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JP2012166315A - Robot - Google Patents

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JP2012166315A
JP2012166315A JP2011029990A JP2011029990A JP2012166315A JP 2012166315 A JP2012166315 A JP 2012166315A JP 2011029990 A JP2011029990 A JP 2011029990A JP 2011029990 A JP2011029990 A JP 2011029990A JP 2012166315 A JP2012166315 A JP 2012166315A
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JP
Japan
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carriage
zmp
robot
cart
arm
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2011029990A
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Japanese (ja)
Inventor
Takashi Ogura
崇 小倉
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a robot that always maintains a stable state regardless of a surrounding environment.SOLUTION: The robot 1 includes a carriage 11 and an arm 12. The carriage 11 makes contact with a ground surface through a plurality of contact points. The arm 12 is supported by the carriage 11, and also coupled to the carriage 11 so as to be displaceable relative to the carriage. A carriage control part controls, by rotating the carriage 11 around a vertical axis, a direction of a polygon (support polygon) formed by mutually connecting the plurality of contact points relative to the arm 12. The carriage control part rotates the carriage 11 so that the ZMP position of the robot 1 comes inside the support polygon as viewed from above.

Description

本発明はロボットに関し、特に複数の接地点で地面に支持されるロボットに関する。   The present invention relates to a robot, and more particularly to a robot supported on the ground at a plurality of contact points.

アームを備えるロボットは、アームの回転動作や伸縮動作によりロボットの重心が移動する。そして、ロボットは、重心が移動したことにより発生するモーメントの影響を受ける。このモーメントが大きくなると、ロボットは安定状態を維持することが困難となる。そのため、ロボットの重心位置を制御する技術が数多く提案されている。   In a robot having an arm, the center of gravity of the robot moves due to the rotation operation and expansion / contraction operation of the arm. The robot is affected by the moment generated by the movement of the center of gravity. When this moment increases, it becomes difficult for the robot to maintain a stable state. For this reason, many techniques for controlling the position of the center of gravity of the robot have been proposed.

例えば、特許文献1には、複数の駆動輪を備え、重心の移動を検出し、安定な倒立状態を維持できるように、駆動輪を制御する自立走行装置が開示されている。具体的には、自立走行装置に外力が加わり、自立走行装置の重心が変位した場合、自立走行装置は、駆動輪を駆動させることにより重心の変位方向に移動し、重心を安定な位置に戻す。   For example, Patent Document 1 discloses a self-supporting traveling device that includes a plurality of driving wheels, detects movement of the center of gravity, and controls the driving wheels so that a stable inverted state can be maintained. Specifically, when an external force is applied to the self-supporting traveling device and the center of gravity of the self-supporting traveling device is displaced, the self-supporting traveling device moves in the displacement direction of the center of gravity by driving the driving wheel, and returns the center of gravity to a stable position. .

特開2010−9226号公報JP 2010-9226 A

しかしながら、特許文献1に記載の自立走行装置は、倒立状態を維持するために、重心の変位方向に並行移動する必要がある。そのため、自立走行装置の周囲に十分な移動空間が必要となる。したがって、障害物等の存在により、自立走行装置の周囲に移動空間を確保できない状況においては、自立走行装置は、重心を安定な位置に戻すことができない。つまり、自立走行装置は、周囲の環境によっては、安定状態を維持することができなくなるという問題があった。   However, the self-supporting traveling device described in Patent Document 1 needs to move in parallel in the displacement direction of the center of gravity in order to maintain the inverted state. Therefore, a sufficient moving space is required around the self-supporting traveling device. Therefore, in a situation where a moving space cannot be secured around the self-supporting traveling device due to the presence of an obstacle, the self-supporting traveling device cannot return the center of gravity to a stable position. That is, the self-supporting traveling device has a problem that it cannot maintain a stable state depending on the surrounding environment.

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、周囲の環境に拘わらず、安定状態を維持することができるロボットを提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to provide a robot capable of maintaining a stable state regardless of the surrounding environment.

本発明にかかるロボットは、複数の接地点で地面と接している台車を備えるロボットであって、前記台車に支持されると共に、当該台車に対して相対的に変位可能に連結された可動部と、前記複数の接地点を相互に結んで形成される多角形の、前記可動部に対する相対的な向きを、前記台車を鉛直軸回りに回転させることにより制御する台車制御手段と、を備え、前記台車制御手段は、平面視において、前記ロボットのZMPが、前記多角形の内側に位置するように、前記台車を回転させる。これにより、可動部の変位により変動したZMPを、台車を並行移動させることなく、支持多角形の内側に収めることができる。   A robot according to the present invention is a robot including a carriage that is in contact with the ground at a plurality of contact points, and is supported by the carriage and connected to the carriage so as to be relatively displaceable. A carriage control means for controlling the relative orientation of the polygon formed by connecting the plurality of grounding points with respect to the movable portion by rotating the carriage about a vertical axis, and The cart control means rotates the cart so that the ZMP of the robot is positioned inside the polygon in plan view. Thereby, ZMP which fluctuate | varied by the displacement of a movable part can be stored inside a support polygon, without moving a trolley | bogie in parallel.

また、前記台車制御手段は、平面視において、前記ロボットのZMPと、当該ロボットのZMPに最も近い前記多角形の辺と、が離れるように、前記台車を回転させてもよい。これにより、ZMPを支持多角形の辺から離すことができ、ロボットの安定性が向上する。   The cart control means may rotate the cart so that the ZMP of the robot and the polygonal side closest to the ZMP of the robot are separated in a plan view. As a result, the ZMP can be separated from the sides of the support polygon, and the stability of the robot is improved.

また、前記台車制御手段は、平面視において、前記複数の接地点のうち相互間の距離が最も遠くなる2つの接地点を結んだ線に対して、前記ロボットのZMPが近づくように、前記台車を回転させてもよい。これにより、ZMPを支持多角形の辺から離すことができ、ロボットの安定性が向上する。   In addition, the cart control means may be arranged such that the ZMP of the robot approaches a line connecting two ground points that are the farthest among the plurality of ground points in a plan view. May be rotated. As a result, the ZMP can be separated from the sides of the support polygon, and the stability of the robot is improved.

また、前記可動部の動作を制御する可動部制御手段をさらに備え、前記台車制御手段が、前記台車を前記地面に対して回転させると共に、前記可動部制御手段が、前記台車の前記地面に対する回転方向とは反対方向に、前記台車の回転速度と略同速度で、前記可動部を前記台車に対して相対的に前記鉛直軸回りに回転させてもよい。これにより、可動部の地面に対する相対的な向きを維持したまま、可動部に対する支持多角形の相対的な向きを変更できる。   Moreover, it further includes a movable part control means for controlling the operation of the movable part, wherein the carriage control means rotates the carriage with respect to the ground, and the movable part control means rotates the carriage with respect to the ground. The movable portion may be rotated about the vertical axis relative to the carriage in a direction opposite to the direction at substantially the same speed as the rotation speed of the carriage. Thereby, the relative direction of the support polygon with respect to the movable part can be changed while maintaining the relative direction of the movable part with respect to the ground.

また、前記台車制御手段は、前記可動部の前記鉛直軸回りの回転軸と、前記台車の回転軸とが一致するように、前記台車を回転させてもよい。これにより、可動部の地面に対する相対的な位置を維持したまま、可動部に対する支持多角形の相対的な向きを変更できる。   Further, the cart control means may rotate the cart so that the rotation axis of the movable portion around the vertical axis coincides with the rotation axis of the cart. Thereby, the relative direction of the support polygon with respect to the movable part can be changed while maintaining the relative position of the movable part with respect to the ground.

また、前記可動部の軌道を算出する可動部軌道算出手段と、前記可動部軌道算出手段が算出した前記可動部の軌道に基づいて、前記ロボットのZMPの軌道を算出するZMP軌道算出部と、をさらに備え、前記台車制御手段は、前記ロボットのZMPの軌道が、前記多角形の内側に存在するように、前記台車を回転させてもよい。これにより、可動部の軌道に応じて、台車を回転させることができる。   A movable part trajectory calculating means for calculating a trajectory of the movable part; a ZMP trajectory calculating part for calculating a ZMP trajectory of the robot based on the trajectory of the movable part calculated by the movable part trajectory calculating means; The cart control means may rotate the cart so that the ZMP trajectory of the robot exists inside the polygon. Thereby, a cart can be rotated according to the track of a movable part.

また、前記台車制御手段は、前記ZMPの軌道が前記多角形の内側に存在するように、前記可動部が動作する前に、予め前記台車を回転させてもよい。これにより、可動部の可動中に、台車を回転させる必要がない。   Further, the cart control means may rotate the cart in advance before the movable part operates so that the track of the ZMP exists inside the polygon. This eliminates the need to rotate the carriage while the movable part is moving.

また、前記台車制御手段は、前記ZMPが前記多角形の内側に設けられた不動領域内に存在する場合、前記台車を静止したままにしてもよい。これにより、台車の無駄な動作を防止することができる。   Further, the cart control means may leave the cart stationary when the ZMP exists in a non-moving region provided inside the polygon. Thereby, useless operation | movement of a trolley | bogie can be prevented.

また、前記多角形は、四角形であり、前記台車制御手段は、前記四角形の2つの対角線の交点と、前記台車の回転軸とが一致するように、前記台車を回転させ、前記ZMPが前記不動領域外に存在する場合、前記ZMPと、前記2つの対角線のうちの長い方の対角線と、を近づけるように、前記台車を回転させる請求項8に記載のロボット。これにより、より安定性の高い方向に台車を回転させることができる。   The polygon is a quadrangle, and the cart control means rotates the cart so that an intersection of two diagonal lines of the quadrangle and a rotation axis of the cart coincide with each other, and the ZMP does not move. The robot according to claim 8, wherein, when the vehicle is outside the region, the cart is rotated so that the ZMP and a longer diagonal of the two diagonals are brought closer to each other. Thereby, the carriage can be rotated in a more stable direction.

また、前記不動領域の面積は、前記台車の最大回転速度に比例して設定されるようにしてもよい。これにより、台車の最大回転速度が遅い場合であっても、早めに台車を回転させることができ、ZMPを支持多角形の内側に収めることができる。   The area of the immovable region may be set in proportion to the maximum rotation speed of the carriage. Thereby, even if the maximum rotation speed of the carriage is slow, the carriage can be rotated early and the ZMP can be accommodated inside the support polygon.

本発明により、周囲の環境に拘わらず、安定状態を維持することができるロボットを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a robot that can maintain a stable state regardless of the surrounding environment.

実施の形態1にかかるロボットの側面図である。1 is a side view of a robot according to a first embodiment. 実施の形態1にかかるロボットの背面図である。FIG. 3 is a rear view of the robot according to the first exemplary embodiment. 実施の形態1にかかるロボットの底面図である。FIG. 2 is a bottom view of the robot according to the first exemplary embodiment. 実施の形態1にかかるロボットの平面図である。1 is a plan view of a robot according to a first embodiment. 実施の形態1にかかるロボットの制御部のブロック図である。FIG. 2 is a block diagram of a control unit of the robot according to the first embodiment. 実施の形態1にかかるロボットの動作を示すフローチャートである。3 is a flowchart illustrating an operation of the robot according to the first exemplary embodiment. 実施の形態1にかかるロボットの回転動作を説明するための図である。(a)は台車が回転前の図である。(b)は台車が左回りに回転した場合を示す図である。(c)は台車が右回りに回転した場合を示す図である。FIG. 6 is a diagram for explaining a rotation operation of the robot according to the first embodiment; (A) is a figure before a trolley rotates. (B) is a figure which shows the case where a trolley rotates counterclockwise. (C) is a figure which shows the case where a trolley rotates clockwise. 実施の形態1にかかる台車とアームの相対的な位置関係を説明するための図である。(a)は回転前の平面図である。(b)は回転後の平面図である。It is a figure for demonstrating the relative positional relationship of the trolley | bogie and arm concerning Embodiment 1. FIG. (A) is a top view before rotation. (B) is a plan view after rotation. 実施の形態1にかかるロボットの回転動作を示す背面図である。FIG. 6 is a rear view showing the rotation operation of the robot according to the first exemplary embodiment. 実施の形態2にかかるロボットのブロック図である。FIG. 3 is a block diagram of a robot according to a second embodiment. 実施の形態2にかかるロボットの動作を示すフローチャートである。6 is a flowchart showing the operation of the robot according to the second exemplary embodiment. 実施の形態2にかかるロボットの動作を説明するための図である。(a)は回転前の平面図である。(b)は回転後の平面図である。FIG. 10 is a diagram for explaining the operation of the robot according to the second embodiment. (A) is a top view before rotation. (B) is a plan view after rotation. 実施の形態3にかかるロボットのブロック図である。FIG. 6 is a block diagram of a robot according to a third embodiment. 実施の形態3にかかるロボットの動作を示すフローチャートである。10 is a flowchart showing the operation of the robot according to the third exemplary embodiment. 実施の形態3にかかる不動領域を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the immovable area | region concerning Embodiment 3. FIG. 実施の形態3にかかる台車の回転量の算出を説明するための図である。(a)は回転前の図である。(b)は回転後の図である。It is a figure for demonstrating calculation of the rotation amount of the trolley | bogie concerning Embodiment 3. FIG. (A) is a figure before rotation. (B) is a view after rotation. 実施の形態3にかかる不動領域の設定方法を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a method for setting a non-moving area according to the third embodiment. その他の実施例にかかるロボットの平面図である。It is a top view of the robot concerning other examples. その他の実施例にかかるロボットの平面図である。It is a top view of the robot concerning other examples.

<実施の形態1>
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態にかかるロボット1の構成を図1、2に示す。図1はロボット1の側面図であり、図2はロボット1の背面図である。ロボット1は、台車11と、アーム12と、を備える。
<Embodiment 1>
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The configuration of the robot 1 according to this embodiment is shown in FIGS. FIG. 1 is a side view of the robot 1, and FIG. 2 is a rear view of the robot 1. The robot 1 includes a carriage 11 and an arm 12.

台車11は、台車本体111と、駆動輪112a、bと、キャスタ113a、bと、を有する。台車11は、駆動輪112a、b及びキャスタ113a、bの4つの接地点で地面に接している。   The cart 11 includes a cart body 111, drive wheels 112a and 112b, and casters 113a and 113b. The carriage 11 is in contact with the ground at the four contact points of the drive wheels 112a and 112b and the casters 113a and 113b.

台車本体111は、円柱形状であり、アーム12を支持している。駆動輪112a、bは、台車本体111の下面に、同軸上に配置されている。駆動輪112a、bの回転軸は台車本体111に対して相対的に固定されている。駆動輪112a、bは、図示しないモータにより回転駆動する。キャスタ113a、bは、全方位に走行可能な自在キャスタであり、モータ等の駆動手段を有さない。キャスタ113a、bは、台車本体111の移動方向に応じた方向を向いて回転する。   The cart body 111 has a cylindrical shape and supports the arm 12. The drive wheels 112a and 112b are coaxially disposed on the lower surface of the carriage main body 111. The rotation shafts of the drive wheels 112 a and b are fixed relatively to the carriage main body 111. The driving wheels 112a and 112b are rotationally driven by a motor (not shown). The casters 113a and 113b are free casters capable of traveling in all directions and do not have a driving means such as a motor. The casters 113a and 113b rotate in a direction corresponding to the moving direction of the carriage main body 111.

つまり、駆動輪112a、bが、同一方向を向いて、同一方向に回転すると、ロボット1は、駆動輪112a、bが向いている方向に移動する。一方、駆動輪112a、bが同一方向を向いて、それぞれ反対方向に回転すると、ロボット1は、鉛直軸(ヨー軸)回りに回転する。特に、駆動輪112a、bが同一速度で回転する場合は、その場で回転する。   That is, when the drive wheels 112a, b are directed in the same direction and rotated in the same direction, the robot 1 moves in the direction in which the drive wheels 112a, b are directed. On the other hand, when the driving wheels 112a and 112b are directed in the same direction and rotate in opposite directions, the robot 1 rotates around the vertical axis (yaw axis). In particular, when the drive wheels 112a, b rotate at the same speed, they rotate on the spot.

アーム12は、アーム部材121a〜cと、関節122a、bと、ハンド部123と、を有する。アーム12は、台車11に支持されると共に、台車11に対して相対的に変位可能に連結されている。   The arm 12 includes arm members 121a to 121c, joints 122a and 122b, and a hand portion 123. The arm 12 is supported by the carriage 11 and connected to the carriage 11 so as to be relatively displaceable.

アーム部材121aは、一端が台車本体111に連結され、他端が関節122aを介してアーム部材121bに連結されている。アーム部材121bは、一端がアーム部材121aに連結され、他端が関節122bに連結されている。アーム部材121cは、一端が関節122bに連結され、他端がハンド部123に連結されている。   One end of the arm member 121a is connected to the cart body 111, and the other end is connected to the arm member 121b via a joint 122a. The arm member 121b has one end connected to the arm member 121a and the other end connected to the joint 122b. The arm member 121 c has one end connected to the joint 122 b and the other end connected to the hand portion 123.

アーム部材121aは、円柱形状であり、台車本体111の上面鉛直軸方向に立設されている。アーム部材121aは、台車本体111に対して位置固定されている。そのため、台車11が回転すると、アーム部材121aも鉛直軸回りに回転する。アーム部材121bは、関節122aに設けられたモータ(図示省略)が回転駆動することにより、アーム部材121aの中心軸回りに回転可能である。アーム部材121bが回転すると、アーム部材121bに連結された先端部分(関節122bからハンド部123まで)が回転する。つまり、ロボット1は、台車11の回転動作、または関節122aに設けられたモータの回転駆動により、アーム12の向きを変更可能である。   The arm member 121a has a columnar shape and is erected in the vertical axis direction on the upper surface of the carriage body 111. The arm member 121a is fixed in position with respect to the carriage main body 111. Therefore, when the carriage 11 rotates, the arm member 121a also rotates around the vertical axis. The arm member 121b can rotate around the central axis of the arm member 121a when a motor (not shown) provided in the joint 122a is rotationally driven. When the arm member 121b rotates, the tip portion (from the joint 122b to the hand portion 123) connected to the arm member 121b rotates. That is, the robot 1 can change the direction of the arm 12 by rotating the carriage 11 or rotating the motor provided in the joint 122a.

関節122bの内部にも図示しないモータが設けられており、アーム部材121b、cは、関節122bの可動範囲において自在に回転可能である。なお、ハンド部123にも図示しないモータが設けられており、当該モータの駆動により物体の把持を実現可能な構成となっている。   A motor (not shown) is also provided inside the joint 122b, and the arm members 121b and c can freely rotate within the movable range of the joint 122b. Note that the hand unit 123 is also provided with a motor (not shown), and is configured to be able to grip an object by driving the motor.

次に、駆動輪112a、b及びキャスタ113a、bの配置位置について詳細に説明する。図3は、ロボット1の底面図である。図3において、上側がロボット1の後方であり、下側がロボット1の前方である。駆動輪112a、bは、ロボット1の左右方向に並んで配置されている。上記したように、駆動輪112aと駆動輪112bとは同軸L1上に配置されている。キャスタ113a、bは、ロボット1の前後方向に並んで配置されている。キャスタ113a、bは、軸L1と略直交する軸L2上に配置される。なお、キャスタ113aは、台車本体111の外周面から若干離れて配置されている。   Next, the arrangement positions of the drive wheels 112a and 112b and the casters 113a and 113b will be described in detail. FIG. 3 is a bottom view of the robot 1. In FIG. 3, the upper side is the rear of the robot 1, and the lower side is the front of the robot 1. The drive wheels 112a and 112b are arranged side by side in the left-right direction of the robot 1. As described above, the drive wheel 112a and the drive wheel 112b are disposed on the same axis L1. The casters 113a and 113b are arranged side by side in the front-rear direction of the robot 1. The casters 113a and 113b are disposed on an axis L2 that is substantially orthogonal to the axis L1. Note that the caster 113 a is disposed slightly apart from the outer peripheral surface of the carriage main body 111.

支持多角形90は、駆動輪112a、bと地面との接地点31、32及びキャスタ113a、bと地面との接地点33、34を結んで形成される四角形である。何れかの接地点と、台車本体111の外周面との最短距離は、他の接地点と、台車本体111の外周面との最短距離よりも短い。支持多角形90は、ZMP(Zero Moment Point)の安定領域である。ZMPとは、ロボット1にかかる床反力の圧力中心点であり、ロボット1に対する床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点である。そのため、ロボット1の重心とZMPとは異なる点である。なお、支持多角形90の対角線は、軸L1、L2と一致する。   The support polygon 90 is a quadrangle formed by connecting the grounding points 31 and 32 between the driving wheels 112a and 112b and the ground and the grounding points 33 and 34 between the casters 113a and 113b and the ground. The shortest distance between any of the contact points and the outer peripheral surface of the cart body 111 is shorter than the shortest distance between the other contact points and the outer peripheral surface of the cart body 111. The support polygon 90 is a stable region of ZMP (Zero Moment Point). ZMP is a pressure center point of the floor reaction force applied to the robot 1 and is a point on the floor where the moment due to the floor reaction force on the robot 1 is zero. Therefore, the center of gravity of the robot 1 and the ZMP are different points. The diagonal line of the support polygon 90 coincides with the axes L1 and L2.

図4は、ロボット1の平面図である。図4において、上側がロボット1の後方であり、下側がロボット1の前方である。なお、アーム部材121bの先端部以降は図示を省略する。アーム部材121aの中心軸(アーム12の回転軸)は、平面視において、支持多角形90の内側に位置する。好ましくは、図4に示すように、アーム部材121aの中心軸と台車11の回転軸100とが一致する位置に、アーム部材121aを配置する。これにより、台車11が回転した場合に、アーム12の地面に対する相対的な位置が変化することがない。   FIG. 4 is a plan view of the robot 1. In FIG. 4, the upper side is the rear of the robot 1, and the lower side is the front of the robot 1. In addition, illustration is abbreviate | omitted after the front-end | tip part of the arm member 121b. The central axis of the arm member 121a (the rotation axis of the arm 12) is located inside the support polygon 90 in plan view. Preferably, as shown in FIG. 4, the arm member 121 a is disposed at a position where the central axis of the arm member 121 a coincides with the rotating shaft 100 of the carriage 11. Thereby, when the trolley | bogie 11 rotates, the relative position with respect to the ground of the arm 12 does not change.

次に、ロボット1の制御部について説明する。図5は、ロボット1の制御部のブロック図である。ロボット1の制御部は、CPU(Central Processing Unit)21と、アーム制御部22と、台車制御部23と、ZMP計測部24と、を備える。   Next, the control unit of the robot 1 will be described. FIG. 5 is a block diagram of the control unit of the robot 1. The control unit of the robot 1 includes a CPU (Central Processing Unit) 21, an arm control unit 22, a cart control unit 23, and a ZMP measurement unit 24.

CPU21は、実行プログラムや入力データに基づいて、制御部内の各種処理や命令を実行する中央制御装置である。アーム制御部22は、アーム12の関節122a、bのモータの駆動を制御する制御信号を出力し、アーム12を動作させる。台車制御部23は、台車11の駆動輪112a、bのモータの駆動を制御する制御信号を出力し、駆動輪112a、bを回転させる。ZMP計測部24は、例えば、ロボット重心加速度計測装置や、床反力測定装置により構成され、ロボット1のZMPの位置を計測する。なお、ZMPの計測技術については、公知であるため、詳細な説明は省略する。   The CPU 21 is a central control device that executes various processes and commands in the control unit based on execution programs and input data. The arm control unit 22 outputs a control signal for controlling driving of the motors of the joints 122a and 122b of the arm 12 to operate the arm 12. The carriage control unit 23 outputs a control signal for controlling the driving of the motors of the drive wheels 112a and 112b of the carriage 11 and rotates the drive wheels 112a and 112b. The ZMP measurement unit 24 is configured by, for example, a robot center-of-gravity acceleration measurement device or a floor reaction force measurement device, and measures the ZMP position of the robot 1. Since the ZMP measurement technique is known, detailed description thereof is omitted.

続いて、本実施の形態にかかるロボット1の動作例について図6のフローチャートを参照して説明する。まず、アーム制御部22が、アーム12を動作させる(ステップS101)。そして、ZMP計測部24が、ロボット1のZMPの位置を計測する(ステップS102)。ZMP計測部24は、計測したZMPの位置情報(ZMPの位置を特定するための情報)が変動したか否かを判定する(ステップS103)。ZMPの位置が変動している場合(ステップS103:Yes)、ZMP計測部24は、ZMPの位置情報を台車制御部23に出力する。   Next, an operation example of the robot 1 according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. First, the arm control unit 22 operates the arm 12 (step S101). Then, the ZMP measuring unit 24 measures the ZMP position of the robot 1 (step S102). The ZMP measurement unit 24 determines whether or not the measured ZMP position information (information for specifying the position of the ZMP) has changed (step S103). When the position of the ZMP is fluctuating (step S103: Yes), the ZMP measurement unit 24 outputs the position information of the ZMP to the cart control unit 23.

台車制御部23は、ZMPの位置情報に基づいて、台車11を回転させる(ステップS104)。具体的には、台車制御部23は、平面視において、ZMPが支持多角形90の内側に位置するように、台車11を回転させる。   The trolley | bogie control part 23 rotates the trolley | bogie 11 based on the positional information on ZMP (step S104). Specifically, the cart control unit 23 rotates the cart 11 so that the ZMP is positioned inside the support polygon 90 in plan view.

そして、アーム制御部22は、アーム12が終了したか否かを判定する(ステップS105)。アーム12の動作が終了した場合(ステップS105:Yes)、ロボット1の動作は終了する。一方、アーム12の動作が終了していない場合(ステップS105:No)、アーム制御部22は、再度アーム12を動作させる(ステップS101)。なお、アーム12の動作後においても、ZMPの位置が変動していない場合も(ステップS103:No)、アーム制御部22は、再度アーム12を動作させる(ステップS101)。   Then, the arm control unit 22 determines whether or not the arm 12 is finished (step S105). When the operation of the arm 12 is finished (step S105: Yes), the operation of the robot 1 is finished. On the other hand, when the operation of the arm 12 is not completed (step S105: No), the arm control unit 22 operates the arm 12 again (step S101). Even if the position of the ZMP has not changed even after the operation of the arm 12 (step S103: No), the arm control unit 22 operates the arm 12 again (step S101).

ここで、ZMPの位置を支持多角形90の内側に維持するための台車11の回転方向について説明する。例えば、平面視において、ZMPの最も近くに位置する支持多角形90の辺と、ZMPとの距離が大きくなるように回転させる。言い換えると、平面視において、台車11の回転軸から支持多角形90の各辺に引いた法線のうち、ZMPとの距離が最も近い法線から、ZMPが離れるように回転させる。   Here, the rotation direction of the carriage 11 for maintaining the position of the ZMP inside the support polygon 90 will be described. For example, it is rotated so that the distance between the side of the support polygon 90 located closest to the ZMP and the ZMP in plan view increases. In other words, in a plan view, the ZMP is rotated away from the normal line closest to the ZMP among the normal lines drawn from the rotation axis of the carriage 11 to each side of the support polygon 90.

図7を用いて、上記の回転動作の一例を説明する。図7(a)は台車11の回転前の図であり、図7(b)は台車11が左回りに回転した場合を示す図であり、図7(c)は台車11が右回りに回転した場合を示す図である。平面視において、ZMP200の最も近くに位置する支持多角形の辺101と、ZMP200と、の距離をdとする。台車制御部23は、距離dが大きくなる方向に台車11を回転させる。   An example of the above rotation operation will be described with reference to FIG. FIG. 7A is a view before the carriage 11 is rotated, FIG. 7B is a view showing the case where the carriage 11 is rotated counterclockwise, and FIG. 7C is a diagram where the carriage 11 is rotated clockwise. FIG. In plan view, the distance between the side 101 of the supporting polygon located closest to the ZMP 200 and the ZMP 200 is d. The cart controller 23 rotates the cart 11 in the direction in which the distance d increases.

図7の例においては、台車制御部23が、台車11を左回りに回転させると、距離dが大きくなる(図7(b)参照)。言い換えると、台車制御部23は、台車11の回転軸100から支持多角形90の各辺に引いた法線のうち、ZMP200との距離が最も近い法線102から、ZMP200が離れる方向(左回り)に台車11を回転させる。この方向に回転させることにより、ZMP200が、支持多角形90の辺から離れる。そのため、ZMP200が、支持多角形90の内側から出ることを抑制できる。一方、台車11を右回りに回転させると、距離dが小さくなると共に、ZMP200が法線102に近づいてしまう(図7(c)参照)。なお、回転量(回転角度)については、回転前の距離dよりも回転後の距離dが大きくなれば、回転量は任意の量でよい。   In the example of FIG. 7, when the cart control unit 23 rotates the cart 11 counterclockwise, the distance d increases (see FIG. 7B). In other words, the cart control unit 23 moves the ZMP 200 away from the normal 102 that is closest to the ZMP 200 among the normals drawn from the rotating shaft 100 of the cart 11 to each side of the support polygon 90 (counterclockwise). ), The carriage 11 is rotated. By rotating in this direction, the ZMP 200 moves away from the sides of the support polygon 90. Therefore, it is possible to suppress the ZMP 200 from coming out of the inside of the support polygon 90. On the other hand, when the carriage 11 is rotated clockwise, the distance d decreases and the ZMP 200 approaches the normal line 102 (see FIG. 7C). As for the rotation amount (rotation angle), the rotation amount may be an arbitrary amount as long as the distance d after rotation becomes larger than the distance d before rotation.

さらに、ロボット1は、支持多角形90のアーム12に対する相対的な向きを変更するために、台車11を回転させると共に、アーム12も回転させる。そのため、台車11が回転しても、アーム12の向きが変更しない。   Further, the robot 1 rotates the carriage 11 and the arm 12 in order to change the relative orientation of the support polygon 90 with respect to the arm 12. Therefore, even if the carriage 11 rotates, the direction of the arm 12 does not change.

台車11とアーム12との相対的な回転動作について図8を用いて説明する。図8(a)は、台車11及びアーム12の回転前におけるロボット1の平面図であり、図8(b)は、台車11及びアーム12の回転後におけるロボット1の平面図である。図8(a)に示すように、台車制御部23が、台車11を右回りに回転させようとする場合、アーム制御部22は、台車11とは反対方向の左回りに、アーム12を回転させるように関節122aのモータを制御する。また、アーム制御部22は、アーム12の回転速度を台車11の回転速度と略同速度とする。なお、ロボット1の背面視における台車11及びアーム12の回転方向を図9に示す。これにより、台車11の回転に伴って、アーム12の向きが変わってしまうことを防止する。つまり、アーム12の地面に対する相対的な位置を維持したまま、台車11のみを回転させる。その結果、支持多角形90のアーム12に対する相対的な向きを変更することができる(図8(b)参照)。   A relative rotational operation between the carriage 11 and the arm 12 will be described with reference to FIG. 8A is a plan view of the robot 1 before the carriage 11 and the arm 12 are rotated, and FIG. 8B is a plan view of the robot 1 after the carriage 11 and the arm 12 are rotated. As shown in FIG. 8A, when the cart control unit 23 tries to rotate the cart 11 clockwise, the arm control unit 22 rotates the arm 12 counterclockwise in the direction opposite to the cart 11. The motor of the joint 122a is controlled so that Further, the arm control unit 22 sets the rotation speed of the arm 12 to substantially the same speed as the rotation speed of the carriage 11. In addition, the rotation direction of the cart 11 and the arm 12 in the rear view of the robot 1 is shown in FIG. This prevents the direction of the arm 12 from changing with the rotation of the carriage 11. That is, only the carriage 11 is rotated while maintaining the relative position of the arm 12 with respect to the ground. As a result, the relative orientation of the support polygon 90 with respect to the arm 12 can be changed (see FIG. 8B).

なお、台車11の重心は、台車11の回転軸上(または回転軸から十分近い位置)にあることが好ましい。台車11の重心が台車11の回転軸上に位置していると、台車11が回転してもZMPの位置は変わらない(アーム12の位置や動作によるZMPの移動は考慮しないものとする)。そのため、ZMPを支持多角形90の内側に収めるために台車11を回転させる際に、アーム12の位置や動作によるZMPの移動のみを考慮すればよく、台車11の回転のみによるZMPの移動は考慮しなくて済む。   The center of gravity of the carriage 11 is preferably on the rotation axis of the carriage 11 (or a position sufficiently close to the rotation axis). If the center of gravity of the carriage 11 is located on the rotation axis of the carriage 11, the position of the ZMP does not change even if the carriage 11 rotates (the movement of the ZMP due to the position and operation of the arm 12 is not considered). Therefore, when the carriage 11 is rotated in order to store the ZMP inside the support polygon 90, only the movement of the ZMP due to the position and operation of the arm 12 needs to be considered, and the movement of the ZMP only due to the rotation of the carriage 11 is considered. You don't have to.

以上のように、本実施の形態にかかるロボット1の構成によれば、台車制御部23が、支持多角形90のアーム12に対する相対的な向きを、台車11を鉛直軸回りに回転させることにより制御する。具体的には、台車制御部23は、平面視において、ロボット1のZMPが、支持多角形90の内側に位置するように台車11を回転させる。そのため、アーム12の動作によりZMPの位置が変動しても、ZMPを支持多角形90の内側に収めることができる。さらに、台車制御部23による支持多角形90の向きの制御は、台車11の回転動作によって実現されるため、ロボット1の周囲に十分な空間を必要としない。その結果、ロボット1は、周囲の環境に拘わらず、安定状態を維持することができる。なお、安定状態とは、ロボットの支持多角形の中にZMPが収まっている状態のことを意味する。   As described above, according to the configuration of the robot 1 according to the present embodiment, the cart controller 23 rotates the cart 11 around the vertical axis so that the relative direction of the support polygon 90 with respect to the arm 12 is rotated. Control. Specifically, the cart control unit 23 rotates the cart 11 so that the ZMP of the robot 1 is positioned inside the support polygon 90 in plan view. Therefore, even if the position of the ZMP varies due to the operation of the arm 12, the ZMP can be stored inside the support polygon 90. Furthermore, since the control of the orientation of the support polygon 90 by the carriage control unit 23 is realized by the rotation operation of the carriage 11, a sufficient space around the robot 1 is not required. As a result, the robot 1 can maintain a stable state regardless of the surrounding environment. The stable state means a state where the ZMP is contained in the support polygon of the robot.

さらに、ロボット1の構成は、ロボット1が移動するために駆動輪112a、bに配置されたモータや、アーム12を回転させるために関節122aに配置されたモータ等、一般的なアームロボットが備える駆動機構のみを備えていればよい。つまり、ロボットの支持多角形の向きや形状を変更させるための駆動機構を別途設ける必要が無い。したがって、ロボットの製造コストを抑えることができる。   Furthermore, the configuration of the robot 1 includes a general arm robot such as a motor disposed in the drive wheels 112a and 112b for moving the robot 1 and a motor disposed in the joint 122a for rotating the arm 12. It is sufficient to provide only the drive mechanism. That is, it is not necessary to separately provide a drive mechanism for changing the orientation and shape of the support polygon of the robot. Therefore, the manufacturing cost of the robot can be suppressed.

<実施の形態2>
本発明にかかる実施の形態2について説明する。本実施の形態にかかるロボット2の制御部のブロック図を図10に示す。ロボット2の制御部は、CPU21と、アーム制御部22と、台車制御部23と、アーム軌道計画部25と、ZMP軌道予測部26と、を備える。なお、その他の構成についてはロボット1と同様であるので、説明を適宜省略する。
<Embodiment 2>
A second embodiment according to the present invention will be described. FIG. 10 shows a block diagram of the control unit of the robot 2 according to the present embodiment. The control unit of the robot 2 includes a CPU 21, an arm control unit 22, a cart control unit 23, an arm trajectory planning unit 25, and a ZMP trajectory prediction unit 26. Since the other configuration is the same as that of the robot 1, description thereof will be omitted as appropriate.

アーム軌道計画部25は、アーム12の把持対象物の位置や、周囲の障害物の位置等に基づいて、アーム12を把持対象物に近づける軌道を計画する。なお、アーム12の軌道の計画手法としては、RRT(Rapidly-exploring Random Trees)等の既存の軌道計画手法を用いればよい。   The arm trajectory planning unit 25 plans a trajectory that brings the arm 12 closer to the grasped object based on the position of the grasped object of the arm 12, the position of surrounding obstacles, and the like. As a trajectory planning method for the arm 12, an existing trajectory planning method such as RRT (Rapidly-exploring Random Trees) may be used.

ZMP軌道予測部26は、アーム軌道計画部25が計画したアーム12の軌道情報(アーム12の軌道を特定するための情報)に基づいて、ZMPの軌道を予測する。具体的には、ZMP軌道予測部26は、ロボット2をモデル化し、アーム12の軌道情報に基づいて予測されるロボット2の重心の位置やモーメント、加速度から、ZMPの軌道を予測する。なお、ZMP軌道予測手法は公知の技術であるため、詳細な説明を省略する。   The ZMP trajectory prediction unit 26 predicts the trajectory of the ZMP based on the trajectory information of the arm 12 planned by the arm trajectory planning unit 25 (information for specifying the trajectory of the arm 12). Specifically, the ZMP trajectory prediction unit 26 models the robot 2 and predicts the ZMP trajectory from the position, moment, and acceleration of the center of gravity of the robot 2 predicted based on the trajectory information of the arm 12. Since the ZMP trajectory prediction method is a known technique, detailed description thereof is omitted.

続いて、本実施の形態にかかるロボット2の動作例について、図11に示すフローチャートを参照して説明する。まず、アーム軌道計画部25が、アーム12の作業(例えば、ハンド部123が把持対象物を把持する作業等)に応じて、アーム12の軌道を計画する(ステップS201)。アーム軌道計画部25は、計画した軌道情報をアーム制御部22及びZMP軌道予測部26に出力する。   Next, an operation example of the robot 2 according to the present embodiment will be described with reference to a flowchart shown in FIG. First, the arm trajectory planning unit 25 plans the trajectory of the arm 12 according to the work of the arm 12 (for example, the work of the hand unit 123 grasping the grasped object) (step S201). The arm trajectory planning unit 25 outputs the planned trajectory information to the arm control unit 22 and the ZMP trajectory prediction unit 26.

ZMP軌道予測部26は、入力された軌道情報に基づいて、ZMP軌道を予測する(ステップS202)。ロボット2のZMP軌道を図12(a)に示す。ロボット2のZMPは、平面視において、アーム部材121aの中心軸から、ロボット2の左前方に移動し、台車11の外周面に近づくと、再度アーム部材121aの中心軸に戻ってくる軌道201を描く。なお、ZMP軌道201とは、図12(a)に示すように、平面視において、移動するZMPの位置を所定の間隔でプロットした点の集合を意味する。   The ZMP trajectory prediction unit 26 predicts a ZMP trajectory based on the input trajectory information (step S202). The ZMP trajectory of the robot 2 is shown in FIG. In plan view, the ZMP of the robot 2 moves from the central axis of the arm member 121a to the left front of the robot 2, and as it approaches the outer peripheral surface of the carriage 11, the trajectory 201 returns to the central axis of the arm member 121a again. Draw. As shown in FIG. 12A, the ZMP trajectory 201 means a set of points in which the positions of the moving ZMP are plotted at a predetermined interval in plan view.

このとき、ZMP軌道201の一部が支持多角形90の外側に出ている。そのため、図12(a)に示した台車11の姿勢のままアーム12を動作させると、ロボット2は安定状態を維持することが困難となる。   At this time, a part of the ZMP track 201 protrudes outside the support polygon 90. Therefore, if the arm 12 is operated with the position of the carriage 11 shown in FIG. 12A, it is difficult for the robot 2 to maintain a stable state.

したがって、台車制御部23は、支持多角形90の内側にZMP軌道が収まるように、アーム12の動作前に、予め台車11を回転させる(ステップS203)。このとき、実施の形態1と同様に、アーム制御部22は、台車11の回転方向とは反対方向に、台車11の回転速度と略同速度で、アーム12を回転させる。これにより、アーム12に対する支持多角形90の相対的な向きが変更すると共に、アーム12の地面に対する相対的な位置は変更しない。台車11及びアーム12の回転後を示す図を図12(b)に示す。回転後においては、ZMP軌道201が支持多角形90の内側に位置するため、ロボット2は安定状態の維持が可能となる。   Therefore, the carriage control unit 23 rotates the carriage 11 in advance before the operation of the arm 12 so that the ZMP trajectory fits inside the support polygon 90 (step S203). At this time, similarly to the first embodiment, the arm control unit 22 rotates the arm 12 in a direction opposite to the rotation direction of the carriage 11 at substantially the same speed as the rotation speed of the carriage 11. Thereby, the relative orientation of the support polygon 90 with respect to the arm 12 is changed, and the relative position of the arm 12 with respect to the ground is not changed. FIG. 12B shows a view after the carriage 11 and the arm 12 are rotated. After the rotation, since the ZMP trajectory 201 is located inside the support polygon 90, the robot 2 can maintain a stable state.

ここで、ZMP軌道201の全てを支持多角形90の内側に収める方法の一例について説明する。ZMP軌道201の全てが支持多角形90の内側に収まる角度θを最急降下法により求めることができる。より詳細には、ZMP軌道201に含まれる複数のZMPのうち、支持多角形90の外側に位置するZMPの数をfzmp(θ)として、最急降下法によりfzmp(θ)が減少する方向へθを変更していく。つまり、支持多角形90の向きを変更することにより、図12に示したZMP軌道201の各点の全てが支持多角形90の内側に位置するθを探索する。そして、台車制御部23は、fzmp(θ)が最小(図12(b)においては0個)になった場合のθだけ、台車11を回転させる。それと共に、アーム制御部22は、アーム12を−θだけ回転させる。なお、ZMP軌道201の全てが支持多角形90の内側に収まる角度θの算出手法は、上記の最急降下法に限られず様々な手法を用いることができる。   Here, an example of a method for accommodating all of the ZMP trajectory 201 inside the support polygon 90 will be described. The angle θ at which all of the ZMP trajectory 201 falls within the support polygon 90 can be obtained by the steepest descent method. More specifically, out of a plurality of ZMPs included in the ZMP trajectory 201, the number of ZMPs located outside the support polygon 90 is defined as fzmp (θ), and the direction of fzmp (θ) decreases by the steepest descent method θ Will change. That is, by changing the orientation of the support polygon 90, the search is performed for θ where all the points of the ZMP trajectory 201 shown in FIG. And the trolley | bogie control part 23 rotates the trolley | bogie 11 only (theta) when fzmp ((theta)) becomes the minimum (it is 0 pieces in FIG.12 (b)). At the same time, the arm control unit 22 rotates the arm 12 by −θ. The method for calculating the angle θ at which all of the ZMP trajectory 201 falls within the support polygon 90 is not limited to the above steepest descent method, and various methods can be used.

台車11及びアーム12の回転動作が完了すると、アーム制御部22は、アーム軌道計画部25から入力された軌道情報に基づいて、アーム12に設けられた関節122a、bを駆動させる(ステップS204)。   When the rotation operation of the carriage 11 and the arm 12 is completed, the arm control unit 22 drives the joints 122a, b provided on the arm 12 based on the trajectory information input from the arm trajectory planning unit 25 (step S204). .

以上のように、本実施の形態にかかるロボット2の構成によれば、ZMP軌道予測部26が、アーム12の軌道情報に基づいて、ZMP軌道を予測する。そして、台車制御部23が、支持多角形90の内側にZMP軌道が収まるように、アーム12に対する支持多角形90の相対的な向きを、アーム12を動作させる前に予め変更する。そのため、アーム12の動作後に、台車制御部23が、ZMPの移動に合わせて支持多角形90の向きを随時変更しなくてもよい。勿論、ZMP軌道の全てが、支持多角形90の内側に位置しているため、ロボット2は、アーム12の動作時において安定状態を維持できる。   As described above, according to the configuration of the robot 2 according to the present embodiment, the ZMP trajectory prediction unit 26 predicts the ZMP trajectory based on the trajectory information of the arm 12. Then, the cart control unit 23 changes the relative orientation of the support polygon 90 with respect to the arm 12 in advance before operating the arm 12 so that the ZMP trajectory fits inside the support polygon 90. Therefore, after the operation of the arm 12, the cart control unit 23 may not change the orientation of the support polygon 90 as needed in accordance with the movement of the ZMP. Of course, since all of the ZMP trajectories are located inside the support polygon 90, the robot 2 can maintain a stable state during the operation of the arm 12.

<実施の形態3>
本発明にかかる実施の形態3について説明する。本実施の形態にかかるロボット3の制御部のブロック図を図13に示す。ロボット3の制御部は、CPU21と、アーム制御部22と、台車制御部23と、ZMP計測部24と、不動領域設定部27と、回転判定部28と、を備える。なお、その他の構成についてはロボット1と同様であるので、説明を適宜省略する。
<Embodiment 3>
A third embodiment according to the present invention will be described. FIG. 13 shows a block diagram of a control unit of the robot 3 according to the present embodiment. The control unit of the robot 3 includes a CPU 21, an arm control unit 22, a cart control unit 23, a ZMP measurement unit 24, a non-moving region setting unit 27, and a rotation determination unit 28. Since the other configuration is the same as that of the robot 1, description thereof will be omitted as appropriate.

不動領域設定部27は、支持多角形90の内側に、不動領域を設定する。ここで、不動領域とは、ロボット3のZMPの移動を許可する領域である。言い換えると、ロボット3のZMPが不動領域内で移動した場合であっても、台車制御部23は、台車11を回転させず、静止状態を維持する。   The immovable area setting unit 27 sets an immovable area inside the support polygon 90. Here, the immovable area is an area where the movement of the ZMP of the robot 3 is permitted. In other words, even if the ZMP of the robot 3 moves within the immovable region, the carriage control unit 23 does not rotate the carriage 11 and maintains a stationary state.

回転判定部28は、ZMP計測部24が計測したZMPの位置が、不動領域の外側であるか否かを判定する。   The rotation determination unit 28 determines whether or not the ZMP position measured by the ZMP measurement unit 24 is outside the immovable region.

続いて、本実施の形態にかかるロボット3の動作について、図14に示すフローチャートを参照して説明する。まず、不動領域設定部27が、支持多角形90の内側に不動領域を設定する(ステップS301)。不動領域設定部27は、不動領域の領域情報(不動領域の位置を特定するための情報)を回転判定部28に出力する。   Next, the operation of the robot 3 according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG. First, the non-moving area setting unit 27 sets a non-moving area inside the support polygon 90 (step S301). The immovable area setting unit 27 outputs area information of the immovable area (information for specifying the position of the immovable area) to the rotation determination unit 28.

ここで、図15に不動領域の一例を示す。不動領域91(斜線領域)は、支持多角形90の対角線の交点(台車11の回転軸)を中心とした四角形の領域である。つまり、支持多角形90の対角線の交点と不動領域91の対角線の交点とは一致する。また、不動領域91の短い方の対角線L4は、支持多角形90の短い方の対角線L2よりも短い。不動領域91の長い方の対角線L3は、支持多角形90の長い方の対角線L1と略同一の長さである。なお、不動領域91の設定方法の詳細については後述する。   Here, FIG. 15 shows an example of the immovable region. The immovable area 91 (hatched area) is a quadrangular area centered on the intersection of the diagonal lines of the support polygon 90 (the rotation axis of the carriage 11). That is, the intersection of the diagonal lines of the support polygon 90 and the intersection of the diagonal lines of the immobile area 91 coincide. Further, the shorter diagonal line L4 of the immovable region 91 is shorter than the shorter diagonal line L2 of the support polygon 90. The longer diagonal line L3 of the immovable region 91 is substantially the same length as the longer diagonal line L1 of the support polygon 90. Details of the method for setting the immovable area 91 will be described later.

次に、アーム制御部22が、アーム12を動かす(ステップS302)。これにより、ロボット3のZMPが移動する。そして、ZMP計測部24が、ロボット3のZMPの位置を計測する(ステップS303)。ZMP計測部24は、ZMPの位置情報を、台車制御部23及び回転判定部28に出力する。   Next, the arm control unit 22 moves the arm 12 (step S302). As a result, the ZMP of the robot 3 moves. Then, the ZMP measuring unit 24 measures the ZMP position of the robot 3 (step S303). The ZMP measurement unit 24 outputs the ZMP position information to the carriage control unit 23 and the rotation determination unit 28.

回転判定部28は、不動領域91の領域情報とZMPの位置情報とに基づいて、ZMPが不動領域91の外側に位置するか否かを判定する(ステップS304)。ZMPが不動領域91の内側(領域の線上も含む)に位置する場合(ステップS304:No)、アーム制御部22は、再びアーム12を動作させる(ステップS303)。なお、ZMPの位置計測は、所定時間毎やZMPが所定の距離だけ移動した毎等、定期的に行われる。   The rotation determination unit 28 determines whether the ZMP is located outside the non-moving area 91 based on the area information of the non-moving area 91 and the position information of the ZMP (Step S304). When the ZMP is located inside the immovable region 91 (including the region line) (step S304: No), the arm control unit 22 operates the arm 12 again (step S303). Note that the ZMP position measurement is periodically performed every predetermined time or every time the ZMP moves by a predetermined distance.

ZMPが不動領域91の外側に位置する場合(ステップS304:Yes)、台車制御部23は、入力されたZMPの位置に基づいて、台車11の回転量θを算出する(ステップS305)。   When the ZMP is located outside the immovable region 91 (step S304: Yes), the carriage control unit 23 calculates the rotation amount θ of the carriage 11 based on the input ZMP position (step S305).

台車11の回転量θの算出について、図16を用いて具体的に説明する。図16(a)は回転前の支持多角形90及び不動領域91を示す図であり、図16(b)は回転後の支持多角形90及び不動領域91を示す図である。なお、図16においては、ZMP200の移動が直線的(例えば、ロボット3が坂道に進入する場合、ロボット3が一定方向から押される場合、アーム12を一定方向に伸ばす場合等)であるとする(破線矢印方向)。   The calculation of the rotation amount θ of the carriage 11 will be specifically described with reference to FIG. FIG. 16A is a diagram showing the support polygon 90 and the non-moving region 91 before rotation, and FIG. 16B is a diagram showing the support polygon 90 and the non-moving region 91 after rotation. 16, it is assumed that the movement of the ZMP 200 is linear (for example, when the robot 3 enters a slope, when the robot 3 is pushed from a certain direction, when the arm 12 is extended in a certain direction, etc.) ( Dashed arrow direction).

図16において、直線105は、回転軸100とZMP200とを結ぶ直線である。また、直線106は、回転軸100からの距離が最大となる点Dと回転軸100とを結ぶ直線である。このとき、平面視における台車11の回転軸100を通る基準線104(図16(a)の場合、支持多角形90の短い方の対角線)と、直線105と、がなす角をθzmpとする。また、基準線104と、直線106と、がなす角をθdとする。台車11の目標回転量をθとすると、台車制御部23は、以下の式(1)により回転量θを算出する。   In FIG. 16, a straight line 105 is a straight line connecting the rotary shaft 100 and the ZMP 200. The straight line 106 is a straight line connecting the point D where the distance from the rotation axis 100 is maximum and the rotation axis 100. At this time, an angle formed by the reference line 104 (in the case of FIG. 16A, the shorter diagonal line of the support polygon 90) and the straight line 105 passing through the rotation axis 100 of the carriage 11 in plan view is defined as θzmp. An angle formed by the reference line 104 and the straight line 106 is θd. When the target rotation amount of the carriage 11 is θ, the carriage control unit 23 calculates the rotation amount θ by the following equation (1).

Figure 2012166315
Figure 2012166315

そして、台車制御部23は、回転量θだけ台車11を回転させる(ステップS306)。具体的には、台車制御部23は、θの値が正の場合、台車11を右回りに回転させ、θの値が負の場合、台車11を左回りに回転させる。   Then, the carriage control unit 23 rotates the carriage 11 by the rotation amount θ (step S306). Specifically, the cart control unit 23 rotates the cart 11 clockwise when the value of θ is positive, and rotates the cart 11 counterclockwise when the value of θ is negative.

図16(a)に示した例においては、θzmp−θd<0であるため、台車制御部23は、台車11を左回りに回転量θだけ回転させる。言い換えると、台車制御部23は、平面視において、直線106をZMP200に近づけるように台車11を回転させる。直線106は、回転軸100からの距離が最も離れた点Dを通る直線である。そのため、ZMP200の位置が直線的に変動する場合には、ZMP200を直線106上に位置させることにより、ZMP200が支持多角形90の辺から最も離れる。このように回転させることにより、ZMP200が支持多角形90の外側に出てしまうことを抑制できる。   In the example shown in FIG. 16A, since θzmp−θd <0, the carriage control unit 23 rotates the carriage 11 counterclockwise by the rotation amount θ. In other words, the cart control unit 23 rotates the cart 11 so that the straight line 106 approaches the ZMP 200 in plan view. The straight line 106 is a straight line passing through the point D that is farthest from the rotation axis 100. Therefore, when the position of the ZMP 200 varies linearly, the ZMP 200 is farthest from the side of the support polygon 90 by positioning the ZMP 200 on the straight line 106. By rotating in this way, the ZMP 200 can be prevented from coming out of the support polygon 90.

アーム制御部22は、アーム12の動作が終了したか否かを判定する(ステップS307)。アーム12の動作が終了している場合(ステップS307:Yes)、ロボット3は動作を終了する。一方、アーム12の動作が終了していない場合(ステップS307:No)、アーム制御部22は、再度アーム12を動作させる(ステップS302)。   The arm control unit 22 determines whether or not the operation of the arm 12 has been completed (step S307). When the operation of the arm 12 is finished (step S307: Yes), the robot 3 finishes the operation. On the other hand, when the operation of the arm 12 is not completed (step S307: No), the arm control unit 22 operates the arm 12 again (step S302).

ここで、ステップS301における不動領域の設定方法について、図17を参照して詳細に説明する。上記のように、基準線104と、直線106と、がなす角をθdとし、基準線104からの回転量をθmとする。そして、平面視における回転軸100から支持多角形90の辺までの距離をR(=f(θm))とする。さらに、回転軸100から不動領域91の辺までの距離をrとする。なお、台車11の最大回転速度(加速度に制限が無い場合で近似的に求める)をωとし、αは任意の係数(正の値)とする。このとき、不動領域設定部27のrは、極座標を用いて、以下の式(2)により算出される。   Here, the setting method of the immovable area in step S301 will be described in detail with reference to FIG. As described above, the angle between the reference line 104 and the straight line 106 is θd, and the rotation amount from the reference line 104 is θm. The distance from the rotation axis 100 to the side of the support polygon 90 in plan view is R (= f (θm)). Further, the distance from the rotation axis 100 to the side of the immobile area 91 is r. Note that the maximum rotation speed of the carriage 11 (approximately obtained when the acceleration is not limited) is ω, and α is an arbitrary coefficient (positive value). At this time, r of the immovable area setting unit 27 is calculated by the following formula (2) using polar coordinates.

Figure 2012166315
Figure 2012166315

図17において、基準線104からθmだけ回転した直線を直線107とすると、θdとθmとの差が大きい程、直線107を直線106に近づけるための回転量が大きくなる。そのため、上記の式(2)においては、θdからθmが離れる程、rが小さくなるように設定される。つまり、ZMPは、直線106から離れる程、不動領域91の外側に出やすくなる。したがって、台車制御部23は、ZMPが直線106から離れている程、早めに台車11を回転させる。その結果、ZMPが支持多角形90を出る前に、ZMPに直線106を近づけることができる。   In FIG. 17, if a straight line rotated by θm from the reference line 104 is a straight line 107, the amount of rotation for bringing the straight line 107 closer to the straight line 106 increases as the difference between θd and θm increases. Therefore, in the above equation (2), r is set to be smaller as θm is separated from θd. That is, the ZMP is more likely to come out of the immovable region 91 as the distance from the straight line 106 increases. Therefore, the cart control unit 23 rotates the cart 11 earlier as the ZMP moves away from the straight line 106. As a result, the straight line 106 can be brought closer to the ZMP before the ZMP exits the support polygon 90.

さらに、不動領域91の面積は、台車11の最大回転速度ωによっても変わってくる。具体的には、最大回転速度ωが遅い程、rが小さくなり、不動領域91が狭くなる。つまり、最大回転速度ωが遅いと、急に台車11を回転させることができないため、不動領域91を狭くする。その結果、ZMPの位置が変動した場合、早めに台車11を回転させて対応することができ、ZMPの位置が支持多角形90の外側に出ることを抑制できる。   Further, the area of the immovable region 91 varies depending on the maximum rotational speed ω of the carriage 11. Specifically, as the maximum rotational speed ω is slower, r becomes smaller and the immovable region 91 becomes narrower. That is, if the maximum rotation speed ω is slow, the carriage 11 cannot be suddenly rotated, and thus the immobility region 91 is narrowed. As a result, when the position of the ZMP fluctuates, it is possible to respond by rotating the carriage 11 early, and the ZMP position can be prevented from coming out of the support polygon 90.

以上のように、本実施の形態にかかるロボット3の構成によれば、ZMP計測部24がZMPの位置を計測し、台車制御部23が、ZMPの位置に応じて、台車11を回転させる。これにより、ZMPの移動に対して、リアルタイムに対応することができる。したがって、動作中であっても、ZMPを支持多角形90の内側に収めることができる。   As described above, according to the configuration of the robot 3 according to the present embodiment, the ZMP measurement unit 24 measures the position of the ZMP, and the cart control unit 23 rotates the cart 11 according to the position of the ZMP. Thereby, it is possible to deal with the movement of the ZMP in real time. Therefore, the ZMP can be accommodated inside the support polygon 90 even during operation.

さらに、不動領域設定部27が、支持多角形90の内側に不動領域91を設け、台車制御部23は、不動領域91の外側にZMPが位置している場合のみ台車11を回転させる。つまり、台車制御部23は、ZMPの位置の微小な変動に対しては回転制御を行わない。これにより、ZMPの計測誤差等によりZMPの位置が細かく変動してしまう場合であっても、台車11はその都度回転することはなく、静止状態を維持する。したがって、台車11の不要な回転動作を防止できる。勿論、ZMPが不動領域91から外に出た場合には台車11を回転させるため、ロボット3の安定状態の維持も図ることができる。   Furthermore, the non-moving area setting unit 27 provides a non-moving area 91 inside the support polygon 90, and the cart control unit 23 rotates the cart 11 only when the ZMP is located outside the non-moving area 91. That is, the trolley control unit 23 does not perform rotation control for minute fluctuations in the position of the ZMP. Thus, even if the ZMP position fluctuates finely due to a ZMP measurement error or the like, the carriage 11 does not rotate each time and remains stationary. Therefore, unnecessary rotating operation of the carriage 11 can be prevented. Of course, since the carriage 11 is rotated when the ZMP goes out of the immovable region 91, the stable state of the robot 3 can be maintained.

<その他の実施例>
上述の実施の形態1〜3においては、いずれも支持多角形90が四角形の場合について説明したが、支持多角形90の形状はこれに限られるものではない。支持多角形90の形状は、三角形であってもよい。また、図18に示すように、五角形であってもよい。さらに、それ以上の多角形であってもよい。
<Other examples>
In the first to third embodiments described above, the case where the support polygon 90 is a square has been described. However, the shape of the support polygon 90 is not limited to this. The shape of the support polygon 90 may be a triangle. Moreover, as shown in FIG. 18, a pentagon may be sufficient. Furthermore, the polygon may be larger than that.

さらに、台車制御部23は、台車本体111が円柱形状の場合、当該円柱の中心軸と、台車11の回転軸と、を一致させるように、台車11を回転させてもよい。これにより、台車11は、前後左右に全くずれることなく回転動作を実現することができる。その結果、台車本体111の幅(円柱の直径)のスペースさえあれば、ロボットの安定状態の維持を図ることができる。   Further, when the carriage main body 111 has a columnar shape, the carriage control unit 23 may rotate the carriage 11 so that the central axis of the cylinder and the rotation axis of the carriage 11 coincide. Thereby, the trolley | bogie 11 can implement | achieve rotation operation | movement, without shifting | deviating at all to front and rear, right and left. As a result, the robot can be maintained in a stable state as long as there is a space of the width (cylinder diameter) of the carriage main body 111.

加えて、台車本体111の形状も円柱形状に限られない。例えば、図20に示すように、四角柱形状であってもよい。また、台車11の駆動システムは、各種全方位台車であってもよい。   In addition, the shape of the cart body 111 is not limited to the cylindrical shape. For example, as shown in FIG. The drive system of the carriage 11 may be various omnidirectional carriages.

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更及び組み合わせをすることが可能である。例えば、アーム12の位置や構成は、上述した実施の形態のものに限られない。また、可動部はアームに限られず、頭等であってもよい。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed and combined without departing from the spirit of the present invention. For example, the position and configuration of the arm 12 are not limited to those of the above-described embodiments. Further, the movable part is not limited to the arm but may be a head or the like.

1〜3 ロボット
11 台車
12 アーム
21 CPU
22 アーム制御部
23 台車制御部
24 ZMP計測部
25 アーム軌道計画部
26 ZMP軌道予測部
27 不動領域設定部
28 回転判定部
90 支持多角形
91 不動領域
111 台車本体
112 駆動輪
113 キャスタ
121 アーム部材
122 関節
123 ハンド部
200 ZMP
201 ZMP軌道
1-3 Robot 11 Cart 12 Arm 21 CPU
22 Arm control unit 23 Carriage control unit 24 ZMP measurement unit 25 Arm trajectory planning unit 26 ZMP trajectory prediction unit 27 Non-moving region setting unit 28 Rotation determination unit 90 Support polygon 91 Non-moving region 111 Bogie main body 112 Driving wheel 113 Caster 121 Arm member 122 Joint 123 Hand part 200 ZMP
201 ZMP orbit

Claims (10)

複数の接地点で地面と接している台車を備えるロボットであって、
前記台車に支持されると共に、当該台車に対して相対的に変位可能に連結された可動部と、
前記複数の接地点を相互に結んで形成される多角形の、前記可動部に対する相対的な向きを、前記台車を鉛直軸回りに回転させることにより制御する台車制御手段と、を備え、
前記台車制御手段は、平面視において、前記ロボットのZMPが、前記多角形の内側に位置するように、前記台車を回転させるロボット。
A robot comprising a carriage in contact with the ground at a plurality of ground points,
A movable part supported by the carriage and connected to the carriage so as to be relatively displaceable;
A carriage control means for controlling the relative orientation of the polygon formed by connecting the plurality of grounding points with respect to the movable portion by rotating the carriage about a vertical axis;
The cart control means is a robot that rotates the cart so that the ZMP of the robot is positioned inside the polygon in plan view.
前記台車制御手段は、平面視において、前記ロボットのZMPと、当該ロボットのZMPに最も近い前記多角形の辺と、が離れるように、前記台車を回転させる請求項1に記載のロボット。   The robot according to claim 1, wherein the cart control means rotates the cart so that the ZMP of the robot and the polygonal side closest to the ZMP of the robot are separated in a plan view. 前記台車制御手段は、平面視において、前記複数の接地点のうち相互間の距離が最も遠くなる2つの接地点を結んだ線に対して、前記ロボットのZMPが近づくように、前記台車を回転させる請求項1または2に記載のロボット。   The cart control means rotates the cart so that the ZMP of the robot approaches a line connecting two ground points having the longest distance between the ground points in a plan view. The robot according to claim 1 or 2 to be caused. 前記可動部の動作を制御する可動部制御手段をさらに備え、
前記台車制御手段が、前記台車を前記地面に対して回転させると共に、前記可動部制御手段が、前記台車の前記地面に対する回転方向とは反対方向に、前記台車の回転速度と略同速度で、前記可動部を前記台車に対して相対的に前記鉛直軸回りに回転させる請求項1〜3のいずれか一項に記載のロボット。
It further comprises a movable part control means for controlling the operation of the movable part,
The cart control means rotates the cart with respect to the ground, and the movable part control means has a rotational speed substantially the same as the rotational speed of the cart in a direction opposite to the rotation direction of the cart with respect to the ground. The robot according to claim 1, wherein the movable unit is rotated about the vertical axis relative to the carriage.
前記台車制御手段は、前記可動部の前記鉛直軸回りの回転軸と、前記台車の回転軸とが一致するように、前記台車を回転させる請求項4に記載のロボット。   The robot according to claim 4, wherein the cart control unit rotates the cart so that a rotation axis of the movable portion around the vertical axis coincides with a rotation axis of the cart. 前記可動部の軌道を算出する可動部軌道算出手段と、
前記可動部軌道算出手段が算出した前記可動部の軌道に基づいて、前記ロボットのZMPの軌道を算出するZMP軌道算出部と、をさらに備え、
前記台車制御手段は、前記ロボットのZMPの軌道が、前記多角形の内側に存在するように、前記台車を回転させる請求項1〜5のいずれか一項に記載のロボット。
A movable part trajectory calculating means for calculating a trajectory of the movable part;
A ZMP trajectory calculating unit that calculates a trajectory of the ZMP of the robot based on the trajectory of the movable part calculated by the movable part trajectory calculating means;
The robot according to any one of claims 1 to 5, wherein the carriage control unit rotates the carriage so that a ZMP trajectory of the robot exists inside the polygon.
前記台車制御手段は、前記ZMPの軌道が前記多角形の内側に存在するように、前記可動部が動作する前に、予め前記台車を回転させる請求項6に記載のロボット。   The robot according to claim 6, wherein the carriage control unit rotates the carriage in advance before the movable portion operates so that the trajectory of the ZMP exists inside the polygon. 前記台車制御手段は、前記ZMPが前記多角形の内側に設けられた不動領域内に存在する場合、前記台車を静止したままにする請求項5〜7のいずれか一項に記載のロボット。   The robot according to any one of claims 5 to 7, wherein the carriage control means keeps the carriage stationary when the ZMP is present in an immovable region provided inside the polygon. 前記多角形は、四角形であり、
前記台車制御手段は、前記四角形の2つの対角線の交点と、前記台車の回転軸とが一致するように、前記台車を回転させ、
前記ZMPが前記不動領域外に存在する場合、前記ZMPと、前記2つの対角線のうちの長い方の対角線と、を近づけるように、前記台車を回転させる請求項8に記載のロボット。
The polygon is a rectangle,
The cart control means rotates the cart so that an intersection of two diagonal lines of the quadrangle and a rotation axis of the cart coincide with each other,
The robot according to claim 8, wherein when the ZMP exists outside the immovable region, the cart is rotated so that the ZMP and a longer diagonal of the two diagonals are brought closer to each other.
前記不動領域の面積は、前記台車の最大回転速度に比例して設定される請求項8または9に記載のロボット。   The robot according to claim 8 or 9, wherein an area of the immovable region is set in proportion to a maximum rotation speed of the carriage.
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