JP2001246579A

JP2001246579A - 脚式移動ロボット及びその制御方法

Info

Publication number: JP2001246579A
Application number: JP2000054605A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yamamoto; 隆司山本
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2001-09-11

Abstract

(57)【要約】【課題】走行動作のように可動脚が路面に対し接触及
び非接触を不連続的な物理現象の刳り返し運動を、実環
境における運用性を向上させる。【解決手段】「ギャロップ」あるいは「トロット」な
どの動作パターンが周期的な歩容による走行動作を行う
場合、各可動脚の路面に対する接地状況や運動エネルギ
と位置エネルギの関係などを基にして、動作パターンを
複数の状態に分割する。さらに、分割された各状態毎に
制御方法を動的且つ適応的に切り替える。複数の制御則
を用いることで、接触及び非接触の不連続な物理現象の
繰り返し運動を実環境における運用性の制限から解放す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも胴体ユ
ニットと２以上の可動脚ユニットとを備え可動脚による
移動作業が可能な脚式移動ロボット及びその制御方法に
係り、特に、各可動脚を駆動させて交互に遊脚及び立脚
に切り替えることにより所定の動作パターンを実現する
ことができる脚式移動ロボット及びその制御方法に関す
る。

【０００２】更に詳しくは、本発明は、各可動脚が交互
に遊脚及び立脚に切り替わることにより通常の歩行動作
のみならず走行や躍動などの激しい動作パターンを実現
することができる脚式移動ロボット及びその制御方法に
係り、特に、各可動脚と路面との接触及び非接触が不連
続的に切り替わる物理現象からなる繰り返し運動を実現
することができる脚式移動ロボット及びその制御方法に
関する。

【０００３】

【従来の技術】電気的若しくは磁気的な作用を用いて人
間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボッ
ト」という。ロボットの語源は、スラブ語のＲＯＢＯＴ
Ａ(奴隷機械)に由来すると言われている。わが国では、
ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からである
が、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人
化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなど
の産業用ロボット（industrial robot）であった。

【０００４】最近では、イヌやネコのように４足歩行の
動物の身体メカニズムやその動作を模したペット型ロボ
ット、あるいは、ヒトやサルなどの２足直立歩行を行う
動物の身体メカニズムや動作を模した「人間形」若しく
は「人間型」のロボットなど、脚式移動ロボットやその
安定歩行制御に関する研究開発が進展し、実用化への期
待も高まってきている。これら脚式移動ロボットは、ク
ローラ式やタイヤ式のロボットに比し不安定で姿勢制御
や歩行制御が難しくなるが、階段の昇降や障害物の乗り
越え等、柔軟な歩行・走行動作を実現できるという点で
優れている。

【０００５】アーム式ロボットのように、ある特定の場
所に植設して用いるような据置きタイプのロボットは、
部品の組立・選別作業など固定的・局所的な作業空間で
のみ活動する。これに対し、移動式のロボットは、作業
空間は非限定的であり、所定の経路上または無経路上を
自在に移動して、所定の若しくは任意の人的作業を代行
したり、ヒトやイヌあるいはその他の生命体に置き換わ
る種々のサービスを提供することができる。

【０００６】脚式移動ロボットは、産業活動・生産活動
等における各種作業の代行に適用することができる。例
えば、原子力発電プラントや火力発電プラント、石油化
学プラントにおけるメンテナンス作業、製造工場におけ
る部品の搬送・組立作業、高層ビルにおける清掃、火災
現場その他における救助といったような、人間が容易に
踏み込むことができない現場での危険作業・難作業の代
行である。

【０００７】また、脚式移動ロボットの他の用途とし
て、生活密着型、すなわち人間との「共生」という用途
が挙げられる。例えば、イヌやネコなどの愛玩動物を模
したエンターティンメント向けの脚式ロボットは、生体
に近い動作メカニズムを備えることによって、ユーザは
ロボットに親しみや愛着・愛情を感じながら接すること
ができる。

【０００８】ペット型ロボットは、実際の動物を扱うよ
りも手軽であるだけでなく、従来の玩具に比し、高機能
・高付加価値を有する。

【０００９】従来の玩具機械は、ユーザ操作と応答動作
との関係が固定的であり、玩具の動作をユーザの好みに
合わせて変更することはできない。この結果、ユーザは
同じ動作しか繰り返さない玩具をやがては飽きてしまう
ことになる。これに対し、ペット型ロボットは、動作生
成の時系列モデルに従って動作を実行するが、ユーザ操
作などの外部からの刺激を検出したことに応答してこの
時系列モデルを変更する、すなわち「学習効果」を付与
することによって、ユーザにとって飽きない又は好みに
適応した動作パターンを提供することができる。

【００１０】この種のペット型ロボットは、飼い主とし
てのユーザによる「褒める」、「遊んであげる（可愛が
る）」、「撫でる」、あるいは「叱る」、「叩く」など
のユーザ入力に対して動的に反応して、「喜ぶ」、「甘
える」、「すねる」、「叱る」、「吠える」、「尻尾を
振る」などの感情的動作を実行するようにプログラムす
ることによって、育成シミュレーションを享受すること
ができる。ペット型ロボットは、一般家庭内の部屋など
を作業空間として、２足又は４足歩行により、障害物を
好適に乗り越えたり迂回しながら、無経路上を自由且つ
自動的に自律的に探索する。

【００１１】ところで、従来研究開発されてきた脚式ロ
ボット装置における動作・姿勢安定制御は、ほとんどの
場合、統一的な制御則にのみ依存して行おうとするもの
であった。ここで言う制御則の一例は、ＺＭＰ（Zero M
oment Point）に基づく安定度規範である。

【００１２】ここで、ＺＭＰとは、脚式移動ロボットに
おいて、足底接地点と路面の形成する支持多角形の辺上
あるいはその内側にピッチ及びロール軸モーメントがゼ
ロとなる点のことを指す。歩行時には、重力と歩行運動
に伴なって生じる加速度によって、歩行系から路面には
重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが作用する。
いわゆる「ダランベールの原理」によると、これらモー
メントは路面から歩行系への反作用としての床反力、床
反力モーメントとバランスする、という次第である。

【００１３】脚式移動ロボットにおける歩行動作は、一
般に、複数の可動脚の各々が交互に立脚及び遊脚となる
ことによって実現する。この場合、少なくとも１つの可
動脚は立脚すなわち路面に着床した状態を維持してい
る。

【００１４】これに対し、走行動作や躍進動作の場合、
動作期間中のあるフェーズでは、すべての可動脚が路面
から離床した状態が生ずる。走行動作は、基本的には、
路面との機械的な衝突運動の繰り返しで構成される。こ
のように可動脚と路面との接触及び非接触が不連続的に
切り替わるような物理現象からなる繰り返し運動を、単
一の統一的制御則のみに頼って制御することは、実環境
における運用性に著しい制限となる。

【００１５】特に、エンターティンメントを標榜する脚
式移動ロボットの場合、イヌやヒトなどの現実の動物に
近似させることが重要な課題の１つであり、単純な歩行
動作にとどまらず、走行や躍動などの激しい動作パター
ンを実現することも当然にして要求される。

【００１６】また、広範囲の作業空間を自律的に動き回
るタイプの脚式移動ロボットの場合、移動作業に伴って
作業環境が激しく変動することが見込まれるので、運用
上の制限は、ロボット装置の性能向上を阻害することに
なる。また、単一の制御則では作業環境の変動に追従で
きない結果として、ロボットの姿勢安定性を失い、転倒
してしまうと、装置の損傷や故障、あるいは転倒による
衝突物の破損などの被害・損害を招来することにもな
る。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、各可
動脚を駆動させて交互に遊脚及び立脚に切り替わること
により動作パターンを実現することができる、優れた脚
式移動ロボット及びその制御方法を提供することにあ
る。

【００１８】本発明の更なる目的は、各可動脚が交互に
遊脚及び立脚に切り替わることにより通常の歩行動作の
みならず走行や躍動などの激しい動作パターンを実現す
ることができる、優れた脚式移動ロボット及びその制御
方法を提供することにある。

【００１９】本発明の更なる目的は、統一的制御則のみ
に頼ることなく、各可動脚が交互に遊脚及び立脚に切り
替わり、路面に対する衝突運動が繰り返される不連続な
物理現象からなる繰り返し運動を実現することができ
る、優れた脚式移動ロボット及びその制御方法を提供す
ることにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を参
酌してなされたものであり、少なくとも胴体ユニットと
複数の可動脚ユニットを含む脚式移動ロボット又はその
制御方法であって、各可動脚の接地状況及び／又は運動
エネルギを検出する検出手段又はステップと、前記検出
手段又はステップによる各可動脚の接地状況及び／又は
運動エネルギの検出結果に基づいて、前記脚式移動ロボ
ットの状態を決定する状態決定手段又はステップと、前
記状態決定手段又はステップにより決定された状態に応
じた制御則に従って前記脚式移動ロボットの動作制御を
実行する動作制御手段又はステップと、を具備すること
を特徴とする脚式移動ロボット又はその制御方法であ
る。

【００２１】前記状態決定手段又はステップは、接地脚
数がゼロすなわち空中浮遊から最初の１つの可動脚が接
地してすべての可動脚が接地するに至るまでの第１の状
態、該第１の状態が終了した時点から前記脚式移動ロボ
ット全体の垂直方向の運動エネルギがゼロになるまでの
第２の状態、該第２の状態が終了した時点からすべての
可動脚が路面に対して接地点を持たなくなるまでの第３
の状態、又は、該第３の状態が終了した時点から可動脚
の１つが最初に接地するまでの第４の状態のうちいずれ
であるかを判定するようにしてもよい。

【００２２】また、前記動作制御手段又はステップは、
前記第１の状態では、コンプライアンス制御により外乱
やモデル化誤差などの要因による着地予測と姿勢誤差の
修正を行うようにしてもよい。

【００２３】また、前記動作制御手段又はステップは、
前記第２の状態では、ＺＭＰ（ZeroMoment Point）を安
定度判別規範とする動作・姿勢制御を適用して次回の躍
動に対する姿勢の立て直しを行うようにしてもよい。

【００２４】また、前記動作制御手段又はステップは、
前記第３の状態では、力制御を適用して跳躍動作を実現
するようにしてもよい。

【００２５】また、前記動作制御手段又はステップは、
前記第４の状態では、ロボットの自由度を活かしてモー
メント制御を適用することにより、外乱やモデル化誤差
などの要因による跳躍予測との姿勢誤差の修正を行うよ
うにしてもよい。

【００２６】

【作用】本発明では、脚式移動ロボットがいわゆる「ギ
ャロップ」あるいは「トロット」などの歩容による高速
な歩行・走行動作を行う場合において、各可動脚の路面
に対する接地状況や運動エネルギと位置エネルギの関係
などを基に、周期的な一連の動作パターンを複数の状態
に分割して取り扱うことにした。

【００２７】さらに、本発明では、分割された各状態毎
に制御方法を動的且つ適応的に切り替えることとした。
したがって、走行動作のように可動脚が路面に対する接
触及び非接触が不連続に切り替わる物理現象からなる繰
り返し運動を、複数の制御則を適応的に用いることで、
実環境における運用性の制限から解放することができ
る。

【００２８】例えば、イヌやネコをモデルにした４足の
脚式移動ロボットにおける走行動作の場合には、接地脚
数がゼロすなわち空中浮遊から最初の１つの脚が接地し
て４つのすべての脚が接地するに至るまでの第１の状態
と、第１の状態が終了した時点からロボット装置全体の
垂直方向の運動エネルギがゼロになるまでの第２の状態
と、第２の状態が終了した時点からロボット装置が路面
に対して接地点を持たなくなるまでの第３の状態と、第
３の状態が終了した時点からロボット装置の脚の１つが
最初に接地するまでの第４の状態とに区分することがで
きる。

【００２９】第１の状態では、外乱やモデル化誤差など
の要因による着地予測と姿勢誤差の修正を行うべく、例
えばコンプライアンス制御を適用することができる。

【００３０】また、第２の状態では、次回の躍動に対す
る姿勢の立て直しを行うべく、例えばＺＭＰ（Zero Mom
ent Point）を安定度判別規範とする動作・姿勢制御を
適用することができる。

【００３１】また、第３の状態では、跳躍を好適に実現
するべく、例えば力制御を適用することができる。

【００３２】また、第４の状態では、外乱やモデル化誤
差などの要因による跳躍予測との姿勢誤差の修正を行う
べく、例えばロボットの自由度を活かしてモーメント制
御を行うことができる。

【００３３】本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、
後述する本発明の実施例や添付する図面に基づくより詳
細な説明によって明らかになるであろう。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施例を詳解する。

【００３５】図１には、本発明を実施に供される、四肢
による脚式歩行を行う脚式移動ロボット１の外観構成を
示している。図示の通り、該ロボット１は、四肢を有す
る動物の形状や構造をモデルにして構成された多関節型
の移動ロボットである。とりわけ本実施例の脚式移動ロ
ボット１は、愛玩動物の代表例であるイヌの形状及び構
造を模してデザインされたペット型ロボットという側面
を有し、例えば人間の住環境において人間と共存すると
ともに、ユーザ操作に応答した動作表現することができ
る。

【００３６】脚式移動ロボット１は、胴体部ユニット２
と、頭部ユニット３と、尻尾４と、四肢すなわち脚部ユ
ニット６Ａ〜６Ｄで構成される。

【００３７】頭部ユニット３は、ロール、ピッチ及びヨ
ーの各軸方向（図示）の自由度を持つ首関節７を介し
て、胴体部ユニット２の略前上端に配設されている。ま
た、頭部ユニット３には、イヌの「目」に相当するＣＣ
Ｄ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）カメラ１
５と、「耳」に相当するマイクロフォン１６と、「口」
に相当するスピーカ１７と、触感に相当するタッチセン
サ１８が搭載されている。これら以外にも、生体の五感
を構成するセンサを含んでいても構わない。

【００３８】尻尾４は、ロール及びピッチ軸の自由度を
持つ尻尾関節８を介して、胴体部ユニット２の略後上端
に湾曲若しくは揺動自在に取り付けられている。

【００３９】脚部ユニット６Ａ及び６Ｂは前脚を構成
し、脚部ユニット６Ｃ及び６Ｄは後脚を構成する。各脚
部ユニット６Ａ〜６Ｄは、それぞれ、大腿部ユニット９
Ａ〜９Ｄ及び脛部ユニット１０Ａ〜１０Ｄの組み合わせ
で構成され、胴体部ユニット２底面の前後左右の各隅部
に取り付けられている。大腿部ユニット９Ａ〜９Ｄは、
ロール、ピッチ、ヨーの各軸の自由度を持つ股関節１１
Ａ〜１１Ｄによって、胴体部ユニット２の所定部位にそ
れぞれ連結されている。また、大腿部ユニット９Ａ〜９
Ｄと脛部ユニット１０Ａ〜１０Ｄの間は、ロール及びピ
ッチ軸の自由度を持つ膝関節１２Ａ〜１２Ｄによって連
結されている。

【００４０】なお、脚式移動ロボット１の関節自由度
は、実際には各軸毎に配備されモータ（図示しない）の
回転駆動によって提供される。また、脚式移動ロボット
１が持つ関節自由度の個数は任意であり、本発明の要旨
を限定するものではない。

【００４１】図２には、脚式移動ロボット１の電気・制
御系統の構成図を模式的に示している。同図に示すよう
に、移動ロボット１は、全体の動作の統括的制御やその
他のデータ処理を行う制御部２０と、入出力部４０と、
駆動部５０と、電源部６０とで構成される。以下、各部
について説明する。

【００４２】入出力部４０は、入力部として移動ロボッ
ト１の目に相当するＣＣＤカメラ１５や、耳に相当する
マイクロフォン１６、触感に相当するタッチセンサ１８
など、五感に相当する各種のセンサ、並びに、各可動脚
ユニット６Ａ〜６Ｄの足底に装備された接地確認センサ
１９を含む。また、出力部として、口に相当するスピー
カ１７などを装備している。これら出力部は、脚や全身
を用いた機械運動パターン以外の形式で、ユーザ・フィ
ードバックを表現することができる。

【００４３】脚式移動ロボット１は、カメラ１５を含む
ことで、作業空間上に存在する任意の物体の形状や色彩
を認識することができる。また、移動ロボット１は、カ
メラのような視覚手段の他に、赤外線、音波、超音波、
電波などの発信波を受信する受信装置をさらに備えてい
てもよい。この場合、各伝送波を検知するセンサ出力に
基づいて発信源からの位置や向きを計測することができ
る。

【００４４】駆動部５０は、制御部２０が指令する所定
の運動パターンに従って移動ロボット１の機械運動を実
現する機能ブロックであり、首関節７、尻尾関節８、股
関節１１Ａ〜１１Ｄ、膝関節１２Ａ〜１２Ｄなどのそれ
ぞれの関節におけるロール、ピッチ、ヨーなど各軸毎に
設けられた駆動ユニットで構成される。図示の例では、
移動ロボット１はｎ個の関節自由度を有し、したがって
駆動部５０はｎ個の駆動ユニットで構成される。各駆動
ユニットは、所定軸回りの回転動作を行うモータ５１
と、モータ５１の回転位置を検出するエンコーダ５２
と、エンコーダ５２の出力に基づいてモータ５１の回転
位置や回転速度を適応的に制御するドライバ５３の組み
合わせで構成される。

【００４５】電源部６０は、その字義通り、脚式移動ロ
ボット１内の各電気回路等に対して給電を行う機能モジ
ュールである。本実施例に係る脚式移動ロボット１は、
バッテリを用いた自律駆動式であり、電源部６０は、充
電バッテリ６１と、充電バッテリ６１の充放電状態を管
理する充放電制御部６２とで構成される。

【００４６】充電バッテリ６１は、例えば、複数本のニ
ッケル・カドミウム電池セルをカートリッジ式にパッケ
ージ化した「バッテリ・パック」の形態で構成される。

【００４７】また、充放電制御部６２は、バッテリ６１
の端子電圧や充電／放電電流量、バッテリ６１の周囲温
度などを測定することでバッテリ６１の残存容量を把握
し、充電の開始時期や終了時期などを決定するようにな
っている。充放電制御部６２が決定する充電の開始及び
終了時期は制御部２０に通知される。

【００４８】制御部２０は、イヌやヒトなどの現実の動
物の「頭脳」に相当し、例えば脚式移動ロボット１の頭
部ユニット３に搭載される。

【００４９】図３には、制御部２０の構成をさらに詳細
に図解している。同図に示すように、制御部２０は、メ
イン・コントローラとしてのＣＰＵ（Central Processi
ng Unit）２１が、メモリその他の各回路コンポーネン
トや周辺機器とバス２７を介して相互接続された構成と
なっている。バス２７上の各装置にはそれぞれに固有の
アドレス（メモリ・アドレス又はＩ／Ｏアドレス）が割
り当てられており、ＣＰＵ２１はアドレス指定すること
でバス２７上の特定の装置を指定して通信することがで
きる。

【００５０】ＲＡＭ（Random Access Memory）２２は、
ＤＲＡＭ（Dynamic RAM）などの揮発性メモリ・チップ
で構成された書き込み可能メモリであり、ＣＰＵ２１が
実行するプログラム・コードをロードしたり、作業デー
タの一時的な保存のために使用される。

【００５１】ＲＯＭ（Read Only Memory）２３は、プロ
グラムやデータを恒久的に格納する読み出し専用メモリ
である。ＲＯＭ２３に格納されるプログラム・コードに
は、移動ロボット１の電源投入時に実行する自己診断テ
スト・プログラムや、移動ロボット１の動作を規定する
制御プログラムなどが挙げられる。

【００５２】脚式移動ロボット１の制御プログラムに
は、カメラ１５やマイクロフォン１６や接地確認センサ
１９などのセンサ入力を処理する「センサ入力処理プロ
グラム」、センサ入力と所定の「時系列モデル」とに基
づいて移動ロボット１の行動すなわち運動パターンを生
成する「行動命令プログラム」、生成された運動パター
ンに従って各モータの駆動やスピーカ１７の音声出力な
どを制御する「駆動制御プログラム」などが含まれる。

【００５３】本実施例では、駆動制御プログラムは、各
可動脚６Ａ〜６Ｄの路面に対する接地状況や、運動エネ
ルギと位置エネルギの関係などを基に、周期的な一連の
動作パターンを４種類の状態に分割して取り扱うととも
に、分割された各状態毎に適した制御方法を動的且つ適
応的に切り替えるようになっている。但し、制御方法の
詳細については後述に譲る。

【００５４】不揮発性メモリ２４は、例えばＥＥＰＲＯ
Ｍ（Electrically Erasable and Programmable ROM）の
ように、電気的に消去再書き込みが可能なメモリ素子で
構成され、逐次更新すべきデータを不揮発的に保持する
ために使用される。逐次更新すべきデータには、例え
ば、移動ロボット１の行動パターンを規定する時系列モ
デルなどが挙げられる。

【００５５】脚式移動ロボット１は、飼い主としてのユ
ーザによる「褒める」、「遊んであげる（可愛が
る）」、「撫でる」、あるいは「叱る」、「叩く」など
の行為を刺激としてセンサ入力し、不揮発メモリ２４に
格納された時系列モデルに従って「喜ぶ」、「甘え
る」、「すねる」、「叱る」、「吠える」、「尻尾を振
る」などの感情的な動作を実行する。また、センサ入力
された刺激に応じて不揮発メモリ２４中の時系列モデル
を逐次的に更新するという学習効果を付与することがで
きる。このような学習効果により、移動ロボット１の行
動パターンに変化を与え、ユーザが飽きない又はその好
みに適応した挙動を提供することができる。また、ユー
ザは、一種の育成シミュレーションをゲーム感覚で楽し
むことができる。

【００５６】インターフェース２５は、制御部２０外の
機器と相互接続し、データ交換を可能にするための装置
である。インターフェース２５は、例えば、カメラ１５
やマイクロフォン１６、スピーカ１７との間でデータ入
出力を行う。また、インターフェース２５は、駆動部５
０内の各ドライバ５３−１…との間でデータやコマンド
の入出力を行う。また、インターフェース２５は、電源
部６０との間で充電開始及び充電終了信号の授受を行う
こともできる。

【００５７】インターフェース２５は、ＲＳ（Recommen
ded Standard）−２３２Ｃなどのシリアル・インターフ
ェース、ＩＥＥＥ（Institute of Electrical and elec
tronics Engineers）１２８４などのパラレル・インタ
ーフェース、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）インター
フェース、ｉ−Ｌｉｎｋ（ＩＥＥＥ１３９４）インター
フェース、ＳＣＳＩ（Small Computer System Interfac
e）インターフェースなどのような、コンピュータの周
辺機器接続用の汎用インターフェースを備え、ローカル
接続された外部機器との間でプログラムやデータの移動
を行うようにしてもよい。また、インターフェース２５
の１つとして赤外線通信（ＩｒＤＡ）インターフェース
を備え、外部機器との間で無線通信を行うようにしても
よい。

【００５８】さらに、制御部２０は、ネットワーク・イ
ンターフェース・カード（ＮＩＣ）２６を含み、ｂｌｕ
ｅｔｏｏｔｈのような近接無線データ通信、あるいはＬ
ＡＮ（Local Area Network：例えばEthernet）やインタ
ーネットを経由して、外部のホスト・コンピュータとデ
ータ通信を行うことができる。このようなデータ通信の
１つの目的は、遠隔のコンピュータ資源を用いて脚式移
動ロボット１の動作をリモート・コントロールすること
である。また、他の目的は、時系列モデルやその他のプ
ログラム・コードなどロボット１の動作制御に必要なデ
ータをネットワーク経由で脚式移動ロボット１に供給す
ることにある。

【００５９】次いで、脚式移動ロボット１に関する走行
動作制御について説明する。

【００６０】図４には、現実のネコがギャロップすると
きの一連の動作を図解している（http://runbot_www.ct
rl.titech.ac.jp/animal/neko.jpeg）。同図を参照して
も判るように、左右の前脚は、着地位置や着地のタイミ
ングを決めたり、さらには、着地位置や着地タイミング
に基づいて運動モーメントの調整を行うような機能・役
割を備えている。他方、後脚は、左右の脚がほぼ同時に
蹴りだしを行うことによって、高い推進力を得るように
している。言い換えれば、後脚は、前脚に比し、大きな
トルクが要求される。

【００６１】本実施例では、脚式移動ロボット１が図４
に示すような「ギャロップ」あるいは「トロット」など
の歩容による高速な歩行・走行動作を行う場合におい
て、各可動脚６Ａ〜６Ｄの路面に対する接地状況や、運
動エネルギと位置エネルギの関係などを基に、周期的な
一連の動作パターンを複数の状態に分割して取り扱うこ
とにした（「歩容」とは、当業界において「関節角度の
時系列変化」を意味する技術用語である）。各可動脚６
Ａ〜６Ｄの路面に対する接地状況は、例えば、接地確認
センサ１９（前述）のセンサ出力を基に判定することが
できる。

【００６２】さらに、本実施例では、分割された各状態
毎に適した制御方法を動的且つ適応的に切り替えること
とした。すなわち、走行動作のように可動脚が路面に対
し接触及び非接触を不連続的に繰り返すような物理現象
を、複数の制御則を適応的に用いることで、実環境にお
ける運用性の制限から解放することを図った。

【００６３】例えば、図４に示す「ギャロップ」のよう
な歩容では、前脚が接地している状態から、前脚、後脚
という順番で遊脚され、次いで、前脚の方から着地が行
われる。すなわち、かかる歩容においては、接地脚数
は、以下のように変化する（図５を参照のこと）。

【００６４】

【数１】０ → １ → ２ → ３ → ４ → ３ → ２ →
１ → ０ → １ →…

【００６５】本実施例では、接地脚数の変化に従い、図
６に示すような４種類の状態を定義した。

【００６６】状態１：状態１は、接地脚数がゼロすなわ
ち空中浮遊から、最初の１つの脚が接地して４つのすべ
ての脚が接地するに至るまでの期間に相当する。

【００６７】状態１における主な動作は、外乱やモデル
化誤差などの要因による着地予測と、姿勢誤差の修正で
ある。状態１では、例えばコンプライアンス制御を適用
することができる。

【００６８】図７には、状態１における脚式移動ロボッ
ト１の動作パターンを模式的に描写している。

【００６９】状態２：状態２は、状態１が終了した時点
から、ロボット装置全体の垂直方向の運動エネルギがゼ
ロになるまで、すなわち垂直方向の速度がゼロになるま
での期間に相当する。

【００７０】状態２における主な動作は、次回の躍動に
対する姿勢の立て直しである。状態２では、例えばＺＭ
Ｐ（Zero Moment Point）を安定度判別規範とする動作
・姿勢制御を適用することができる。

【００７１】図８には、状態２における脚式移動ロボッ
ト１の動作パターンを模式的に描写している。

【００７２】状態３：状態３は、状態２が終了した時点
から、ロボット装置が地面に対して接地点を持たなくな
るまで、すなわち再び空中浮遊するまでの期間に相当す
る。

【００７３】状態３における動作は主に跳躍である。し
たがって、ロボット装置の脚に対して力制御を適用すれ
ばよい。

【００７４】図９には、状態３における脚式移動ロボッ
ト１の動作パターンを模式的に描写している。

【００７５】状態４：状態４は、状態３が終了した時点
から、ロボット装置の脚の１つが最初に接地するまでの
期間に相当する。

【００７６】状態４における主な動作は、外乱やモデル
化誤差などの要因による跳躍予測との姿勢誤差の修正で
ある。状態４では、ロボットの自由度を活かしてモーメ
ント制御を行うことができる。

【００７７】図１０には、状態４における脚式移動ロボ
ット１の動作パターンを模式的に描写している。

【００７８】本実施例に係る脚式移動ロボット１の状態
遷移を図１１に示しておく。かかる特性は、例えば、制
御部２０がＲＯＭ２３に格納された駆動制御プログラム
を実行するという形態で体現される。

【００７９】［追補］以上、特定の実施例を参照しなが
ら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や
代用を成し得ることは自明である。

【００８０】本実施例では、イヌなどの４足歩行動物を
模したペット型ロボットを例に挙げて本発明に係る盗難
防止技術について詳解したが、本発明の要旨はこれに限
定されない。例えば、ヒューマノイド・ロボットのよう
な２足の脚式移動ロボットや、あるいは脚式以外の移動
型ロボットに対しても、同様に本発明を適用することが
できることを充分理解されたい。

【００８１】要するに、例示という形態で本発明を開示
してきたのであり、限定的に解釈されるべきではない。
本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許
請求の範囲の欄を参酌すべきである。

【００８２】

【発明の効果】以上詳記したように、本発明によれば、
各可動脚を駆動させて交互に遊脚及び立脚に切り替わる
ことにより動作パターンを実現することができる、優れ
た脚式移動ロボット及びその制御方法を提供することが
できる。

【００８３】また、本発明によれば、各可動脚が交互に
遊脚及び立脚に切り替わることにより通常の歩行動作の
みならず走行や躍動などの激しい動作パターンを実現す
ることができる、優れた脚式移動ロボット及びその制御
方法を提供することができる。

【００８４】また、本発明によれば、統一的制御則のみ
に頼ることなく、各可動脚が交互に遊脚及び立脚に切り
替わるという不連続な物理現象からなる繰り返し運動を
実現することができる、優れた脚式移動ロボット及びそ
の制御方法を提供することができる。

【００８５】脚式移動ロボットにおける走行動作は、一
般に、路面との衝突運動の繰り返しで構成される。本発
明によれば、複数の制御則を適応的に用いることで、走
行動作のように可動脚が路面に対し接触及び非接触を不
連続的な物理現象からなる繰り返し運動を、実環境にお
ける運用性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施に供される四肢による脚式歩行を
行う脚式移動ロボット１の外観構成を示した図である。

【図２】脚式移動ロボット１の電気・制御系統の構成図
を模式的に示した図である。

【図３】制御部２０の構成をさらに詳細に示した図であ
る。

【図４】ネコがギャロップするときの一連の動作を描写
した図である。

【図５】４足動物の走行動作期間中における接地脚数の
時間的変化を示したチャートである。

【図６】４足動物の走行動作期間中における接地脚数の
時間的変化に応じて定義される４種類の状態を示した図
である。

【図７】脚式移動ロボット１の状態１における動作パタ
ーンを模式的に描写した図である。

【図８】脚式移動ロボット１の状態２における動作パタ
ーンを模式的に描写した図である。

【図９】脚式移動ロボット１の状態３における動作パタ
ーンを模式的に描写した図である。

【図１０】脚式移動ロボット１の状態４における動作パ
ターンを模式的に描写した図である。

【図１１】脚式移動ロボット１の状態遷移を表した図で
ある。

【符号の説明】

１…移動ロボット２…胴体部ユニット３…頭部ユニット４…尻尾６Ａ〜６Ｄ…脚部ユニット７…首関節８…尻尾関節９Ａ〜９Ｄ…大腿部ユニット１０Ａ〜１０Ｄ…脛部ユニット１１Ａ〜１１Ｄ…股関節１２Ａ〜１２Ｄ…膝関節１５…ＣＣＤカメラ１６…マイクロフォン１７…スピーカ１８…タッチセンサ１９…接地確認センサ２０…制御部２１…ＣＰＵ２２…ＲＡＭ２３…ＲＯＭ２４…不揮発メモリ２５…インターフェース２６…ネットワーク・インターフェース・カード２７…バス２８…受信機４０…入出力部５０…駆動部５１…モータ５２…エンコーダ５３…ドライバ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも胴体ユニットと複数の可動脚ユ
ニットを含む脚式移動ロボットであって、各可動脚の接地状況及び／又は運動エネルギを検出する
検出手段と、前記検出手段による各可動脚の接地状況及び／又は運動
エネルギの検出結果に基づいて、前記脚式移動ロボット
の状態を決定する状態決定手段と、前記状態決定手段により決定された状態に応じた制御則
に従って前記脚式移動ロボットの動作制御を実行する動
作制御手段と、を具備することを特徴とする脚式移動ロ
ボット。
【請求項２】前記状態決定手段は、接地脚数がゼロすな
わち空中浮遊から最初の１つの可動脚が接地してすべて
の可動脚が接地するに至るまでの第１の状態、該第１の
状態が終了した時点から前記脚式移動ロボット全体の垂
直方向の運動エネルギがゼロになるまでの第２の状態、
該第２の状態が終了した時点からすべての可動脚が路面
に対して接地点を持たなくなるまでの第３の状態、又
は、該第３の状態が終了した時点から可動脚の１つが最
初に接地するまでの第４の状態のうちいずれであるかを
判定することを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロ
ボット。
【請求項３】前記動作制御手段は、前記第１の状態で
は、コンプライアンス制御により外乱やモデル化誤差な
どの要因による着地予測と姿勢誤差の修正を行うことを
特徴とする請求項２に記載の脚式移動ロボット。
【請求項４】前記動作制御手段は、前記第２の状態で
は、ＺＭＰ（Zero Moment Point）を安定度判別規範と
する動作・姿勢制御を適用して次回の躍動に対する姿勢
の立て直しを行うことを特徴とする請求項２に記載の脚
式移動ロボット。
【請求項５】前記動作制御手段は、前記第３の状態で
は、力制御を適用して跳躍動作を実現することを特徴と
する請求項２に記載の脚式移動ロボット。
【請求項６】前記動作制御手段は、前記第４の状態で
は、ロボットの自由度を活かしてモーメント制御を適用
することにより、外乱やモデル化誤差などの要因による
跳躍予測との姿勢誤差の修正を行うことを特徴とする請
求項２に記載の脚式移動ロボット。
【請求項７】少なくとも胴体ユニットと複数の可動脚ユ
ニットを含む脚式移動ロボットの制御方法であって、各可動脚の接地状況及び／又は運動エネルギを検出する
検出ステップと、前記検出ステップにおける各可動脚の接地状況及び／又
は運動エネルギの検出結果に基づいて、前記脚式移動ロ
ボットの状態を決定する状態決定ステップと、前記状態決定ステップにおいて決定された状態に応じた
制御則に従って前記脚式移動ロボットの動作制御を実行
する動作制御ステップと、を具備することを特徴とする
脚式移動ロボットの制御方法。
【請求項８】前記状態決定ステップでは、接地脚数がゼ
ロすなわち空中浮遊から最初の１つの可動脚が接地して
すべての可動脚が接地するに至るまでの第１の状態、該
第１の状態が終了した時点から前記脚式移動ロボット全
体の垂直方向の運動エネルギがゼロになるまでの第２の
状態、該第２の状態が終了した時点からすべての可動脚
が路面に対して接地点を持たなくなるまでの第３の状
態、又は、該第３の状態が終了した時点から可動脚の１
つが最初に接地するまでの第４の状態のうちいずれであ
るかを判定することを特徴とする請求項７に記載の脚式
移動ロボットの制御方法。
【請求項９】前記動作制御ステップは、前記第１の状態
では、コンプライアンス制御により外乱やモデル化誤差
などの要因による着地予測と姿勢誤差の修正を行うこと
を特徴とする請求項８に記載の脚式移動ロボットの制御
方法。
【請求項１０】前記動作制御ステップは、前記第２の状
態では、ＺＭＰ（Zero Moment Point）を安定度判別規
範とする動作・姿勢制御を適用して次回の躍動に対する
姿勢の立て直しを行うことを特徴とする請求項８に記載
の脚式移動ロボットの制御方法。
【請求項１１】前記動作制御ステップは、前記第３の状
態では、力制御を適用して跳躍動作を実現することを特
徴とする請求項８に記載の脚式移動ロボットの制御方
法。
【請求項１２】前記動作制御ステップは、前記第４の状
態では、ロボットの自由度を活かしてモーメント制御を
適用することにより、外乱やモデル化誤差などの要因に
よる跳躍予測との姿勢誤差の修正を行うことを特徴とす
る請求項８に記載の脚式移動ロボットの制御方法。