JP2003145458A

JP2003145458A - 二脚歩行式人型ロボット

Info

Publication number: JP2003145458A
Application number: JP2001353501A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Furuta; 貴之古田; Hisashi Okumura; 悠奥村; Tetsuo Tawara; 哲雄田原; Hiroaki Kitano; 宏明北野
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-11-19
Filing date: 2001-11-19
Publication date: 2003-05-20
Anticipated expiration: 2021-11-19
Also published as: TW200300384A; WO2003043787A1; JP3627057B2; TW583058B

Abstract

(57)【要約】【課題】容易に全身運動を行なうことができるように
した、二脚歩行式人型ロボットを提供する。【解決手段】各関節部をそれぞれ揺動させる駆動手段
と、各駆動手段をそれぞれ駆動制御する動作制御装置５
０とを有している二脚歩行式人型ロボット１０におい
て、動作制御装置５０が、各部の動作時に突出する部分
にそれぞれ設けられた力センサ４０と、各力センサ４０
の検出信号に基づいてロボットの姿勢を検出し、この姿
勢に基づいて動作生成部５２からの動作データを修正す
る補償部５４とを備えるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二脚歩行式人型ロ
ボットに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、所謂二脚歩行式人型ロボットは、
前もって設定された歩行パターン（以下、歩容という）
データを生成して、この歩容データに従って歩行制御を
行なって、所定の歩行パターンで脚部を動作させること
により二脚歩行を実現するようにしている。その際、歩
行姿勢を安定させるために、ロボットの足裏における反
力と重力との合成モーメントがゼロとなる点（以下、Ｚ
ＭＰ（ＺｅｒｏＭｏｍｅｎｔＰｏｉｎｔ）とい
う。）を目標値に収束させる、所謂ＺＭＰ補償を行なう
ことによってＺＭＰ規範によりロボットの安定化を図る
ようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
二脚歩行式人型ロボットは、立ち上がった姿勢で歩行す
ることを前提に設定されており、できるだけ転倒しない
ようにしてあるが、胴体部は歩行制御を支援するもので
あり、胴体部を腕部や脚部と連携させて行動するように
はなっていない。このため、従来の二脚歩行式人型ロボ
ットは、胴体部，脚部や腕部を全体として動作させるよ
うな全身運動、例えば転倒時の受け身動作や、転倒した
状態からの起き上がり動作や前転運動のような運動を行
なうようには設計されていない。これは、前述したＺＭ
Ｐ規範の歩行制御が、ロボットの足裏付近での動特性に
基づいて行なわれるものであるため、全身運動を行なっ
て環境との接触を伴う床運動の生成及び制御には適用で
きないからである。

【０００４】従って、従来は二脚歩行式人型ロボットに
環境との接触を伴う全身運動等を行なわせる場合に、ロ
ボットの全身運動を動的に行なわせるための安定化の指
針が存在しないこと、また環境との接触を伴う全身運動
を動的に制御するための制御方法が存在しないという問
題があった。

【０００５】本発明は、以上の点にかんがみて、容易に
全身運動を動的に安定した状態で行なわせ、制御するこ
とができるようにした二脚歩行式人型ロボットを提供す
ることを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明によ
れば、胴体部と、胴体部の下部両側にて揺動可能な中間
に膝部，下端に足部を備えた脚部と、胴体部の上部両側
にて揺動可能な中間に肘部，下端に手部を備えた腕部
と、胴体部の上端に取り付けられた頭部とを備えてお
り、上記脚部の足部，下腿部，大腿部そして上記腕部の
手部，下腕部及び上腕部の揺動可能な関節部をそれぞれ
揺動させる駆動手段と、各駆動手段をそれぞれ駆動制御
する動作制御装置とを有している二脚歩行式人型ロボッ
トにおいて、上記動作制御装置が、各部の動作時に突出
する部分または動作時に環境と接触する部分にそれぞれ
設けられた力センサと、各力センサの検出信号に基づい
てロボットの姿勢を検出し、この姿勢に基づいて動作生
成部からの動作データを修正する補償部と、を備えてい
ることを特徴とする二脚歩行式人型ロボットにより達成
される。

【０００７】本発明による二脚歩行式人型ロボットは、
好ましくは、上記動作制御装置が、各力センサの検出信
号に基づいてそのとき接地している部分を検出して、ロ
ボット全体を多面剛体として動作データを生成する動作
生成部と、動作生成部からの動作データに基づいて、拡
張ＺＭＰ（そのとき接地している部分における反力と重
力との合成モーメントがゼロとなる点）目標値を算出す
る拡張ＺＭＰ変換部とを備えており、上記補償部が、上
記各力センサの検出信号に基づいて検出された拡張ＺＭ
Ｐ実測値と拡張ＺＭＰ変換部からの拡張ＺＭＰ目標値を
比較して、動作生成部からの動作データの補償量を計算
する。

【０００８】本発明による二脚歩行式人型ロボットは、
好ましくは、上記動作制御装置がロボットの動作の要素
となる姿勢データを格納した動作ライブラリを備えてお
り、上記動作生成部が、与えられたロボットの初期状態
から所定の動作の最終状態までの中間の動作に関して、
動作データを生成する際に動作ライブラリから対応する
姿勢データを読み出して、組合せ動作のシーケンスとし
て動作データを生成する。

【０００９】本発明による二脚歩行式人型ロボットは、
好ましくは、さらにロボットの各関節部の駆動状態及び
全体の姿勢を常に監視する動作監視部を備えており、こ
の動作監視部は、拡張ＺＭＰ実際値が拡張ＺＭＰ目標値
から大きくずれた場合に、動作生成部に対して動作デー
タの再生成を指令する。

【００１０】上記構成によれば、二脚歩行式人型ロボッ
トが全身運動を行なう際、動作制御装置が、ロボット各
部の動作時に突出する部分または動作時に環境と接触す
る部分に設けられた力センサからの検出信号に基づいて
ロボットのどの部分が環境、例えば床面または壁面等と
接触しているかを把握することによりロボットの姿勢を
検出して、この姿勢に基づいて補償部により動作生成部
からの動作データを修正する。従って、動作制御装置
が、ロボットの全身運動時に常にロボットの姿勢に基づ
いて動作データを修正することにより、例えば転倒時の
受け身動作，起き上がり動作や前転運動等の全身運動を
安定して確実に行なうことが可能になる。

【００１１】上記動作制御装置が、各力センサの検出信
号に基づいてそのとき接地している部分を検出して、ロ
ボット全体を多面剛体として動作データを生成する動作
生成部と、動作生成部からの動作データに基づいて拡張
ＺＭＰ（そのとき接地している部分における反力と重力
との合成モーメントがゼロとなる点）目標値を算出する
拡張ＺＭＰ変換部と、を備えており、上記補償部が、上
記各力センサの検出信号に基づいて検出された拡張ＺＭ
Ｐ実測値と拡張ＺＭＰ変換部からの拡張ＺＭＰ目標値を
比較して、動作生成部からの動作データの補償量を計算
する場合には、従来のＺＭＰ規範による歩行制御と同様
に、ロボット全体を多面剛体として取り扱ってそのとき
の拡張ＺＭＰを目標値に集束させるように拡張ＺＭＰ補
償を行なうことにより、拡張ＺＭＰ規範によりロボット
の全身運動の安定化を図ることができる。

【００１２】上記動作制御装置が、ロボットの動作の要
素となる姿勢データを格納した動作ライブラリを備えて
おり、上記動作生成部が、与えられたロボットの初期状
態から所定の動作の最終状態までの中間の動作に関し
て、動作データを生成する際に動作ライブラリから対応
する姿勢データを読み出して、組合せ動作のシーケンス
として動作データを生成する場合には、ロボットの全身
運動を分解したときの要素となる姿勢データが動作ライ
ブラリに格納されているので、動作生成部が動作データ
を生成する際に、要素となる姿勢データを動作ライブラ
リから読み出して組み合わせることにより、所望の動作
データを生成することができる。これにより動作生成部
の計算量が低減され、迅速な動作データの生成を行なう
ことが可能になる。

【００１３】さらにロボットの各関節部の駆動状態及び
全体の姿勢を常に監視する動作監視部を備えており、こ
の動作監視部が、拡張ＺＭＰ実際値が拡張ＺＭＰ目標値
から大きくずれた場合に、動作生成部に対して動作デー
タの再生成を指令する場合には、ロボットが全身運動中
にバランスを崩す等により、生成した動作データによる
初期状態から所定の動作の最終状態までの中間の動作か
ら大きくずれたとき、動作データを再生成することによ
って、再び所定の動作の最終状態までの中間の動作を行
なわせて当該最終状態まで動作させることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面に示した実施形態に基
づいて、この発明を詳細に説明する。図１乃至図２は、
本発明による二脚歩行式人型ロボットの一実施形態の構
成を示している。図１において、二脚歩行式人型ロボッ
ト１０は、胴体部１１と、胴体部１１の下部両側に取り
付けられた脚部１２Ｌ，１２Ｒと、胴体部の上部両側に
取り付けられた腕部１３Ｌ，１３Ｒと、胴体部の上端に
取り付けられた頭部１４と、を含んでいる。

【００１５】上記胴体部１１は上方の胸部１１ａと下方
の腰部１１ｂとに分割されており、胸部１１ａが、前屈
部１１ｃにて腰部１１ｂに対して前後方向に揺動可能
に、特に前方に前屈可能に、そして左右方向に旋回可能
に支持されている。さらに、上記胴体部１１の胸部１１
ａには、後述する歩行制御装置５０が内蔵されている。
なお、上記前屈部１１ｃは、前後揺動用の関節部１１ｄ
及び左右旋回用の関節部１１ｅを備えており、各関節部
１１ｄ及び１１ｅは、それぞれ関節駆動用モータ（図２
参照）により構成されている。

【００１６】上記脚部１２Ｌ，１２Ｒは、それぞれ大腿
部１５Ｌ，１５Ｒ，下腿部１６Ｌ，１６Ｒ及び足部１７
Ｌ，１７Ｒと、から構成されている。ここで、上記脚部
１２Ｌ，１２Ｒは、図２に示すように、それぞれ六個の
関節部、即ち上方から順に、胴体部１１の腰部１１ｂに
対する脚部回旋用の関節部１８Ｌ，１８Ｒ、脚部のロー
ル方向（ｘ軸周り）の関節部１９Ｌ，１９Ｒ、脚部のピ
ッチ方向（ｙ軸周り）の関節部２０Ｌ，２０Ｒ、大腿部
１５Ｌ，１５Ｒと下腿部１６Ｌ，１６Ｒの接続部分であ
る膝部２１Ｌ，２１Ｒのピッチ方向の関節部２２Ｌ，２
２Ｒ、足部１７Ｌ，１７Ｒに対する足首部のピッチ方向
の関節部２３Ｌ，２３Ｒ、足首部のロール方向の関節部
２４Ｌ，２４Ｒを備えている。なお、各関節部１８Ｌ，
１８Ｒ乃至２４Ｌ，２４Ｒは、それぞれ関節駆動用モー
タにより構成されている。

【００１７】このようにして、腰関節は上記関節部１１
ｄ，１１ｅから構成され、股間節は上記関節部１８Ｌ，
１８Ｒ，１９Ｌ，１９Ｒ，２０Ｌ，２０Ｒから構成さ
れ、また足関節は関節部２３Ｌ，２３Ｒ，２４Ｌ，２４
Ｒから構成されることになる。これにより、二脚歩行式
人型ロボット１０の左右両側の脚部１２Ｌ，１２Ｒは、
それぞれ６自由度を与えられることになり、各種動作中
にこれらの１２個の関節部をそれぞれ駆動モータにより
適宜の角度に駆動制御することにより、脚部１２Ｌ，１
２Ｒ全体に所望の動作を与えて、例えば任意に三次元空
間を歩行することができるように構成されている。

【００１８】上記腕部１３Ｌ，１３Ｒは、それぞれ上腕
部２５Ｌ，２５Ｒ，下腕部２６Ｌ，２６Ｒ及び手部２７
Ｌ，２７Ｒと、から構成されている。ここで、上記腕部
１３Ｌ，１３Ｒの上腕部２５Ｌ，２５Ｒ，下腕部２６
Ｌ，２６Ｒ及び手部２７Ｌ，２７Ｒは、上述した脚部１
２Ｌ，１２Ｒと同様にして、図２に示すように、それぞ
れ五個の関節部、即ち上方から順に、肩部にて、胴体部
１１に対する上腕部２５Ｌ，２５Ｒのピッチ方向の関節
部２８Ｌ，２８Ｒ、ロール方向の関節部２９Ｌ，２９
Ｒ、そして左右方向の関節部３０Ｌ，３０Ｒ、上腕部２
５Ｌ，２５Ｒと下腕部２６Ｌ，２６Ｒの接続部分である
肘部３１Ｌ，３１Ｒにてピッチ方向の関節部３２Ｌ，３
２Ｒ、手首部にて下腕部２６Ｌ，２６Ｒに対する手部２
７Ｌ，２７Ｒのピッチ方向の関節部３３Ｌ，３３Ｒを備
えている。なお、各関節部２８Ｌ，２８Ｒ乃至３３Ｌ，
３３Ｒは、それぞれ関節駆動用モータにより構成されて
いる。

【００１９】このようにして、二脚歩行式人型ロボット
１０の左右両側の腕部１３Ｌ，１３Ｒはそれぞれ５自由
度を与えられることにより、各種動作中にこれらの１２
個の関節部をそれぞれ駆動モータにより適宜の角度に駆
動制御し、腕部１３Ｌ，１３Ｒ全体に所望の動作を与え
ることができるように構成されている。ここで、上記肩
部におけるピッチ方向の関節部２８Ｌ，２８Ｒは、ロー
ル方向の関節部２９Ｌ，２９Ｒ及び左右方向の関節部３
０Ｌ，３０Ｒに対して回転軸が前方にずれて配設されて
おり、前方への腕部１３Ｌ，１３Ｒの振り角度が大きく
設定されている。

【００２０】上記頭部１４は、胴体部１１の上部１１ａ
の上端に取り付けられており、例えば視覚としてのカメ
ラや聴覚としてのマイクが搭載されている。ここで、上
記頭部１４は、図２に示すように、首のピッチ方向の関
節部３５及び左右方向の関節部３６を備えている。な
お、各関節部３５，３６は、それぞれ関節駆動用モータ
により構成されている。

【００２１】このようにして、二脚歩行式人型ロボット
１０の頭部１４は、２自由度を与えられることにより、
各種動作中にこれらの２個の関節部３５，３６をそれぞ
れ駆動モータにより適宜の角度に駆動制御し、頭部１４
を左右方向または前後方向に動かすことができるように
構成されている。ここで、上記ピッチ方向の関節部３５
は、左右方向の関節部３６に対して回転軸が前方にずれ
て配設されており、前方への頭部１４の揺動角度が大き
く設定されている。

【００２２】さらに、上記二脚歩行式人型ロボット１０
においては、胴体部１１の前屈部１１ｃの関節部１１ｄ
と、脚部１２Ｌ，１２Ｒの前後方向の関節部、即ち股間
節の関節部２０Ｌ，２０Ｒ，膝部の関節部２２Ｌ，２２
Ｒ，足首部の関節部２３Ｌ，２３Ｒは、図３及び図４に
示す角度範囲で揺動可能に支持されている。

【００２３】即ち、足首部の関節部２３Ｌ，２３Ｒは、
その揺動角度θ１が−２０乃至＋２０度以上の角度範囲
で揺動可能である。また、膝部の関節部２２Ｌ，２２Ｒ
は、その揺動角度θ２が−１２０乃至０度以上の角度範
囲で揺動可能である。さらに、腰関節の関節部２０Ｌ，
２０Ｒは、その揺動角度θ３が−４５乃至＋６０度以上
の角度範囲で揺動可能である。また、胴体部１１の前屈
部１１ｃは、その揺動角度θ４が、−１０乃至＋６０度
以上の角度範囲で揺動可能である。

【００２４】これに対して、胴体部１１の前屈部１１ｃ
の関節部１１ｅは、図５に示す角度範囲で揺動可能に支
持されている。即ち、前屈部１１ｃの関節部１１ｅはそ
の揺動角度θ５が、図５（Ａ）に示す左方に関して−４
５度以上、そして図５（Ｂ）に示す右方に関して＋４５
度以上の角度範囲で旋回可能である。

【００２５】さらに、二脚歩行式人型ロボット１０にお
いては、図６に示すように、動作時に突出する部分また
は動作時に環境と接触する部分、例えば両膝部や腰部後
側にそれぞれ力センサ４０が備えられている。即ち、胴
体部１１の下部１１ｂの後側（即ち、腰部）及び両膝部
２１Ｌ，２１Ｒに、好ましくは頭部１４の前後，胴体部
１１の上部１１ａの前側の胸部，後側の肩部及び背中
部，下部１１ｂの後側の上下部、脚部１２Ｌ，１２Ｒの
大腿部１５Ｌ，１５Ｒの前後，膝部２１Ｌ，２１Ｒ，足
部１７Ｌ，１７Ｒの爪先部及び踵部，腕部１３Ｌ，１３
Ｒの肘部３１Ｌ，３１Ｒ及び手首部にそれぞれ力センサ
４０が備えられている。これらの力センサ４０は、二脚
歩行式人型ロボット１０の全身運動により当該力センサ
４０が床面，壁面等の環境に接触しているときに接触圧
力を検出して、その検出信号を後述する動作制御装置５
０に出力するようになっている。なお、各力センサ４０
は、少なくとも垂直方向の力成分を検出できればよい。

【００２６】図７は図１乃至図５に示した二脚歩行式人
型ロボット１０の電気的構成を示している。図７におい
て、二脚歩行式人型ロボット１０は駆動手段、即ち上述
した各関節部、詳しくは関節駆動用モータ１１ｄ，１１
ｅ，１８Ｌ，１８Ｒ乃至３６を駆動制御する動作制御装
置５０を備えている。

【００２７】上記動作制御装置５０は、動作計画部５１
と、動作生成部５２と、拡張ＺＭＰ変換部５３と、拡張
ＺＭＰ安定部５４と、制御部５５と、ロボットの各関節
部の角度を検出する角度計測ユニット５６と、動作監視
部５７とを備えている。なお、二脚歩行式ロボット１０
の座標系として、前後方向をｘ方向（前方＋），横方向
をｙ方向（内方＋）そして上下方向をｚ方向（上方＋）
とするｘｙｚ座標系を使用する。

【００２８】上記動作計画部５１は、与えられたロボッ
トの初期状態（各関節部の角度及び力センサ４０の検出
信号に基づく姿勢）と所望の動作の最終状態から、初期
状態と最終状態との間の中間の動作を計画する。即ち、
動作計画部５１は、ロボット全体により構成される凸部
分を覆うような多面剛体を仮想的に設定して、初期状態
から最終状態までの上記多面剛体の時系列形状データ及
び重心軌道を計算し、全身運動を行なうために必要なロ
ボットの角運動量を計算する。

【００２９】そして、動作計画部５１は、上記多面剛体
の重心位置，初期運動状態（重心周りの角速度及び角加
速度）に基づいて、ロボットの動作軌道すなわち動作計
画を生成する。なお、上記動作計画部５１は、後述する
ように動作監視部５７からロボットの現在の状態及び動
作計画からのずれ量が入力されたときには、同様にして
動作計画の再生成を行なう。

【００３０】ここで、動作計画部５１は動作ライブラリ
５１ａを備えている。この動作ライブラリ５１ａは、前
もってロボットの動作の要素となる姿勢データ等が種類
別に格納されている。これにより動作計画部５１は、上
述した動作計画を行なう際に、必要に応じて各種姿勢デ
ータ等を動作ライブラリ５１ａから読み出して、組合せ
動作のシーケンスとして動作計画を生成する。そして、
動作計画部５１は、動作計画として、シーケンス毎に姿
勢データ及びそのときの各関節部の角運動量を動作生成
部５２に出力するようになっている。

【００３１】上記動作生成部５２は、二脚歩行式人型ロ
ボット１０の全身運動に必要な各関節部１５Ｌ，１５Ｒ
乃至３６の角度データθｒｅｆを生成する。その際、上
記動作生成部５２は、後述する拡張ＺＭＰ安定部５４か
らの指令に基づいて内部のパラメータ及び角度データを
修正するようになっている。

【００３２】上記拡張ＺＭＰ変換部５３は、動作生成部
５２からの各関節部の角度データθｒｅｆに基づいて拡
張ＺＭＰ目標値を計算し、拡張ＺＭＰ安定部５４及び動
作監視部５７に出力する。

【００３３】上記拡張ＺＭＰ安定部５４は、角度計測ユ
ニット５６からの姿勢情報及び前記力センサ４０からの
検出出力に基づいて拡張ＺＭＰ実際値を計算し、さらに
この拡張ＺＭＰ実際値を拡張ＺＭＰ変換部５３からの拡
張ＺＭＰ目標値と比較して、その差に基づいて拡張ＺＭ
Ｐ補償量を計算して、動作生成部５２に出力する。拡張
ＺＭＰ補償量の計算方法は、従来のＺＭＰ補償量の計算
方法をそのまま適用することができる。

【００３４】ここで、動作生成部５２は、拡張ＺＭＰ安
定部５４からの拡張ＺＭＰ補償量がフィードバックされ
ることにより、この拡張ＺＭＰ補償量に基づいて動作デ
ータを修正して、制御部５５に出力する。

【００３５】上記制御部５５は、動作生成部５２からの
修正された動作データに基づいて各関節駆動用モータの
制御信号を生成し、各関節駆動用モータを駆動制御する
ようになっている。

【００３６】上記角度計測ユニット５６は、各関節部１
５Ｌ，１５Ｒ乃至３６の関節駆動用モータに備えられ
た、例えばロータリエンコーダ等により各関節駆動用モ
ータの角度情報が入力されることによって各関節駆動用
モータの角度位置、即ち角度及び角速度そして角度モー
メントに関する状態情報、即ちロボット１０の姿勢情報
θｒｅａｌを計測して、拡張ＺＭＰ安定部５４及び動作
監視部５７に出力するようになっている。

【００３７】上記動作監視部５７は、動作計画部５１か
らの動作計画，拡張ＺＭＰ変換部５３からの拡張ＺＭＰ
目標値，角度計測ユニット５６及び力センサ４０からの
拡張ＺＭＰ実際値としての（角度及び角度モーメントを
含む）角度情報が入力されており、これらに基づいて、
常に二脚歩行式人型ロボット１０の状態を監視してい
る。そして、動作監視部５７は、動作計画，拡張ＺＭＰ
目標値から実際のロボットの動作が大きくずれたとき、
現在の状態およびずれ量を動作計画部５１にフィードバ
ックして、動作計画部５１に動作計画の再生成を行なわ
せる。

【００３８】本発明実施形態による二脚歩行式人型ロボ
ット１０は以上のように構成されており、図８のフロー
チャートに示すように動作する。図８のフローチャート
において、先ず動作計画部５１が、ステップＳＴ１に
て、与えられたロボットの初期状態及び所望の動作の最
終状態から動作計画の生成を開始する。

【００３９】そして、動作計画部５１は、ステップＳＴ
２にて、ロボット全体の凸部分を覆う多面剛体を仮想的
に設定し、続いてステップＳＴ３にて、初期状態から最
終状態までの上記多面剛体の時系列形状データ及びその
重心軌道を計算する。次に、動作計画部５１は、ステッ
プＳＴ４にて、全身運動を行なうために必要なロボット
の角運動量を計算し、ステップＳＴ５にて、上記多面剛
体の重心位置，初期運動状態（重心周りの角速度及び角
加速度）に基づいて、ロボットの動作軌道すなわち動作
計画を生成する。これにより、ステップＳＴ６にて、動
作計画の生成が終了する。

【００４０】次に、ステップＳＴ７にてロボット動作を
開始する。先ず、ステップＳＴ８にて、動作生成部５２
は、上記動作計画部５１の時系列形状データ及び重心軌
道による各関節部の各運動量から各関節部の角度データ
θｒｅｆを生成し、これにより拡張ＺＭＰ変換部５３
が、この角度データθｒｅｆに基づいて拡張ＺＭＰ目標
値を計算する。そして、ステップＳＴ９にて、拡張ＺＭ
Ｐ安定部５４が、角度計測ユニット５６からの姿勢情報
及び力センサ４０からの検出出力に基づいて、拡張ＺＭ
Ｐ実際値及び各関節部の角運動量を検出し、ステップＳ
Ｔ１０にて、拡張ＺＭＰ実際値と拡張ＺＭＰ目標値を比
較する。

【００４１】ここで、拡張ＺＭＰ実際値と拡張ＺＭＰ目
標値の比較により、所定値以上の誤差がある場合には、
ステップＳＴ１１にて、ロボットの状態が動作計画の最
終点であるか否か判断し、最終点でない場合には上記ス
テップＳＴ８に戻り、最終点である場合には、ステップ
ＳＴ１２にてロボット動作を完了する。また、ステップ
ＳＴ１０にて、所定値以上の誤差がない場合には、ステ
ップＳＴ１３にて、動作監視部５７がこの誤差が拡張Ｚ
ＭＰ安定部５４により補償可能か否か判断して、補償で
きない場合には、ステップＳＴ１４にて、動作計画部５
１に動作計画の再生成を行なわせてステップＳＴ２に戻
る。これに対して、ステップＳＴ１３にて補償可能であ
る場合には、ステップＳＴ１５にて、動作制御装置５０
の拡張ＺＭＰ安定部５４は、ロボットにより構成される
多面剛体の形状を変化させずに、各関節部の角速度等の
調整により上記誤差を修正して、ステップＳＴ１１に進
む。

【００４２】このようにして、本発明実施形態による二
脚歩行式人型ロボット１０によれば、従来のＺＭＰ規範
の歩行制御を、全身運動を行なうロボットの動作時に突
出しまたは環境に接触する部分における反力と重力との
合成モーメントがゼロとなる点を拡張ＺＭＰとして、こ
の拡張ＺＭＰを従来のロボットの歩行制御におけるＺＭ
Ｐと同様にして、拡張ＺＭＰ目標値と拡張ＺＭＰ実測値
の差である拡張ＺＭＰ誤差に基づいて動作データを修正
することにより、ロボット１０に発生する慣性力を制御
して、拡張ＺＭＰ目標値を補償する。これにより、例え
ば転倒時の受け身動作，起き上がり動作や前転運動等の
全身運動において、動作制御を安定的に行なうことによ
り、二脚歩行式人型ロボットの全身運動を動的に安定し
て確実に行なうことが可能になる。

【００４３】ここで、二脚歩行式人型ロボット１０が、
例えば前転運動を行なう場合、制御部５１が、上述した
拡張ＺＭＰ規範における動作制御装置５０に基づく動作
制御によって、図９（Ａ）に示す直立した状態から順次
に前屈みになり（図９（Ｂ）参照）、頭部１４及び手部
を床面に着き（図９（Ｃ）参照）、両脚部１２Ｌ，１２
Ｒを床面から離し（図９（Ｄ）参照）、胴体部１１を前
方に押し出し（図９（Ｅ）参照）、胴体部１１の後面
（背中部）を床面に着け（図９（Ｆ）参照）、手を床面
から離して前方に回転し（図９（Ｇ）参照）、踵部を床
面に着けて胴体部１１を起こし（図９（Ｈ）参照）、足
部の裏面を床面に着けて胴体部１１を床面から持ち上げ
（図９（Ｉ）参照）、胴体部１１をほぼ垂直に立て直し
て（図９（Ｊ）参照）、最後に図９（Ｋ）に示すよう
に、再び直立状態に立ち上がることができる。ここで、
上記図９（Ｃ），（Ｅ）及び（Ｉ）においては、それぞ
れ図１０（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）に拡大して示すよう
に、ロボット全体が凸面のみによって多面剛体Ｐとして
取り扱うことができ、この多面剛体Ｐの角部または面部
に力センサ４０が備えられていることにより、そのとき
のロボット全体の姿勢は、床面に接地している力センサ
４０からの検出信号と各関節部の角度によって、正確に
検出することができる。

【００４４】このようにして、本発明実施形態による二
脚歩行式人型ロボット１０によれば、動作時に突出する
部分または動作時に環境と接触する部分（例えば、両膝
部及び腰部後側）に、それぞれ力センサ４０が設けられ
ているので、ロボットのそのときの姿勢が正確に検出さ
れると共に、各力センサ４０の検出信号に基づいて、そ
のときのロボットの接地面に対する反力と重力との合成
モーメントがゼロとなる拡張ＺＭＰを規範としてロボッ
ト全体の動作制御を行なうことにより、例えば転倒時の
受け身動作，起き上がり動作や前転運動等の全身運動の
動作制御を確実に行なうことができる。

【００４５】上述した実施形態においては、脚部１２
Ｌ，１２Ｒは６自由度を、そして腕部１３Ｌ，１３Ｒは
５自由度を有しているが、これに限らず、より小さい自
由度またはより大きい自由度を有していてもよい。

【００４６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、二
脚歩行式人型ロボットが全身運動を行なう際、動作制御
装置が、ロボット各部の動作時に突出する部分または動
作時に環境と接触する部分に設けられた力センサからの
検出信号に基づいて、ロボットのどの部分が環境、例え
ば床面または壁面等と接触しているかを把握することに
よりロボットの姿勢を検出して、この姿勢に基づいて、
補償部により動作生成部からの動作データを修正する。
従って、動作制御装置が、ロボットの全身運動時に、常
にロボットの姿勢に基づいて動作データを修正するの
で、例えば転倒時の受け身動作，起き上がり動作や前転
運動等の全身運動を安定して確実に行なうことが可能に
なる。このようにして、本発明によれば、容易に全身運
動を行なうことができるようにした、極めて優れた二脚
歩行式人型ロボットが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による二脚歩行式人型ロボットの一実施
形態の外観を示し、（Ａ）は概略正面図、（Ｂ）は概略
側面図である。

【図２】図１の二脚歩行式人型ロボットの機械的構成を
示す概略図である。

【図３】図１の二脚歩行式人型ロボットの前屈部及び脚
部の各関節部の前方への揺動限界を示す概略図である。

【図４】図１の二脚歩行式人型ロボットの前屈部及び脚
部の各関節部の後方への揺動限界を示す概略図である。

【図５】図１の二脚歩行式人型ロボットの前屈部の各関
節部の概略図で、（Ａ）は左方向への旋回限界を、
（Ｂ）は右方向への旋回限界をそれぞれ示す。

【図６】図１の二脚歩行式人型ロボットにおける力セン
サの配置を示す側面図である。

【図７】図１の二脚歩行式人型ロボットの電気的構成を
示すブロック図である。

【図８】図１の二脚歩行式人型ロボットの動作制御を示
すフローチャートである。

【図９】図１の二脚歩行式人型ロボットの前転動作を順
次に示す左側面図である。

【図１０】図９の前転動作の途中における拡大図であ
る。

【符号の説明】

１０二脚歩行式人型ロボット１１胴体部１１ａ上部１１ｂ下部１１ｃ前屈部１１ｄ，１１ｅ関節部（関節駆動用モータ）１２Ｌ，１２Ｒ脚部１３Ｌ，１３Ｒ腕部１４頭部１５Ｌ，１５Ｒ大腿部１６Ｌ，１６Ｒ下腿部１７Ｌ，１７Ｒ足部１８Ｌ，１８３〜２４Ｌ，２４Ｒ関節部（関節駆動用
モータ）２１Ｌ，２１Ｒ膝部２５Ｌ，２５Ｒ上腕部２６Ｌ，２６Ｒ下腕部２７Ｌ，２７Ｒ手部２８Ｌ，２８Ｒ〜３３Ｌ，３３Ｒ関節部（関節駆動
用モータ）３１Ｌ，３１Ｒ肘部３５，３６関節部（関節駆動用モータ）４０力センサ５０動作制御装置５１動作計画部５１ａ動作ライブラリ５２動作生成部５３拡張ＺＭＰ変換部５４拡張ＺＭＰ安定部５５制御部５６角度計測ユニット５７動作監視部Ｐ多面剛体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者北野宏明埼玉県川越市西小仙波町２−18−３Ｆターム(参考） 2C150 CA01 CA04 DA04 DA24 DA26 DA27 DA28 EB01 EC03 EC15 EC25 ED42 ED52 EF07 EF16 EF17 EF22 EF23 EF33 EF36 3C007 CS08 HS27 KS21 KS33 KV01 MT00 MT05 WA03 WA13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】胴体部と、胴体部の下部両側にて揺動可
能な中間に膝部，下端に足部を備えた脚部と、胴体部の
上部両側にて揺動可能な中間に肘部，下端に手部を備え
た腕部と、胴体部の上端に取り付けられた頭部と、を備
えており、上記脚部の足部，下腿部，大腿部そして上記腕部の手
部，下腕部及び上腕部の揺動可能な関節部をそれぞれ揺
動させる駆動手段と、各駆動手段をそれぞれ駆動制御す
る動作制御装置とを有している二脚歩行式人型ロボット
において、上記動作制御装置が、各部の動作時に突出する部分または動作時に環境と接触
する部分にそれぞれ設けられた力センサと、各力センサの検出信号に基づいてロボットの姿勢を検出
し、この姿勢に基づいて動作生成部からの動作データを
修正する補償部と、を備えていることを特徴とする、二
脚歩行式人型ロボット。
【請求項２】前記動作制御装置が、各力センサの検出信号に基づいてそのとき接地している
部分を検出して、ロボット全体を多面剛体として動作デ
ータを生成する動作生成部と、動作生成部からの動作データに基づいて拡張ＺＭＰ（そ
のとき接地している部分における反力と重力との合成モ
ーメントがゼロとなる点）目標値を算出する拡張ＺＭＰ
変換部と、を備えており、前記補償部が、上記各力センサの検出信号に基づいて検出された拡張Ｚ
ＭＰ実測値と拡張ＺＭＰ変換部からの拡張ＺＭＰ目標値
を比較して、動作生成部からの動作データの補償量を計
算することを特徴とする、請求項１に記載の二脚歩行式
人型ロボット。
【請求項３】前記動作制御装置が、ロボットの動作の
要素となる姿勢データを格納した動作ライブラリを備え
ており、前記動作生成部が、与えられたロボットの初期状態から
所定の動作の最終状態までの中間の動作に関して、動作
データを生成する際に動作ライブラリから対応する姿勢
データを読み出して、組合せ動作のシーケンスとして動
作データを生成することを特徴とする、請求項１または
２に記載の二脚歩行式人型ロボット。
【請求項４】さらにロボットの各関節部の駆動状態及
び全体の姿勢を常に監視する動作監視部を備えており、この動作監視部が、拡張ＺＭＰ実際値が拡張ＺＭＰ目標
値から大きくずれた場合に動作生成部に対して動作デー
タの再生成を指令することを特徴とする、請求項１から
３の何れかに記載の二脚歩行式人型ロボット。