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JP5198035B2 - Legged robot and control method thereof - Google Patents

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JP5198035B2
JP5198035B2 JP2007278726A JP2007278726A JP5198035B2 JP 5198035 B2 JP5198035 B2 JP 5198035B2 JP 2007278726 A JP2007278726 A JP 2007278726A JP 2007278726 A JP2007278726 A JP 2007278726A JP 5198035 B2 JP5198035 B2 JP 5198035B2
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祐司 津坂
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Toyota Motor Corp
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Description

本発明は、2本の脚が胴体に連結されている脚式ロボット及びその制御方法に関し、倣い制御及び倒立制御を行う脚式ロボット及びその制御方法に関する。   The present invention relates to a legged robot in which two legs are connected to a torso and a control method thereof, and more particularly to a legged robot that performs copying control and inversion control and a control method thereof.

近年、歩行するための脚部を備え、この脚部を駆動し、脚部の下端に設けられた足平部分を所定の歩容データに基づいて床面上に配置することで歩行動作を行う脚式移動型のロボットが開発されている。   In recent years, a leg for walking is provided, the leg is driven, and a foot portion provided at the lower end of the leg is placed on the floor surface based on predetermined gait data to perform a walking motion. Legged mobile robots have been developed.

このような脚式移動型のロボットは、まず、脚部の足平部分を床面に接触させて支持脚とし、その後に足平の裏面で床面を押してロボット全体の自重を支えつつ推進させる脚部を駆動することで、次の歩行動作を行う。駆動された脚部は遊脚となる一方、他の脚部が支持脚となり、このように、遊脚と支持脚とを交互に繰り返して切り換えることで、歩行動作を行うことが可能になる。   In such a legged mobile robot, first, the foot portion of the leg portion is brought into contact with the floor surface to form a support leg, and then the floor surface is pushed by the back surface of the foot to propel the robot while supporting its own weight. The following walking motion is performed by driving the leg. The driven leg portion is a free leg, while the other leg portion is a support leg. In this way, a walking motion can be performed by alternately switching the free leg and the support leg.

脚式移動型のロボットは、胴体と、胴体に連結されている2本の脚部を有する。脚部は複数のリンクと複数の関節を有しており、隣接するリンク同士が関節を介して摺動可能に連結されている。関節にはアクチュエータが備えられており、関節角を制御することでロボット全体の姿勢を制御することができる。脚の先端のリンクであり、接地面と接触するリンクを足平と称する。足平の底面、即ち接地面と接触する面を足裏面と称する。   The legged mobile robot has a trunk and two legs connected to the trunk. The leg portion has a plurality of links and a plurality of joints, and adjacent links are slidably connected via the joints. The joint is provided with an actuator, and the posture of the entire robot can be controlled by controlling the joint angle. A link that is a link at the tip of the leg and is in contact with the ground contact surface is referred to as a foot. The bottom surface of the foot, that is, the surface in contact with the ground contact surface is referred to as the foot back surface.

そして、胴体や足平の位置等の目標値が与えられ、胴体や足平の実際の位置等を夫々の目標値に一致させるように関節角が制御される。胴体や足平の位置等の目標値を歩容データと称する。歩容データは典型的には、目標胴体位置、目標胴体位置姿勢角、目標足平位置、及び目標足平位置姿勢角を含んでいる。歩容データは、コンピュータシュミレーションなどを利用して、ロボットが転倒しない条件を満足するように作成される。   Then, target values such as the positions of the trunk and the foot are given, and the joint angles are controlled so that the actual positions and the like of the trunk and the feet coincide with the respective target values. A target value such as the position of the trunk or the foot is referred to as gait data. The gait data typically includes a target body position, a target body position / posture angle, a target foot position, and a target foot position / posture angle. The gait data is created using computer simulation or the like so as to satisfy the condition that the robot does not fall.

2足ロボットでは特に、実際の胴体姿勢角(支持足と重心(胴体)の相対位置変移(主にXY方向))を目標胴体位置姿勢角に追従させることが重要である。実際の胴体姿勢角と目標胴体位置姿勢角の不一致は、接地している脚の足平が予定外に傾斜していることに起因することが多いからである。接地している脚の足平が予定外に傾斜していると、ロボット全体が傾斜し、転倒する虞が生じるからである。なお、足平の予定外の傾斜は、接地面の予期しない傾斜や凹凸の存在によって生じる。従って、予期しない傾斜や凹凸が存在する接地面を転倒せずに歩行させるために、実際の胴体姿勢角を目標胴体位置姿勢角に追従させることが重要となる。   Particularly in a biped robot, it is important that the actual body posture angle (relative position shift (mainly in the XY direction) between the support foot and the center of gravity (body)) follows the target body position / posture angle. This is because the mismatch between the actual body posture angle and the target body position / posture angle is often caused by the fact that the foot of the leg in contact with the ground is inclined unexpectedly. This is because if the foot of the leg that is in contact with the ground is tilted unexpectedly, the entire robot tilts and may fall. Note that an unplanned inclination of the foot is caused by an unexpected inclination or unevenness of the ground contact surface. Therefore, it is important to make the actual body posture angle follow the target body position / posture angle in order to walk the ground contact surface with unexpected inclination and unevenness without falling down.

特許文献1には、ロボットの関節を目標位置に追従制御するサーボ機能を備え、ロボットに作用する外力に応じてその操作量を変えて倣い動作させる関節制御装置において、関節には先端に足底部を備えた脚式歩行ロボットの足関節を含む関節であり、足底部に作用する外力を検出して外力が減少するように制御装置のゲインを調整し、足底部を地面に倣わせつつ着地させるように構成した脚式方向ロボットの関節制御装置が開示されている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561 has a servo function for controlling the robot joint to follow a target position, and in a joint control device that changes the operation amount according to an external force acting on the robot and performs a copying operation. This is a joint that includes the ankle joint of a legged walking robot equipped with a gait, detects the external force acting on the sole, adjusts the gain of the control device so that the external force is reduced, and makes the sole land while following the ground A joint control device for a legged directional robot configured as described above is disclosed.

特許2819323号公報Japanese Patent No. 2819323

ところで、脚式ロボットが道の凹凸面や傾斜を歩行する時に、凹凸面でも歩行できるようにするためには、足裏を地面に倣わせる必要がある。そのため脚と体幹との相対位置関係を元の指令通りにすることが望ましい。本明細書においては、足裏を地面に倣わせる制御を倣い制御、足平から胴体への位置姿勢を目標の位置姿勢に維持する制御を倒立制御という。一般に脚式ロボットは、倒立制御と倣い制御を併用している。ここで、倒立制御を胴体の傾斜角をフィードバックして補正しようとした場合、倒立制御によって足裏が地面から?がれてしまい、不安定になることがある。これは、倒立制御による補正で働くトルクが大きすぎると足裏の地面倣い制御の効果が薄くなり、地面かがら足裏が?がれてしまうためである。一旦地面から?がれると、補正量が発散して転倒してしまう恐れがある。   By the way, when a legged robot walks on an uneven surface or slope of a road, it is necessary to make the sole of the foot follow the ground in order to be able to walk on the uneven surface. For this reason, it is desirable that the relative positional relationship between the leg and the trunk be in accordance with the original command. In the present specification, control for copying the sole of the foot to the ground is called copying control, and control for maintaining the position and posture from the foot to the trunk at the target position and posture is called inverted control. In general, a legged robot uses both inversion control and copying control. Here, when trying to correct the inversion control by feeding back the tilt angle of the trunk, the inversion control may cause the sole to come off the ground and become unstable. This is because if the torque applied by the correction by the inversion control is too large, the effect of the ground imitation control of the sole is diminished, and the sole of the sole is bent. Once you get off the ground, the amount of correction may diverge and fall.

図9、図10は、倒立制御と倣い制御を併用するロボットの問題点を示す図である。図9(a)に示すように、ロボット201が凸部202に着地すると、図9(b)に示すように、ロボット201には、凸部202により倣い制御による駆動方向と倒立制御による駆動方向が逆向きに働く。倒立制御により胴体の傾斜角を補正しようとしてモータを駆動するが、先に足裏が?がれることがある。図9(c)に示すように、足裏が地面から?がれた状態で倒立制御を続けると、足裏がさらに浮き続ける。そして図10(a)に示すように、ロボットが自重に任せて倒れこむような動作を行う場合があり、衝撃が非常に大きい。この場合は、図10(b)に示すように、倒れこんだ勢いでそのまま転倒してしまう。または、再度足裏が地面から離れる。そして、図10(c)に示すように、体制を立て直そうと倒立制御をすることで、さらに足裏が浮き上がるというような動作を繰り返すことになる。   FIG. 9 and FIG. 10 are diagrams showing problems of a robot that uses both inversion control and copying control. As shown in FIG. 9A, when the robot 201 lands on the convex portion 202, as shown in FIG. 9B, the robot 201 causes the convex portion 202 to drive the driving direction by the scanning control and the driving direction by the inversion control. Works in the opposite direction. The motor is driven in an attempt to correct the tilt angle of the torso by inversion control, but the sole may come off first. As shown in FIG. 9 (c), if the inversion control is continued in a state where the sole is separated from the ground, the sole continues to float. And as shown to Fig.10 (a), a robot may perform the operation | movement which falls down depending on own weight, and an impact is very large. In this case, as shown in FIG. 10 (b), it falls down as it is. Or, the soles come off the ground again. Then, as shown in FIG. 10C, by performing the inversion control to reestablish the system, the operation of further lifting the sole is repeated.

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、凹凸面であっても倒立制御と倣い制御をバランスよく実行して安定した歩行を行うことができる脚式ロボット及びその制御方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve such problems, and a legged robot capable of performing a stable walk by executing an inverted control and a copying control in a balanced manner even on an uneven surface and its An object is to provide a control method.

上述した目的を達成するために、本発明に係る脚式ロボットは、目標歩容データと実際の歩容データとの姿勢角の偏差を求める姿勢角偏差算出手段と、前記姿勢角偏差算出手段が算出した姿勢角偏差に基づき補正量を算出する倒立制御手段と、前記倒立制御手段が算出した補正量で前記目標歩容データを補正する補正手段と、足平の裏面に設けられた距離センサと、前記距離センサの値に基づき足平の地面に対する接地度を算出する接地度算出手段とを有し、前記接地度算出手段は、算出した接地度に基づき前記倒立制御手段が算出する前記補正量を修正するものである。   In order to achieve the above-described object, the legged robot according to the present invention includes a posture angle deviation calculating unit that calculates a posture angle deviation between target gait data and actual gait data, and the posture angle deviation calculating unit includes: An inversion control means for calculating a correction amount based on the calculated posture angle deviation, a correction means for correcting the target gait data with the correction amount calculated by the inversion control means, and a distance sensor provided on the back surface of the foot A contact degree calculation means for calculating a contact degree with respect to the ground of the foot based on a value of the distance sensor, wherein the contact degree calculation means calculates the correction amount calculated by the inversion control means based on the calculated contact degree. Is to be corrected.

ここで、目標歩容データとは、目標胴体位置姿勢角又は目標足平位置姿勢角を含む。すなわち、本発明に係る脚式ロボットは、目標胴体位置姿勢角と実際の胴体姿勢角との偏差を求める姿勢角偏差算出手段と、前記姿勢角偏差算出手段が算出した姿勢角偏差に基づき胴体部補正量を算出する倒立制御手段と、前記倒立制御手段が算出した胴体部補正量で前記目標胴体位置姿勢角を補正する胴体部補正手段と、足平の裏面に設けられた距離センサと、前記距離センサの値に基づき足平の地面に対する接地度を算出する接地度算出手段とを有し、前記接地度算出手段は、算出した接地度に基づき前記倒立制御手段が算出する前記胴体部補正量を修正するものである。   Here, the target gait data includes a target body position / posture angle or a target foot position / posture angle. That is, the legged robot according to the present invention includes a posture angle deviation calculating means for obtaining a deviation between a target body position / posture angle and an actual body posture angle, and a body portion based on the posture angle deviation calculated by the posture angle deviation calculating means. An inversion control means for calculating a correction amount, a torso correction means for correcting the target torso position / posture angle with the torso correction amount calculated by the inversion control means, a distance sensor provided on the back surface of the foot, A contact degree calculation means for calculating a contact degree of the foot with respect to the ground based on a value of the distance sensor, wherein the contact degree calculation means calculates the trunk part correction amount calculated by the inversion control means based on the calculated contact degree. Is to be corrected.

または、目標足平位置姿勢角と実際の足平姿勢角との偏差を求める姿勢角偏差算出手段と、前記姿勢角偏差算出手段が算出した足平角偏差に基づき足平部補正量を算出する倒立制御手段と、前記倒立制御手段が算出した足平部補正量で前記目標足平位置姿勢角を補正する足平部補正手段と、足平の裏面に設けられた距離センサと、前記距離センサの値に基づき足平の地面に対する接地度を算出する接地度算出手段とを有し、前記接地度算出手段は、算出した接地度に基づき前記倒立制御手段が算出する前記足平部補正量を修正するものである。   Alternatively, posture angle deviation calculating means for obtaining a deviation between the desired foot position / posture angle and the actual foot posture angle, and inversion for calculating a foot portion correction amount based on the foot angle deviation calculated by the posture angle deviation calculating means. Control means; foot part correction means for correcting the target foot position / posture angle with the foot part correction amount calculated by the inversion control means; a distance sensor provided on the back surface of the foot; Contact degree calculation means for calculating a contact degree of the foot with respect to the ground based on the value, wherein the contact degree calculation means corrects the foot portion correction amount calculated by the inversion control means based on the calculated contact degree. To do.

本発明においては、距離センサの値に基づき足平の地面に対する接地度を各距離センサごとに算出し、この接地度に応じて倒立制御手段の補正量を修正するため、足裏の地面に対する接地状態を考慮した制御が可能となる。ここで、接地度とは、足裏が地面に接していない状態を0、十分に接している状態を1とし、その間を線形関数等で結んだ値である。   In the present invention, the degree of ground contact with the ground of the foot is calculated for each distance sensor based on the value of the distance sensor, and the correction amount of the inversion control means is corrected according to the degree of ground contact. Control in consideration of the state becomes possible. Here, the degree of ground contact is a value obtained by setting a state where the sole is not in contact with the ground as 0, and a state where the sole is sufficiently in contact as 1, and connecting these with a linear function or the like.

また、地面から見た相対的な目標足平位置姿勢と実際の足平位置姿勢との偏差を求める足平位置姿勢偏差算出手段と、前記足平位置姿勢偏差算出手段が算出した足平偏差に基づき脚部補正量を算出する倣い制御手段と、前記倣い制御手段が算出した脚部補正量で目標足平位置姿勢角を補正する足平部補正手段とを有し、前記接地度算出手段は、算出した接地度に基づき前記倒立制御手段及び前記倣い制御手段のゲインを調整することができる。これにより、接地度に応じて、倒立制御の補正量を大きくしたり、倣い制御の補正量を大きくしたりすることができる。   Further, a foot position / posture deviation calculating means for obtaining a deviation between a relative target foot position / posture viewed from the ground and an actual foot position / posture, and the foot deviation calculated by the foot position / posture deviation calculating means A copy control unit that calculates a leg correction amount based on the image, and a foot part correction unit that corrects a desired foot position / posture angle with the leg correction amount calculated by the copy control unit; The gains of the inversion control means and the copying control means can be adjusted based on the calculated degree of contact. Thereby, the correction amount of the inversion control can be increased or the correction amount of the copying control can be increased according to the degree of contact.

さらに、前記接地度算出手段が算出した接地度から前記足平の地面に対する接地方向を求め、この接地方向に基づき前記胴体部補正量を調整する補正量調整手段を有する。足平の接地の方向を考慮して、胴体部補正量を修正することができる。   Furthermore, a correction amount adjusting unit is provided for determining a contact direction of the foot with respect to the ground from the contact degree calculated by the contact degree calculating unit, and adjusting the trunk portion correction amount based on the contact direction. The torso correction amount can be corrected in consideration of the direction of contact of the foot.

さらにまた、地面から見た相対的な目標足平位置姿勢と実際の足平位置姿勢との偏差を求める足平位置姿勢偏差算出手段と、前記足平位置姿勢偏差算出手段が算出した足平偏差に基づき脚部補正量を算出する倣い制御手段と、前記倣い制御手段が算出した脚部補正量で目標足平位置姿勢角を補正する足平部補正手段とを有することができる。   Furthermore, a foot position / posture deviation calculating means for obtaining a deviation between a relative target foot position / posture viewed from the ground and an actual foot position / posture, and a foot deviation calculated by the foot position / posture deviation calculating means. And a foot correction unit that corrects the desired foot position / posture angle with the leg correction amount calculated by the scanning control unit.

また、目標胴体位置から目標胴体加速度を算出する目標加速度算出手段と、加速度センサと、前記加速度センサから取得した現在の加速度と前記目標加速度との偏差を求める加速度偏差算出手段と、前記加速度偏差に基づき加速度補正量を算出する加速度制御手段と、前記加速度制御手段が算出した加速度補正量により前記目標胴体位置を補正する胴体位置補正手段とを更に有することができる。   Further, target acceleration calculation means for calculating a target body acceleration from a target body position, an acceleration sensor, an acceleration deviation calculation means for obtaining a deviation between the current acceleration acquired from the acceleration sensor and the target acceleration, and the acceleration deviation The apparatus may further include an acceleration control unit that calculates an acceleration correction amount based on the body, and a body position correction unit that corrects the target body position based on the acceleration correction amount calculated by the acceleration control unit.

さらに、前記接地度に基づき前記胴体補正量を、足平が最もよく接地している方向を主軸とする座標系である接地座標系に変換する座標変換手段と、前記接地座標系に変換した前記胴体補正量を、接地している度合いを示す接地状態に応じて補正する補正量修正手段とを有し、前記座標変換手段は、前記補正量修正手段にて補正した胴体補正量を絶対座標系に変換し、前記胴体補正手段は、前記絶対座標系に変換された胴体補正量で前記目標胴体位置姿勢角を補正することができる。接地座標系に変換して補正量を修正するため、足裏の接地状態に応じた方向に補正量を算出することができる。   Furthermore, based on the degree of contact, the body correction amount is converted into a ground coordinate system that is a coordinate system whose main axis is the direction in which the foot is in contact with the ground, and the ground coordinate system is converted into the ground coordinate system. Correction amount correction means for correcting the fuselage correction amount in accordance with a grounding state indicating the degree of ground contact, and the coordinate conversion means uses the absolute coordinate system to correct the trunk correction amount corrected by the correction amount correction means. The body correction means can correct the target body position / posture angle with the body correction amount converted into the absolute coordinate system. Since the correction amount is corrected by converting to the ground coordinate system, the correction amount can be calculated in a direction according to the ground contact state of the sole.

本発明にかかる脚式ロボットの制御方法は、目標胴体位置姿勢角と実際の胴体姿勢角との偏差を求める姿勢角偏差算出工程と、前記姿勢角偏差算出工程にて算出した姿勢角偏差に基づき胴体部補正量を算出する倒立制御工程と、前記倒立制御工程にて算出した胴体部補正量で前記目標胴体位置姿勢角を補正する胴体部補正工程と、足平の裏面に設けられた距離センサの値に基づき各距離センサごとの地面に対する接地度を算出する接地度算出工程とを有し、前記接地度算出工程では、算出した接地度に基づき前記倒立制御工程にて算出する前記胴体部補正量を修正する。   The legged robot control method according to the present invention is based on the posture angle deviation calculating step for obtaining a deviation between the target body position / posture angle and the actual body posture angle, and the posture angle deviation calculated in the posture angle deviation calculating step. An inversion control step for calculating a torso correction amount, a torso correction step for correcting the target torso position / posture angle with the torso correction amount calculated in the inversion control step, and a distance sensor provided on the back of the foot A contact degree calculation step of calculating a contact degree with respect to the ground for each distance sensor based on the value of the distance sensor. In the contact degree calculation step, the body part correction calculated in the inversion control step based on the calculated contact degree Correct the amount.

本発明によれば、凹凸面であっても倒立制御と倣い制御をバランスよく実行して安定した歩行を行うことができる脚式ロボット及びその制御方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if it is an uneven surface, the legged robot which can perform a stable walk by performing inversion control and copying control with good balance, and its control method can be provided.

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を、倣い制御と倒立制御を行う脚式移動型のロボットに適用したものである。
実施の形態1.
Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. In this embodiment, the present invention is applied to a legged mobile robot that performs copying control and inversion control.
Embodiment 1.

図1は、ロボット1を正面から見た様子を概略的に表す概略図であり、床面F上をロボット1が歩行する様子を表しているなお、図1においては、説明の便宜上、ロボット1が進行する向き(前後方向)をx軸、ロボット1が進行する方向について水平方向に直交する向き(左右方向)をy軸、移動体の移動する平面から鉛直方向に延びる向き(上下方向)をz軸とし、これらの3軸からなる座標系を用いて説明する。すなわち、図1中において、前記x軸は紙面の奥行方向、y軸は紙面に向かって左右方向、z軸は紙面中の上下方向を示す。この座標系を、絶対座標系(ワールド座標系)Og−XgYgZgに設定する。   FIG. 1 is a schematic view schematically showing a state in which the robot 1 is viewed from the front, and shows a state in which the robot 1 walks on the floor F. In FIG. The x direction is the direction in which the robot travels (front-rear direction), the y-axis is the direction orthogonal to the horizontal direction (left-right direction) in the direction in which the robot 1 travels, and the direction (vertical direction) extends in the vertical direction from the plane on which the moving body moves. A description will be given using the coordinate system consisting of these three axes as the z-axis. That is, in FIG. 1, the x-axis indicates the depth direction of the paper surface, the y-axis indicates the left-right direction toward the paper surface, and the z-axis indicates the vertical direction in the paper surface. This coordinate system is set to an absolute coordinate system (world coordinate system) Og-XgYgZg.

図1に示すように、ロボット1は、頭部2と、体幹3と、体幹3に結合された腰部4と、体幹3に接続された右腕5、左腕6と、腰部4に対して回動自在に固定される脚部10と、を備えた2足歩行型のロボットである。以下、詳細に説明する。   As shown in FIG. 1, the robot 1 has a head 2, a trunk 3, a waist 4 coupled to the trunk 3, a right arm 5, a left arm 6, and a waist 4 connected to the trunk 3. And a leg 10 that is pivotably fixed. Details will be described below.

頭部2は、ロボット1の周囲の環境を視覚的に撮像するための左右一対の撮像部(図示せず)を備えているとともに、体幹3に対して頭部2を鉛直方向に平行な軸周りに回動させることで、周囲の環境を広く撮像する。撮像した周囲の環境を示す画像データは、制御部130に送信され、ロボット1の動作を決定するための情報として用いられる。   The head 2 includes a pair of left and right imaging units (not shown) for visually imaging the environment around the robot 1, and the head 2 is parallel to the trunk 3 in the vertical direction. By rotating around the axis, the surrounding environment is imaged widely. The captured image data indicating the surrounding environment is transmitted to the control unit 130 and used as information for determining the operation of the robot 1.

体幹3は、その内部にロボット1の動作を制御する制御部130や、脚部のモータ等に電力を供給するためのバッテリー(図示せず)等を収容するものである。制御部130は、脚部10を駆動し、ロボット1を動かすための歩容データを記憶する記憶領域と、この記憶領域に記憶された歩容データを読み出す演算処理部と、脚部10に含まれるモータを駆動するモータ駆動部と、を備えている。これらの各構成要素は、体幹3の内部に設けられたバッテリー(図示せず)から電力を供給されることで動作する。ここで、体幹部に対しては、胴体座標系Ob−XbYbZbを設定する。後述する目標胴体位置は、絶対座標系Og−XgYgZgの原点Obの位置で表わされる。また、後述する目標胴体位置姿勢角は、絶対座標系Og−XgYgZgに対する胴体座標系Ob−XbYbZbの傾きで表わされる。   The trunk 3 houses therein a control unit 130 that controls the operation of the robot 1, a battery (not shown) for supplying power to a leg motor and the like. The control unit 130 includes a storage area that stores gait data for driving the leg 10 and moving the robot 1, an arithmetic processing unit that reads gait data stored in the storage area, and the leg 10. A motor driving unit for driving the motor. Each of these components operates by being supplied with electric power from a battery (not shown) provided inside the trunk 3. Here, the trunk coordinate system Ob-XbYbZb is set for the trunk. A later-described target body position is represented by the position of the origin Ob of the absolute coordinate system Og-XgYgZg. Further, a target body position / posture angle, which will be described later, is represented by an inclination of the body coordinate system Ob-XbYbZb with respect to the absolute coordinate system Og-XgYgZg.

また、演算処理部は、記憶領域に記憶された歩容データを読み出すとともに、読み出した歩容データによって特定されるロボット1の姿勢を実現するために必要な脚部10の関節角を算出する。そして、このように算出した関節角に基づく信号をモータ駆動部に送信する。   The arithmetic processing unit reads out the gait data stored in the storage area and calculates the joint angle of the leg 10 necessary to realize the posture of the robot 1 specified by the read out gait data. And the signal based on the joint angle computed in this way is transmitted to a motor drive part.

モータ駆動部は、演算処理部より送信された信号に基づいて、脚部を駆動するための各モータの駆動量を特定し、これらの駆動量でモータを駆動させるためのモータ駆動信号を各モータに送信する。これによって脚部10の各関節における駆動量が変更され、ロボット1の動きが制御される。   The motor drive unit specifies the drive amount of each motor for driving the leg portion based on the signal transmitted from the arithmetic processing unit, and the motor drive signal for driving the motor with these drive amounts is sent to each motor. Send to. As a result, the driving amount at each joint of the leg 10 is changed, and the movement of the robot 1 is controlled.

また、演算処理部は、読み出した歩容データに基づいてモータの駆動を行うように指令するほか、ロボット1に組み込まれたジャイロや加速度計などセンサ(図示せず)からの信号を受けて、モータの駆動量を調整する。また、レーザセンサなどを設けて、床面Fまでの距離を検出してもよい。ジャイロセンサや加速度計やレーザセンサなどの各種センサは、例えば、体幹3や腰部4に設けられる。このように、センサにより検出したロボット1に作用する外力や、ロボット1の姿勢などに応じて脚部10の関節角を調整することで、ロボット1が安定した状態を維持することができる。   In addition to instructing the motor to be driven based on the read gait data, the arithmetic processing unit receives a signal from a sensor (not shown) such as a gyroscope or an accelerometer built in the robot 1, Adjust the drive amount of the motor. Further, a distance to the floor surface F may be detected by providing a laser sensor or the like. Various sensors such as a gyro sensor, an accelerometer, and a laser sensor are provided on the trunk 3 and the waist 4, for example. Thus, the robot 1 can be maintained in a stable state by adjusting the joint angle of the leg 10 according to the external force acting on the robot 1 detected by the sensor, the posture of the robot 1, and the like.

右腕5および左腕6は、体幹3に対して回動自在に接続されており、肘部分および手首部分に設けられた関節部分を駆動することにより、人間の腕部と同様の動きを行うことができる。また、手首部分の先端に接続された手先部は、図示を省略するが物体を把持するためのハンド構造を備えており、ハンド構造に組み込まれた複数の指関節を駆動することで、様々な形状の物体を把持することが可能となる。   The right arm 5 and the left arm 6 are pivotally connected to the trunk 3, and perform the same movement as a human arm portion by driving joint portions provided at the elbow portion and the wrist portion. Can do. Further, the hand part connected to the tip of the wrist part has a hand structure for gripping an object (not shown), and by driving a plurality of finger joints incorporated in the hand structure, various kinds of parts are provided. It becomes possible to grip an object having a shape.

腰部4は、体幹3に対して回動するように接続されており、歩行動作を行う際に腰部4の回動動作を組み合わせることで、脚部10を駆動するために必要な駆動エネルギーを低減させることができる。   The lumbar part 4 is connected to the trunk 3 so as to rotate, and the driving energy necessary for driving the leg part 10 can be obtained by combining the rotational action of the lumbar part 4 when performing a walking action. Can be reduced.

2足歩行を行うための脚部10(右脚20、左脚30)は、右脚20と左脚30とから構成されている。詳細には、図1に示すように、右脚20は右股関節21、右上腿22、右膝関節23、右下腿24、右足首関節25、右足平26を備え、同様に、左脚30は左股関節31、左上腿32、左膝関節33、左下腿34、左足首関節35、左足平36を備えている。   A leg 10 (right leg 20 and left leg 30) for bipedal walking is composed of a right leg 20 and a left leg 30. Specifically, as shown in FIG. 1, the right leg 20 includes a right hip joint 21, an upper right thigh 22, a right knee joint 23, a right lower thigh 24, a right ankle joint 25, and a right foot 26. A left hip joint 31, a left upper thigh 32, a left knee joint 33, a left lower thigh 34, a left ankle joint 35, and a left foot 36 are provided.

そして、右脚20および左脚30とは、図示しないモータからの駆動力が、同じく図示しないプーリおよびベルトを介して伝達されることで、各関節部が所望の角度に駆動され、その結果、脚部に所望の動きをさせることができる。ここで、足平に関しては、足平座標系Of−XfYfZfを設定する。後述する目標足平位置は、絶対座標系Og−XgYgZgに対する足平座標系Of−XfYfZfの原点の位置で表わされる。目標足平位置姿勢角は、接地面に対する足裏面の角度で表わされる。   The right leg 20 and the left leg 30 are each driven to a desired angle by transmitting a driving force from a motor (not shown) via a pulley and a belt (not shown). A desired movement can be made to a leg part. Here, for the foot, the foot coordinate system Of-XfYfZf is set. A later-described target foot position is represented by the position of the origin of the foot coordinate system Of-XfYfZf with respect to the absolute coordinate system Og-XgYgZg. The desired foot position / posture angle is represented by the angle of the sole surface with respect to the ground contact surface.

歩容データは、操作部(図示せず)から送られる信号で特定される脚部10の移動量に対応づけて、脚部10の足平(右足平26及び左足平36)の先端(足先)の位置と、移動体本体の位置とを、ロボット1の移動する空間を定める座標系(例えばxyz座標系)において経時的に指示するものである。歩容データとしては、目標胴体位置、目標胴体位置姿勢角、目標足平位置、目標足平位置姿勢角などがある。歩容データは、ロボット1を実際に動作させる前に、シミュレーション等によってロボット1が安定して歩行できるよう、すなわち転倒せずに歩行できるように作成されている。作成された歩容データは、ロボット1の制御部(コントローラ)130に記憶される。制御部は、実際の胴体位置等を歩容データに含まれる目標胴体位置等に追従させるように各関節を制御する。   The gait data is associated with the amount of movement of the leg 10 specified by a signal sent from the operation unit (not shown), and the tip (foot) of the foot of the leg 10 (the right foot 26 and the left foot 36). The previous position and the position of the main body of the moving body are indicated with time in a coordinate system (for example, an xyz coordinate system) that defines a space in which the robot 1 moves. The gait data includes a target body position, a target body position / posture angle, a target foot position, a target foot position / posture angle, and the like. The gait data is created so that the robot 1 can walk stably, that is, without falling down, by simulation or the like before actually operating the robot 1. The created gait data is stored in the control unit (controller) 130 of the robot 1. The control unit controls each joint so that the actual body position or the like follows the target body position or the like included in the gait data.

さらに、本実施の形態にかかるロボットは、右足平26及び左足平36に、床面Fまでの距離を測定する距離センサ(図示せず)が設けられている。そして、距離センサで測定された床面までの距離がセンサ信号として、制御部130に入力される。このセンサ信号に基づいて、制御部はフィードバック制御を行っている。例えば、足平部の足裏を床面Fに倣わせるように、足首関節(右足首関節25、左足首関節35)を駆動する。これにより、ロボットが安定して、歩行することができる。   Furthermore, the robot according to the present embodiment is provided with a distance sensor (not shown) that measures the distance to the floor surface F on the right foot 26 and the left foot 36. Then, the distance to the floor measured by the distance sensor is input to the control unit 130 as a sensor signal. Based on this sensor signal, the control unit performs feedback control. For example, the ankle joints (the right ankle joint 25 and the left ankle joint 35) are driven so that the soles of the foot portions follow the floor surface F. Thereby, the robot can walk stably.

次に、歩容データについて説明する。目標足平位置は、絶対座標系に対する足平座標系の原点Ofの位置で表される。目標足平位置姿勢角は、接地面Fに対する足裏面の角度の経時的データで表される。目標足平位置姿勢角は、絶対座標系に対する足平座標系の傾きの経時的データで表されていてもよい。目標足平位置姿勢角は、接地面Fに対する足裏面の角度の経時的データで表されていても、絶対座標系に対する足平座標系の傾きで表されていても、両者は実質的に等価である。これは次の理由による。歩容データの目標足平位置姿勢角を作成するときの接地面は、シミュレーション上で設定された仮想的な接地面である。仮想的な接地面の絶対座標系における傾きは、実際の接地面の傾きに基づいて設定されていてもよいし、実際の接地面の傾きに関わらず仮の傾きに設定されてもよい。いずれの場合もシミュレーションにおける仮想的な接地面の絶対座標系に対する傾きが設定されている。従って、目標足平位置姿勢角が、接地面に対する足裏面の角度で表されていても、絶対座標系に対する足平座標系の傾きで表されていても、両者は実質的に等価となる。以下では、足平の実際の位置と姿勢角を夫々実足平位置と実足平姿勢角と称する。   Next, gait data will be described. The target foot position is represented by the position of the origin Of of the foot coordinate system with respect to the absolute coordinate system. The desired foot position / posture angle is represented by time-dependent data of the angle of the back surface of the foot with respect to the ground contact surface F. The desired foot position / posture angle may be represented by time-dependent data of the inclination of the foot coordinate system with respect to the absolute coordinate system. Whether the desired foot position / posture angle is represented by time-dependent data of the angle of the back surface of the foot with respect to the ground contact surface F or the inclination of the foot coordinate system relative to the absolute coordinate system, both are substantially equivalent. It is. This is due to the following reason. The contact surface when creating the desired foot position / posture angle of the gait data is a virtual contact surface set in the simulation. The inclination of the virtual ground plane in the absolute coordinate system may be set based on the actual slope of the ground plane, or may be set to a temporary slope regardless of the actual slope of the ground plane. In any case, the inclination of the virtual ground plane in the simulation with respect to the absolute coordinate system is set. Therefore, even if the desired foot position / posture angle is expressed by the angle of the foot back surface with respect to the ground contact surface or by the inclination of the foot coordinate system with respect to the absolute coordinate system, both are substantially equivalent. Hereinafter, the actual position and posture angle of the foot are referred to as the actual foot position and the actual foot posture angle, respectively.

実足平姿勢角は、実際の接地面と足裏面がなす角度(傾き)で表され、後述するように足平に備えられた距離センサで検出することができる。実足平姿勢角と比較しやすいように、目標足平位置姿勢角は仮想的な接地面に対する仮想的な足裏面の傾きで表されているとする。   The actual foot posture angle is represented by an angle (inclination) between the actual ground contact surface and the back surface of the foot, and can be detected by a distance sensor provided on the foot as will be described later. For easy comparison with the actual foot posture angle, it is assumed that the target foot position / posture angle is represented by the inclination of the virtual foot bottom surface with respect to the virtual ground contact surface.

目標胴体位置は、目標足平位置に対する胴体座標系の原点Obの相対位置の経時的データで表される。なお、目標胴体位置は、絶対座標系に対する胴体座標系の原点Obの位置で表されてもよい。両者は実質的に等価である。歩容データを作成する上では、目標胴体位置を絶対座標系に対する位置で直接に表現することと、目標足平位置を介して間接的に表現することは等価だからである。   The target body position is represented by time-dependent data of the relative position of the origin Ob of the body coordinate system with respect to the target foot position. The target body position may be represented by the position of the origin Ob of the body coordinate system with respect to the absolute coordinate system. Both are substantially equivalent. This is because, in creating gait data, it is equivalent to directly expressing the target body position as a position with respect to the absolute coordinate system and indirectly expressing it through the target foot position.

目標胴体位置姿勢角は、絶対座標系に対する胴体座標系の傾きの経時的データで表される。実胴体姿勢角は、胴体に備えられた姿勢角センサによって検出することができる。胴体の実際の位置と姿勢角を夫々実胴体位置と実胴体姿勢角と称する。姿勢角センサは、例えば胴体の角速度を検出するジャイロと、ジャイロの出力(角速度)を積分する積分器と、重力加速度の大きさと方向を検出する3軸加速度センサで構成される。   The target body position / posture angle is represented by time-dependent data of the inclination of the body coordinate system with respect to the absolute coordinate system. The actual trunk posture angle can be detected by a posture angle sensor provided on the trunk. The actual position and posture angle of the body are referred to as the actual body position and the actual body posture angle, respectively. The posture angle sensor includes, for example, a gyro that detects the angular velocity of the body, an integrator that integrates the output (angular velocity) of the gyro, and a triaxial acceleration sensor that detects the magnitude and direction of gravitational acceleration.

図2は、本実施の形態にかかるロボットの制御ブロック図である。図2に示すように、本実施の形態にかかるロボットの制御システムは、歩容データ111aを記憶する記憶部111、目標距離算出部112、距離偏差算出部113、足偏差(Δφ、Δθ、Δz)算出部114、倣い制御部115、足平座標位置姿勢角補正部(加算器)116、2階微分器(s)117、加速度偏差算出部(加算器)118、加速度制御部119、姿勢角偏差算出部(加算器)120、倒立制御部121、座標変換部122、補正量修正部123、胴体位置補正部(加算器)124、胴体位置姿勢角補正部(加算器)125、関節角変換部126、各軸制御部127を有する。また、ロボットの足平の裏面には、足裏距離センサ131が設けられ、体幹部には姿勢センサ132、加速度センサ133等が設けられている。 FIG. 2 is a control block diagram of the robot according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the robot control system according to the present embodiment includes a storage unit 111 that stores gait data 111a, a target distance calculation unit 112, a distance deviation calculation unit 113, and foot deviations (Δφ, Δθ, Δz). ) Calculation unit 114, scanning control unit 115, foot coordinate position / posture angle correction unit (adder) 116, second- order differentiator (s 2 ) 117, acceleration deviation calculation unit (adder) 118, acceleration control unit 119, posture Angular deviation calculation unit (adder) 120, inversion control unit 121, coordinate conversion unit 122, correction amount correction unit 123, body position correction unit (adder) 124, body position / posture angle correction unit (adder) 125, joint angle A conversion unit 126 and each axis control unit 127 are provided. Further, a sole distance sensor 131 is provided on the back surface of the foot of the robot, and a posture sensor 132, an acceleration sensor 133, and the like are provided on the trunk.

先ず、このような制御システムで行われる制御について概説する。歩容データ111aの足平の目標位置姿勢角と、胴体部の目標位置姿勢角は、種々の補正量が加えられた後に関節角変換部126に入力される。補正量については後述する。関節角変換部126は、足平の目標位置姿勢角と、胴体部の目標位置姿勢角とを脚部の各関節の関節角に変換(逆キネマティクス変換)する。この変換はいわゆる逆変換と呼ばれるものである。関節角変換部126で求められた関節角が関節角指令値としてモータドライバである各軸制御部127へ送られる。各軸制御部127は、脚部の各関節に取り付けられたモータ141を駆動し、それぞれの関節の関節角が関節角変換部126から送られた関節角指令値に一致するように制御する。その結果、脚式ロボット1は、歩容データの足平及び胴体部のそれぞれの目標位置姿勢に追従しながら歩行することができる。   First, an outline of the control performed in such a control system will be given. The target position / posture angle of the foot and the target position / posture angle of the torso of the gait data 111a are input to the joint angle conversion unit 126 after various correction amounts are added. The correction amount will be described later. The joint angle conversion unit 126 converts the target position / posture angle of the foot and the target position / posture angle of the torso part into joint angles of the joints of the legs (inverse kinematics conversion). This conversion is called so-called inverse conversion. The joint angle obtained by the joint angle conversion unit 126 is sent as a joint angle command value to each axis control unit 127 which is a motor driver. Each axis control unit 127 drives a motor 141 attached to each joint of the leg and controls so that the joint angle of each joint matches the joint angle command value sent from the joint angle conversion unit 126. As a result, the legged robot 1 can walk while following the target position / posture of the foot and torso of the gait data.

次に、この制御システムにおける各処理について説明する。先ず、倣い制御部115の制御について説明する。歩容データのうち、足平目標位置姿勢角は、目標距離算出部112に送られる。目標距離算出部112は、足平目標位置姿勢角データから歩容データ上での歩行面と足平との距離を求める。より詳細には、目標距離算出部112は、距離センサが取り付けられている足平の裏面から歩行面までの距離である目標距離を算出する。足平目標位置姿勢角は、足平に設置された(固定された)基準点における目標位置と姿勢角である。その基準点と距離センサとの位置関係は既知であるから基準点の足平目標位置姿勢角から距離センサの取り付け点と仮想的な歩行面の間の距離を算出することができる。本実施の形態においては、1つの足平に4つの距離センサが取り付けられているので、目標距離算出部112は、片足の足平について、4つの目標位置を算出する。   Next, each process in this control system will be described. First, the control of the copying control unit 115 will be described. Of the gait data, the foot target position / posture angle is sent to the target distance calculation unit 112. The target distance calculation unit 112 obtains the distance between the walking surface and the foot on the gait data from the foot target position / posture angle data. More specifically, the target distance calculation unit 112 calculates a target distance that is a distance from the back surface of the foot to which the distance sensor is attached to the walking surface. The foot target position / posture angle is a target position and posture angle at a reference point installed (fixed) on the foot. Since the positional relationship between the reference point and the distance sensor is known, the distance between the attachment point of the distance sensor and the virtual walking surface can be calculated from the foot target position / posture angle of the reference point. In the present embodiment, since four distance sensors are attached to one foot, the target distance calculation unit 112 calculates four target positions for one foot.

なお、本実施の形態においては、目標値算出時の歩行面は絶対座標系のxy平面と一致する平面である。したがって、絶対座標系xyzで表現された足平の目標位置姿勢角のデータのうち、z軸方向の位置の値がそのまま足平の基準点における歩行面と足平との間の目標距離となる。   In the present embodiment, the walking plane at the time of target value calculation is a plane that coincides with the xy plane of the absolute coordinate system. Accordingly, the value of the position in the z-axis direction of the foot target position / posture angle data expressed in the absolute coordinate system xyz is directly the target distance between the walking surface and the foot at the foot reference point. .

目標距離算出部112で求められた目標距離が、距離偏差算出部113に送られる。また、距離偏差算出部113には、足裏距離センサ131からの計測値も入力される。距離偏差算出部113は、距離センサ131ごとに、距離センサ131が計測した実際の歩行面と足平裏面間の距離と、上述の目標距離との偏差を算出する。ここで、本実施の形態にかかる足裏距離センサは、接触して初めて地面との距離を正確に計測することが可能な距離センサを使用しているが、所定の距離より近づくまでは、ロボットの姿勢に影響を及ぼす力は事実上受けない。光学的な手法などにより非接触で計測してもよく、同等の効果が得られる。   The target distance obtained by the target distance calculation unit 112 is sent to the distance deviation calculation unit 113. Further, the measured value from the sole distance sensor 131 is also input to the distance deviation calculation unit 113. The distance deviation calculation unit 113 calculates, for each distance sensor 131, the deviation between the actual distance between the walking surface measured by the distance sensor 131 and the back of the foot and the above-described target distance. Here, the sole distance sensor according to the present embodiment uses a distance sensor that can accurately measure the distance to the ground only after contact, but until it approaches a predetermined distance, the robot The force that influences the posture of the child is virtually not received. Non-contact measurement may be performed by an optical method or the like, and an equivalent effect can be obtained.

足平の倣い制御は、足平の遊脚期間の全期間に亘って行うことはない。そこで、足平と地面との距離目標値及び計測値が共に距離センサの計測可能範囲外の場合は、倣い制御を行わないこととし、距離偏差をゼロとする。また、足平が着床しているとき、たとえば計算時の丸め誤差などにより、距離偏差に微小な定常偏差が発生すると、制御を行う倣い制御部115の積分項による定常偏差の積分量が補正量に加わってしまう。計算時の丸めの誤差が微小でもその積分量が制御にとって無視できない程に大きくなる可能性があるので、そのような定常偏差が補正量に影響を与えないようにする必要がある。ここで、上記の制御とは、PID制御、PIDに各種補償を加えたもの、伝達関数に基づくフィードバック制御、現代制御理論に基づくもの等様々なタイプが可能である。   Foot tracking control is not performed over the entire length of the free leg period of the foot. Therefore, when the distance target value and the measured value between the foot and the ground are outside the measurable range of the distance sensor, the copying control is not performed and the distance deviation is set to zero. Further, when the foot is landing, if a small steady-state deviation occurs in the distance deviation due to, for example, a rounding error at the time of calculation, the integral amount of the steady-state deviation by the integral term of the scanning control unit 115 that performs the control is a correction amount. Will join. Even if the rounding error at the time of calculation is small, the integration amount may become so large that it cannot be ignored for control. Therefore, it is necessary to prevent such steady deviation from affecting the correction amount. Here, various types of control are possible, such as PID control, PID with various compensations, feedback control based on transfer functions, and control based on modern control theory.

そこで、本実施の形態においては、足平と地面との距離の目標値及び計測値を、所定の計測可能な範囲に制限するよう不感帯を設ける。すなわち、足平と地面との距離偏差の微小な誤差による倣い制御の補正量発散を防止する。   Therefore, in the present embodiment, a dead zone is provided so as to limit the target value and the measured value of the distance between the foot and the ground to a predetermined measurable range. That is, the amount of divergence of the scanning control correction amount due to a minute error in the distance deviation between the foot and the ground is prevented.

足偏差算出部114には、足裏距離センサの偏差が入力される。これを足位置姿勢偏差Δφ、Δθ、Δzへ変換する。Δφ及びΔθは、地面に平行な面を規定する2直線の周りの姿勢角の偏差であり、Δzは、地面に直行する方向の位置偏差である。   The foot deviation calculation unit 114 receives a deviation of the sole distance sensor. This is converted into foot position / posture deviations Δφ, Δθ, Δz. Δφ and Δθ are deviations in posture angle around two straight lines that define a plane parallel to the ground, and Δz is a positional deviation in a direction perpendicular to the ground.

得られた足位置姿勢偏差Δφ、Δθ、Δzは倣い制御部115に入力する。倣い制御部115は、以下のフィードバックループを適正に収束させるように構築される。すなわち、脚部に取り付けられた距離センサ131の計測値が距離偏差算出部113、足偏差算出部114、倣い制御部115、足平座標位置姿勢角補正部116、関節角変換部126、各軸制御部127を介して脚部の関節を駆動するモータ141へと影響するループである。倣い制御部115の具体的な機能は、一般的なPID制御器と同一であるのでここでは説明を省略する。   The obtained foot position / posture deviations Δφ, Δθ, Δz are input to the copying control unit 115. The copying control unit 115 is constructed to properly converge the following feedback loop. That is, the measured value of the distance sensor 131 attached to the leg is a distance deviation calculation unit 113, a foot deviation calculation unit 114, a copying control unit 115, a foot coordinate position / posture angle correction unit 116, a joint angle conversion unit 126, each axis. This is a loop that affects the motor 141 that drives the joint of the leg via the control unit 127. Since the specific function of the copying control unit 115 is the same as that of a general PID controller, description thereof is omitted here.

倣い制御部115で算出された補正量は、足平座標位置姿勢角補正部116に入力される。足平座標位置補正部116には、記憶部111から足平目標位置姿勢角が入力され、この足平目標位置姿勢角に、倣い制御部115が算出した補正量を加算することで補正し、関節角変換部126に入力する。この倣い制御部115による制御により実足平姿勢角を目標足平位置姿勢角に一致することができる。すなわち、接地している脚に対しては、足裏面を接地面に面接触させ、足裏面を地面に倣わせるように制御する。   The correction amount calculated by the scanning control unit 115 is input to the foot coordinate position / posture angle correction unit 116. The foot coordinate position correction unit 116 receives the foot target position / posture angle from the storage unit 111 and corrects the foot target position / posture angle by adding the correction amount calculated by the copying control unit 115 to the foot target position / posture angle. Input to the joint angle conversion unit 126. The actual foot posture angle can be matched with the desired foot position / posture angle by the control by the copying control unit 115. That is, for a leg that is in contact with the ground, control is performed so that the back surface of the foot is in surface contact with the ground surface and the back surface of the foot is made to follow the ground.

次に、加速度制御部119及び倒立制御部121について説明する。2階微分器117は、目標胴体位置姿勢角のうち目標胴体位置を2階微分して目標胴体加速度を算出する。制御システムは、デジタル制御系として構成されているので、目標胴体位置の微分は、より正確には、目標胴体位置の時系列データの差分によって近似値的に求められる。加速度偏差算出部118には、この目標胴体加速度と、胴体部に取り付けられた加速度センサ133からの計測値とが入力され、これらの偏差を出力する。加速度制御部119は、この加速度偏差に基づき、胴体部の加速度フィードバック制御を行う。加速度制御部には例えば比例係数と2次の遅れ要素などの伝達関数に基づく制御系が構成されている。この加速度制御部119は、加速度偏差を位置の次元、すなわち胴体位置補正量に変換して出力する。   Next, the acceleration control unit 119 and the inversion control unit 121 will be described. The second-order differentiator 117 calculates the target body acceleration by performing the second-order differentiation of the target body position among the target body position / posture angle. Since the control system is configured as a digital control system, the differentiation of the target body position is more accurately obtained as an approximate value by the difference of the time series data of the target body position. The acceleration deviation calculation unit 118 receives the target body acceleration and the measurement value from the acceleration sensor 133 attached to the body part, and outputs these deviations. The acceleration control unit 119 performs acceleration feedback control of the body part based on the acceleration deviation. For example, a control system based on a transfer function such as a proportional coefficient and a second-order delay element is configured in the acceleration control unit. The acceleration control unit 119 converts the acceleration deviation into a position dimension, that is, a body position correction amount, and outputs it.

次に、姿勢角偏差算出部120には、記憶部111から目標胴体姿勢角が入力され、また、胴体部に取り付けられた姿勢センサ132から胴体姿勢角が入力される。姿勢角偏差算出部120は、両者の偏差を求めて倒立制御部121に入力する。倒立制御部121は、この姿勢角偏差に基づきフィードバック制御により補正量を算出する。倒立制御部121は、胴体位置偏差及び胴体姿勢角偏差を小さくするため、すなわち実胴体位置姿勢角を目標胴体位置姿勢角に一致させるための制御部である。胴体姿勢角偏差が存在すること、すなわち実胴体位置姿勢角と目標胴体位置姿勢角の不一致は、足平が予想外に傾斜していることに起因していることが多い。足平が傾斜していると、胴体の位置と足平の位置の水平方向の偏差が大きくなりロボットが転倒しやすくなる。そこで、実胴体姿勢角を目標胴体位置姿勢角に一致させ、かつ胴体の位置と足平の位置の水平方向の偏差も小さくなるように、幾何学計算によって胴体位置の補正量を計算し、胴体位置を補正することで、ロボットの転倒を未然に防ぐことができる。このため、胴体姿勢角偏差に基づいて、目標胴体位置姿勢角の補正を行う。ただし、単に姿勢角偏差に基づいて胴体姿勢角を補正すると、偏差が大きい場合(平地でも)倒立制御の出力が大きくなりすぎ、足裏が地面から?がれ、結果的に転倒してしまう場合がある。   Next, the posture angle deviation calculation unit 120 receives the target body posture angle from the storage unit 111 and the body posture angle from the posture sensor 132 attached to the body unit. The posture angle deviation calculation unit 120 calculates the deviation between the two and inputs it to the inversion control unit 121. The inversion control unit 121 calculates a correction amount by feedback control based on the posture angle deviation. The inversion control unit 121 is a control unit for reducing the body position deviation and the body posture angle deviation, that is, for matching the actual body position and posture angle with the target body position and posture angle. The presence of the body posture angle deviation, that is, the mismatch between the actual body position / posture angle and the target body position / posture angle is often caused by an unexpectedly inclined foot. When the foot is inclined, the horizontal deviation between the position of the torso and the position of the foot becomes large and the robot is likely to fall down. Therefore, the correction amount of the body position is calculated by geometric calculation so that the actual body posture angle matches the target body position posture angle and the horizontal deviation between the body position and the foot position is also reduced. By correcting the position, the robot can be prevented from falling over. Therefore, the target body position / posture angle is corrected based on the body posture angle deviation. However, if the body posture angle is simply corrected based on the posture angle deviation, if the deviation is large (even on flat ground), the output of the inversion control will be too large, the sole will be lifted off the ground, and will eventually fall There is.

そこで、本実施の形態においては、倒立制御部121の算出した補正量で目標胴体位置姿勢角を補正するフィードバック制御ではなく、この補正量を足平の地面に対する接地度に基づき更に修正し、その修正した補正量により胴体位置姿勢角を補正する。このように、倒立制御部121の生成した補正量に対し、更に補正を加えることにより、足裏が?がれそうになったら胴体倒立制御をリミットし、常に足裏が地面に沿う状態を優先させた制御を行わせることができる。   Therefore, in the present embodiment, instead of feedback control for correcting the target body position / posture angle with the correction amount calculated by the inversion control unit 121, the correction amount is further corrected based on the degree of contact with the ground of the foot, The body position / posture angle is corrected by the corrected correction amount. In this way, by further correcting the correction amount generated by the inversion control unit 121, the body inversion control is limited when the soles are likely to come off, and the state where the soles are always along the ground is given priority. Can be controlled.

まず接地度計算部129について説明する。接地度計算部129には、足裏距離センサ131からのセンサ値が入力される。そして、この距離センサの値を0〜1に正規化する。この値を接地度sということとする。接地度sは、その値が大きいほど地面に接地していることを示す。図3は、接地度と距離センサからの値との関係を示すグラフ図である。十分に接地している場合は1、接地していない場合は0とし、それを連続的に繋げた関数とすることができる。なお、本例においては、計測レンジ内で線形な関数にした場合を示すが、シグモイド関数等を利用してもよい。ただし、本実施の形態においては、後述するように、後述の接地座標系への座標変換手順でゼロ割や軸が定まらないケースを防ぐため、接地度の最小値を0とはせず微小値ε(0<ε<1)とした。   First, the contact degree calculation unit 129 will be described. The sensor value from the sole distance sensor 131 is input to the contact degree calculation unit 129. And the value of this distance sensor is normalized to 0-1. This value is referred to as the degree of ground contact s. The degree of ground contact s indicates that the larger the value is, the more grounded the ground. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the degree of ground contact and the value from the distance sensor. It can be set to 1 when it is sufficiently grounded, and 0 when it is not grounded, which can be a continuously connected function. In this example, a linear function within the measurement range is shown, but a sigmoid function or the like may be used. However, in the present embodiment, as will be described later, in order to prevent the case where the zero division or the axis is not determined in the coordinate conversion procedure to the ground coordinate system described later, the minimum value of the ground contact level is not set to 0 but is a minute value. ε (0 <ε <1) was set.

具体的には、接地度0<ε≦s≦1とし、センサ距離hを、0<hlow<h<hhighとしたとき、センサ距離hがhlow以下であれば接地度1、センサ距離hlow≦h≦hhighの間は1≧s≧εの単調減少関数、センサ距離hがhhigh以上は接地度εとする。 Specifically, when the degree of ground contact is 0 <ε ≦ s ≦ 1 and the sensor distance h is 0 <h low <h <h high , if the sensor distance h is equal to or lower than h low , the degree of ground contact is 1 and the sensor distance is A monotonically decreasing function of 1 ≧ s ≧ ε during h low ≦ h ≦ h high , and a contact degree ε when the sensor distance h is greater than h high .

接地状態計算部128には、接地度計算部129が計算した接地度sが入力される。そして、接地度sを用いて、最もよく接地している方向を主軸とする座標系(以下、接地座標系という。)とその接地度合を固有ベクトルと固有値を用いて表現する。固有ベクトル及び固有値(以下、接地状態という。)を座標変換部122及び補正量修正部123に入力する。   The grounding degree calculation unit 128 receives the grounding degree s calculated by the grounding degree calculation unit 129. Then, by using the contact degree s, a coordinate system (hereinafter referred to as a contact coordinate system) having the most grounded direction as a main axis and its contact degree are expressed using eigenvectors and eigenvalues. An eigenvector and an eigenvalue (hereinafter referred to as a ground state) are input to the coordinate conversion unit 122 and the correction amount correction unit 123.

足平の地面に対する勾配を代表する平面は、地面に対する足平の最大勾配の方向と最小勾配の方向で表わすことができる。勾配は平面で代表しているので、最大勾配の方向と最小勾配の方向とは直交する。接地座標系は、この最大勾配方向と最小勾配方向を2軸とする座標系である。   A plane representing the slope of the foot with respect to the ground can be represented by the direction of the maximum slope and the direction of the minimum slope of the foot with respect to the ground. Since the gradient is represented by a plane, the direction of the maximum gradient and the direction of the minimum gradient are orthogonal. The ground coordinate system is a coordinate system having the maximum gradient direction and the minimum gradient direction as two axes.

説明を簡略化するため、接地面が、接地座標系Ow−XwYwZwにおけるXwYw平面に一致するものとする。そうすると、接地座標系は、絶対座標系のXw軸とYw軸を鉛直軸(Zw軸)の周りに所定角度だけ回転した座標系として表すことができる。接地座標系の一方の軸をVとし、他方の軸をVとする。軸VとVの求め方は後述する。絶対座標系のXw軸、Yw軸と接地座標系のV軸、V軸の関係を図4に模式的に表す。図4の平面が接地面を表す。接地座標系の一方の軸Vは、絶対座標系のYw軸を時計回りに角度βだけ回転させた位置となる。接地座標系の他方の軸Vは、絶対座標系のXw軸を時計回りに角度βだけ回転させた位置となる。 In order to simplify the description, it is assumed that the ground plane coincides with the XwYw plane in the ground coordinate system Ow-XwYwZw. Then, the ground contact coordinate system can be expressed as a coordinate system obtained by rotating the Xw axis and the Yw axis of the absolute coordinate system by a predetermined angle around the vertical axis (Zw axis). The one axis of the ground coordinate system is represented by V 1, the other axis and V 2. How to obtain the axes V 1 and V 2 will be described later. Absolute coordinate system Xw axis, V 1 axis and Yw axis ground coordinate system, the relation of V 2 axis in FIG. 4 schematically represents. The plane in FIG. 4 represents the ground plane. One axis V 1 of the ground coordinate system is a position obtained by rotating the Yw axis of the absolute coordinate system clockwise by an angle β. Other axis V 2 of the ground coordinate system is a position where the Xw axis of the absolute coordinate system is rotated by an angle β in the clockwise direction.

図4にはまた、右脚の足平と左脚の足平が共に接地している状態を表している。夫々の足裏内に描かれた円の中心が距離センサの位置を示している。円の大きさは、夫々の距離センサの位置における接地度sの大きさを模式的に表している。後述するように、接地座標系の軸Vは、足裏が地面に対して最も接地している(足裏の勾配が小さい)方向を示しており、軸Vは、足裏が地面に対して最も接地していない(足裏の勾配が大きい)方向を示している。接地度sの勾配が小さいということは、足裏面が接地面に対して均等に接地していることを意味する。従って、ロボット1は、軸Vと鉛直線を含む面内で胴体姿勢角を変化させる場合には、足裏面は接地面から浮き上がり難い状態であるということができる。軸Vと鉛直線を含む面内で胴体姿勢角を変化させる場合には、足裏面は接地面から浮き上がり易い状態であるということができる。そこで、接地座標系の軸V、Vを利用して次の様に目標胴体位置姿勢角の補正量を修正すると、足裏面を接地面から浮き上がり難くすることができる。 FIG. 4 also shows a state in which the foot of the right leg and the foot of the left leg are both in contact with the ground. The center of the circle drawn in each sole shows the position of the distance sensor. The size of the circle schematically represents the size of the contact degree s at the position of each distance sensor. As will be described later, the axis V 1 of the ground coordinate system indicates the direction in which the sole is in contact with the ground most (the slope of the sole is small), and the axis V 2 is the sole on the ground. On the other hand, the direction where the ground is not touched most (the slope of the sole is large) is shown. A small gradient of the degree of ground contact s means that the bottom surface of the foot is grounded equally to the ground surface. Therefore, when the robot 1 changes the body posture angle in a plane including the axis V 1 and the vertical line, it can be said that the bottom surface of the foot is hardly lifted from the ground contact surface. When changing the body posture angle in a plane containing the axis V 2 and the vertical line is sole surface may be said to be prone state floating from the ground plane. Accordingly, if the correction amount of the target body position / posture angle is corrected using the axes V 1 and V 2 of the ground coordinate system as follows, the back surface of the foot can be made difficult to lift from the ground surface.

まず目標胴体位置姿勢角の補正量のうち、軸VとVの夫々の方向の成分を求める。夫々の方向の成分を、対応する軸の勾配が大きいほど減少させる。そうすることで、足平の地面に対する勾配が大きい方向、即ち、足裏がより接地していない方向については、目標胴体位置姿勢角の補正量のうちその方向の成分を小さくすることができる。そうすることによって、胴体姿勢角を変化させる際に、足裏面が接地面から浮き上がってしまうことを効果的に低減することができる。 First, components in the directions of the axes V 1 and V 2 are obtained from the correction amount of the target body position / posture angle. The component in each direction is decreased as the gradient of the corresponding axis increases. By doing so, the component in the direction of the correction amount of the target body position / posture angle can be reduced in the direction in which the slope of the foot is large with respect to the ground, that is, the direction in which the sole is not in contact with the ground. By doing so, it is possible to effectively reduce the back surface of the foot from being lifted from the ground contact surface when the body posture angle is changed.

接地座標系の軸VとVの求め方を説明する。接地座標系の軸VとVは、絶対座標系Ow−XwYwZwのおけるXwYw平面に含まれるので、以下では絶対座標系Ow−XwYwZwにおける鉛直方向Zwについては省略する。ここでは、足平が片足にn/2個のセンサを配置している場合について、接地状態計算部128の処理について説明する。絶対座標におけるセンサ位置(x,y)を求める。
(i=0,1,・・・,n/2−1)
(i=n/2,・・・,n−1)
但し、
:絶対座標におけるi番目のセンサ位置
:右足/左足座標系におけるi番目のセンサ位置
:右足/左足座標系原点の目標位置姿勢行列
各センサの接地度sを重みとして接地中心位置x,yを求める。
A method for obtaining the axes V 1 and V 2 of the ground coordinate system will be described. Axis V 1 and V 2 of the ground coordinate system, because it contains the XwYw plane definitive absolute coordinate system Ow-XwYwZw, for vertical Zw in the absolute coordinate system Ow-XwYwZw is omitted below. Here, the processing of the ground state calculation unit 128 will be described in the case where n / 2 sensors are arranged on one foot. The sensor position (x, y) in absolute coordinates is obtained.
W r i = W T r r r i (i = 0, 1,..., N / 2-1)
W r i = W T l l r i (i = n / 2,..., N−1)
However,
W r i: i-th sensor position in the absolute coordinate
r r i , l r i : i-th sensor position in the right foot / left foot coordinate system
W T r, W T l: right foot / target position and posture matrix left foot coordinate system origin ground center position as the weight of the ground level s of each sensor x m, determine the y m.

Figure 0005198035

但し、
,y:接地中心位置
,y:i番目のセンサ位置(x,y)
:i番目のセンサの接地度
各センサの接地度を重みとして分散、共分散を求める。
Figure 0005198035

However,
x m , y m : grounding center position x i , y i : i-th sensor position (x, y)
s i : Grounding degree of the i-th sensor The variance and covariance are obtained using the grounding degree of each sensor as a weight.

Figure 0005198035

分散共分散行列Sの固有値λ、固有ベクトルVを求める。
但し、下記を満たす。
Figure 0005198035

The eigenvalue λ and eigenvector V of the variance-covariance matrix S are obtained.
However, the following is satisfied.

Figure 0005198035
Figure 0005198035

ここで、接地度sの最小値をゼロでないεとしたのは、分散共分散行列Sが正則行列となることを保証するためである。共分散行列Sは正則行列であるので、2つの固有値λ、λが存在することが保証されると共に、固有ベクトルV、Vが独立となることが保証される。すなわち、固有ベクトルV、Vは直交する。固有値の大きいものから順にλ、λとし、それに対応する固有ベクトルをV、Vとすると、ここで得られたそれぞれの固有ベクトルは、
:足裏の勾配が最小となる方向
:足裏の勾配が最大となる方向
を表現しており、その接地度合を固有値λ、λが表している。接地面におけるXw軸、Yw軸、Vベクトル、Vベクトルの関係を示すと図4の模式図の通りとなる。
固有ベクトルを座標変換に利用するために正規化を行ない、さらにVのx座標が正、Vのy座標が正になるように符号反転を適宜行っておく。
Here, the minimum value of the contact degree s is set to ε that is not zero in order to ensure that the variance-covariance matrix S is a regular matrix. Since the covariance matrix S is a regular matrix, it is guaranteed that there are two eigenvalues λ 1 and λ 2 and that the eigenvectors V 1 and V 2 are independent. That is, the eigenvectors V 1 and V 2 are orthogonal. Assuming λ 1 and λ 2 in descending order of eigenvalues and the corresponding eigenvectors as V 1 and V 2 , the respective eigenvectors obtained here are
V 1 : A direction in which the slope of the sole is minimum V 2 : A direction in which the slope of the sole is maximum is expressed, and the contact degree is represented by eigenvalues λ 1 and λ 2 . Xw axis of the ground plane, and as schematic diagram of a Yw-axis, V 1 vector, indicating the relationship between V 2 vectors FIG.
Normalization is performed in order to use eigenvectors for coordinate transformation, and sign inversion is appropriately performed so that the x coordinate of V 1 is positive and the y coordinate of V 2 is positive.

目標胴体位置姿勢角の補正量をベクトルΔθで表現すると、ベクトルθは絶対座標系Ow−XwYwZwの各軸成分(Δθ、Δθ、Δθ)で表される。ここで、鉛直軸Zw回りの補正量Δθは、足裏面が接地面から浮き上がってしまうことに影響しない。従って、目標胴体位置姿勢角の補正量の接地面内成分(Δθ、Δθ)を前述したV軸とV軸の成分に変換する。変換後のV軸方向成分をΔθ、V軸方向成分をΔθで表す。絶対座標系のXw軸方向成分とYw軸方向成分で表された補正量(Δθ、Δθ)をV軸方向成分ΔθとV軸方向成分Δθへ変換するため(絶対座標系から接地座標系へ変換するための)の変換行列grdは、前述した固有ベクトルVとVを用いて下記の式で表すことができる。 When the correction amount of the target body position / posture angle is expressed by a vector Δθ, the vector θ is expressed by each axis component (Δθ x , Δθ y , Δθ z ) of the absolute coordinate system Ow-XwYwZw. Here, the correction amount Δθ z around the vertical axis Zw does not affect the fact that the back surface of the foot rises from the ground contact surface. Therefore, the in-ground surface components (Δθ x , Δθ y ) of the correction amount of the target body position / posture angle are converted into the V 1 axis and V 2 axis components described above. The converted V 1 axis direction component is represented by Δθ 1 , and the V 2 axis direction component is represented by Δθ 2 . In order to convert the correction amount (Δθ x , Δθ y ) represented by the Xw axis direction component and the Yw axis direction component of the absolute coordinate system into the V 1 axis direction component Δθ 1 and the V 2 axis direction component Δθ 2 (absolute coordinate system The conversion matrix w A grd ( for converting from the ground coordinate system to the ground coordinate system) can be expressed by the following equation using the eigenvectors V 1 and V 2 described above.

Figure 0005198035
Figure 0005198035

次に座標変換部122の処理について説明する。絶対座標系(ワールド座標系)における倒立制御の姿勢補正量(制御器出力)を(Δθ,Δθとすると、接地座標系における倒立制御の姿勢補正量(Δθ,Δθは、以下のように求めることができる。 Next, processing of the coordinate conversion unit 122 will be described. If the posture correction amount (controller output) of the inverted control in the absolute coordinate system (world coordinate system) is (Δθ x , Δθ y ) T , the posture correction amount (Δθ 1 , Δθ 2 ) T of the inverted control in the ground coordinate system Can be obtained as follows.

Figure 0005198035
Figure 0005198035

次に、補正量修正部123は接地座標系の各方向において、接地度合に応じて補正量を制限する。ここでは、補正量を制限する関数をfで表わし、以下のように記述しておく。
Δθ1f=f(λ,Δθ
Δθ2f=f(λ,Δθ
補正量を制限する関数fとしては、例えば以下のような関数を採用すればよい。
f(λ,Δθ)=α(λ)・Δθ
ただし、αは制限に用いる修正倍率を表しており、λの関数としては例えば、図5のグラフのようにすることができる。つまり、固有値λがある閾値λthより大きい場合、すなわち、十分に接地しているときは、補正量を制限する必要はなく、固有値λが閾値λthより小さい場合、すなわち十分に接地していない場合は、補正量を修正倍率α制限する。
Next, the correction amount correcting unit 123 limits the correction amount in each direction of the ground coordinate system in accordance with the degree of ground contact. Here, a function that limits the correction amount is represented by f and described as follows.
Δθ 1f = f (λ 1 , Δθ 1 )
Δθ 2f = f (λ 2 , Δθ 2 )
As the function f for limiting the correction amount, for example, the following function may be employed.
f (λ, Δθ) = α (λ) · Δθ
However, α represents a correction magnification used for restriction, and a function of λ can be, for example, as shown in the graph of FIG. That is, when the eigenvalue λ is larger than the threshold value λth , that is, when sufficiently grounded, there is no need to limit the correction amount, and when the eigenvalue λ is smaller than the threshold value λth , that is, not sufficiently grounded. In this case, the correction amount is limited to the correction magnification α.

これは、足裏の勾配が所定値より大きい場合(即ち、固有値λが所定の大きさλthより小さい場合)に、V軸方向の足裏の勾配が大きいほど(即ち、固有値λが小さいほど)、補正量ΔθのV軸方向成分Δθを減少させることを意味する。同様に、足裏の勾配が所定値より大きい場合(即ち、固有値λが所定の大きさλthより小さい場合)に、V軸方向の足裏の勾配が大きいほど(即ち、固有値λが小さいほど)、補正量ΔθのV方向成分Δθを減少させることを意味する。 This is because when the gradient of the sole is greater than a predetermined value (i.e., if the eigenvalues lambda 1 is predetermined magnitude lambda th smaller), the larger the slope of V 1 axial soles (i.e., the eigenvalues lambda 1 The smaller the value, the smaller the V 1 axial component Δθ 1 of the correction amount Δθ. Similarly, when the sole gradient is larger than a predetermined value (that is, when the eigenvalue λ 2 is smaller than the predetermined size λ th ), the larger the sole gradient in the V 2 axis direction is (that is, the eigenvalue λ 2). The smaller the value, the smaller the V 2 direction component Δθ 2 of the correction amount Δθ.

修正された倒立制御の姿勢補正量を再び座標変換部122により絶対座標に座標変換する。座標変換部122は、接地座標系から絶対座標系に戻すため、変換行列の逆行列をかける。ここで、grdは直交行列であるので、逆行列と転置行列は等しい。 The corrected posture correction amount for the inverted control is again converted into absolute coordinates by the coordinate converter 122. The coordinate conversion unit 122 multiplies the inverse matrix of the conversion matrix in order to return from the ground coordinate system to the absolute coordinate system. Here, W A grd it is because orthogonal matrix, is equal to the transposed matrix and inverse matrix.

Figure 0005198035

以上の手順で計算した(Δθxf,Δθyfを実際の倒立制御の補正量として用いれば、十分に接地が保たれている方向に倒立制御を利かせ、逆に接地が保たれていない場合には、足裏の路面倣い制御を優先して働かせることとなる。
Figure 0005198035

If (Δθ xf , Δθ yf ) T calculated by the above procedure is used as a correction amount for the actual inversion control, the inversion control is used in the direction in which the grounding is sufficiently maintained, and conversely, the grounding is not maintained. In this case, the road surface copying control of the sole is preferentially performed.

絶対座標に戻された補正量は、胴体位置補正部124に入力され加速度制御部119からの補正量と加算される。さらに、加算された補正量は、胴体位置姿勢角補正部125に入力され目標胴体位置姿勢角に加算される。こうして補正された目標胴体位置及び目標胴体位置姿勢角は関節角変換部126に入力される。   The correction amount returned to the absolute coordinates is input to the body position correction unit 124 and added with the correction amount from the acceleration control unit 119. Further, the added correction amount is input to the body position / posture angle correction unit 125 and added to the target body position / posture angle. The corrected target body position and target body position / posture angle are input to the joint angle conversion unit 126.

なお、足平目標位置姿勢角は、目標足平位置及び目標足平位置姿勢角からなる。倣い制御部115により目標足平姿勢角が補正される点については上述したが、目標足平位置についても補正されるものとすることができる。目標足平位置は、次のように補正することができる。足裏距離センサの測定値から、足平座標系原点Ofと接地面との距離を求める。この距離は、地面に対する実足平位置を示す、目標足平位置(歩容データを作成する際のシミュレーション上での仮想的な接地面と仮想的な足平の間の距離)と実足平位置の偏差に基づき、目標足平位置の補正量を算出する、算出された補正量を、目標足平位置に加算することで目標足平位置を補正し、関節角変換部126に入力する。このような制御系によって、実足平位置を目標足平位置に一致させることができる。たとえば、実際のロボットの遊脚が実際の接地面に接地するタイミングを、歩容データ上で遊脚が接地面に着地するタイミングに一致させることができる。   The foot target position / posture angle includes a target foot position and a target foot position / posture angle. Although the point at which the desired foot posture angle is corrected by the copying control unit 115 has been described above, the target foot position can also be corrected. The target foot position can be corrected as follows. From the measured value of the sole distance sensor, the distance between the foot coordinate system origin Of and the ground plane is obtained. This distance indicates the actual foot position relative to the ground, the target foot position (the distance between the virtual ground plane and the virtual foot on the simulation when creating gait data) and the actual foot position. Based on the position deviation, the correction amount of the target foot position is calculated, and the target foot position is corrected by adding the calculated correction amount to the target foot position, and is input to the joint angle conversion unit 126. By such a control system, the actual foot position can be matched with the target foot position. For example, the timing at which the free leg of the actual robot contacts the actual ground plane can be matched with the timing at which the free leg lands on the ground plane on the gait data.

図6は、本実施の形態の効果を説明する図である。ロボットが凸部に着地し、足裏が?がれそうになったら、倒立制御の制御入力を制限することから、結果、常に足裏が地面にならう制御を優先させることとなる。   FIG. 6 is a diagram for explaining the effect of the present embodiment. If the robot lands on the convex part and the sole is likely to come off, the control input of the inversion control is limited. As a result, the control that always keeps the sole on the ground is given priority.

次に、胴体姿勢角を接地度に応じて修正する方法について図7に示すフローチャートを参照して説明する。先ず、各足裏距離センサごとに、足裏から地面までの距離を測定する(ステップS1)。そして、測定したセンサ距離に基づき図3に示すグラフから接地度sを求める(ステップS2)。接地度sが求まったら、分散共分散行列Sを求め、その固有値λ、λ及び固有ベクトルV、Vを求める。そして、この固有ベクトルから絶対座標系から接地座標系への変換行列を求める(ステップS3)。 Next, a method for correcting the body posture angle in accordance with the degree of contact will be described with reference to the flowchart shown in FIG. First, the distance from the sole to the ground is measured for each sole distance sensor (step S1). Then, the degree of ground contact s is obtained from the graph shown in FIG. 3 based on the measured sensor distance (step S2). When the contact degree s is obtained, a variance covariance matrix S is obtained, and its eigenvalues λ 1 and λ 2 and eigenvectors V 1 and V 2 are obtained. Then, a transformation matrix from the absolute coordinate system to the ground coordinate system is obtained from this eigenvector (step S3).

次に、倒立制御部121で算出した補正量をステップS3で求めた変換行列を使用して接地座標系に変換する(ステップS4)。そうしてこれを接地状態に応じて図5に示す修正倍率に基づき修正する(ステップS5)。最後に、修正された倒立制御部121の姿勢補正量を上述の変換行列の逆行列を使用して絶対座標系に戻す(ステップS6)。この補正量を用いて目標胴体位置姿勢角を補正することで、地面から足裏を離れないように制御することができる。   Next, the correction amount calculated by the inversion control unit 121 is converted into the ground coordinate system using the conversion matrix obtained in step S3 (step S4). Then, this is corrected based on the correction magnification shown in FIG. 5 according to the grounding state (step S5). Finally, the corrected posture correction amount of the inversion control unit 121 is returned to the absolute coordinate system using the inverse matrix of the above-described conversion matrix (step S6). By correcting the target body position / posture angle using this correction amount, it is possible to control so as not to leave the sole of the foot from the ground.

本実施の形態においては、足平の地面に対する接地度に基づき、足平の接地方向を求める。そして、倒立制御部121の算出した補正量を接地座標系に変換し、足平の接地状態に応じて修正することで、可能な限り足裏を地面に対して接地させることができる。すなわち、接地状態に応じて補正量を修正するため、十分に接地が保たれている方向については倒立制御を働かせ、逆に接地が保たれていない方向については、足裏の倣い制御を優先して働かせることで、常に足裏が地面に倣うよう制御することができる。
実施の形態2.
In the present embodiment, the grounding direction of the foot is obtained based on the degree of grounding of the foot with respect to the ground. Then, by converting the correction amount calculated by the inversion control unit 121 into the ground coordinate system and correcting it according to the ground contact state of the foot, the sole can be grounded to the ground as much as possible. In other words, in order to correct the correction amount according to the grounding state, inversion control is applied in the direction where the grounding is sufficiently maintained, and on the contrary, the scanning control of the sole is given priority in the direction where the grounding is not maintained. By making it work, you can control so that the sole of the foot always follows the ground.
Embodiment 2.

次に、本発明の実施の形態2について説明する。図8は、本実施の形態にかかるロボットの制御システムを示すブロック図である。なお、図8に示す本実施の形態において、図2に示す実施の形態1と同一の構成要素には、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。上述の実施の形態においては、倒立制御部121が算出する補正量を、足裏の接地度に応じて修正するものであったが、本実施の形態においては、接地度計算部152の計算した接地度に基づき倣い制御部115及び倒立制御部121のゲインを調整するものである。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a block diagram showing a robot control system according to the present embodiment. In the present embodiment shown in FIG. 8, the same components as those in the first embodiment shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. In the above-described embodiment, the correction amount calculated by the inversion control unit 121 is corrected according to the contact degree of the sole, but in the present embodiment, the calculation by the contact degree calculation unit 152 is performed. The gains of the copying control unit 115 and the inversion control unit 121 are adjusted based on the degree of contact.

接地度計算部152のゲイン制御方法としては、接地度が所定の閾値より大きく、足裏が地面に対して十分接地していると判断できる場合は、倒立制御部121の制御ゲインを上げ、逆に足裏の倣い制御部115のゲインを下げるように制御する。一方、接地度が所定の閾値より小さく、足裏が十分接地していないような場合は、倒立制御部121のゲインを大きくし、逆に倣い制御部115のゲインを上げるように制御する。   As a gain control method of the contact degree calculation unit 152, when the contact degree is larger than a predetermined threshold and it can be determined that the sole is sufficiently grounded with respect to the ground, the control gain of the inversion control unit 121 is increased, and the reverse In addition, control is performed so that the gain of the sole copying control unit 115 is lowered. On the other hand, when the degree of ground contact is smaller than a predetermined threshold and the sole is not sufficiently grounded, the gain of the inversion control unit 121 is increased, and conversely, control is performed to increase the gain of the copying control unit 115.

本実施の形態においては、足裏距離センサの測定値に基づき求めた接地度を利用して、倣い制御と倒立制御のゲインを調整する。具体的には、接地度が大きい場合は、倒立制御のゲインを上げてその補正量を大きくし、接地度が小さい場合は、倒立制御のゲインをさげその補正量を小さくするよう制御する。このことにより、足裏の路面倣い制御を優先的に働かせ、足裏を地面に密着させることができる。   In the present embodiment, the gain of the copying control and the inversion control is adjusted using the degree of contact obtained based on the measured value of the sole distance sensor. Specifically, when the degree of ground contact is large, the gain of the inverted control is increased to increase the correction amount, and when the degree of ground contact is small, the gain of the inverted control is reduced to reduce the correction amount. As a result, the road surface copying control of the sole can be preferentially applied and the sole can be brought into close contact with the ground.

なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

例えば、上述の実施の形態では、ハードウェアの構成として説明したが、これに限定されるものではなく、任意の処理を、CPU(Central Processing Unit)にコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。この場合、コンピュータプログラムは、記録媒体に記録して提供することも可能であり、また、インターネットその他の伝送媒体を介して伝送することにより提供することも可能である。   For example, in the above-described embodiment, the hardware configuration has been described. However, the present invention is not limited to this, and arbitrary processing may be realized by causing a CPU (Central Processing Unit) to execute a computer program. Is possible. In this case, the computer program can be provided by being recorded on a recording medium, or can be provided by being transmitted via the Internet or another transmission medium.

ロボットを正面から見た様子を概略的に表す概略図である。It is the schematic showing a mode that the robot was seen from the front. 本発明の実施の形態にかかるロボットの制御システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the control system of the robot concerning embodiment of this invention. 接地度と距離センサからの値との関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between a contact degree and the value from a distance sensor. 絶対座標系のXw軸、Yw軸と接地座標系のV軸、V軸の関係を示す模式図である。Absolute coordinate system Xw axis is a schematic diagram showing the relationship of V 1 axis, V 2 axes and Yw axis ground coordinate system. 制限に用いる修正倍率αと、固有値λの関数を示す図である。It is a figure which shows the correction magnification (alpha) used for a restriction | limiting, and the function of eigenvalue (lambda). 本発明の実施の形態の効果を説明する図である。It is a figure explaining the effect of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における胴体姿勢角を接地度に応じて修正する方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the method which corrects the fuselage attitude | position angle in embodiment of this invention according to a contact degree. 本発明の実施の形態2にかかるロボットの制御システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the control system of the robot concerning Embodiment 2 of this invention. 倒立制御と倣い制御を併用する従来のロボットの問題点を示す図である。It is a figure which shows the problem of the conventional robot which uses inversion control and copying control together. 同じく、倒立制御と倣い制御を併用する従来のロボットの問題点を示す図である。Similarly, it is a figure which shows the problem of the conventional robot which uses inversion control and copying control together.

符号の説明Explanation of symbols

1 ロボット、2 頭部、3 体幹、
4 腰部、5 右腕、6 左腕、
10 脚部、20 右脚、21 右股関節、
22 右上腿、23 右膝関節、24 右下腿、
25 右足首関節、26 右足平、30 左脚、
31 左股関節、32 左上腿、33 左膝関節、
34 左下腿、35 左足首関節、36 左足平、
111 記憶部、111a 歩容データ、112 目標距離算出部、
113 距離偏差算出部、114 足偏差算出部、115 倣い制御部、
116 足平座標位置補正部、117 階微分器、118 加速度偏差算出部、
119 加速度制御部、120 姿勢角偏差算出部、121 倒立制御部、
122 座標変換部、123 補正量修正部、124 胴体位置補正部、
125 胴体位置姿勢角補正部、126 関節角変換部、127 各軸制御部、
128 接地状態計算部、129、152 接地度計算部、130 制御部、
131 距離センサ、132 姿勢センサ、133 加速度センサ、141 モータ
1 robot, 2 heads, 3 trunks,
4 waist, 5 right arm, 6 left arm,
10 legs, 20 right leg, 21 right hip joint,
22 right upper leg, 23 right knee joint, 24 right lower leg,
25 Right ankle joint, 26 Right foot, 30 Left leg,
31 left hip joint, 32 left upper thigh, 33 left knee joint,
34 left lower leg, 35 left ankle joint, 36 left foot,
111 storage unit, 111a gait data, 112 target distance calculation unit,
113 distance deviation calculation unit, 114 foot deviation calculation unit, 115 copying control unit,
116 foot coordinate position correction unit, 117th-order differentiator, 118 acceleration deviation calculation unit,
119 acceleration control unit, 120 posture angle deviation calculation unit, 121 inverted control unit,
122 coordinate conversion unit, 123 correction amount correction unit, 124 fuselage position correction unit,
125 body position / posture angle correction unit, 126 joint angle conversion unit, 127 each axis control unit,
128 grounding state calculation unit, 129, 152 grounding degree calculation unit, 130 control unit,
131 distance sensor, 132 attitude sensor, 133 acceleration sensor, 141 motor

Claims (6)

目標胴体位置姿勢角と実際の胴体姿勢角との偏差を求める姿勢角偏差算出手段と、
前記姿勢角偏差算出手段が算出した姿勢角偏差に基づき胴体部補正量を算出する倒立制御手段と、
前記倒立制御手段が算出した胴体部補正量で前記目標胴体位置姿勢角を補正する胴体部補正手段と、
目標足平位置姿勢と実際の足平位置姿勢との偏差を求める足平位置姿勢偏差算出手段と、
前記足平位置姿勢偏差算出手段が算出した足平偏差に基づき脚部補正量を算出する倣い制御手段と、
前記倣い制御手段が算出した脚部補正量で目標足平位置姿勢角を補正する足平部補正手段と、
前記胴体部補正手段および前記足平部補正手段の出力に基づいて各関節角の関節角指令値を算出する関節角変換手段と、
足平の裏面に設けられた距離センサと、
前記距離センサの値に基づき前記足平の地面に対する接地度を算出する接地度計算手と、
前記接地度計算手段が算出した接地度から、前記足平の地面に対する接地方向であって前記足平が最もよく接地している方向および前記足平が最も接地していない方向を求める接地状態計算手段と、
前記接地度計算手段が算出した前記接地度に基づき、前記胴体補正量を、前記足平が最もよく接地している方向を主軸とする座標系である接地座標系に変換する座標変換手段と、
前記接地座標系に変換した前記胴体補正量を、接地している度合いを示す接地状態に応じて補正する補正量修正手段とを有し、
前記座標変換手段は、前記補正量修正手段にて補正した胴体補正量を絶対座標系に変換し、
前記胴体部補正手段は、前記絶対座標系に変換された胴体補正量で前記目標胴体位置姿勢角を補正する脚式ロボット。
Posture angle deviation calculating means for obtaining a deviation between the target body position and posture angle and the actual body posture angle;
An inversion control means for calculating a body part correction amount based on the attitude angle deviation calculated by the attitude angle deviation calculating means;
A body part correcting unit that corrects the target body position / posture angle with the body part correction amount calculated by the inversion control unit;
Foot position / posture deviation calculating means for obtaining a deviation between the target foot position / posture and the actual foot position / posture;
A scanning control means for calculating a leg correction amount based on the foot deviation calculated by the foot position / posture deviation calculating means;
Foot part correcting means for correcting the desired foot position / posture angle with the leg correction amount calculated by the copying control means;
Joint angle conversion means for calculating a joint angle command value of each joint angle based on outputs of the trunk part correction means and the foot part correction means;
A distance sensor provided on the back of the foot;
Ground calculation means to calculate the ground level relative to the ground of the distance values in based-out the foot of the sensor flat,
Grounding state calculation for obtaining the direction of contact of the foot with respect to the ground, the direction in which the foot is best grounded and the direction in which the foot is not grounded from the grounding degree calculated by the grounding degree calculation means Means,
Coordinate conversion means for converting the torso correction amount into a ground coordinate system that is a coordinate system having a principal axis in a direction in which the foot is in contact with the ground best, based on the ground contact degree calculated by the ground contact degree calculation means;
Correction amount correcting means for correcting the body correction amount converted into the ground coordinate system according to a grounding state indicating a degree of grounding,
The coordinate conversion means converts the body correction amount corrected by the correction amount correction means into an absolute coordinate system,
The body portion correcting means legged robot for correcting the target torso position and orientation angle fuselage correction amount is converted into the absolute coordinate system.
目標胴体位置から目標胴体加速度を算出する目標加速度算出手段と、
加速度センサと、
前記加速度センサから取得した現在の加速度と前記目標加速度との偏差を求める加速度偏差算出手段と、
前記加速度偏差に基づき加速度補正量を算出する加速度制御手段と、
前記胴体部補正手段は、前記絶対座標系に変換された胴体補正量および前記加速度制御手段が算出した加速度補正量により、で前記目標胴体位置姿勢角を補正する
ことを特徴とする請求項1記載の脚式ロボット。
Target acceleration calculating means for calculating the target body acceleration from the target body position;
An acceleration sensor;
An acceleration deviation calculating means for obtaining a deviation between the current acceleration acquired from the acceleration sensor and the target acceleration;
Acceleration control means for calculating an acceleration correction amount based on the acceleration deviation;
The torso correction means corrects the target torso position / posture angle by the torso correction amount converted into the absolute coordinate system and the acceleration correction amount calculated by the acceleration control means.
The legged robot according to claim 1.
目標胴体位置姿勢角と実際の胴体姿勢角との偏差を求める姿勢角偏差算出手段と、
前記姿勢角偏差算出手段が算出した姿勢角偏差に基づき胴体部補正量を算出する倒立制御手段と、
前記倒立制御手段が算出した胴体部補正量で前記目標胴体位置姿勢角を補正する胴体部補正手段と、
目標足平位置姿勢と実際の足平位置姿勢との偏差を求める足平位置姿勢偏差算出手段と、
前記足平位置姿勢偏差算出手段が算出した足平偏差に基づき脚部補正量を算出する倣い制御手段と、
前記倣い制御手段が算出した脚部補正量で目標足平位置姿勢角を補正する足平部補正手段と、
前記胴体部補正手段および前記足平部補正手段の出力に基づいて各関節角の関節角指令値を算出する関節角変換手段と、
足平の裏面に設けられた距離センサと、
前記距離センサの値に基づき前記足平の地面に対する接地度を算出する接地度計算手段と、を有し、
前記接地度計算手段は、算出した接地度に基づき前記倒立制御手段及び前記倣い制御手段のゲインを調整する脚式ロボット。
Posture angle deviation calculating means for obtaining a deviation between the target body position and posture angle and the actual body posture angle;
An inversion control means for calculating a body part correction amount based on the attitude angle deviation calculated by the attitude angle deviation calculating means;
A body part correcting unit that corrects the target body position / posture angle with the body part correction amount calculated by the inversion control unit;
Foot position / posture deviation calculating means for obtaining a deviation between the target foot position / posture and the actual foot position / posture;
A scanning control means for calculating a leg correction amount based on the foot deviation calculated by the foot position / posture deviation calculating means;
Foot part correcting means for correcting the desired foot position / posture angle with the leg correction amount calculated by the copying control means;
Joint angle conversion means for calculating a joint angle command value of each joint angle based on outputs of the trunk part correction means and the foot part correction means;
A distance sensor provided on the back of the foot;
Contact degree calculation means for calculating a contact degree of the foot with respect to the ground based on a value of the distance sensor;
It said ground calculation hand stage legged robot that adjusts the gain of the inversion control means and the scanning control means based on the calculated ground level.
目標胴体位置姿勢角と実際の胴体姿勢角との偏差を求める姿勢角偏差算出工程と、
前記姿勢角偏差算出工程にて算出した姿勢角偏差に基づき胴体部補正量を算出する倒立制御工程と、
前記倒立制御工程にて算出した胴体部補正量で前記目標胴体位置姿勢角を補正する胴体部補正工程と、
目標足平位置姿勢と実際の足平位置姿勢との偏差を求める足平位置姿勢偏差算出工程と、
前記足平位置姿勢偏差算出工程にて算出した足平偏差に基づき脚部補正量を算出する倣い制御工程と、
前記倣い制御工程にて算出した脚部補正量で目標足平位置姿勢角を補正する足平部補正工程と
前記胴体部補正工程および前記足平部補正工程にて出力された補正量に基づいて各関節角の関節角指令値を算出する関節角変換工程と、
足平の裏面に設けられた距離センサの値に基づき前記足平の地面に対する接地度を算出する接地度計算工と、
前記接地度計算工程にて算出した接地度から、前記足平の地面に対する接地方向であって前記足平が最もよく接地している方向および前記足平が最も接地していない方向を求める接地状態計算工程と、
前記接地度計算工程にて算出した前記接地度に基づき、前記胴体補正量を、前記足平が最もよく接地している方向を主軸とする座標系である接地座標系に変換する座標変換工程と、
前記接地座標系に変換した前記胴体補正量を、接地している度合いを示す接地状態に応じて補正する補正量修正工程とを有し、
前記座標変換工程では、前記補正量修正工程にて補正した胴体補正量を絶対座標系に変換し、
前記胴体補正工程では、前記絶対座標系に変換された胴体補正量で前記目標胴体位置姿勢角を補正する脚式ロボットの制御方法。
A posture angle deviation calculating step for obtaining a deviation between the target body posture angle and the actual body posture angle;
An inversion control step of calculating a body part correction amount based on the posture angle deviation calculated in the posture angle deviation calculating step;
A body part correction step of correcting the target body position / posture angle with the body part correction amount calculated in the inversion control step;
A foot position / posture deviation calculating step for obtaining a deviation between the target foot position / posture and the actual foot position / posture;
A scanning control step of calculating a leg correction amount based on the foot deviation calculated in the foot position / posture deviation calculating step;
A foot portion correction step of correcting the desired foot position / posture angle with the leg correction amount calculated in the scanning control step;
A joint angle conversion step of calculating a joint angle command value of each joint angle based on the correction amount output in the trunk portion correction step and the foot portion correction step;
And more ground calculating Engineering for calculating the ground level to the value of the distance sensor provided on the back surface of the foot relative to the ground of based-out the foot,
A grounding state for obtaining a grounding direction with respect to the ground of the foot, the direction in which the foot is grounded best and the direction in which the foot is not grounded from the grounding degree calculated in the grounding degree calculation step Calculation process;
A coordinate conversion step of converting the torso correction amount into a ground coordinate system that is a coordinate system whose main axis is a direction in which the foot is in contact with the ground best, based on the ground contact degree calculated in the ground contact degree calculation step; ,
A correction amount correction step of correcting the body correction amount converted into the ground coordinate system according to a ground state indicating a degree of ground contact,
In the coordinate conversion step, the body correction amount corrected in the correction amount correction step is converted into an absolute coordinate system,
Wherein the fuselage correction process, the control method of a legged robot for correcting the target torso position and orientation angle fuselage correction amount is converted into the absolute coordinate system.
目標胴体位置から目標胴体加速度を算出する目標加速度算出工程と、
加速度センサから取得した現在の加速度と前記目標加速度との偏差を求める加速度偏差算出工程と、
前記加速度偏差に基づき加速度補正量を算出する加速度制御工程と、
前記胴体部補正工程では、前記加速度制御工程にて算出した加速度補正量により前記目標胴体位置を補正する
ことを特徴とする請求項4記載の脚式ロボットの制御方法。
A target acceleration calculation step of calculating a target body acceleration from the target body position;
An acceleration deviation calculating step for obtaining a deviation between the current acceleration acquired from the acceleration sensor and the target acceleration;
An acceleration control step of calculating an acceleration correction amount based on the acceleration deviation;
In the body part correction step, the target body position is corrected by the acceleration correction amount calculated in the acceleration control step.
The method for controlling a legged robot according to claim 4.
目標胴体位置姿勢角と実際の胴体姿勢角との偏差を求める姿勢角偏差算出工程と、
前記姿勢角偏差算出工程にて算出した姿勢角偏差に基づき胴体部補正量を算出する倒立制御工程と、
前記倒立制御工程にて算出した胴体部補正量で前記目標胴体位置姿勢角を補正する胴体部補正工程と、
目標足平位置姿勢と実際の足平位置姿勢との偏差を求める足平位置姿勢偏差算出工程と、
前記足平位置姿勢偏差算出工程にて算出した足平偏差に基づき脚部補正量を算出する倣い制御工程と、
前記倣い制御工程にて算出した脚部補正量で目標足平位置姿勢角を補正する足平部補正工程と
前記胴体部補正工程および前記足平部補正工程にて出力された補正量に基づいて各関節角の関節角指令値を算出する関節角変換工程と、
足平の裏面に設けられた距離センサの値に基づき前記足平の地面に対する接地度を算出する接地度計算工と、を有し、
前記接地度計算工程では、前記接地度に基づき、前記倒立制御工程及び倣い制御工程において補正量を算出する際のゲインを調整する脚式ロボットの制御方法。
A posture angle deviation calculating step for obtaining a deviation between the target body posture angle and the actual body posture angle;
An inversion control step of calculating a body part correction amount based on the posture angle deviation calculated in the posture angle deviation calculating step;
A body part correction step of correcting the target body position / posture angle with the body part correction amount calculated in the inversion control step;
A foot position / posture deviation calculating step for obtaining a deviation between the target foot position / posture and the actual foot position / posture;
A scanning control step of calculating a leg correction amount based on the foot deviation calculated in the foot position / posture deviation calculating step;
A foot portion correction step of correcting the desired foot position / posture angle with the leg correction amount calculated in the scanning control step;
A joint angle conversion step of calculating a joint angle command value of each joint angle based on the correction amount output in the trunk portion correction step and the foot portion correction step;
Have a higher ground calculation engineering to calculate the ground level to the value of the distance sensor provided on the back surface with respect to ground based-out the foot of the foot,
And in the ground level calculating step, based on the ground level, the inversion control process and tracking controlling method of a legged robot that adjusts the gain in calculating the amount of correction in the control process.
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