をどのように協調動作させればよいか、不明である。 In addition, a legged mobile robot is generally composed of a plurality of part groups such as left and right upper limbs, lower limbs, and trunk, and has various degrees of freedom of joints. It is unclear how these multiple parts should be coordinated to cancel the moment error applied to the aircraft around the axis.
また、ZMPを安定度判別規範に用いたロボットの姿勢安定化制御は、足底接地点と路面の形成する支持多角形の内側にピッチ及びロール軸モーメントがゼロとなる点を探索するものであるが、ジャンプしたときや高台から飛び降りたときなど離床時においては、支持多角形そのものが存在しないため、支持多角形の内側にZMPを制御するという従来の手法が適用できないという問題もある。 In addition, robot posture stabilization control using ZMP as a stability criterion is to search for a point where the pitch and roll axis moment become zero inside the support polygon formed by the sole contact point and the road surface. However, since the support polygon itself does not exist at the time of getting off, such as when jumping or jumping off a hill, there is a problem that the conventional method of controlling the ZMP inside the support polygon cannot be applied.
本発明の目的は、機体上の部位毎の目標軌道を修正して未知外力モーメント及び未知外力を補償することができる、優れたロボット装置の動作制御装置及び動作制御方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an excellent robot apparatus motion control device, motion control method, and computer program capable of correcting an unknown external force moment and an unknown external force by correcting a target trajectory for each part on the airframe. There is to do.
本発明のさらなる目的は、機体を構成する各部位グループを協調的に動作させることにより、歩行などの運動時にロール、ピッチ、ヨーの各軸回りに機体に印加されるモーメント・エラーをそれぞれ好適に打ち消すことができる、優れたロボット装置の動作制御装置及び動作制御方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。 A further object of the present invention is to suitably operate a moment error applied to the aircraft around each of the roll, pitch, and yaw axes during exercise such as walking by operating each part group constituting the aircraft in a coordinated manner. An object of the present invention is to provide an excellent operation control device and operation control method for a robot apparatus and a computer program that can be canceled out.
本発明のさらなる目的は、ジャンプしたときや高台から飛び降りたときなど離床時においても、ロール、ピッチ、ヨーの各軸回りに機体に印加されるモーメント・エラーを好適に打ち消すことができる、優れたロボット装置の動作制御装置及び動作制御方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。 A further object of the present invention is that the moment error applied to the airframe around the roll, pitch, and yaw axes can be suitably canceled even when leaving the floor, such as when jumping or jumping off a hill. An object of the present invention is to provide an operation control apparatus and operation control method for a robot apparatus, and a computer program.
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第1の側面は、少なくとも複数の可動部を備えたロボット装置の動作制御装置又は動作制御方法であって、
各部位毎の軌道からなる所望の動作データを基に、前記ロボットの機体に印加される各モーメントの釣合い関係を記述したZMP釣合い方程式を生成するZMP釣合い方程式生成手段又はステップと、
前記ZMP釣合い方程式生成手段又はステップにより生成されたZMP釣合い方程式上で現れるモーメント・エラーを算出するモーメント・エラー算出手段又はステップと、
機体を複数の部位に分割し、該モーメント・エラーを打ち消すために目標(希望)軌道を修正する部位の優先順位を設定する優先順位設定手段又はステップと、
該設定された優先順位に従った順番で、各部位毎に目標(希望)軌道を修正してモーメント・エラーを補償する軌道修正手段又はステップと、
を具備することを特徴とするロボット装置の動作制御装置又は動作制御方法である。
The present invention has been made in consideration of the above problems, and a first aspect thereof is an operation control device or an operation control method for a robot apparatus including at least a plurality of movable parts,
ZMP balance equation generating means or step for generating a ZMP balance equation describing a balance relationship of each moment applied to the robot body based on desired motion data consisting of trajectories for each part;
A moment error calculation means or step for calculating a moment error appearing on the ZMP balance equation generated by the ZMP balance equation generation means or step;
A priority setting means or step for dividing the airframe into a plurality of parts and setting the priority of the part for correcting the target (desired) trajectory in order to cancel the moment error;
A trajectory correcting means or step for correcting a target (desired) trajectory for each part in order according to the set priority order to compensate for a moment error;
An operation control apparatus or an operation control method for a robot apparatus, comprising:
[従来の技術]欄でも説明したように、とりわけ2足歩行型の脚式移動ロボットにおいては、歩行速度の増加とともに機体に加わるヨー軸モーメントが著しく増大していく。このようなヨー軸モーメントは、機体の旋回や路面に対するヨー軸回りの滑り、さらにはバランスを失うことに伴う機体の転倒など、安定且つ正確な脚式作業を実現する上で障害となる。 As described in the “Prior Art” section, in particular, in a bipedal legged mobile robot, the yaw moment applied to the aircraft increases remarkably as the walking speed increases. Such a yaw-axis moment is an obstacle to realizing a stable and accurate leg work such as turning of the aircraft, slipping around the yaw axis with respect to the road surface, and falling of the aircraft due to loss of balance.
本発明の第1の側面に係るロボット装置の動作制御装置並びに動作制御方法によれば、下肢、体幹部、上肢の運動の組み合わせからなる機体の運動パターンを実行する際に設定ZMP上で機体に印加されるヨー軸モーメントなどのモーメント・エラーを、所定の優先順位に従った順番に従い各部位毎に目標(希望)軌道を修正することによって打ち消すことができる。 According to the motion control apparatus and the motion control method of the robot apparatus according to the first aspect of the present invention, when executing the motion pattern of the airframe composed of the motions of the lower limbs, the trunk, and the upper limbs, Moment errors such as the applied yaw moment can be canceled by correcting the target (desired) trajectory for each part according to a sequence according to a predetermined priority.
また、本発明によれば、機体を構成する各部位グループを協調的に動作させることにより、歩行などの運動時にロール、ピッチ、ヨーの各軸回りに機体に印加されるモーメント・エラーを好適に打ち消すことができる。例えば、下肢や体幹部による脚式作業を継続しつつ、上肢の運動によって歩行やその他の脚式作業時における安定性を維持することができる。 In addition, according to the present invention, the moment error applied to the aircraft around the roll, pitch, and yaw axes during movement such as walking can be suitably performed by cooperatively operating each part group constituting the aircraft. Can be countered. For example, stability during walking or other legged work can be maintained by movement of the upper limb while continuing legged work by the lower limbs or trunk.
上肢の運動は、より具体的には、肩関節や肘関節の駆動を利用した運動である。勿論、左右の各上肢は一般的には逆位相の動きであるが、本発明を実現する上で特にこれに限定する必要はない。 More specifically, the movement of the upper limb is a movement using driving of a shoulder joint and an elbow joint. Of course, the left and right upper limbs generally move in opposite phases, but it is not necessary to limit to this in order to realize the present invention.
一般的な直立2足歩行型のロボットの機体設計によれば、体幹部(例えば体幹ヨー軸)よりも肩関節や肘関節の方が広い可動角を持つので、このような上肢の運動により、機体のヨー軸モーメントを効率的且つ高精度に打ち消して、高度な姿勢安定性を実現することができる。 According to the body design of a general upright biped robot, the shoulder joints and elbow joints have a wider movable angle than the trunk (eg trunk yaw axis). It is possible to achieve high attitude stability by canceling the yaw moment of the aircraft efficiently and with high accuracy.
また、このような上肢運動は、ロボットの上半身の動作を表現力豊かに見せるといった演出効果がある。 Further, such an upper limb movement has an effect of showing the motion of the upper body of the robot with rich expressive power.
ここで、前記優先順位設定手段又はステップは、質量操作量若しくはモーメント操作量の大きさの順に各部位に目標(希望)軌道修正のための優先順位を与えるようにしてもよい。 Here, the priority order setting means or step may give priority for correcting the target (desired) trajectory to each part in the order of the mass operation amount or the moment operation amount.
あるいは、前記優先順位設定手段又はステップは、あらかじめ立案されている行動計画を参照して各部位に希望軌道修正又は達成のための優先順位を与えるようにしてもよい。例えば、歩行を始めとする脚式動作を行なっているときには下肢の軌道を修正することはできないので、下肢により低い(希望軌道を修正する優先度の場合)若しくはより高い(希望軌道を修正しない優先度の場合)優先順位を与える。また、物をつかむ手は軌道を修正できないので、より低い若しくはより高い優先順位を与える。また、狭い通路を横向きで歩いている場合には、腰の軌道を修正すると壁に衝突する可能性が高いので、より低い若しくはより高い優先順位を与える。 Alternatively, the priority order setting means or step may refer to a predetermined action plan and give a priority order for correcting or achieving a desired trajectory to each part. For example, the leg trajectory cannot be corrected when a legged motion such as walking is performed, so it is lower (in the case of priority to correct the desired trajectory) or higher (priority without correcting the desired trajectory). If degree) give priority. Also, a hand grabbing an object cannot correct the trajectory and therefore gives a lower or higher priority. Further, when walking in a narrow passage sideways, if the waist trajectory is corrected, there is a high possibility of colliding with the wall, so a lower or higher priority is given.
また、前記ZMP釣合い方程式生成手段又はステップはピッチ、ロール、ヨーの各軸毎にZMP方程式を導出し、前記軌道修正手段又はステップは各部位の目標(希望)軌道をピッチ、ロール、ヨーの各軸毎に修正してモーメント・エラーを補償するようにしてもよい。 The ZMP balance equation generating means or step derives a ZMP equation for each of the pitch, roll, and yaw axes, and the trajectory correcting means or step determines the target (desired) trajectory of each part for each of the pitch, roll, and yaw. It may be corrected for each axis to compensate for the moment error.
また、機体がジャンプしたときや高台から飛び降りたときなど離床時においては、支持多角形そのものが存在しないため、支持多角形の内側にZMPを制御するという従来の手法が適用できないという問題もある。本発明によれば、離床時など支持多角形の内側にZMPがない場合や、外界に対する支持作用点が存在しない場合は、ZMP方程式に代えて、運動方程式を解く必要がある。このため、前記脚式移動ロボットの両脚離床時において、機体の並進及び/又は回転に関する重心運動を設定する重心運動設定手段又はステップをさらに備えてもよい。 In addition, there is a problem that the conventional method of controlling the ZMP inside the support polygon cannot be applied because the support polygon itself does not exist at the time of getting off, such as when the aircraft jumps or jumps off the hill. According to the present invention, it is necessary to solve the equation of motion instead of the ZMP equation when there is no ZMP inside the support polygon, such as when leaving the bed, or when there is no support action point for the outside world. For this reason, it is possible to further include a center-of-gravity motion setting means or step for setting a center-of-gravity motion related to translation and / or rotation of the airframe when the legs of the legged mobile robot are getting out of bed.
このような場合、前記モーメント・エラー算出手段は、ZMP釣合い方程式上で現れるモーメント・エラーに加えて目標重心における力補償量を算出し、前記優先順位設定手段は、モーメント・エラー及び力補償量を打ち消すために目標(希望)軌道を修正する部位の優先順位を設定し、前記軌道修正手段は、該設定された優先順位に従った順番で、各部位毎に目標軌道を修正してモーメント・エラー及び力補償量を補償するようにすればよい。 In such a case, the moment error calculating means calculates a force compensation amount at the target center of gravity in addition to the moment error appearing on the ZMP balance equation, and the priority setting means calculates the moment error and the force compensation amount. In order to cancel, a priority order of parts for correcting the target (desired) trajectory is set, and the trajectory correcting means corrects the target trajectory for each part in the order according to the set priority order, thereby generating a moment error. The force compensation amount may be compensated.
また、本発明の第2の側面は、少なくとも複数の可動部を備えたロボット装置のための動作制御をコンピュータ・システム上で処理するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、
各部位毎の軌道からなる所望の動作データを基に、前記ロボットの機体に印加される各モーメントの釣合い関係を記述したZMP釣合い方程式を生成するZMP釣合い方程式生成ステップと、
前記ZMP釣合い方程式生成ステップにより生成されたZMP釣合い方程式上で現れるモーメント・エラーを算出するモーメント・エラー算出ステップと、
機体を複数の部位に分割し、該モーメント・エラーを打ち消すために目標(希望)軌道を修正する部位の優先順位を設定する優先順位設定ステップと、
該設定された優先順位に従った順番で、各部位毎に目標(希望)軌道を修正してモーメント・エラーを補償する軌道修正ステップと、
を具備することを特徴とするコンピュータ・プログラムである。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a computer program written in a computer-readable format so as to process operation control for a robot apparatus having at least a plurality of movable parts on a computer system.
A ZMP balance equation generation step for generating a ZMP balance equation describing a balance relationship of each moment applied to the body of the robot based on desired motion data consisting of trajectories for each part;
A moment error calculation step for calculating a moment error appearing on the ZMP balance equation generated by the ZMP balance equation generation step;
A priority order setting step for setting the priority order of parts for dividing the airframe into a plurality of parts and correcting the target (desired) trajectory in order to cancel the moment error;
A trajectory correcting step for correcting a target (desired) trajectory for each part in order according to the set priority order to compensate for a moment error;
A computer program characterized by comprising:
本発明の第2の側面に係るコンピュータ・プログラムは、コンピュータ・システム上で所定の処理を実現するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムを定義したものである。換言すれば、本発明の第2の側面に係るコンピュータ・プログラムをコンピュータ・システムにインストールすることによって、コンピュータ・システム上では協働的作用が発揮され、本発明の第1の側面に係るロボット装置の動作制御装置又は動作制御方法と同様の作用効果を得ることができる。 The computer program according to the second aspect of the present invention defines a computer program described in a computer-readable format so as to realize predetermined processing on a computer system. In other words, by installing the computer program according to the second aspect of the present invention in the computer system, a cooperative action is exhibited on the computer system, and the robot apparatus according to the first aspect of the present invention. The same effects as those of the motion control apparatus or motion control method can be obtained.
本発明によれば、機体上の部位毎の目標軌道を修正して未知外力モーメント及び未知外力を補償することができる、優れたロボット装置の動作制御装置及び動作制御方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an excellent operation control device and operation control method for a robot apparatus, and a computer program capable of correcting an unknown external force moment and an unknown external force by correcting a target trajectory for each part on the airframe. can do.
また、本発明によれば、機体を構成する各部位グループを協調的に動作させることにより、歩行などの運動時にロール、ピッチ、ヨーの各軸回りに機体に印加されるモーメント・エラーをそれぞれ好適に打ち消すことができる、優れたロボット装置の動作制御装置及び動作制御方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。 Further, according to the present invention, the moment error applied to the airframe around each of the roll, pitch, and yaw axes at the time of exercise such as walking can be suitably performed by operating each part group constituting the airframe in a coordinated manner. Therefore, it is possible to provide an excellent motion control apparatus and control method for a robot apparatus, and a computer program.
また、本発明によれば、ジャンプしたときや高台から飛び降りたときなど離床時においても、ロール、ピッチ、ヨーの各軸回りに機体に印加されるモーメント・エラーを好適に打ち消すことができる、優れたロボット装置の動作制御装置及び動作制御方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。 In addition, according to the present invention, it is possible to suitably cancel the moment error applied to the airframe around each axis of roll, pitch, and yaw even when leaving the floor such as when jumping or jumping off a hill. It is possible to provide an operation control apparatus and operation control method for a robot apparatus, and a computer program.
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。 Other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from more detailed description based on embodiments of the present invention described later and the accompanying drawings.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1には、本発明の実施に供される脚式移動ロボットの自由度構成を模式的に示している。 FIG. 1 schematically shows a configuration of the degree of freedom of a legged mobile robot that is used to implement the present invention.
同図に示すロボットは、二脚二腕を有する人間型ロボットである。本ロボットは、機体に四肢が取り付けられ、肩関節ピッチ軸、肩関節ロール軸、上腕ヨー軸、肘関節ピッチ軸、前腕ヨー軸、手首ロール軸、手首ピッチ軸という7自由度からなる左右の腕部と、股関節ヨー軸、股関節ロール軸、股関節ピッチ軸、膝ピッチ軸、足首ピッチ軸、足首ロール軸という6自由度からなる左右の脚部で構成されている。 The robot shown in the figure is a humanoid robot having two legs and two arms. This robot has limbs attached to the airframe, and the left and right arms have 7 degrees of freedom: shoulder joint pitch axis, shoulder joint roll axis, upper arm yaw axis, elbow joint pitch axis, forearm yaw axis, wrist roll axis, wrist pitch axis. And left and right leg portions having six degrees of freedom, that is, a hip joint yaw axis, a hip joint roll axis, a hip joint pitch axis, a knee pitch axis, an ankle pitch axis, and an ankle roll axis.
これらの各関節自由度は、実際にはアクチュエータ・モータにより実現される。本実施形態では、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ACサーボ・アクチュエータを搭載する。なお、 この種のACサーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願人に既に譲渡されている特開2000−299970号公報(特願平11−33386号明細書)に開示されている。 Each of these joint degrees of freedom is actually realized by an actuator / motor. In the present embodiment, a small AC servo actuator of a gear direct connection type and a servo control system integrated into one chip and built in a motor unit is mounted. This type of AC servo actuator is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-299970 (Japanese Patent Application No. 11-33386) already assigned to the present applicant.
本実施形態に係る脚式移動ロボットは、ZMP(Zero Moment Point)を歩行の安定度判別の規範として用いている。ZMPによる安定度判別規範は、系が適切なZMP空間を形成し、支持多角形の内側にZMPがある場合は、系に回転運動や並進運動が発生せず、回転や並進に関する運動方程式を解く必要がない。但し、支持多角形の内側にZMPがない場合や、外界に対する支持作用点が存在しない場合は、ZMP方程式に代えて、運動方程式を解く必要がある(後述)。 The legged mobile robot according to the present embodiment uses ZMP (Zero Moment Point) as a standard for determining the stability of walking. The stability criterion for ZMP is that the system forms an appropriate ZMP space, and if there is ZMP inside the support polygon, the system does not generate rotational or translational motion, and solves the equations of motion related to rotation and translation. There is no need. However, when there is no ZMP inside the support polygon or when there is no support action point for the outside world, it is necessary to solve the equation of motion instead of the ZMP equation (described later).
図2には、脚式移動ロボット100の制御システム構成を模式的に示している。同図に示すように、脚式移動ロボット100は、ヒトの四肢を表現した各機構ユニット30、40、50R/L、60R/Lと、各機構ユニット間の協調動作を実現するための適応制御を行なう制御ユニット80とで構成される(但し、R及びLの各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下同様)。 FIG. 2 schematically shows a control system configuration of the legged mobile robot 100. As shown in the figure, the legged mobile robot 100 includes each of the mechanism units 30, 40, 50R / L, 60R / L representing human limbs, and adaptive control for realizing a cooperative operation between the mechanism units. (Where R and L are suffixes indicating right and left, respectively, and so on).
脚式移動ロボット100全体の動作は、制御ユニット80によって統括的に制御される。制御ユニット80は、CPU(Central Processing Unit)やメモリなどの主要回路コンポーネント(図示しない)で構成される主制御部81と、電源回路やロボット100の各構成要素とのデータやコマンドの授受を行なうインターフェース(いずれも図示しない)などを含んだ周辺回路82とで構成される。
The entire operation of the legged mobile robot 100 is controlled by the control unit 80 in an integrated manner. The control unit 80 exchanges data and commands between a
本発明を実現する上で、この制御ユニット80の設置場所は特に限定されない。図2では体幹部ユニット40に搭載されているが、頭部ユニット30に搭載してもよい。あるいは、脚式移動ロボット100外に制御ユニット80を配備して、脚式移動ロボット100の機体とは有線若しくは無線で交信するようにしてもよい。 In realizing the present invention, the installation location of the control unit 80 is not particularly limited. Although it is mounted on the trunk unit 40 in FIG. 2, it may be mounted on the head unit 30. Alternatively, the control unit 80 may be provided outside the legged mobile robot 100 so as to communicate with the body of the legged mobile robot 100 by wire or wirelessly.
図1に示した脚式移動ロボット100内の各関節自由度は、それぞれに対応するアクチュエータ・モータMによって実現される。すなわち、頭部ユニット30には、首関節ヨー軸、第1及び第2の首関節ピッチ軸、首関節ロール軸の各々を表現する首関節ヨー軸アクチュエータM1、首関節ピッチ軸アクチュエータM2A及びM2B、首関節ロール軸アクチュエータM3が配設されている。 The degree of freedom of each joint in the legged mobile robot 100 shown in FIG. 1 is realized by the corresponding actuator / motor M. That is, the head unit 30 includes a neck joint yaw axis actuator M 1 , a neck joint pitch axis actuator M 2A representing the neck joint yaw axis, the first and second neck joint pitch axes, and the neck joint roll axis. M 2B and a neck joint roll shaft actuator M 3 are disposed.
また、体幹部ユニット40には、体幹ピッチ軸、体幹ロール軸の各々を表現する体幹ピッチ軸アクチュエータM11、体幹ロール軸アクチュエータM12が配備されている。 The trunk unit 40 is provided with a trunk pitch axis actuator M 11 and a trunk roll axis actuator M 12 representing the trunk pitch axis and trunk roll axis.
また、腕部ユニット50R/Lは、上腕ユニット51R/Lと、肘関節ユニット52R/Lと、前腕ユニット53R/Lに細分化されるが、肩関節ピッチ軸、肩関節ロール軸、上腕ヨー軸、肘関節ピッチ軸、肘関節ヨー軸、手首ロール軸、手首関節ピッチ軸の各々を表現する肩関節ピッチ軸アクチュエータM4、肩関節ロール軸アクチュエータM5、上腕ヨー軸アクチュエータM6、肘関節ピッチ軸アクチュエータM7、肘関節ヨー軸アクチュエータM8、手首関節ロール軸アクチュエータM9、手首関節ピッチ軸アクチュエータM10がそれぞれ配備されている。 Further, the arm unit 50R / L is subdivided into an upper arm unit 51R / L, an elbow joint unit 52R / L, and a forearm unit 53R / L, but the shoulder joint pitch axis, shoulder joint roll axis, upper arm yaw axis , Elbow joint pitch axis, elbow joint yaw axis, wrist roll axis, shoulder joint pitch axis actuator M 4 representing the wrist joint pitch axis, shoulder joint roll axis actuator M 5 , upper arm yaw axis actuator M 6 , elbow joint pitch An axis actuator M 7 , an elbow joint yaw axis actuator M 8 , a wrist joint roll axis actuator M 9 , and a wrist joint pitch axis actuator M 10 are provided.
また、脚部ユニット60R/Lは、大腿部ユニット61R/Lと、膝ユニット62R/Lと、脛部ユニット63R/Lに細分化されるが、股関節ヨー軸、股関節ピッチ軸、股関節ロール軸、膝関節ピッチ軸、足首関節ピッチ軸、足首関節ロール軸の各々を表現する股関節ヨー軸アクチュエータM13、股関節ピッチ軸アクチュエータM14、股関節ロール軸アクチュエータM15、膝関節ピッチ軸アクチュエータM16、足首関節ピッチ軸アクチュエータM17、足首関節ロール軸アクチュエータM18が配備されている。
The
各関節に用いられるアクチュエータM1、M2、M3…は、より好ましくは、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニット内に搭載したタイプの小型ACサーボ・アクチュエータ(前述)で構成することができる。 The actuators M 1 , M 2 , M 3 ... Used for each joint are more preferably a small AC servo actuator of the type directly mounted on a gear and mounted in a motor unit with a servo control system integrated into a single chip. ).
頭部ユニット30、体幹部ユニット40、腕部ユニット50、各脚部ユニット60などの機構ユニット毎に、アクチュエータ駆動制御用の副制御部35、45、55、65が配備されている。
For each mechanism unit such as the head unit 30, trunk unit 40, arm unit 50, and leg unit 60,
機体の体幹部40には、加速度センサA1と、ジャイロ・センサなどからなる姿勢センサG1が配設されている。加速度センサA1は、例えばX、Y、Z各軸方向に配置する。機体の腰部に加速度センサA1を配設することによって、質量操作量が大きな部位である腰部を制御目標点として設定して、その位置における姿勢や加速度を直接計測して、ZMPに基づく姿勢安定化制御を行なうことができる。 The body trunk 40 is provided with an acceleration sensor A1 and a posture sensor G1 including a gyro sensor and the like. The acceleration sensor A1 is disposed in each of the X, Y, and Z axis directions, for example. By locating the acceleration sensor A1 on the lumbar part of the body, the lumbar part, where the mass manipulated variable is large, is set as the control target point, and the posture and acceleration at that position are directly measured, and the posture stabilization based on ZMP Control can be performed.
また、各脚部60R、Lには、床反力センサF1〜F4、F5〜F8と、加速度センサA2及びA3、姿勢センサG2及びG3がそれぞれ配設されている。床反力センサF1〜F8は、例えば足底に圧力センサを装着することにより構成され、床反力の有無により足底が着床したか否かを検出することができる。また、加速度センサA2及びA3は、少なくともX及びYの各軸方向に配置する。左右の足部に加速度センサA2及びA3を配設することにより、ZMP位置に最も近い足部で直接ZMP釣合い方程式を組み立てることができる。
In addition, floor reaction force sensors F1 to F4 and F5 to F8, acceleration sensors A2 and A3, and attitude sensors G2 and G3 are disposed on the
質量操作量が大きな部位である腰部にのみ加速度センサを配置した場合、腰部のみが制御目標点に設定され、足部の状態は、この制御目標点の計算結果を基に相対的に算出しなければならず、足部と路面との間では以下の条件を満たすことが、前提となってしまう。 When an acceleration sensor is placed only on the waist where the mass manipulated variable is large, only the waist is set as the control target point, and the foot state must be relatively calculated based on the calculation result of this control target point. It is necessary to satisfy the following conditions between the foot and the road surface.
(1)路面はどんな力やトルクが作用しても動くことがない。
(2)路面での並進に対する摩擦係数は充分に大きく、滑りが生じない。
(1) The road surface does not move no matter what force or torque is applied.
(2) The friction coefficient with respect to translation on the road surface is sufficiently large, and no slip occurs.
これに対し、本実施形態では、路面との接触部位である足部にZMPと力を直接する反力センサ・システム(床反力センサなど)を配備するとともに、制御に用いるローカル座標とその座標を直接的に計測するための加速度センサを配設する。この結果、ZMP位置に最も近い足部で直接的にZMP釣合い方程式を組み立てることができる。したがって、より厳密な姿勢安定化制御を高速で実現することができる。この結果、力やトルクが作用すると路面が動いてしまう砂利上や毛足の長い絨毯上や、並進の摩擦係数が充分に確保できずに滑りが生じ易い住居のタイルなどであっても、機体の安定歩行(運動)を保証することができる。 On the other hand, in the present embodiment, a reaction force sensor system (such as a floor reaction force sensor) that directly applies a force to the ZMP is provided on the foot that is a contact portion with the road surface, and the local coordinates used for the control and the coordinates thereof An acceleration sensor for directly measuring is provided. As a result, the ZMP balance equation can be assembled directly at the foot closest to the ZMP position. Therefore, more rigorous posture stabilization control can be realized at high speed. As a result, the fuselage can be used on gravel or on carpets with long bristle feet that cause the surface to move when force or torque is applied, or on residential tiles that are prone to slip due to insufficient translational friction coefficient. Can guarantee stable walking (movement).
主制御部80は、各センサA1〜A3、G1〜G3、F1〜F8の出力に応答して制御目標をダイナミックに補正することができる。より具体的には、副制御部35、45、55、65の各々に対して適応的な制御を行ない、脚式移動ロボット100の上肢、体幹、及び下肢が協調して駆動する全身運動パターンを実現する。
The main control unit 80 can dynamically correct the control target in response to the outputs of the sensors A1 to A3, G1 to G3, and F1 to F8. More specifically, the whole body movement pattern in which each of the
ロボット100の機体上での全身運動は、足部運動、ZMP軌道、体幹運動、上肢運動、腰部高さなどを設定するとともに、これらの設定内容に従った動作を指示するコマンドを各副制御部35、45、55、65に転送する。そして、各々の副制御部35、45…では、主制御部81からの受信コマンドを解釈して、各アクチュエータM1、M2、M3…に対して駆動制御信号を出力する。ここで言う「ZMP」とは、歩行中の床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点のことであり、また、「ZMP軌道」とは、例えばロボット100の歩行動作期間中にZMPが動く軌跡を意味する。
The whole body movement on the body of the robot 100 sets the foot movement, the ZMP trajectory, the trunk movement, the upper limb movement, the waist height, and the like, and commands for instructing the movement in accordance with these setting contents. Forward to the
次いで、本実施例に係る脚式移動ロボット100における、脚式作業時すなわち足部、腰、体幹、下肢運動などからなる全身協調運動パターンの実行時における姿勢の安定化処理の手順について説明する。 Next, a description will be given of the procedure of the posture stabilization process in the legged mobile robot 100 according to the present embodiment at the time of legged work, that is, at the time of executing the whole body cooperative movement pattern including the foot, waist, trunk, lower limb movement, etc. .
本実施形態に係る脚式移動ロボットは、ZMPを歩行の安定度判別の規範として用いている。ZMPによる安定度判別規範は、系が適切なZMP空間を形成し、支持多角形の内側にZMPがある場合は、系に回転運動や並進運動が発生せず、回転や並進に関する運動方程式を解く必要がない。これに対し、支持多角形の内側にZMPがない場合や、外界に対する支持作用点が存在しない場合は、ZMP方程式に代えて、運動方程式を解く必要がある。例えば、ジャンプしたときや高台から飛び降りたときなど離床時には支持多角形が存在しないので、本実施形態では、ZMP方程式に代えて運動方程式を解くようにしている(後述)。 The legged mobile robot according to the present embodiment uses ZMP as a norm for determining the stability of walking. The stability criterion for ZMP is that the system forms an appropriate ZMP space, and if there is ZMP inside the support polygon, the system does not generate rotational or translational motion, and solves the equations of motion related to rotation and translation. There is no need. On the other hand, when there is no ZMP inside the support polygon or when there is no support action point for the outside world, it is necessary to solve the equation of motion instead of the ZMP equation. For example, since a support polygon does not exist at the time of getting off, such as when jumping or jumping off a hill, in this embodiment, the equation of motion is solved instead of the ZMP equation (described later).
機体のZMP方程式は、目標ZMP上での各モーメントの釣合い関係を記述したものである。機体を多数の質点miで表わし、これらを制御目標点とした場合、すべての制御目標点miにおいて発生する目標ZMP上でのモーメントの総和がゼロとなる各制御点の軌道を求める式がZMP釣合い方程式である。 The airframe ZMP equation describes the balance of moments on the target ZMP. Represents aircraft in a number of mass points m i, when the these control target point, the formula for obtaining the orbit of each control point total is zero moment in all of the control target point on the target ZMP generated in m i It is a ZMP balance equation.
世界座標系(O−XYZ)で記述された機体のZMP釣合い方程式、並びに機体のローカル座標系(O−X’Y’Z’)で記述された機体のZMP釣合い方程式はそれぞれ以下の通りとなる。 The ZMP balance equation of the aircraft described in the world coordinate system (O-XYZ) and the ZMP balance equation of the aircraft described in the local coordinate system of the aircraft (O-X'Y'Z ') are as follows. .
上記の各式は、各質点(又は制御目標点)miにおいて印加された加速度成分により生成されるZMP回り(半径ri−Pzmp)のモーメントの総和と、印加されたj番目の外力モーメントMjの総和と、外力Fkにより生成されるZMP回り(k番目の外力Fkの作用点をSkとする)のモーメントの総和が釣り合うということを記述している。 Each of the above formulas represents the sum of moments around the ZMP (radius r i −P zmp ) generated by the acceleration component applied at each mass point (or control target point) m i and the applied j-th external force moment. the sum of M j, describes that the sum of the moments of ZMP around produced by an external force F k (a point of action of k-th external force F k and S k) is balanced.
このZMP釣合い方程式は、目標ZMPにおける床反力モーメント(モーメント・エラー成分)Tを含んでいる。このモーメント・エラーをゼロ又は所定の許容範囲内に抑えることによって、機体の姿勢安定性が維持される。言い換えれば、モーメント・エラーをゼロ又は許容値以下となるように機体運動(足部運動や上半身の各部位の軌道など)を修正することが、ZMPを安定度判別規範とした姿勢安定化制御の本質である。 This ZMP balance equation includes a floor reaction force moment (moment error component) T in the target ZMP. By suppressing this moment error to zero or within a predetermined allowable range, the attitude stability of the aircraft is maintained. In other words, correcting body movements (such as foot movements and trajectories of each part of the upper body) so that the moment error is zero or less than the allowable value is a means of posture stabilization control using ZMP as a stability criterion. It is the essence.
本実施形態では、路面との接触部位である足部足底に加速度センサを設けていることから、世界座標系に対する実ロボットのローカル座標系を設定し、その原点としての足部足底を求め、ZMP釣合い方程式を直接的に導き出すことができる。さらに、腰部を始めとして質量操作量が大きな制御目標点にも加速度センサを配置することで、これら制御目標点毎のZMP回りのモーメント量を、加速度センサ出力値を用いて直接的に導き出すことができる。 In this embodiment, since the acceleration sensor is provided on the foot sole that is a contact portion with the road surface, the local coordinate system of the real robot is set with respect to the world coordinate system, and the foot foot sole as the origin is obtained. The ZMP balance equation can be directly derived. Furthermore, by locating acceleration sensors at control target points where the mass manipulated variable is large including the waist, the moment amount around the ZMP for each control target point can be derived directly using the acceleration sensor output value. it can.
ここで、制御対象としての実ロボットは移動体装置であることから、各制御目標点における世界座標上の位置ベクトルを求めることは難しい。その代案として、ローカル座標上における制御目標点の位置ベクトルは、逆キネマティクス演算など比較的容易な計算方法により求まる。そこで、機体のローカル座標系(O−X’Y’Z’)で記述された後者のZMP釣合い方程式を用いて実際の姿勢安定化処理を行なうようにすればよい。(ZMP軌道を正確に世界座標系で計測することがロボットに搭載された状態検出器では困難であることから、一般には、世界座標系に固定された外部計測器が必要となり、ロボット単体での行動(歩行など)が不可能となる。これに対し、接地部に加重センサを配置してZMP軌道を計測することにより、ローカル座標でZMP軌道を正確且つ直接的に得ることができる。且つ、ローカル座標原点付近に加速度センサを配置することにより、高速運動において支配的となる情報を直接的に計測することができる。このような理由により、本実施形態では、ローカル座標系でのZMP釣合い方程式を用いている。) Here, since a real robot as a control target is a mobile device, it is difficult to obtain a position vector on the world coordinates at each control target point. As an alternative, the position vector of the control target point on the local coordinates can be obtained by a relatively easy calculation method such as inverse kinematics calculation. Therefore, the actual posture stabilization processing may be performed using the latter ZMP balance equation described in the local coordinate system (O-X′Y′Z ′) of the aircraft. (Since it is difficult to accurately measure the ZMP trajectory in the world coordinate system with the state detector mounted on the robot, an external measuring instrument fixed to the world coordinate system is generally required. On the other hand, a ZMP trajectory can be obtained accurately and directly in local coordinates by measuring the ZMP trajectory by placing a weighted sensor on the ground contact portion, such as walking (walking, etc.). By disposing the acceleration sensor near the local coordinate origin, it is possible to directly measure information that is dominant in high-speed motion.For this reason, in this embodiment, the ZMP balance equation in the local coordinate system is used. Is used.)
次いで、本実施形態に係る脚式移動ロボット100における姿勢安定化処理、すなわち腰、体幹、下肢などの運動により発生するモーメントをキャンセルする全身協調運動パターンの生成処理の手順について説明する。本実施形態では、脚式移動ロボット100の機体を複数の部位に分割し、各部位に軌道修正の優先順位を与え、部位毎の目標(希望)軌道の修正を行なうことによりモーメント・エラーをキャンセルすることに第1の特徴がある。 Next, a procedure of posture stabilization processing in the legged mobile robot 100 according to the present embodiment, that is, generation processing of a whole body cooperative motion pattern for canceling a moment generated by motion of the waist, trunk, lower limbs, etc. will be described. In this embodiment, the body of the legged mobile robot 100 is divided into a plurality of parts, the priority of trajectory correction is given to each part, and the moment (error) is canceled by correcting the target (desired) trajectory for each part. There is a first feature.
図3には、機体の全身運動パターンを安定化処理するための手順の一例をフローチャートの形式で示している。 FIG. 3 shows an example of a procedure for stabilizing the whole body movement pattern of the aircraft in the form of a flowchart.
まず、足部などの接地部位における運動の設定を行なう(ステップS1)。足部運動は、2以上の機体のポーズを時系列的に連結されてなるモーション・データである。モーション・データは、例えば、モーション編集装置などを利用してあらかじめ作成・編集されたデータであり、足部の各関節角の変位を表わした関節空間情報と、関節位置を表わしたデカルト空間情報で構成される。 First, exercise is set at a ground contact portion such as a foot (step S1). The foot movement is motion data obtained by connecting two or more poses of the aircraft in time series. The motion data is data created and edited in advance using a motion editing device, for example, and includes joint space information representing the displacement of each joint angle of the foot and Cartesian space information representing the joint position. Composed.
次いで、設定された足部などの接地部位における運動を基にZMP安定領域を算出する(ステップS2)。あるいは、部位グループ毎に設定された優先順位付きの希望軌道(ステップS14:後述)を基に、ZMP安定領域を算出する。なお、床運動や逆立ち運動など、ロボットが路面と接地する点が足底でない場合には、足底以外の接地点と路面とが形成する支持多角形に基づいてZMP安定領域を算出する。 Next, the ZMP stable region is calculated based on the set motion on the ground contact part such as the foot (step S2). Alternatively, the ZMP stable region is calculated based on the desired trajectory with priority set for each part group (step S14: described later). If the point where the robot contacts the road surface, such as floor motion or handstand motion, is not the sole, the ZMP stable region is calculated based on the support polygon formed by the ground contact point other than the sole and the road surface.
ZMPは、機体に印加されるモーメントがゼロとなる点であり(前述)、基本的には足底接地点と路面の形成する支持多角形の内側に存在する。ZMP安定領域は、この支持多角形のさらに内側に設定された領域であり、該領域にZMPを収容させることによって機体を高度に安定した状態にすることができる。 ZMP is a point at which the moment applied to the aircraft becomes zero (as described above), and basically exists inside the support polygon formed by the ground contact point and the road surface. The ZMP stable region is a region set further inside the support polygon, and the aircraft can be brought into a highly stable state by accommodating the ZMP in the region.
そして、足部運動とZMP安定領域を基に、足部運動中におけるZMP軌道を設定する(ステップS3)。但し、床運動や逆立ち運動など、ロボットが路面と接地する点が足底でない場合には、足底以外の接地点と路面とが形成する支持多角形に基づいてZMP軌道を設定する。 Then, a ZMP trajectory during the foot movement is set based on the foot movement and the ZMP stable region (step S3). However, when the point where the robot touches the road surface, such as floor motion or handstand motion, is not the sole, the ZMP trajectory is set based on the support polygon formed by the grounding point other than the sole and the road surface.
また、機体の各部位については、腰部、体幹部、上肢、頭部などのようにグループ設定する(ステップS11)。 In addition, each part of the aircraft is set as a group such as a waist, a trunk, an upper limb, and a head (step S11).
図7には、機体の部位グループを設定した例を示している。同図に示す例では、腰部、体幹部、右腕部、頭部、左腕部、左脚部、右脚部の順に1〜7部の各部位グループが設定されている。各部位グループは、複数の質点で構成されている。質点の設定方法は、設計者のマニュアル入力であっても、所定の規則に従った自動生成のいずれであっても構わない(例えば、関節アクチュエータなど、質量操作量の大きな箇所が質点として設定される)。i番目の部位の質点の数をniとすると、i番目の部位グループ(i部)の総質量miは下式の通りとなる。 FIG. 7 shows an example in which a body part group is set. In the example shown in the figure, each part group of 1 to 7 parts is set in the order of waist, trunk, right arm, head, left arm, left leg, and right leg. Each part group is composed of a plurality of mass points. The mass point setting method may be either manual input by the designer or automatically generated according to a predetermined rule (for example, a part having a large mass manipulated variable such as a joint actuator is set as the mass point). ) When the number of mass points of the i-th part is n i , the total mass m i of the i-th part group (part i) is expressed by the following equation.
そして、各部位グループ毎に希望軌道を設定する(ステップS12)。機体の各部位グループについての希望軌道の設定は、例えばモーション編集装置を利用してオフラインで行なわれる。 Then, a desired trajectory is set for each part group (step S12). The setting of the desired trajectory for each part group of the airframe is performed offline using, for example, a motion editing device.
次いで、各部位のグループ設定の調整(再グルーピング)を行ない(ステップS13)、さらにこれらグループに対して優先順位を与える(ステップS14)。ここで言う優先順位とは、機体の姿勢安定制御のため処理演算に投入する順位のことであり、例えば質量操作量若しくはモーメント操作量に応じて割り振られる。この結果、機体の各部位についての優先順位付き希望軌道群が出来上がる。なお、このときに、各部位の接続条件(ローカル座標接続、特定部位の世界座標位置固定接続、特定部位の世界座標姿勢接続など)も設定する。また、優先順位は、時間tにおいて変化させるようにしてもよい。 Next, the group setting of each part is adjusted (regrouping) (step S13), and priority is given to these groups (step S14). The priority order mentioned here is the order of input to the processing calculation for the attitude stability control of the aircraft, and is assigned according to, for example, the mass operation amount or the moment operation amount. As a result, a desired trajectory group with priority for each part of the aircraft is completed. At this time, connection conditions for each part (local coordinate connection, world coordinate position fixed connection for a specific part, world coordinate posture connection for a specific part, etc.) are also set. The priority order may be changed at time t.
また、各部位についての優先順位は、質量操作量若しくはモーメント操作量以外に、あらかじめ立案されている行動計画を参照して決定される。例えば、歩行を始めとする脚式動作を行なっているときには接地している足部の軌道を修正することはできないので、接地している足部により低い優先順位を与える。また、物をつかむ手は軌道を修正できないので、より低い優先順位を与える。また、狭い通路を横向きで歩いている場合には、腰の軌道を修正すると壁に衝突する可能性が高いので、より低い優先順位を与える。 In addition to the mass operation amount or the moment operation amount, the priority order for each part is determined with reference to a previously planned action plan. For example, since a trajectory of a grounded foot cannot be corrected when a legged motion such as walking is performed, a lower priority is given to the grounded foot. Also, a hand grabbing an object cannot give a lower priority because it cannot correct the trajectory. Also, when walking in a narrow passage sideways, a lower priority is given because the possibility of a collision with the wall is high if the waist trajectory is corrected.
また、機体の各部位グループ毎に、モーメント補償に利用できる質量を算出しておく(ステップS15)。図7に示した例では、右脚が支持脚となり右足部にZMP位置PZMPが存在することから、各部位グループにおいてモーメント補償に利用できる質量Miは以下の通りとなる。 Further, a mass that can be used for moment compensation is calculated for each part group of the machine body (step S15). In the example shown in FIG. 7, since the right leg is the support leg and the ZMP position P ZMP exists in the right foot, the mass M i that can be used for moment compensation in each part group is as follows.
1部すなわち腰部は、腰部自体の他、支持している体幹部、右腕部、頭部、左腕部をモーメント補償に利用することができる。また、2部すなわち体幹部は、体幹部自体の他、支持している右腕部、頭部、左腕部をモーメント補償に利用することができる。また、3〜6部すなわち右腕部、頭部、左腕部、並びに遊脚としての左脚部は、他に支持している部位グループがないことから、それぞれ自部位のみがモーメント補償に利用することができる質量となる。また、立脚としての7部すなわち右脚部は、すべての部位グループを支持していることから、機体のすべての部位の質量の合計M7をモーメント補償に利用することができる。この場合の質量M7の重心位置は、足部ではなく機体の重心位置に相当する(図8を参照のこと)。 In addition to the lumbar part itself, one part, that is, the lumbar part, can use the supporting trunk, right arm part, head part, and left arm part for moment compensation. In addition, the two parts, that is, the trunk part, can use the supporting right arm part, head part, and left arm part for moment compensation in addition to the trunk part itself. Also, 3-6 parts, that is, the right arm part, the head part, the left arm part, and the left leg part as a free leg have no other supporting part group, so that only their own part should be used for moment compensation. It becomes the mass that can be. Further, since the 7 parts as the standing legs, that is, the right leg parts support all the part groups, the total mass M 7 of all the parts of the aircraft can be used for moment compensation. The gravity center position of the mass M 7 in this case corresponds to the gravity center position of the airframe, not the foot (see FIG. 8).
そして、足部などの接地部位の運動と、ZMP軌道、並びに機体の各部位グループ毎の希望軌道群を基に、ステップS14により設定された優先順位に従って、各部位グループの運動パターンを姿勢安定化処理に投入する。 Then, based on the movement of the ground contact part such as the foot, the ZMP trajectory, and the desired trajectory group for each part group of the airframe, the movement pattern of each part group is stabilized according to the priority set in step S14. Input into processing.
この姿勢安定化処理では、まず、処理変数iに初期値1を代入する(ステップS20)。そして、すべての部位グループに目標軌道を設定した場合における、目標ZMP上でのモーメント量すなわち総モーメント補償量Ωを算出する(ステップS21)。総モーメント補償量Ωには、すべての部位グループの目標ZMP上でのモーメント量の総和に、上式で同定された未知外力モーメントと未知外力が既知項として加えられる。
In this posture stabilization process, first, an
さらに目標軌道が算出されていない部位については、希望軌道を用いる。 Further, the desired trajectory is used for a part for which the target trajectory has not been calculated.
次いで、ステップS15において算出された当該部位iのモーメント補償に利用できる質量Miを用いて、その絶対モーメント補償量係数αiを設定し(ステップS22)、当該部位グループiにおけるモーメント補償量Ωiを算出する(ステップS23)。 Next, the absolute moment compensation amount coefficient α i is set using the mass M i that can be used for moment compensation of the part i calculated in step S15 (step S22), and the moment compensation amount Ω i in the part group i is set. Is calculated (step S23).
次いで、算出されたi番目の部位のモーメント補償量Ωiを用いて、i部に関するZMP方程式(E1)を導出する(ステップS24)。 Next, using the calculated moment compensation amount Ω i of the i-th part, a ZMP equation (E1) relating to part i is derived (step S24).
しかしながら、上記のZMP方程式は、未知変数が非常に多いため解析的にも数値計算的にも解を求めることは困難である。そこで、ここではi番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の希望重心軌道rMiを既知変数に、i番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の希望重心軌道に対する変更量ΔrMiを未知変数とする以下の近似ZMP方程式(E2)を導出することにした。但し、rMiは、i番目の部位グループにおけるモーメント補償に利用できる質量Miの重心の位置ベクトルである。 However, since the above ZMP equation has many unknown variables, it is difficult to obtain a solution both analytically and numerically. Therefore, here, the desired center of gravity orbit r Mi of the mass that can be used for moment compensation of the i-th part is a known variable, and the change amount Δr Mi for the desired center of gravity orbit of the mass that can be used for moment compensation of the i-th part is an unknown variable. We decided to derive the following approximate ZMP equation (E2). Here, r Mi is a position vector of the center of gravity of the mass M i that can be used for moment compensation in the i-th region group.
そして、まず、この近似ZMP方程式を解くことで、i番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の希望重心軌道に対する変更量ΔrMiを算出し、i番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の目標重心軌道を下式により算出する。 First, by solving this approximate ZMP equation, a change amount Δr Mi for the desired center-of-gravity trajectory of the mass that can be used for moment compensation of the i-th part is calculated, and the target mass that can be used for moment compensation of the i-th part. Calculate the center of gravity trajectory using the following formula.
なお、回転関節により各リンクが連結されている脚式移動ロボットの場合、上式(E2)は一般にZ方向の運動を共有するため、非線形で干渉のある2階微分方程式となり、解析的に求めることは困難である。そこで、以下に示すようにZ方向の運動を共有しないものとし、式(E2)の線形・非干渉化を行なう。 In the case of a legged mobile robot in which each link is connected by a rotating joint, the above equation (E2) generally shares a motion in the Z direction, and thus becomes a nonlinear second-order differential equation with interference and is obtained analytically. It is difficult. Therefore, as shown below, it is assumed that the motion in the Z direction is not shared, and linearity / non-interference is performed in Expression (E2).
そして、i番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の目標重心軌道の近似解を算出し、この近似解から算出できるi番目の部位の各質点riの変更量Δriを厳密ZMP方程式としての式(E1)に代入し、モーメント誤差を求め、この誤差の符号を反転したものを線形・非干渉化を行なった式(E2)の右辺に蓄積し、再び近似解を求めるという操作を、誤差が所定の許容値以下になるまで繰り返すことで当該部位のモーメント補償運動を算出するこができる(ステップS25)。このようにして、優先順位が先頭からi番目までの部位についての目標軌道を得ることができる。 Then, to calculate an approximate solution of the target barycentric trajectory of the mass available for the moment compensation of the i th site of the change amount [Delta] r i of the mass points r i of the i th site can be calculated from the approximate solution as strictly ZMP equation The operation of substituting into the equation (E1) to obtain the moment error, accumulating the inverted sign of this error on the right side of the linear / decoupled equation (E2), and obtaining the approximate solution again is the error The moment compensation motion of the part can be calculated by repeating until the value becomes equal to or less than a predetermined allowable value (step S25). In this way, it is possible to obtain the target trajectory for the part from the top to the i-th priority.
なお、i番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の目標重心軌道の近似解からi番目の部位の各質点の軌道を算出するには、i番目の任意の部位に操作点を配置し、その並進位置(X,Y,Z)若しくは回転角度(θx,θy,θz)を未知変数とする重心ベクトルC(X,Y,Z,θx,θy,θz)を導出し、この重心ベクトルC(X,Y,Z,θx,θy,θz)を未知変数として左辺に、質量Miの重心の位置ベクトルrMiを既知変数として右辺に配置した方程式C(X,Y,Z,θx,θy,θz)=riMiを導出し、この方程式の解を数値探索法などを用いて算出したり、解析的に求めたりすることで、i番目の部位の各質点の軌道を決定することができる。 In order to calculate the trajectory of each mass point of the i-th part from the approximate solution of the target gravity center trajectory of the mass that can be used for moment compensation of the i-th part, an operation point is arranged at an arbitrary i-th part, Deriving a centroid vector C (X, Y, Z, θ x , θ y , θ z ) with the translation position (X, Y, Z) or rotation angle (θ x , θ y , θ z ) as an unknown variable, This centroid vector C (X, Y, Z, θ x , θ y , θ z ) is set as an unknown variable on the left side, and the position vector r Mi of the center of mass M i is set as a known variable on the right side. Y, Z, θ x , θ y , θ z ) = r iMi, and the solution of this equation is calculated using a numerical search method or the like, or obtained analytically, so that The trajectory of each mass point can be determined.
このような処理をすべての部位グループについて行なうことにより、安定運動(例えば歩行)が可能な全身運動パターンが生成される。 By performing such processing for all the site groups, a whole body motion pattern capable of stable motion (for example, walking) is generated.
図3に示した処理手順によれば、脚式移動ロボット100の機体を複数の部位に分割し、各部位に軌道修正の優先順位を与え、部位毎の目標(希望)軌道の修正を行なうことにより、全身協調運動におけるモーメント・エラーをキャンセルすることができる。ここで、ZMPを安定度判別規範とする姿勢安定化処理は、基本的には、足底などの接地点と路面の形成する支持多角形の内側にピッチ及びロール軸モーメントがゼロとなる点を探索することにあるが、他方、機体のヨー軸すなわちZ軸回りに発生するモーメント・エラーに関しては明示的には対処していないという問題がある。 According to the processing procedure shown in FIG. 3, the body of the legged mobile robot 100 is divided into a plurality of parts, the priority of trajectory correction is given to each part, and the target (desired) trajectory for each part is corrected. Thus, the moment error in the whole body cooperative movement can be canceled. Here, the posture stabilization process using ZMP as a stability criterion is basically a point where the pitch and roll axis moment become zero inside the support polygon formed by the ground contact point such as the sole and the road surface. On the other hand, there is a problem that the moment error generated around the yaw axis, that is, the Z axis of the aircraft is not explicitly dealt with.
そこで、本実施形態の変形例として、歩行などの全身協調運動パターンにおいて、ロール、ピッチ、ヨーの各軸回りに機体に印加されるモーメント・エラーを好適に打ち消すようにした。図4には、機体のロール、ピッチ、ヨーの各軸回りのモーメント・エラーを打ち消して全身運動パターンを安定化処理するための手順をフローチャートの形式で示している。 Therefore, as a modification of the present embodiment, in a whole body cooperative movement pattern such as walking, a moment error applied to the airframe around the roll, pitch, and yaw axes is preferably canceled. FIG. 4 is a flowchart showing a procedure for stabilizing the whole body motion pattern by canceling out moment errors around the roll, pitch, and yaw axes of the aircraft.
まず、足部運動の設定を行なう(ステップS31)。足部運動は、2以上の機体のポーズを時系列的に連結されてなるモーション・データである。モーション・データは、足部の各関節角の変位を表わした関節空間情報と、関節位置を表わしたデカルト空間情報で構成される(同上)。 First, the foot movement is set (step S31). The foot movement is motion data obtained by connecting two or more poses of the aircraft in time series. The motion data is composed of joint space information representing the displacement of each joint angle of the foot and Cartesian space information representing the joint position (same as above).
次いで、足部などの設定された接地部位における運動を基にZMP安定領域を算出する(ステップS32)。あるいは、部位グループ毎に設定された優先順位付きの希望軌道(ステップS44:後述)を基に、ZMP安定領域を算出する。なお、床運動や逆立ち運動など、ロボットが路面と接地する点が足底でない場合には、足底以外の接地点と路面とが形成する支持多角形に基づいてZMP安定領域を算出する。 Next, a ZMP stable region is calculated based on the movement at the set contact portion such as the foot (step S32). Alternatively, the ZMP stable region is calculated based on the desired trajectory with priority set for each part group (step S44: described later). If the point where the robot contacts the road surface, such as floor motion or handstand motion, is not the sole, the ZMP stable region is calculated based on the support polygon formed by the ground contact point other than the sole and the road surface.
ZMPは、機体に印加されるモーメントがゼロとなる点であり(前述)、基本的には足底接地点と路面の形成する支持多角形の内側に存在する。ZMP安定領域は、この支持多角形のさらに内側に設定された領域であり、該領域にZMPを収容させることによって機体を高度に安定した状態にすることができる。 ZMP is a point at which the moment applied to the aircraft becomes zero (as described above), and basically exists inside the support polygon formed by the ground contact point and the road surface. The ZMP stable region is a region set further inside the support polygon, and the aircraft can be brought into a highly stable state by accommodating the ZMP in the region.
そして、足部運動とZMP安定領域を基に、足部運動中におけるZMP軌道を設定する(ステップS33)。但し、床運動や逆立ち運動など、ロボットが路面と接地する点が足底でない場合には、足底以外の接地点と路面とが形成する支持多角形に基づいてZMP軌道を設定する。 Then, based on the foot motion and the ZMP stable region, a ZMP trajectory during the foot motion is set (step S33). However, when the point where the robot touches the road surface, such as floor motion or handstand motion, is not the sole, the ZMP trajectory is set based on the support polygon formed by the grounding point other than the sole and the road surface.
また、機体の各部位については、腰部、体幹部、上肢、頭部などのようにグループ設定する(ステップS41)。機体の部位グループの設定例は、図7に示した通りであり、腰部、体幹部、右腕部、頭部、左腕部、左脚部、右脚部の順に1〜7部の各部位グループが設定されている。 In addition, groups of the body parts are set such as the waist, trunk, upper limbs, and head (step S41). The setting example of the body part group is as shown in FIG. 7, and each part group of 1 to 7 parts in the order of the waist, trunk, right arm, head, left arm, left leg, and right leg. Is set.
そして、各部位グループ毎に希望軌道を設定する(ステップS42)。機体の各部位グループについての希望軌道の設定は、例えばモーション編集装置を利用してオフラインで行なわれる。 Then, a desired trajectory is set for each part group (step S42). The setting of the desired trajectory for each part group of the aircraft is performed offline using, for example, a motion editing device.
次いで、各部位のグループ設定の調整(再グルーピング)を行ない(ステップS43)、さらにこれらグループに対して優先順位を与える(ステップS44)。ここで言う優先順位とは、機体の姿勢安定制御のため処理演算に投入する順位のことであり、例えば質量操作量若しくはモーメント操作量に応じて割り振られる。この結果、機体の各部位についての優先順位付き希望軌道群が出来上がる。ここでは、優先順位ρは、ピッチ軸優先順位ρp、ロール軸優先順位ρr、並びにヨー軸優先順位ρyawの3要素で構成されるものとする。また、各部位についての優先順位は、質量操作量若しくはモーメント操作量以外に、あらかじめ立案されている行動計画を参照して決定される。なお、このときに、各部位の接続条件(ローカル座標接続、特定部位の世界座標位置固定接続、特定部位の世界座標姿勢接続など)も設定する。また、優先順位は、時間tにおいて変化させるようにしてもよい。 Next, the group setting of each part is adjusted (regrouping) (step S43), and priority is given to these groups (step S44). The priority order mentioned here is the order of input to the processing calculation for the attitude stability control of the aircraft, and is assigned according to, for example, the mass operation amount or the moment operation amount. As a result, a desired trajectory group with priority for each part of the aircraft is completed. Here, it is assumed that the priority order ρ is composed of three elements: a pitch axis priority order ρ p , a roll axis priority order ρ r , and a yaw axis priority order ρ yaw . In addition to the mass operation amount or the moment operation amount, the priority order for each part is determined with reference to a previously planned action plan. At this time, connection conditions for each part (local coordinate connection, world coordinate position fixed connection for a specific part, world coordinate posture connection for a specific part, etc.) are also set. The priority order may be changed at time t.
また、機体の各部位グループ毎に、モーメント補償に利用できる質量を算出しておく(ステップS45)。図7に示した例では、右脚が支持脚となり右足部にZMP位置PZMPが存在することから、各部位グループにおいてモーメント補償に利用できる質量Miは上述した通りとなる。 In addition, the mass that can be used for moment compensation is calculated for each part group of the aircraft (step S45). In the example shown in FIG. 7, since the right leg is the supporting leg and the ZMP position P ZMP is present in the right foot, the mass M i that can be used for moment compensation in each part group is as described above.
そして、足部などの接地部位の運動と、ZMP軌道、並びに各部位グループ毎の希望軌道群を基に、ステップS44により設定された優先順位に従って、各部位グループの運動パターンを姿勢安定化処理に投入する。 Then, based on the motion of the ground contact part such as the foot, the ZMP trajectory, and the desired trajectory group for each part group, the motion pattern of each part group is subjected to posture stabilization processing according to the priority set in step S44. throw into.
この姿勢安定化処理では、まず、処理変数iに初期値1を代入する(ステップS50)。そして、すべての部位グループに目標軌道を設定した場合における、目標ZMP上でのモーメント量すなわち総モーメント補償量Ωを算出する(ステップS51)。総モーメント補償量Ωは、すべての部位グループの目標ZMP上でのモーメント量に、上式で同定された未知外力モーメントと未知外力が既知項として加えられる。
In this posture stabilization process, first, an
さらに、目標軌道が算出されていない部位については、希望軌道を用いる。 Further, the desired trajectory is used for the part where the target trajectory is not calculated.
次いで、ステップS45において算出された当該部位iのモーメント補償に利用できる質量Miを用いて、その絶対モーメント補償量係数αiを設定し(ステップS52)、当該部位グループiにおけるモーメント補償量Ωiを下式により算出する(ステップS53)。 Next, the absolute moment compensation amount coefficient α i is set using the mass M i that can be used for moment compensation of the part i calculated in step S45 (step S52), and the moment compensation amount Ω i in the part group i is set. Is calculated by the following equation (step S53).
次いで、算出されたi番目の部位のモーメント補償量Ωiを用いて、i部に関するZMP方程式(E1)を導出する(ステップS54)。 Next, using the calculated moment compensation amount Ω i of the i-th part, a ZMP equation (E1) relating to part i is derived (step S54).
しかしながら、上記のZMP方程式は、未知変数が非常に多いため解析的にも数値計算的にも解を求めることは困難である。そこで、ここではi番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の希望重心軌道rMiを既知変数とするとともに、i番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の希望重心軌道に対する変更量ΔrMiを未知変数とする以下の近似ZMP方程式(E2)を導出することにした。但し、rMiは、i番目の部位グループにおけるモーメント補償に利用できる質量Miの重心の位置ベクトルである。 However, since the above ZMP equation has many unknown variables, it is difficult to obtain a solution both analytically and numerically. Accordingly, here, the desired center of gravity orbit r Mi of the mass that can be used for moment compensation of the i-th part is set as a known variable, and the change amount Δr Mi for the desired center of gravity orbit of the mass that can be used for moment compensation of the i-th part is unknown. We decided to derive the following approximate ZMP equation (E2) as variables. Here, r Mi is a position vector of the center of gravity of the mass M i that can be used for moment compensation in the i-th region group.
そして、まず、この近似ZMP方程式を解くことで、i番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の希望重心軌道に対する変更量ΔrMiを算出し、i番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の目標重心軌道を下式により算出する。 First, by solving this approximate ZMP equation, a change amount Δr Mi for the desired center-of-gravity trajectory of the mass that can be used for moment compensation of the i-th part is calculated, and the target mass that can be used for moment compensation of the i-th part. Calculate the center of gravity trajectory using the following formula.
なお、回転関節により各リンクが連結されている脚式移動ロボットの場合、上式(E2)は一般にZ方向の運動を共有するため、非線形で干渉のある2階微分方程式となり、解析的に求めることは困難である。そこで、以下に示すようにZ方向の運動を共有しないものとし、式(E2)の線形・非干渉化を行なう。 In the case of a legged mobile robot in which each link is connected by a rotating joint, the above equation (E2) generally shares a motion in the Z direction, and thus becomes a nonlinear second-order differential equation with interference and is obtained analytically. It is difficult. Therefore, as shown below, it is assumed that the motion in the Z direction is not shared, and linearity / non-interference is performed in Expression (E2).
そして、i番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の目標重心軌道の近似解を算出し、この近似解から算出できるi番目の部位の各質点riの変更量Δriを厳密ZMP方程式としての式(E1)に代入し、モーメント誤差を求め、この誤差の符号を反転したものを線形・非干渉化を行なった式(E2)の右辺に蓄積し、再び近似解を求めるという操作を、誤差が所定の許容値以下になるまで繰り返すことで当該部位のモーメント補償運動を算出するこができる(ステップS55)。このようにして、優先順位が先頭からi番目までの部位についての目標軌道を得ることができる。 Then, to calculate an approximate solution of the target barycentric trajectory of the mass available for the moment compensation of the i th site of the change amount [Delta] r i of the mass points r i of the i th site can be calculated from the approximate solution as strictly ZMP equation The operation of substituting into the equation (E1) to obtain the moment error, accumulating the inverted sign of this error on the right side of the linear / decoupled equation (E2), and obtaining the approximate solution again is the error The moment compensation motion of the part can be calculated by repeating until the value becomes equal to or less than the predetermined allowable value (step S55). In this way, it is possible to obtain the target trajectory for the part from the top to the i-th priority.
なお、i番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の目標重心軌道の近似解からi番目の部位の各質点の軌道を算出するには、i番目の任意の部位に操作点を配置し、その並進位置(X,Y,Z)若しくは回転角度(θx,θy,θz)を未知変数とする重心ベクトルC(X,Y,Z,θx,θy,θz)を導出し、この重心ベクトルC(X,Y,Z,θx,θy,θz)を未知変数として左辺に、質量Miの重心の位置ベクトルrMiを既知変数として右辺に配置した方程式C(X,Y,Z,θx,θy,θz)=riMiを導出し、この方程式の解を数値探索法などを用いて算出したり、解析的に求めたりすることで、i番目の部位の各質点の軌道を決定することができる。 In order to calculate the trajectory of each mass point of the i-th part from the approximate solution of the target gravity center trajectory of the mass that can be used for moment compensation of the i-th part, an operation point is arranged at an arbitrary i-th part, Deriving a centroid vector C (X, Y, Z, θ x , θ y , θ z ) with the translation position (X, Y, Z) or rotation angle (θ x , θ y , θ z ) as an unknown variable, An equation C (X, Y) in which the centroid vector C (X, Y, Z, θ x , θ y , θ z ) is arranged on the left side as an unknown variable, and the position vector r Mi of the centroid of the mass Mi is arranged on the right side as a known variable. , Z, θ x , θ y , θ z ) = r iMi, and the solution of this equation is calculated using a numerical search method or the like, or is obtained analytically, so that each i th part is calculated. The trajectory of the mass point can be determined.
また、i番目の部位の自由度構成によっては,優先順位ρ(ρp,ρr,ρyaw)を満たす運動が存在しない場合もある(例えば、ピッチ運動やロール運動に対する干渉が少ない、ヨー軸運動自由度がない場合など)。このような場合には、ステップS44に戻り優先順位の再設定を行なう。 Also, depending on the degree of freedom configuration of the i-th part, there may be no motion satisfying the priority order ρ (ρ p , ρ r , ρ yaw ) (for example, the yaw axis having little interference with pitch motion and roll motion) Such as when there is no freedom of movement). In such a case, the process returns to step S44 to reset the priority order.
このような処理をすべての部位グループについて行なうことにより、安定運動(例えば歩行)が可能な全身運動パターンが生成される。 By performing such processing for all the site groups, a whole body motion pattern capable of stable motion (for example, walking) is generated.
図4に示した処理手順によれば、脚式移動ロボット100の機体を複数の部位に分割し、各部位に軌道修正の優先順位を与え、ロール、ピッチ、ヨーの各軸回りに機体に印加されるモーメント・エラーを好適に打ち消すように全身運動パターンを安定化処理することができる。ここで、ZMPを安定度判別規範に用いたロボットの姿勢安定化制御は、足底接地点と路面の形成する支持多角形の内側にピッチ及びロール軸モーメントがゼロとなる点を探索するものであるが、ジャンプしたときや高台から飛び降りたときなど離床時においては、支持多角形そのものが存在しないため、支持多角形の内側にZMPを制御するという従来の手法が適用できないという問題もある。 According to the processing procedure shown in FIG. 4, the airframe of the legged mobile robot 100 is divided into a plurality of parts, the priority order of trajectory correction is given to each part, and the roll, pitch, and yaw axes are applied to the airframe. The whole body motion pattern can be stabilized so as to preferably cancel the moment error. Here, robot posture stabilization control using ZMP as a stability criterion is to search for a point where the pitch and roll axis moment become zero inside the support polygon formed by the ground contact point and the road surface. However, there is also a problem that the conventional method of controlling the ZMP inside the support polygon cannot be applied because the support polygon itself does not exist at the time of getting off, such as when jumping or jumping off a hill.
そこで、本実施形態の変形例として、離床時など支持多角形の内側にZMPがない場合や、外界に対する支持作用点が存在しない場合を想定ことにした。図5には、機体の全身運動パターンを安定化処理するための手順についてのさらに他の例をフローチャートの形式で示している。同図に示す処理手順では、離床時など支持多角形の内側にZMPがない場合や、外界に対する支持作用点が存在しない場合を想定しており、ZMP方程式に加えて、運動方程式を解くようになっている。 Therefore, as a modification of the present embodiment, it is assumed that there is no ZMP inside the support polygon, such as when leaving the bed, or a case where there is no support action point for the outside world. FIG. 5 shows still another example of the procedure for stabilizing the whole body movement pattern of the aircraft in the form of a flowchart. In the processing procedure shown in the figure, it is assumed that there is no ZMP inside the support polygon, such as when leaving the bed, or the case where there is no support action point for the outside world, so that the equation of motion is solved in addition to the ZMP equation. It has become.
まず、足部運動の設定を行なう(ステップS61)。足部運動は、2以上の機体のポーズを時系列的に連結されてなるモーション・データである。モーション・データは、足部の各関節角の変位を表わした関節空間情報と、関節位置を表わしたデカルト空間情報で構成される(同上)。 First, the foot movement is set (step S61). The foot movement is motion data obtained by connecting two or more poses of the aircraft in time series. The motion data is composed of joint space information representing the displacement of each joint angle of the foot and Cartesian space information representing the joint position (same as above).
次いで、足部などの設定された接地部位における足部運動を基にZMP安定領域を算出する(ステップS62)。あるいは、部位グループ毎に設定された優先順位付きの希望軌道(ステップS74:後述)を基に、ZMP安定領域を算出する。なお、床運動や逆立ち運動など、ロボットが路面と接地する点が足底でない場合には、足底以外の接地点と路面とが形成する支持多角形に基づいてZMP安定領域を算出する。 Next, the ZMP stable region is calculated based on the foot movement at the set contact portion such as the foot (step S62). Alternatively, the ZMP stable region is calculated based on the desired trajectory with priority set for each part group (step S74: described later). If the point where the robot contacts the road surface, such as floor motion or handstand motion, is not the sole, the ZMP stable region is calculated based on the support polygon formed by the ground contact point other than the sole and the road surface.
ZMPは、機体に印加されるモーメントがゼロとなる点であり(前述)、基本的には足底接地点と路面の形成する支持多角形の内側に存在する。ZMP安定領域は、この支持多角形のさらに内側に設定された領域であり、該領域にZMPを収容させることによって機体を高度に安定した状態にすることができる。 ZMP is a point at which the moment applied to the aircraft becomes zero (as described above), and basically exists inside the support polygon formed by the ground contact point and the road surface. The ZMP stable region is a region set further inside the support polygon, and the aircraft can be brought into a highly stable state by accommodating the ZMP in the region.
そして、足部運動とZMP安定領域を基に、足部運動中におけるZMP軌道を設定する(ステップS63)。但し、床運動や逆立ち運動など、ロボットが路面と接地する点が足底でない場合には、足底以外の接地点と路面とが形成する支持多角形に基づいてZMP軌道を設定する。 Then, a ZMP trajectory during the foot movement is set based on the foot movement and the ZMP stable region (step S63). However, when the point where the robot touches the road surface, such as floor motion or handstand motion, is not the sole, the ZMP trajectory is set based on the support polygon formed by the grounding point other than the sole and the road surface.
また、離床時(例えば、ジャンプしたときや高台から飛び降りたとき)など支持多角形の内側にZMPがない場合や、外界に対する支持作用点が存在しない場合を想定しており、ZMP方程式に加えて、運動方程式を解く必要があることから、重心運動(並進、回転)を設定する(ステップS91)。
また、離床時(例えば、ジャンプしたときや高台から飛び降りたとき)など支持多角形の内側にZMPがない場合や、外界に対する支持作用点が存在しない場合を想定しており、ZMP方程式に加えて、運動方程式を解く必要があることから、重心運動(並進、回転)を設定する(ステップS91)。
In addition, it is assumed that there is no ZMP inside the support polygon, such as when jumping or jumping off a hill, or when there is no support action point for the outside world. Since it is necessary to solve the equation of motion, the center of gravity (translation, rotation) is set (step S91).
In addition, it is assumed that there is no ZMP inside the support polygon, such as when jumping or jumping off a hill, or when there is no support action point for the outside world. Since it is necessary to solve the equation of motion, the center of gravity (translation, rotation) is set (step S91).
なお、ジャンプ後や高台からの飛び降りた後、着床瞬間時の機体の姿勢変化を押さえる場合には、ステップS91の直後に、仮想ZMPを算出し、着床時に形成される支持多角形内に仮想ZMPが存在するよう着床部位に関する運動の希望軌道を設定すればよい。ここで言う「仮想ZMP」とは、実際には支持多角形を形成できないが、着床予定路面に非常に大きな支持多角形を形成しているという仮定の下で、ZMPを算出した結果、求めることができるZMPのことである。 In addition, after the jump or jump off the hill, when suppressing the change in the attitude of the aircraft at the moment of landing, immediately after step S91, the virtual ZMP is calculated, and within the support polygon formed at the time of landing. What is necessary is just to set the desired trajectory of the movement regarding the landing site so that the virtual ZMP exists. The “virtual ZMP” here refers to the result of calculating ZMP under the assumption that a very large support polygon is formed on the planned landing road surface, although a support polygon cannot actually be formed. It is a ZMP that can.
また、機体の各部位については、腰部、体幹部、上肢、頭部などのようにグループ設定する(ステップS71)。機体の部位グループの設定例は、図7に示した通りであり、腰部、体幹部、右腕部、頭部、左腕部、左脚部、右脚部の順に1〜7部の各部位グループが設定されている。 In addition, each part of the machine body is set as a group such as a waist, a trunk, an upper limb, and a head (step S71). The setting example of the body part group is as shown in FIG. 7, and each part group of 1 to 7 parts in the order of the waist, trunk, right arm, head, left arm, left leg, and right leg. Is set.
そして、各部位グループ毎に希望軌道を設定する(ステップS72)。機体の各部位グループについての希望軌道の設定は、例えばモーション編集装置を利用してオフラインで行なわれる。 Then, a desired trajectory is set for each part group (step S72). The setting of the desired trajectory for each part group of the aircraft is performed offline using, for example, a motion editing device.
次いで、各部位のグループ設定の調整(再グルーピング)を行ない(ステップS73)、さらにこれらグループに対して優先順位を与える(ステップS44)。ここで言う優先順位とは、機体の姿勢安定制御のため処理演算に投入する順位のことであり、例えば質量操作量若しくはモーメント操作量に応じて割り振られる。この結果、機体の各部位についての優先順位付き希望軌道群が出来上がる。ここでは、優先順位ρは、ピッチ軸優先順位ρp、ロール軸優先順位ρr、並びにヨー軸優先順位ρyaw、X方向優先順位ρx、Y方向優先順位ρy、Z方向優先順位ρzの6要素で構成されるものとする。また、各部位についての優先順位は、質量操作量若しくはモーメント操作量以外に、あらかじめ立案されている行動計画を参照して決定される。なお、このときに、各部位の接続条件(ローカル座標接続、特定部位の世界座標位置固定接続、特定部位の世界座標姿勢接続など)も設定する。また、優先順位は、時間tにおいて変化させるようにしてもよい。 Next, the group setting of each part is adjusted (regrouping) (step S73), and priority is given to these groups (step S44). The priority order mentioned here is the order of input to the processing calculation for the attitude stability control of the aircraft, and is assigned according to, for example, the mass operation amount or the moment operation amount. As a result, a desired trajectory group with priority for each part of the aircraft is completed. Here, the priority ρ is the pitch axis priority ρ p , the roll axis priority ρ r , the yaw axis priority ρ yaw , the X direction priority ρ x , the Y direction priority ρ y , and the Z direction priority ρ z. It is assumed to be composed of 6 elements. In addition to the mass operation amount or the moment operation amount, the priority order for each part is determined with reference to a previously planned action plan. At this time, connection conditions for each part (local coordinate connection, world coordinate position fixed connection for a specific part, world coordinate posture connection for a specific part, etc.) are also set. The priority order may be changed at time t.
また、機体の各部位グループ毎に、モーメント補償及び力補償に利用できる質量を算出しておく(ステップS75)。図7に示した例では、右脚が支持脚となり右足部にZMP位置PZMPが存在することから、各部位グループにおいてモーメント補償に利用できる質量Miは上述した通りとなる。 Further, a mass that can be used for moment compensation and force compensation is calculated for each part group of the aircraft (step S75). In the example shown in FIG. 7, since the right leg is the supporting leg and the ZMP position P ZMP is present in the right foot, the mass M i that can be used for moment compensation in each part group is as described above.
そして、足部などの接地部位の運動と、ZMP軌道、並びに各部位グループ毎の希望軌道群を基に、ステップS74により設定された優先順位に従って、各部位グループの運動パターンを姿勢安定化処理に投入する。 Then, based on the motion of the ground contact part such as the foot, the ZMP trajectory, and the desired trajectory group for each part group, the motion pattern of each part group is subjected to posture stabilization processing according to the priority set in step S74. throw into.
この姿勢安定化処理では、まず、処理変数iに初期値1を代入する(ステップS80)。そして、そして、すべての部位グループに目標軌道を設定した場合における、目標ZMP上でのモーメント量すなわち総モーメント補償量Ω及び力補償量Γを算出する(ステップS81)。総モーメント補償量Ω及び力補償量Γは、すべての部位グループの目標ZMP上でのモーメント量並びに力補償量の総和に、上式で同定された未知外力モーメントと未知外力が既知項として加えられる。
In this posture stabilization process, first, an
さらに、目標軌道が算出されていない部位については、希望軌道を用いる。 Further, the desired trajectory is used for the part where the target trajectory is not calculated.
次いで、ステップS75において算出された当該部位iのモーメント補償及び力補償に利用できる質量Miを用いて、その絶対モーメント補償量係数αi及び絶対力補償量係数χiを設定し(ステップS82)、モーメント補償量Ωi、力補償量Γiを下式により算出する(ステップS83)。 Next, the absolute moment compensation amount coefficient α i and the absolute force compensation amount coefficient χ i are set using the mass M i that can be used for moment compensation and force compensation of the part i calculated in step S75 (step S82). The moment compensation amount Ω i and the force compensation amount Γ i are calculated by the following equations (step S83).
次いで、算出されたいi番目の部位のモーメント補償量Ωiと力補償量Γiを用いて、i部に関するZMP方程式(E1)又は重心における回転に関する運動方程式(E1')、そして並進に関する運動方程式(E3)を導出する(ステップS84)。 Next, using the moment compensation amount Ω i and the force compensation amount Γ i of the i-th part to be calculated, the ZMP equation (E1) relating to the part i or the equation of motion relating to rotation at the center of gravity (E1 ′), and the equation of motion relating to translation (E3) is derived (step S84).
しかしながら、これらの式は未知変数が非常に多いため解析的にも数値計算的にも解を求めることは困難である。そこで、ここではi番目の部位のモーメント補償及び力補償に利用できる質量の希望重心軌道rMi、希望重心加速度μMiを既知変数とするとともに、i番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の希望重心軌道に対する変更量ΔrMi並びに変更加速度量(ΔμMiの時間による2階微分)を未知変数とする近似ZMP方程式(E2)又は重心における回転に関する近似運動方程式(E2')、そして並進に関する近似運動方程式(E4)を導出する。但し、rMiは、i番目の部位グループにおけるモーメント補償に利用できる質量Miの重心の位置ベクトルである。 However, since these equations have many unknown variables, it is difficult to obtain a solution both analytically and numerically. Therefore, here, the desired center of gravity trajectory r Mi and the desired center of gravity acceleration μ Mi that can be used for moment compensation and force compensation of the i-th part are used as known variables, and the desired mass that can be used for moment compensation of the i-th part. Approximate ZMP equation (E2) using the change amount Δr Mi and the change acceleration amount (second-order derivative over time of Δμ Mi ) for the center of gravity trajectory as unknown variables, or the approximate motion equation (E2 ′) for rotation at the center of gravity, and the approximate motion for translation Equation (E4) is derived. Here, r Mi is a position vector of the center of gravity of the mass M i that can be used for moment compensation in the i-th region group.
次に、導出された方程式を同時に解かなければならないが、回転関節により各リンクが連結されている脚式移動ロボットの場合、上記の各式はお互いにZ方向の運動を共有するため、非線形で干渉のある2階微分方程式となり、解析的に求めることは困難である。 Next, the derived equations must be solved simultaneously, but in the case of a legged mobile robot in which each link is connected by a rotating joint, each of the above equations shares a motion in the Z direction with each other. It becomes a second-order differential equation with interference, and it is difficult to obtain analytically.
そこで、まずZ方向の運動を共有しないものとし、上式(E4)の線形・非干渉化を行ない、i番目の部位の力補償に利用できる質量の目標重心軌道の近似解riMiを算出し、この近似解から算出できるi番目の部位の各質点riの変更量Δriを厳密運動方程式(E3)に代入し、力補償誤差を算出し、この誤差の符号を反転したものを線形・非干渉化を行なった式(E4)の右辺に蓄積する。 Therefore, first, assuming that the motion in the Z direction is not shared, the above equation (E4) is linearized and decoupled, and an approximate solution r iMi of the target centroid trajectory of mass that can be used for force compensation of the i-th part is calculated. substitutes change amount [Delta] r i of the mass points r i of the i th site can be calculated from the approximate solution to the exact equations of motion (E3), to calculate the force compensation error, linear and those obtained by inverting the sign of the error Accumulation is performed on the right side of the non-interfering equation (E4).
次に、ΔrMi(未知変数)をriMi(算出された既知変数)−rMi(既知変数)+ΔrMi(未知変数)に置き換え、先ほど算出された目標重心軌道からi番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の目標重心軌道への変更量ΔrMiの近似解の算出を行なう。具体的には、Z方向の運動を共有しないものとし、上式(E2)若しくは(E2')の線形・非干渉化を行ない、i番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の目標重心軌道の近似解を算出する。そして、この近似解から算出できるi番目の部位の各質点riの変更量Δriを厳密運動方程式(E1)若しくは(E1')に代入し、モーメント補償誤差を算出し、この誤差の符号を反転したものを線形・非干渉化を行なった式(E2)若しくは式(E2')の右辺に蓄積する。 Next, Δr Mi (unknown variable) is replaced with r iMi (calculated known variable) −r Mi (known variable) + Δr Mi (unknown variable), and moment compensation of the i-th part from the previously calculated target center of gravity trajectory is performed. The approximate solution of the change amount Δr Mi to the target center-of-gravity trajectory of the mass that can be used for the calculation is calculated. Specifically, it is assumed that the motion in the Z direction is not shared, the above equation (E2) or (E2 ′) is linearized / decoupled, and the mass center of gravity trajectory that can be used for moment compensation of the i-th part Approximate solution is calculated. Then, by substituting the change amount [Delta] r i of the mass points r i of the i th site can be calculated from the approximate solution strictly motion equation (E1) or (E1 '), and calculates a moment compensation error, the sign of the error The inverted one is stored in the right side of the equation (E2) or the equation (E2 ′) in which linearization / decoupling is performed.
そして、再びi番目の部位の力補償に利用できる質量の目標重心軌道の近似解を算出し、この近似解から算出できるi番目の部位の各質点riの変更量Δriを厳密運動方程式(E3)に代入し、力補償誤差を算出し、この誤差の符号を反転したものを線形・非干渉化を行なった式(E4)の右辺に再び蓄積する。 Then, again i th site of calculating the approximate solution of the target barycentric trajectory of the mass available for force compensation, rigorous motion equation of the change amount [Delta] r i of the mass points r i of the i th site can be calculated from the approximate solution ( Substituting into E3), a force compensation error is calculated, and the result of inverting the sign of this error is stored again on the right side of the equation (E4) in which linearization / decoupling is performed.
次に、ΔrMi(未知変数)をriMi(算出された既知変数)−rMi(既知変数)+ΔrMi(未知変数)に置き換え、i番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の目標重心軌道の近似解を算出し、この近似解から算出できるi番目の部位の各質点riの変更量Δriを厳密運動方程式(E1)若しくは(E1')に代入する。そして、モーメント補償誤差を算出し、この誤差の符号を反転したものを線形・非干渉化を行なった式(E2)若しくは式(E2')の右辺に再び蓄積する。 Next, Δr Mi (unknown variable) is replaced with r iMi (calculated known variable) −r Mi (known variable) + Δr Mi (unknown variable), and the target gravity center trajectory of mass that can be used for moment compensation of the i-th part. calculating an approximate solution of the substitutes on the exact equations of motion the change amount [Delta] r i of the mass points r i of the i th site can be calculated from the approximate solution (E1) or (E1 '). Then, a moment compensation error is calculated, and the inverted sign of this error is stored again on the right side of the expression (E2) or (E2 ′) in which linearization / decoupling is performed.
以上の操作を誤差が許容値以下になるまで繰り返すことで、当該部位の力に加えモーメントの補償運動を算出するこができる(ステップS85)。そして、優先順位が先頭からi番目までの部位についての目標軌道を得ることができる。 By repeating the above operation until the error becomes less than the allowable value, it is possible to calculate a moment compensating motion in addition to the force of the part (step S85). Then, the target trajectory can be obtained for the part with the priority order from the head to the i-th part.
一般には、ZMP方程式と運動方程式のどちらかを満たす運動を算出すればよい。しかしながら、例えば跳躍や走行時の離床時や着地時などは、上式(E1)と式(E3)を同時に満たさなければならない場合がある。 In general, a motion that satisfies either the ZMP equation or the motion equation may be calculated. However, for example, when jumping, getting off at the time of traveling, or landing, the above formula (E1) and formula (E3) may have to be satisfied at the same time.
なお、i番目の部位のモーメント補償又は力補償に利用できる質量の目標重心軌道の近似解からi番目の部位の各質点の軌道算出には、i番目の任意の部位に操作点を配置しその並進位置(X,Y,Z)若しくは回転角度(θx,θy,θz)を未知変数とする重心ベクトルC(X,Y,Z,θx,θy,θz)を導出し、この重心ベクトルC(X,Y,Z,θx,θy,θz)を未知変数として左辺に、riMiを既知変数として右辺に配置した方程式C(X,Y,Z,θx,θy,θz)=riMiを導出し、この方程式の解を算出することで、i番目の部位の各質点の軌道決定することができる。 In calculating the trajectory of each mass point of the i-th part from the approximate solution of the target gravity center trajectory of the mass that can be used for moment compensation or force compensation of the i-th part, an operation point is arranged at an arbitrary i-th part. Deriving a centroid vector C (X, Y, Z, θ x , θ y , θ z ) with the translation position (X, Y, Z) or rotation angle (θ x , θ y , θ z ) as an unknown variable, the centroid vector C (X, Y, Z, θ x, θ y, θ z) of the left side as unknown variables, the equation C (X disposed on the right side of the r iMi as known variables, Y, Z, θ x, θ By deriving y , θ z ) = r iMi and calculating the solution of this equation, the trajectory of each mass point of the i-th part can be determined.
また、i番目の部位の自由度構成によっては、優先順位ρ(ρp,ρr,ρyaw,ρx,ρy,ρz)を満たす運動が存在しない場合もある(例えば、XYの各方向運動に対する干渉が少ないピッチ・ロール軸運動自由度がない場合など)。このような場合には、ステップS61、S72、若しくはS74に戻り、設定項目の再設定を行なう必要がある。 In addition, depending on the degree of freedom configuration of the i-th part, there may be no motion satisfying the priority order ρ (ρ p , ρ r , ρ yaw , ρ x , ρ y , ρ z ) (for example, each of XY (For example, when there is no degree of freedom of pitch / roll axis movement with little interference with direction movement). In such a case, it is necessary to return to step S61, S72, or S74 to reset the setting items.
また、i番目の部位の姿勢によっては、優先順位ρ(ρp,ρr,ρyaw,ρx,ρy,ρz)の各要素の繰り返し計算における誤差の収束速度に大きさ差が生じ、収束速度の遅い要素の方程式の厳密解が求まらず、収束速度の速い要素の方程式のみ先に厳密解が求まってしまう場合がある。そこで、このような場合には、厳密方程式において算出する。各モーメント補償量誤差若しくは力補償量誤差に収束速度調整係数μ(μp,μr,μyaw,μx,μy,μz)を各誤差に掛けた後に、各近似方程式の右辺に蓄積させ、収束速度の均一化を行なう必要がある。 In addition, depending on the posture of the i-th part, there is a difference in the convergence speed of the error in the iterative calculation of each element of the priority order ρ (ρ p , ρ r , ρ yaw , ρ x , ρ y , ρ z ). In some cases, an exact solution of an equation of an element having a slow convergence speed cannot be obtained, and an exact solution of only an equation of an element having a fast convergence speed is obtained first. Therefore, in such a case, the calculation is performed using an exact equation. Each moment compensation amount error or force compensation amount error is multiplied by the convergence speed adjustment coefficient μ (μ p , μ r , μ yaw , μ x , μ y , μ z ) and then accumulated on the right side of each approximate equation It is necessary to make the convergence speed uniform.
このような処理をすべての部位グループについて行なうことにより、安定運動(例えば歩行)が可能な全身運動パターンが生成される。 By performing such processing for all the site groups, a whole body motion pattern capable of stable motion (for example, walking) is generated.
[追補]
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
[Supplement]
The present invention has been described in detail above with reference to specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can make modifications and substitutions of the embodiment without departing from the gist of the present invention.
本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行なう機械装置あるいはその他一般的な移動体装置であるならば、例えば玩具などのような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。 The gist of the present invention is not necessarily limited to a product called a “robot”. That is, if it is a mechanical device or other general mobile device that performs a movement resembling human movement using electrical or magnetic action, it is a product belonging to another industrial field such as a toy. Even if it exists, this invention can be applied similarly.
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。 In short, the present invention has been disclosed in the form of exemplification, and the description of the present specification should not be interpreted in a limited manner. In order to determine the gist of the present invention, the claims section described at the beginning should be considered.
30…頭部ユニット
40…体幹部ユニット
50…腕部ユニット
51…上腕ユニット
52…肘関節ユニット
53…前腕ユニット
60…脚部ユニット
61…大腿部ユニット
62…膝関節ユニット
63…脛部ユニット
80…制御ユニット
81…主制御部
82…周辺回路
100…脚式移動ロボット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 ... Head unit 40 ... Trunk unit 50 ... Arm unit 51 ... Upper arm unit 52 ... Elbow joint unit 53 ... Forearm unit 60 ... Leg unit 61 ... Thigh unit 62 ... Knee joint unit 63 ... Tibial unit 80 ...
Claims (11)
各部位毎の軌道からなる所望の動作データを基に、前記ロボット装置の機体に印加される各モーメントの釣合い関係を記述したZMP釣合い方程式を生成するZMP釣合い方程式生成手段と、
前記ZMP釣合い方程式生成手段により生成されたZMP釣合い方程式上で現れるモーメント・エラーを算出するモーメント・エラー算出手段と、
機体を複数の部位に分割し、該モーメント・エラーを打ち消すために目標軌道を修正する部位の優先順位を設定する優先順位設定手段と、
該設定された優先順位に従った順番で、各部位毎に目標軌道を修正してモーメント・エラーを補償する軌道修正手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置の動作制御装置。 An operation control device for a robot apparatus having at least a plurality of movable parts,
ZMP balance equation generating means for generating a ZMP balance equation describing a balance relationship of moments applied to the body of the robot apparatus based on desired motion data consisting of trajectories for each part;
A moment error calculation means for calculating a moment error appearing on the ZMP balance equation generated by the ZMP balance equation generation means;
Priority setting means for dividing the airframe into a plurality of parts and setting the priority order of parts for correcting the target trajectory in order to cancel the moment error;
Trajectory correcting means for correcting the target trajectory for each part in order according to the set priority order to compensate for moment error;
An operation control device for a robot apparatus, comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置の動作制御装置。 The priority order setting means gives a priority order for target trajectory correction to each part in order of the magnitude of the mass manipulated variable or the moment manipulated variable.
The motion control apparatus for a robot apparatus according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置の動作制御装置。 The priority order setting means gives a priority order for correcting a target trajectory to each part with reference to a pre-planned action plan,
The motion control apparatus for a robot apparatus according to claim 1.
前記軌道修正手段は、各部位の目標軌道をピッチ、ロール、ヨーの各軸毎に修正してモーメント・エラーを補償する、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置の動作制御装置。 The ZMP balance equation generating means derives a ZMP equation for each of pitch, roll and yaw axes,
The trajectory correcting means corrects the moment trajectory by correcting the target trajectory of each part for each axis of pitch, roll, and yaw,
The motion control apparatus for a robot apparatus according to claim 1.
前記モーメント・エラー算出手段は、ZMP釣合い方程式上で現れるモーメント・エラーに加えて目標重心における力補償量を算出し、
前記優先順位設定手段は、モーメント・エラー及び力補償量を打ち消すために目標軌道を修正する部位の優先順位を設定し、
前記軌道修正手段は、該設定された優先順位に従った順番で、各部位毎に目標軌道を修正してモーメント・エラー及び力補償量を補償する、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置の動作制御装置。 At the time of getting off both legs of the robot apparatus, the robot apparatus further comprises a center of gravity motion setting means for setting a center of gravity motion related to translation or rotation of the airframe,
The moment error calculation means calculates a force compensation amount at the target center of gravity in addition to the moment error appearing on the ZMP balance equation,
The priority order setting means sets the priority order of the part for correcting the target trajectory in order to cancel the moment error and the force compensation amount,
The trajectory correcting means corrects a moment error and a force compensation amount by correcting a target trajectory for each part in an order according to the set priority order.
The motion control apparatus for a robot apparatus according to claim 1.
各部位毎の軌道からなる所望の動作データを基に、前記ロボットの機体に印加される各モーメントの釣合い関係を記述したZMP釣合い方程式を生成するZMP釣合い方程式生成ステップと、
前記ZMP釣合い方程式生成ステップにより生成されたZMP釣合い方程式上で現れるモーメント・エラーを算出するモーメント・エラー算出ステップと、
機体を複数の部位に分割し、該モーメント・エラーを打ち消すために目標軌道を修正する部位の優先順位を設定する優先順位設定ステップと、
該設定された優先順位に従った順番で、各部位毎に目標軌道を修正してモーメント・エラーを補償する軌道修正ステップと、
を具備することを特徴とするロボット装置の動作制御方法。 An operation control method for a robot apparatus having at least a plurality of movable parts,
A ZMP balance equation generation step for generating a ZMP balance equation describing a balance relationship of each moment applied to the body of the robot based on desired motion data consisting of trajectories for each part;
A moment error calculation step for calculating a moment error appearing on the ZMP balance equation generated by the ZMP balance equation generation step;
A priority setting step for setting the priority of the part for correcting the target trajectory in order to divide the airframe into a plurality of parts and cancel the moment error;
A trajectory correction step for correcting a target trajectory for each part in order according to the set priority order to compensate for a moment error;
An operation control method for a robot apparatus, comprising:
ことを特徴とする請求項6に記載のロボット装置の動作制御方法。 In the priority order setting step, each part is given a priority order for target trajectory correction in the order of the mass manipulated variable or the moment manipulated variable.
The operation control method of the robot apparatus according to claim 6.
ことを特徴とする請求項6に記載のロボット装置の動作制御方法。 In the priority order setting step, a priority order for correcting the target trajectory is given to each part with reference to an action plan prepared in advance.
The operation control method of the robot apparatus according to claim 6.
前記軌道修正ステップでは、各部位の目標軌道をピッチ、ロール、ヨーの各軸毎に修正してモーメント・エラーを補償する、
ことを特徴とする請求項6に記載のロボット装置の動作制御方法。 In the ZMP balance equation generation step, a ZMP equation is derived for each pitch, roll, and yaw axis,
In the trajectory correction step, the target trajectory of each part is corrected for each of the pitch, roll, and yaw axes to compensate for moment errors.
The operation control method of the robot apparatus according to claim 6.
前記モーメント・エラー算出ステップでは、ZMP釣合い方程式上で現れるモーメント・エラーに加えて目標重心における力補償量を算出し、
前記優先順位設定ステップでは、モーメント・エラー及び力補償量を打ち消すために目標軌道を修正する部位の優先順位を設定し、
前記軌道修正ステップでは、該設定された優先順位に従った順番で、各部位毎に目標軌道を修正してモーメント・エラー及び力補償量を補償する、
ことを特徴とする請求項6に記載のロボット装置の動作制御方法。 At the time of getting out of both legs of the robot apparatus, the robot apparatus further comprises a gravity center setting step for setting a gravity movement related to translation or rotation of the aircraft,
In the moment error calculation step, in addition to the moment error appearing on the ZMP balance equation, a force compensation amount at the target center of gravity is calculated,
In the priority order setting step, the priority order of the part for correcting the target trajectory to cancel the moment error and the force compensation amount is set,
In the trajectory correction step, the target trajectory is corrected for each part in order according to the set priority order to compensate for the moment error and the force compensation amount.
The operation control method of the robot apparatus according to claim 6.
各部位毎の軌道からなる所望の動作データを基に、前記ロボットの機体に印加される各モーメントの釣合い関係を記述したZMP釣合い方程式を生成するZMP釣合い方程式生成ステップと、
前記ZMP釣合い方程式生成ステップにより生成されたZMP釣合い方程式上で現れるモーメント・エラーを算出するモーメント・エラー算出ステップと、
機体を複数の部位に分割し、該モーメント・エラーを打ち消すために目標軌道を修正する部位の優先順位を設定する優先順位設定ステップと、
該設定された優先順位に従った順番で、各部位毎に目標軌道を修正してモーメント・エラーを補償する軌道修正ステップと、
を具備することを特徴とするコンピュータ・プログラム。 A computer program written in a computer readable format for processing motion control for a robot apparatus having at least a plurality of movable parts on a computer system,
A ZMP balance equation generation step for generating a ZMP balance equation describing a balance relationship of each moment applied to the body of the robot based on desired motion data consisting of trajectories for each part;
A moment error calculation step for calculating a moment error appearing on the ZMP balance equation generated by the ZMP balance equation generation step;
A priority setting step for setting the priority of the part for correcting the target trajectory in order to divide the airframe into a plurality of parts and cancel the moment error;
A trajectory correction step for correcting a target trajectory for each part in order according to the set priority order to compensate for a moment error;
A computer program comprising:
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