JP3277076B2 - 歩行ロボットの歩行制御装置および歩行制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、歩行ロボットの歩行制
御装置および歩行制御方法に関し、特に、エネルギー効
率の高い動的歩行を安定してなし得る歩行制御装置およ
び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】特公
平５ー６２３６３号公報等にみられるように、人間が踏
み込めない環境下で作業を行う歩行ロボットが種々開発
され、特許出願等されている。

【０００３】従来の歩行ロボットには、人間と同様に２
本の足を交互に接地させて歩行する「２足歩行」のロボ
ットがある。この「２足歩行」のロボットには、移動に
伴う慣性エネルギーを活用する動的歩行技術が適用され
る。

【０００４】ここに、動的歩行とは、自己の体をすばや
く移動させる際に生ずる運動エネルギーに基づく慣性運
動や体の揺動によって生ずる振り子運動を利用する歩行
制御技術のことであり、この動的歩行技術は、歩行しよ
うとする路面が平坦な場合には、移動に要するエネルギ
ーの損失が少ないという利点がある。

【０００５】しかし、実際の路面には、屋内・屋外を問
わず凹凸が存在するものであり、この路面の凹凸のため
に振り子運動の維持が困難になって、場合によっては動
的歩行するロボットが凹凸につまずいて倒れてしまうこ
ともある。

【０００６】こうした歩行の不安定さが、２足歩行のロ
ボットが実用化されない原因の一つとなっている。

【０００７】一方、従来のロボットには、４足以上の多
くの足を交互に接地させて歩行する「多足歩行」のロボ
ットがある。この「多足歩行」のロボットには、重心位
置を安定位置に調節する静的歩行技術が適用される。

【０００８】ここに、静的歩行とは、自己の移動に伴っ
て足を動かす際に、自己の体の重心から下ろした垂線
が、接地している３本以上の足の接地点同士を結ぶ多角
形の内部を通るように調節しながらゆっくりと歩行する
技術のことである。

【０００９】この静的歩行は、凹凸のある路面でも簡単
な制御方法によって安定して歩行できるという利点はあ
るものの、歩き方をきわめてゆっくりにして体の慣性運
動や振り子運動が歩行の不安定要因として働くのを抑制
しているため、移動に要するエネルギーの損失が大き
く、効率が悪いという欠点がある。

【００１０】そこで、平坦地では、エネルギー効率の高
い動的歩行で移動でき、凹凸のある場所では、安定性の
高い静的歩行で移動できるロボットの開発が要請され
る。

【００１１】しかし、動的歩行を効率的に行うために、
２足歩行ロボットの足の裏の底面積を狭く設計すると、
体の重心が前後左右に倒れやすくなってしまい、同一の
ロボットで静的歩行をすることが困難になる。

【００１２】一方、静的歩行を行うために、多足歩行ロ
ボットを、体の慣性運動や振り子運動が歩行の不安定要
因として働くのを抑制するよう設計した場合には、運動
エネルギーが機構的に抑制もしくは吸収されてしまうた
め、同一のロボットで動的歩行をすることが困難にな
る。

【００１３】しかも、従来の四足歩行するロボットの前
足の長さＬ1は、後足の長さＬ2と概ね等しい長さである
上、胴体の長さＬ3もそれらと同等以上の長さを有して
いた。

【００１４】したがって、長さＬ3の胴体を直立させて
歩行させようとすると、前足の先端を地面につけること
はできず、前足が浮き上がってしまう。

【００１５】このように動的に直立歩行させようとして
も、構造的に２本の後足だけを用いた不安定な２足歩行
にならざるを得ないこととなっていた。

【００１６】以上のように、２足歩行によって動的歩行
するロボットは、歩行が不安定であり、実用化が困難で
あった。

【００１７】また、動的歩行と静的歩行とを、同一のロ
ボットで行うことが困難であり、とりわけ構造的に２本
の後足だけを用いた不安定な２足歩行にならざるを得な
いこととなっていた。

【００１８】本発明は、こうした実状に鑑みてなされた
ものであり、本発明の第１発明は、動的歩行を安定して
なし得るようにすることを目的とするものである。

【００１９】また、本発明の第２発明は、動的歩行と静
的歩行とを同一のロボットで行うようにすることを目的
とするものである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】そこで、この発明の第１
発明では、歩行ロボットの胴体に対して複数の前足およ
び複数の後足を回動自在に配設し、前足および後足の回
動を制御することにより歩行ロボットを歩行させる歩行
ロボットの歩行制御装置において、前記前足および後足
の根元から先端までの長さを変化自在に当該前足および
後足を構成し、前記前足および後足のうち、一方の足を
接地させた状態で、他方の足を接地面から離間させて重
心を接地している足の接地点のほぼ真上に位置させる第
１の制御と、前記第１の制御時に接地していた足の接地
点を回動支点にして重心を歩行方向に移行させることに
より、前記第１の制御時に接地面から離間していた足を
歩行方向に接地させるとともに、前記第１の制御時に接
地していた足を接地面から離間させる第２の制御と、前
記第２の制御時に接地していた足の根元を回動支点にし
て重心を歩行方向に移行させることにより、前記第２の
制御時に接地面から離間していた足を歩行方向に接地さ
せる第３の制御とを、前記胴体が略直立姿勢を保持する
ように、前記前足および後足を回動させるとともにこれ
ら足の長さを変化させることによって行うことを特徴と
する。

【００２１】また、この発明の第２発明では、第１発明
において、前記歩行ロボットは、接地しているすべての
足のうち、一本の足を接地面から離間させてから、当該
一本の足を歩行方向に接地させる静的歩行制御を、それ
ぞれの足について順次繰り返し行うことで、静的歩行を
行う歩行ロボットであり、第１ないし第３の制御の繰り
返しによる動的歩行と前記静的歩行とを切り換えること
を特徴とする。

【００２２】

【作用】かかる第１発明の構成によれば、図３に示すよ
うに、歩行ロボット１の前足３および後足４の根元５、
９から先端３ａ、４ａまでの長さＬ1、Ｌ2が変化自在に
当該前足３および後足４が構成される。この結果、長さ
Ｌ3の胴体を直立させたまま前足３の先端３ａを地面に
接地させた姿勢にすることが可能となる。

【００２３】そこで、図９（ａ）に示すように、前足３
および後足４のうち、一方の足４を接地させた状態で、
他方の足３を接地面から離間させるように、前足３およ
び後足４が回動されるとともにこれら足３、４の長さが
変化される。

【００２４】そして、図１０（ａ）に示すように、こう
して接地面から離間された足３を歩行方向に接地させる
とともに、接地されていた足４を接地面から離間させる
ように、前足３および後足４が回動されるとともにこれ
ら足３、４の長さが変化される。

【００２５】そして、図７（ａ）に示すように、こうし
て接地面から離間された足４が歩行方向に接地されるよ
うに、前足３および後足４が回動されるとともにこれら
足３、４の長さが変化される。

【００２６】こうした、制御が、胴体３を略直立姿勢に
保持したまま繰り返し行われ、歩行ロボットが歩行され
る。すなわち、胴体３を略直立姿勢に保持しつつ複数の
前足と複数の後ろ足とを交互に接地させて歩行する動的
歩行であり、従来の２本の足を交互に接地させて歩行す
る「２足歩行」の動的歩行に比べて、安定して歩行する
ことができる。

【００２７】また、第２発明の構成によれば、歩行ロボ
ット１は前足３および後足４の根元５、９から先端３
ａ、４ａまでの長さＬ1、Ｌ2が変化自在に当該前足３お
よび後足４が構成されており、かつこれら足の長さと回
動を自由に制御できるので、上述した第１発明の動的歩
行ばかりではなく、図８（ａ）ないし（ｄ）に示すよう
に、接地しているすべての足３Ｒ、３Ｌ、４Ｒ、４Ｌの
うち、一本の足３Ｒを接地面から離間させてから、当該
一本の足３Ｒを歩行方向に接地させる静的歩行制御を、
それぞれの足３Ｒ、３Ｌ、４Ｒ、４Ｌについて順次繰り
返し行うことにより、静的歩行もすることができる。つ
まり、動的歩行と静的歩行とを切り換えることで、平坦
地では、エネルギー効率の高い動的歩行で移動でき、凹
凸のある場所では、安定性の高い静的歩行で移動するこ
とができる。

【００２８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明に係る歩行ロボ
ットの歩行制御装置および歩行制御方法の実施例につい
て説明する。

【００２９】図１は、実施例の歩行ロボット１の側面を
示す外観図であり、この歩行ロボット１は後述するよう
凹凸地を静的歩行で移動し、平坦地を動的歩行で移動す
る。同図１に示すように、歩行ロボット１は、大きく
は、胴体２と、この胴体２に回動自在に配設された２本
の前足３と、同様に胴体２に回動自在に配設された２本
の後足４とから構成されている。前足３は肩関節５を回
転中心にして所定の角度範囲内を回動し、後足４は股関
節９を回転中心にして所定の角度範囲内を回動する。

【００３０】図３は、図１の歩行ロボット１の体の幾何
的関係を示したものであり、図４は、図１の歩行ロボッ
ト１に配設されるセンサおよびアクチュエータ並びに該
アクチュエータを駆動制御するコントローラを示したブ
ロック図である。

【００３１】これら図１、図３、図４に示すように、２
本の前足３は、それぞれ肩関節５と肘関節７を有してお
り、それぞれの関節５、７の角度ａ1、ｂ1は、回転式の
アクチュエータ、たとえば直流のモータによって調整さ
れ、また、それぞれの関節角度ａ1、ｂ1は角度センサに
よって検出される。

【００３２】すなわち、肩関節５と肘関節７の間には、
上腕部６と称する棒状の力学的構造物が設けられてお
り、肘関節７の先には、前腕部８と称する棒状の力学的
構造物が設けられている。なお、これら棒状の力学的構
造物は、必ずしも正確な直線状もしくは円筒型等である
必要はなく、その断面の直径に比べて長手方向の長さが
長い物体であれば形状は問わない。たとえば、人間や猿
等の腕や脚のごとく曲線形状であってもよい。上腕部６
の根元から先端までの直線距離はｍ1となっており、前
腕部８の同距離はｎ1となっている。

【００３３】ここで、右前足３Ｒを代表して説明する
と、肩関節５には肩関節モータ３６が付設されており、
このモータ３６がコントローラ１３から出力される駆動
指令信号に応じて駆動されることにより、上腕部６が胴
体２に対して所望の角度ａ1まで回転される。そして、
肩関節５に付設された肩角度センサ１４によって上記角
度ａ1が検出され、コントローラ１３にフィードバック
信号として入力され、コントローラ１３が行う制御に使
用される。

【００３４】同様に、肘関節７には肘関節モータ３７が
付設されており、このモータ３７がコントローラ１３か
ら出力される駆動指令信号に応じて駆動されることによ
り、前腕部８が上腕部６に対して所望の角度ｂ1まで回
転される。そして、肘関節７に付設された肘角度センサ
１６によって上記角度ｂ1が検出され、コントローラ１
３にフィードバック信号として入力され、コントローラ
１３が行う制御に使用される。

【００３５】なお、こうした関節を回転駆動するアクチ
ュエータとしては、電気を駆動源とするモータの代わり
に油圧を駆動源とするモータを使用してもよく、またゴ
ム筋肉のアクチュエータを使用してもよい。

【００３６】こうして、アクチュエータによって肩およ
び肘の角度ａ1、ｂ1を任意に変化させることにより、右
前足３Ｒの長さ、つまり根元の肩関節５から足先（接地
点）３ａまでの直線距離Ｌ1を任意に変化させることが
できる。

【００３７】また、肩関節５には、肩関節５にかかるト
ルク（負荷）を検出する肩トルクセンサ１５が付設され
ているとともに、肘関節７には、肘関節７にかかるトル
ク（負荷）を検出する肘トルクセンサ１７が付設されて
いる。これらトルクセンサ１５、１７の検出値は、コン
トローラ１３に入力され、後述する制御に使用される。
なお、関節を回動させるモータとして直流モータを使用
した場合には、モータに流れる電流を検出することによ
ってトルク（近似値）を検出するようにしてもよい。こ
の場合には、トルクセンサ１５、１７を別途設ける必要
がない。

【００３８】また、前腕部８の先端３ａには、右前足３
Ｒが地面に接地したことを検出する接地センサ１８が配
設されている。なお、接地センサ１８は、歩行ロボット
１の地面に対する体重のかかり具合を複数のレベルに分
けて検出しており、アナログもしくはデジタル式の多出
力型のセンサが使用される。また、接地したか否かを検
出するのみのオンオフ型の２値出力型のセンサであって
もよい。

【００３９】左前足３Ｌについても、右前足３Ｒの肩角
度センサ１４、肩トルクセンサ１５、肘角度センサ１
６、肘トルクセンサ１７、接地センサ１８並びに肩関節
モータ３６、肘関節モータ３７と同様な肩角度センサ１
９、肩トルクセンサ２０、肘角度センサ２１、肘トルク
センサ２２および接地センサ２３並びに肩関節モータ３
８、肘関節モータ３９が配設されている。

【００４０】一方、２本の後足４も、上述した２本の前
足３と同様な構成となっており、股関節９と膝関節１１
を有し、それぞれの関節９、１１の角度ａ2、ｂ2は、前
足と同様に回転式のアクチュエータによって調整され、
また、それぞれの関節角度ａ2、ｂ2は角度センサによっ
て検出される。

【００４１】すなわち、股関節９と膝関節１１の間に
は、大腿部１０と称する棒状の力学的構造物が設けられ
ており、膝関節１１の先には、下腿部１２と称する棒状
の力学的構造物が設けられている。大腿部１０の根元か
ら先端までの直線距離はｍ2となっており、下腿部１２
の同距離はｎ2となっている。

【００４２】なお、下腿部１２の先端４ａ、つまり地面
に接地する部分に、衝撃力吸収のための機構、スリップ
防止のための機構、地面を蹴るための機構等を設けるよ
うにしてもよい。

【００４３】ここで、右後足４Ｒを代表して説明する
と、股関節９には股関節モータ４０が付設されており、
このモータ４０がコントローラ１３から出力される駆動
指令信号に応じて駆動されることにより、大腿部１０が
胴体２に対して所望の角度ａ2まで回転される。そし
て、股関節９に付設された股角度センサ２４によって上
記角度ａ2が検出され、コントローラ１３にフィードバ
ック信号として入力され、コントローラ１３が行う制御
に使用される。

【００４４】同様に、膝関節１１には膝関節モータ４１
が付設されており、このモータ４１がコントローラ１３
から出力される駆動指令信号に応じて駆動されることに
より、下腿部１２が大腿部１０に対して所望の角度ｂ2
まで回転される。そして、膝関節１１に付設された膝角
度センサ２６によって上記角度ｂ2が検出され、コント
ローラ１３にフィードバック信号として入力され、コン
トローラ１３が行う制御に使用される。

【００４５】こうして、アクチュエータによって股およ
び膝の角度ａ2、ｂ2を任意に変化させることにより、右
後足４Ｒの長さ、つまり根元の股関節９から足先（接地
点）４ａまでの直線距離Ｌ2を任意に変化させることが
できる。

【００４６】上記前足３の直線距離Ｌ1の最大値はＬ1ma
xであり、後足４の直線距離Ｌ2の最小値はＬ2minであ
る。

【００４７】このロボット１は、胴体２の長さ、つまり
肩関節５と股関節９との距離をＬ3とすると、 Ｌ1max＞Ｌ2min＋Ｌ3 のような関係が成立するよう構成されている。

【００４８】さて、股関節９には、股関節９にかかるト
ルク（負荷）を検出する股トルクセンサ２５が付設され
ているとともに、膝関節１１には、膝関節１１にかかる
トルク（負荷）を検出する膝トルクセンサ２７が付設さ
れている。これらトルクセンサ２５、２７の検出値は、
コントローラ１３に入力され、後述する制御に使用され
る。

【００４９】また、下腿部１２の先端４ａには、右後足
４Ｒが地面に接地したことを検出する接地センサ２８が
配設されている。

【００５０】右後足４Ｌについても、右後足４Ｒの股角
度センサ２４、股トルクセンサ２５、膝角度センサ２
６、膝トルクセンサ２７、接地センサ２８並びに股関節
モータ４０、膝関節モータ４１と同様な股角度センサ２
９、股トルクセンサ３０、膝角度センサ３１、膝トルク
センサ３２および接地センサ３３並びに股関節モータ４
２、股関節モータ４３が配設されている。

【００５１】図２（ａ）は、図１の歩行ロボット１と異
なる構成の前足３´および後足４´を備えた歩行ロボッ
ト１´を示している。

【００５２】歩行ロボット１´の前足３´の前腕部８´
は、上腕部６´に対して伸縮自在に配設されているとと
もに、後足４´の下腿部１２´は、大腿部１０´に対し
て伸縮自在に配設されている。

【００５３】このように前足３´および後足４´が矢印
に示すように伸縮することにより、前足３´の長さＬ1
および後足４´の長さＬ2が変化し得る構成となってお
り、図１の関節が屈曲するロボット１と等価な関係とな
っている。

【００５４】すなわち、図２（ｂ）は、図１の構成の足
と図２（ａ）の構成の足との幾何的関係を示すものであ
り、中空の円筒からなるリンクＤ´（例えば上腕部６
´）と、その中空の内部に入り込むリンクＥ´（例えば
前腕部８´）とで構成された図２（ａ）の構成の足は、
伸縮を行う油圧シリンダ等のアクチュエータによって伸
縮され、リンクＤ´の先端のＡ点とリンクＥ´の末端の
Ｂ点との距離Ｌ1（Ｌ2）が変化される。一方、リンクＤ
（例えば上腕部６）とリンクＥ（例えば前腕部８）とで
構成された図１の構成の足は、関節Ｃ（例えば肘関節
７）に設けたモータ等のアクチュエータによって角度θ
まで回転され、上記Ａ´点とＢ点との距離Ｌ1（Ｌ2）が
変化される。このように両者は等価な関係となってい
る。

【００５５】さらに、詳しく説明すると、図３に示すよ
うに、いま、ｃ1を胴体２に対して前足３（上記Ａ〜Ｂ
点を結ぶ直線）がなす角度とすると、この角度ｃ1は、
関節の回転角ａ1、ｂ1および上腕部６の長さｍ1、前腕
部８の長さｎ1を用いて、 ｃ1＝ａ1＋ｔａｎ-1（ｎ1・ｓｉｎ（ｂ1）／ （ｍ1ーｎ1・ｃｏｓ（ｂ1））） …（１） と表すことができる。なお、後足４の角度ｃ2も各角関
節の回転角ａ2、ｂ2および大腿部１０の長さｍ2、下腿
部１２の長さｎ2を用いて、上記（１）式と同様に表さ
れる。

【００５６】そして、前足３の長さＬ1は、上記ｂ1、ｍ
1、ｎ1を用いて、 Ｌ1＝（（ｍ1）2ー２ｍ1・ｎ1・ｃｏｓ（ｂ1）＋（ｎ1）2）1/2 …（２） （ただし、上式において（Ｘ）2は、Ｘの２乗を意味
し、（Ｘ）1/2はＸの１／２乗を意味するものと定義す
る）と表すことができる。なお、後足４の長さＬ2も上
記（１）式と同様に表される。

【００５７】また、図１のロボット１の前足３および後
足４のうち、一方の足のみを、図２（ａ）の構成のもの
に置換、転用する実施も可能である。

【００５８】さて、胴体２には、胴体２の逐次の姿勢角
を検出する姿勢センサ３４が配設されているとともに、
胴体２の速度変化を検出する加速度センサ３５が配設さ
れている（図４参照）。

【００５９】ここで、胴体２の姿勢センサ３４と加速度
センサ３５として３軸のレートジャイロと３軸の加速度
計から構成される慣性航法装置を使用することができ
る。

【００６０】この場合、３軸のレートジャイロは、重力
方向を検出するだけの単なる傾斜計と異なり、胴体２の
加減速運動に影響されずに姿勢角を正確に検出できると
ともに、ロール角、ピッチ角といった姿勢角を検出する
ことができる。

【００６１】また、こうした３軸レートジャイロの姿勢
センサ３４によってロボット１の胴体２の姿勢角を正確
に検出することができれば、３軸の加速度計の出力から
胴体２の傾斜による重力加速度の影響分をキャンセルす
ることができ、胴体２の運動加速度を正確に検出するこ
とができる。

【００６２】こうして胴体２の姿勢角および加速度を正
確に検出することができれば、後述する動的歩行の制御
において、倒立振り子の倒れる方向および速度を正確に
検出することができ、前足３あるいは後足４を地面から
浮かせた状態から、それぞれ前足３あるいは後足４を接
地させる方向およびタイミングを正確に予測することが
でき、動的歩行の制御を精度よく行うことができる（図
９、図１０参照）。

【００６３】以下、図４のコントローラ１３で行われる
制御内容について図５および図６のフローチャートおよ
び図７ないし図１０の動きを説明する図を併せ参照して
説明する。上述したように図１および図２（ａ）のロボ
ットは、ともに前足および後足の長さＬ1、Ｌ2が変化し
得る点において同一構成のロボットであるので、図１の
関節回動式のロボット１を代表させて以下説明する。

【００６４】図５は、歩行ロボット１を静的歩行させる
ための処理手順であり、図７の破線で示す矢印および図
８は静的歩行時におけるロボット１の姿勢変化を示して
いる。

【００６５】すなわち、静的歩行の動作の１サイクル
は、図７の（ａ）→（ｄ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｅ）→
（ａ）で示される。各時点におけるロボット１の姿勢
は、前述した肩関節モータ３６、肘関節モータ３７…を
駆動制御し、前足３および後足４の長さＬ1、Ｌ2を変化
させるとともに、胴体２に対する前足３および後足４の
回転角ｃ1、ｃ2を変化させることにより取得される。

【００６６】静的歩行動作は、図７（ａ）の静止状態か
ら始まる。この状態では、胴体２はほぼ直立した前傾姿
勢となっており、４つの足３Ｒ、３Ｌ、４Ｒ、４Ｌが全
て接地されるような長さＬ1、Ｌ2、角度ｃ1、ｃ2に調整
されている（ステップ１０１）。

【００６７】図７（ａ）から図７（ｄ）へ移り変わる
際、２本の後足４の股関節９および膝関節１１が曲げら
れ、胴体２の高さをやや低くして重心の大半が後足４に
かかるようにする。そして、片方の前足３Ｒを地面から
浮かして、ロボット１の体重を他方の前足３Ｌと２本の
後足４Ｒ，４Ｌとによる３点支持で静的に支える。この
間、ロボット１の重心Ｇの垂線が、上記支持点である３
点を頂点とする三角形の内部を通るように、前足３と後
足４の関節５、７、９、１１が回動制御される（図８
（ａ）参照）。

【００６８】やがて、浮かせた右前足３Ｒは、進行方向
の前方の地点に接地させられ、４点支持の状態である図
７（ｄ）の姿勢になる（ステップ１０２）。

【００６９】図７（ｄ）の４点支持の姿勢から図７
（ｂ）へ移り変わる際、再び２本の後足４の股関節９お
よび膝関節１１が曲げられ、胴体２の高さをやや低くし
て重心の大半が後足４にかかるようにする。そして、つ
ぎに移動させるべき残りの前足３Ｌを地面から浮かし
て、ロボット１の体重を他方の前足３Ｒと２本の後足４
Ｒ，４Ｌとによる３点支持で静的に支える。この間、ロ
ボット１の重心Ｇの垂線が、上記支持点である３点を頂
点とする三角形の内部を通るように、前足３と後足４の
関節５、７、９、１１が回動制御される（図８（ｂ）参
照）。

【００７０】やがて、浮かせた左前足３Ｌは、進行方向
の前方の地点に接地させられ、４点支持の状態である図
７（ｂ）の姿勢になる（ステップ１０３）。

【００７１】図７（ｂ）から図７（ｃ）へ移り変わる
際、４点支持の状態を維持したままで、ロボット１の重
心Ｇが前方に移行されるように、足の長さＬ1、Ｌ2およ
び足の角度ｃ1、ｃ2が調整される。この場合、静的な安
定を維持できる範囲で、ゆっくりと姿勢が変化される
（ステップ１０４）。

【００７２】図７（ｃ）の４点支持の姿勢から図７
（ｅ）へ移り変わる際、２本の前足３の肩関節５および
肘関節７が曲げられ、胴体２の高さをやや高くして重心
の大半が前足３にかかるようにする。そして、片方の後
足４Ｒを地面から浮かして、ロボット１の体重を他方の
後足４Ｌと２本の前足３Ｒ，３Ｌとによる３点支持で静
的に支える。この間、ロボット１の重心Ｇの垂線が、上
記支持点である３点を頂点とする三角形の内部を通るよ
うに、前足３と後足４の関節５、７、９、１１が回動制
御される（図８（ｃ）参照）。

【００７３】やがて、浮かせた右後足４Ｒは、進行方向
の前方の地点に接地させられ、４点支持の状態である図
７（ｅ）の姿勢になる（ステップ１０５）。

【００７４】図７（ｅ）の４点支持の姿勢から図７
（ａ）へ移り変わる際、再び２本の前足３の肩関節５お
よび肘関節７が曲げられ、胴体２の高さをやや高くして
重心の大半が前足３にかかるようにする。そして、残り
のつぎに移動させるべき左後足４Ｌを地面から浮かし
て、ロボット１の体重を他方の後足４Ｒと２本の前足３
Ｒ，３Ｌとによる３点支持で静的に支える。この間、ロ
ボット１の重心Ｇの垂線が、上記支持点である３点を頂
点とする三角形の内部を通るように、前足３と後足４の
関節５、７、９、１１が回動制御される（図８（ｄ）参
照）。

【００７５】やがて、浮かせた左後足４Ｌは、進行方向
の前方の地点に接地させられ、４点支持の状態である図
７（ａ）の姿勢になり、静的歩行の１サイクルを終了さ
せる（ステップ１０６）。以後、同様にしてステップ１
０１〜１０６の処理が繰り返し実行され、歩行ロボット
１は、凹凸地を静的歩行で歩行する。なお、歩行ロボッ
ト１を停止させるには、初期状態である図７の姿勢
（ａ）で静止させる。

【００７６】こうした凹凸地でも安定性のよい静的歩行
がなされている状態で、地形が平坦に変わった場合に
は、エネルギー効率の高い動的歩行に移行させるべく、
図６に示す処理に切り換えられる。

【００７７】図６は、歩行ロボット１を動的歩行させる
ための処理手順であり、図７の実線で示す矢印および図
９は動的歩行時におけるロボット１の姿勢変化を示して
いる。

【００７８】すなわち、動的歩行の動作の１サイクル
は、図７の（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ａ）で示され
る。各時点におけるロボット１の姿勢は、前述した肩関
節モータ３６、肘関節モータ３７…を駆動制御し、前足
３および後足４の長さＬ1、Ｌ2を変化させるとともに、
胴体２に対する前足３および後足４の回転角ｃ1、ｃ2を
変化させることにより取得される。

【００７９】動的歩行の動作も、静的歩行のステップ１
０１と同様にして、図７（ａ）の静止状態から始まる
（ステップ２０１）。

【００８０】・第１の制御（ステップ２０２） 図７（ａ）から図７（ｂ）へ移り変わる際、２本の後足
４の股関節モータ４０、４２および膝関節モータ４１、
４３が回転され、後足４の長さＬ2が小さくされる。こ
の結果、重心Ｇが後方に移行されて重量の大半が後足４
にかかることになる。このように重心Ｇが後方にずれ、
重量の大半が後足４にかかるということは、前足３にか
かる重量が減少し、肩関節５および肘関節７にかかるト
ルクが減少するということである。したがって、重心Ｇ
が必要十分なだけ後方にずれたことは、肩トルクセンサ
１５、２０および肘トルクセンサ１７、２２によって検
出することができる。

【００８１】こうして、前足のトルクセンサの検出値に
基づいて重量の大半が後足４にかかっていることが検出
されると、肩関節モータ３６、３８および肘関節モータ
３７、３９が回転され、前足３の長さＬ1が小さくされ
ると同時に、股関節モータ４０、４２が回転され、胴体
２が直立方向Ｉ（図９（ａ）参照）に起こされる。この
結果、図９（ａ）に示すように前足３を地面から浮かす
ことができる。

【００８２】・第２の制御（ステップ２０２、２０３） すると、歩行ロボット１は、図９（ａ）の矢印Ｋおよび
図９（ｂ）の矢印に示すように、２本の後足４の接地点
４ａ、４ａを結ぶ軸を回動支点軸として、倒立振子５０
となって前方に倒れ始める。ただし、矢印Ｊに示すよう
にロボット１の重心Ｇは、倒立振り子５０の支点４ａ、
４ａのほぼ真上にあることから、倒れ始めの速度は、十
分低速度となっている。

【００８３】したがって、上述したように前足３の長さ
Ｌ1を小さくしてから、モータを駆動して矢印Ｈに示す
ように前足３を前方に振り出し、さらにモータを駆動し
て前足３の長さＬ1を大きくするに要する時間を確保す
ることができる（図９（ａ）参照）。

【００８４】こうして前足３を前方Ｈに伸ばしている間
にロボット１はさらに前に倒れ続け、図７（ｂ）に示す
ように前足３が接地した姿勢になる。

【００８５】前足３が接地したことは、前足３の接地セ
ンサ１８、２３によって検出される。なお、接地したこ
とを、肩トルクセンサ１５、２０および肘トルクセンサ
１７、２２の出力に基づき検出するようにしてもよい
（ステップ２０２）。

【００８６】前足３が接地した時点において、ロボット
１は前方への倒れ込み運動を持続している。そこで、そ
の運動エネルギーを利用して以下に続く動作が効率よく
実行される。つまり、図７（ｂ）の前足接地状態で静止
せずに、重心Ｇの運動速度を維持しつつ、すぐさま次の
動作に移るわけである。

【００８７】すなわち、図７（ｂ）から図７（ｃ）へ移
り変わる際、静的歩行のステップ１０４と同様にして、
重心Ｇが前方に移行される。静的歩行と異なる点は、ロ
ボット１が前方に倒れ込むときの運動のエネルギー（慣
性力）を利用している点であり、２本の前足３の接地点
３ａ、３ａ同士を結ぶ軸を回動支点軸として、倒立振り
子５０が起こされる。この際、股関節モータ４０、４２
および膝関節モータ４１、４３が回転され、後足４の長
さＬ2が大きくされる。この結果、倒立振り子５０の起
き上がりが容易となり、重心Ｇの前方への移動を円滑に
行うことができる。

【００８８】このように運動エネルギーを利用すること
によって、勢いをつけて図７（ｂ）から図７（ｃ）の姿
勢に移行でき、重量の大半が前足３にかかった状態にも
っていくことができるとともに、次の動作で後足４を容
易に地面から浮かすことができるようになる。

【００８９】重心Ｇが前方にずれ、重量の大半が前足３
にかかるということは、後足４にかかる重量が減少し、
股関節９および膝関節１１にかかるトルクが減少すると
いうことである。したがって、重心Ｇが必要十分なだけ
前方にずれたことは、股トルクセンサ２５、３０および
膝トルクセンサ２７、３２によって検出することができ
る。

【００９０】こうして、後足のトルクセンサの検出値に
基づいて重量の大半が前足３にかかっていることが検出
されると、股関節モータ４０、４２および膝関節モータ
４１、４３が回転され、後足４の長さＬ2が小さくされ
る。この結果、後足４を地面から浮かすことができる。

【００９１】このとき歩行ロボット１は、図１０（ａ）
に示すように、２本の前足３によって体重が支えられ、
重心Ｇが前方Ｍに移動している状態であり、かつ後足４
が浮いた状態となっている。さらに、浮いた後足４が前
方に振り出されるように肩関節モータ３６、３８が回転
され、ロボット１は図１０（ｂ）に示すように、ブラン
コにつり下げられた振り子５１のような運動を開始す
る。

【００９２】ここで、後足４を浮かす際に、十分な速度
があれば、後足４を前に振り上げて次の着地点に向けて
動かすことができる。ただし、後足４をいきなり前方向
に振り上げると、その反力で重心Ｇが後方向に引っ張ら
れてロボット１の前向きの運動を妨げる場合がある。そ
こで、ロボット１の運動速度が不十分な場合には、まず
後足４で地面を後方向に蹴り、その反力でロボット１に
前向きの運動を予め与え加速するようにしている。

【００９３】こうしてロボット１の胴体２は、左右の肩
関節５を結んだ軸３ａ、３ａを回動支点軸としてブラン
コのように円弧の軌跡を描いて前方Ｍに移動する（ステ
ップ２０３）。

【００９４】・第３の制御（ステップ２０４） 一方、ロボット１全体は、図９（ｂ）に示すように、２
本の前足３の接地点３ａ、３ａを結ぶ直線を回動支点軸
とする倒立振り子５０となっている。ただし、ロボット
１の重心Ｇが倒立振子５０の支点のほぼ真上にあること
から、倒れ始めの速度は十分低い。このため、股関節モ
ータ４０、４２および膝関節モータ４１、４３の回転に
よって後足４の長さＬ2を小さくしてから肩関節モータ
３６、３８の回転によって胴体２を前方に振り出し、再
び股関節モータ４０、４２および膝関節モータ４１、４
３の回転によって後足４の長さＬ2を大きくするに要す
る時間を確保することができる。

【００９５】こうして胴体２が前方に振り出され、後足
４が伸ばされていると、ロボット１は前方あるいは後方
に倒れ、やがてロボット１の後足４は、前足３の前方あ
るいは後方に着地することになる。図７（ａ）は後方に
着地した場合であり、後足４が接地したことは、後足４
の接地センサ２８、３３によって検出することができ
る。また、股トルクセンサ２５、３０および膝トルクセ
ンサ２７、３２の出力に基づいてこれを検出してもよ
い。

【００９６】こうして、図７（ａ）の４足接地状態にな
れば、引き続き前述した処理を繰り返し実行し、図７
（ｂ）→（ｃ）→（ａ）と姿勢を変化させ、動的歩行を
継続させるようにする。なお、図７（ａ）の状態で、４
つの足３、４を静止させることにより、動的歩行を停止
させることもできる。

【００９７】一方、重心Ｇの移動速度が大きい場合に
は、後足４が前足３の前方に着地する。この場合、後足
４が前足３の前方に着地した後、肩関節モータ３６、３
８および肘関節モータ３７、３９が回転され、前足３の
長さＬ1を増大させ、２本の後足４の接地点４ａ、４ａ
を結ぶ軸を回動支点軸とする倒立振子５０を起き上がら
せるようにする。重量の大半が後足４にかかっている状
態で、肩関節モータ３６、３８および肘関節モータ３
７、３９が回転され前足３の長さＬ1が小さくなると、
前足３を地面から浮かすことができる。その後、前述し
た図７（ａ）から図７（ｂ）への移り変わりの場合と同
様にして、肩関節モータ３６、３８および肘関節モータ
３７、３９が回転され前足３の長さＬ1を小さくした
後、肩関節モータ３７、３９を回転させて前足３を前方
に振り出させ、図７（ａ）の状態にもっていく（ステッ
プ２０４）。

【００９８】こうした動的歩行がなされている途中で、
地形が凹凸地に変化したならば、前述した図５に示す処
理に切り換えられ、ロボット１は静的歩行を行う。

【００９９】なお、実施例では、前足が２本、後足が２
本のロボットを想定して説明したが、前足または後足は
３本以上あってもよい。

【０１００】なお、本発明の歩行ロボットの運転方法と
しては、無人運転、有人運転を問わない。また、無人運
転と有人運転とを切り換えるようにすることもできる。

【０１０１】有人で運転する場合には、例えば歩行ロボ
ットの胴体内部に運転席を設けるようにすればよい。

【０１０２】なお、本発明の歩行ロボットは、前述した
ように、人間が踏み込めない環境下で作業を行うことを
前提とする。したがって、例えば前足の先端若しくは前
足の側面にマニピュレータの指先やバケット等の作業機
を装着し、後足のみが接地され静止している状態で、自
由となった前足を動かしつつ上記指先によって物を把持
したり、上記バケットによって掘削を行わせたりするこ
とができる。また、こうした前足を用いた作業を行わせ
るばかりでなく、カメラ等を装着して、周囲の状況を撮
影する用途にも使用することができる。このように、本
発明の歩行ロボットの用途は任意である。

【０１０３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
２足歩行による動的歩行ではなく、前足と後足を交互に
接地させる四足による動的歩行がなされるので、動的歩
行を安定してなし得ることができ、動的歩行のロボット
の実用化を促進させることができる。

【０１０４】また、本発明によれば、２足歩行による動
的歩行ではなく、前足と後足を交互に接地させる４足に
よる動的歩行がなされ、この動的歩行と静的歩行とを、
同一のロボットで行わせることができるようになる。こ
の結果、地形が変化する場所を歩行する場合でも、最適
な歩行方法が選択され、作業効率が飛躍的に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の実施例に適用される歩行ロボッ
トの外観側面を示す側面図である。

【図２】図２（ａ）は歩行ロボットの変形例を示す側面
図であり、図２（ｂ）は図１の歩行ロボットとの関係を
示す図である。

【図３】図３は実施例の歩行ロボット各部の幾何的関係
を示す図である。

【図４】図４は実施例の制御装置の構成を示すブロック
図である。

【図５】図５は図４に示すコントローラで実行される静
的歩行制御の処理手順を示すフローチャートである。

【図６】図６は図４に示すコントローラで実行される動
的歩行制御の処理手順を示すフローチャートである。

【図７】図７（ａ）ないし（ｅ）は、実施例の歩行ロボ
ットの姿勢の変化を示す図である。

【図８】図８（ａ）ないし（ｄ）は図５に示す静的歩行
の処理を説明するために用いた図である。

【図９】図９（ａ）、（ｂ）は図６に示す動的歩行の処
理を説明するために用いた図である。

【図１０】図１０（ａ）、（ｂ）は図６に示す動的歩行
の処理を説明するために用いた図である。

【符号の説明】

１ 歩行ロボット ３ 前足 ４ 後足 １３ コントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松田 智夫 神奈川県平塚市四ノ宮2597 株式会社 小松製作所 研究部内 (56)参考文献 特開 昭63−150176（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−278773（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−97006（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B25J 5/00 B25J 9/16 B62D 57/032

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 歩行ロボットの胴体に対して複数の
   前足および複数の後足を回動自在に配設し、前足および
   後足の回動を制御することにより歩行ロボットを歩行さ
   せる歩行ロボットの歩行制御装置において、 前記前足および後足の根元から先端までの長さを変化自
   在に当該前足および後足を構成し、 前記前足および後足のうち、一方の足を接地させた状態
   で、他方の足を接地面から離間させて重心を接地してい
   る足の接地点のほぼ真上に位置させる第１の制御と、前
   記第１の制御時に接地していた足の接地点を回動支点に
   して重心を歩行方向に移行させることにより、前記第１
   の制御時に接地面から離間していた足を歩行方向に接地
   させるとともに、前記第１の制御時に接地していた足を
   接地面から離間させる第２の制御と、前記第２の制御時
   に接地していた足の根元を回動支点にして重心を歩行方
   向に移行させることにより、前記第２の制御時に接地面
   から離間していた足を歩行方向に接地させる第３の制御
   とを、 前記胴体が略直立姿勢を保持するように、前記前足およ
   び後足を回動させるとともにこれら足の長さを変化させ
   ることによって行うことを特徴とする歩行ロボットの歩
   行制御装置。
2. 【請求項２】 前記歩行ロボットは、接地している
   すべての足のうち、一本の足を接地面から離間させてか
   ら、当該一本の足を歩行方向に接地させる静的歩行制御
   を、それぞれの足について順次繰り返し行うことで、静
   的歩行を行う歩行ロボットであり、請求項１記載の第１
   ないし第３の制御の繰り返しによる動的歩行と前記静的
   歩行とを切り換えることを特徴とする請求項１記載の歩
   行ロボットの歩行制御装置。
3. 【請求項３】 歩行ロボットの胴体に対して複数の
   前足および複数の後足を回動自在に配設し、前足および
   後足の回動を制御することにより歩行ロボットを歩行さ
   せる歩行ロボットの歩行制御方法において、 前記前足および後足の根元から先端までの長さを変化自
   在に当該前足および後足を構成して前記歩行ロボットを
   歩行させる場合に、 前記前足および後足のうち、一方の足を接地させた状態
   で、他方の足を接地面から離間させて重心を接地してい
   る足の接地点のほぼ真上に位置させる第１のステップ
   と、 前記第１のステップ時に接地していた足の接地点を回動
   支点にして重心を歩行方向に移行させることにより、前
   記第１のステップ時に接地面から離間していた足を歩行
   方向に接地させるとともに、前記第１のステップ時に接
   地していた足を接地面から離間させる第２のステップ
   と、 前記第２のステップ時に接地していた足の根元を回動支
   点にして重心を歩行方向に移行させることにより、前記
   第２のステップ時に接地面から離間していた足を歩行方
   向に接地させる第３のステップとを、 前記胴体が略直立姿勢を保持するように、前記前足およ
   び後足を回動させるとともにこれら足の長さを変化させ
   ることによって行うことを特徴とする歩行ロボットの歩
   行制御方法。