JP2003159677A - 脚式移動ロボット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的遅いサンプリング周期でＺＭＰ安定度
判別規範を用いながら機体の姿勢安定制御を行なう。 【解決手段】 脚式移動ロボットは、可動脚の足底接地
点と路面とが形成する支持多角形からなるＺＭＰ安定領
域と、ＺＭＰがＺＭＰ安定領域の略中央に向かうように
機体の変形量又は運動量が生成されるＺＭＰ挙動空間を
持つ。ＺＭＰ挙動空間において、ロボットの変形量（若
しくは運動量）の正負は、負がＺＭＰを安定領域の縁に
移動させようとする空間歪みを生じさせる方向となり、
正がＺＭＰを安定領域の中心に移動させようとする空間
歪みを生じさせる方向となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも複数本
の可動脚を備えた脚式移動ロボットに係り、特に、可動
脚によって歩行やその他の脚式作業を行う脚式移動ロボ
ットに関する。

【０００２】更に詳しくは、本発明は、いわゆるＺＭＰ
（Zero Moment Point）を安定度判別規範として用いな
がら脚式作業時における機体の姿勢安定制御を行なう脚
式移動ロボットに係り、特に、比較的遅いサンプリング
周期でＺＭＰ安定度判別規範を用いながら機体の姿勢安
定制御を行なう脚式移動ロボットに関する。

【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"ＲＯＢＯ
ＴＡ（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、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脚式移動ロ
ボット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。２足直立による脚式移動は、クローラ
式や、４足又は６足式などに比し不安定で姿勢制御や歩
行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路上
に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な
歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を
実現できるという点で優れている。

【０００５】ヒトの生体メカニズムや動作を再現した脚
式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、若しくは
「人間型」のロボット（humanoid robot）と呼ぶ。人間
型ロボットは、例えば、生活支援、すなわち住環境その
他の日常生活上のさまざまな場面における人的活動の支
援などを行うことができる。

【０００６】人間の作業空間や居住空間のほとんどは、
２足直立歩行という人間が持つ身体メカニズムや行動様
式に合わせて形成されている。言い換えれば、人間の住
空間は、車輪その他の駆動装置を移動手段とした現状の
機械システムが移動するのには多くの障壁が存在する。
したがって、機械システムすなわちロボットがさまざま
な人的作業を代行し、さらに人間の住空間に深く浸透し
ていくためには、ロボットの移動可能範囲が人間のそれ
とほぼ同じであることが好ましい。これが、脚式移動ロ
ボットの実用化が大いに期待されている所以でもある。
２足直立歩行を行うことは、ロボットが人間の住環境と
の親和性を高める上で必須であると言える。

【０００７】２足の脚式移動ロボットに関する姿勢制御
や安定歩行に関する技術は既に数多提案されている。こ
こで言う安定な「歩行」とは、「転倒することなく、脚
を使って移動すること」と定義することができる。ロボ
ットの姿勢安定制御は、ロボットの転倒を回避する上で
非常に重要である。何故ならば、転倒は、ロボットが実
行中の作業を中断することを意味し、且つ、転倒状態か
ら起き上がって作業を再開するために相当の労力や時間
が払われるからである。また、何よりも、転倒によっ
て、ロボット本体自体、あるいは転倒するロボットと衝
突する相手側の物体にも、致命的な損傷を与えてしまう
危険があるからである。したがって、脚式移動ロボット
の設計・開発において、姿勢安定制御や歩行時の転倒防
止は最も重要な課題の１つである。

【０００８】脚式移動ロボットの姿勢安定制御や歩行時
の転倒防止に関する提案の多くは、ＺＭＰ（Zero Momen
t Point）を歩行の安定度判別の規範として用いてい
る。ＺＭＰによる安定度判別規範は、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路面から
歩行系への反作用としての床反力並びに床反力モーメン
トとバランスするという「ダランベールの原理」に基づ
く。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成
する支持多角形（すなわちＺＭＰ安定領域）の辺上ある
いはその内側にピッチ軸及びロール軸モーメントがゼロ
となる点、すなわち「ＺＭＰ（Zero Moment Point）」
が存在する。

【０００９】要約すれば、ＺＭＰ規範とは、「歩行のあ
らゆる瞬間において、ＺＭＰが足部と路面とが形成する
支持多角形の内側に存在し、且つ、ロボットが路面に押
す方向の力が作用すれば、ロボットが転倒（機体が回転
運動）することなく安定に歩行できる」とするものであ
る。

【００１０】ＺＭＰ規範に基づく２足歩行パターン生成
によれば、足底着地点をあらかじめ設定することがで
き、路面形状に応じた足先の運動学的拘束条件を考慮し
易いなどの利点がある。また、ＺＭＰを安定度判別規範
とすることは、力ではなく軌道を運動制御上の目標値と
して扱うことを意味するので、技術的に実現可能性が高
まる。

【００１１】なお、ＺＭＰの概念並びにＺＭＰを歩行ロ
ボットの安定度判別規範に適用する点については、Miom
ir Vukobratovic著"LEGGED LOCOMOTION ROBOTS"（加藤
一郎外著『歩行ロボットと人工の足』（日刊工業新聞
社））に記載されている。

【００１２】従来、ＺＭＰを安定度判別規範とするロボ
ットの姿勢安定制御や歩行制御は、ＺＭＰ位置がＺＭＰ
安定領域から逸脱したら安定領域に再び戻るように補正
制御をかけるというのが一般的である。言い換えれば、
通常の動作期間中、ＺＭＰは自由に移動することができ
るが、その移動量がある領域を越えたときにはじめて脚
部などの各関節駆動を制御して、事後的にＺＭＰ位置を
制御する。

【００１３】例えば、特開平５−３０５５７９号公報に
記載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰがゼロとなる床面上
の点を目標値に一致させるようにして安定歩行を行うよ
うになっている。

【００１４】また、特開平５−３０５５８１号公報に記
載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰが支持多面体（多角
形）内部、又は、着地、離床時にＺＭＰが支持多角形の
端部から少なくとも所定の余裕を有する位置にあるよう
に構成した。この場合、外乱などを受けても所定距離だ
けＺＭＰの余裕があり、歩行時の機体の安定性が向上す
る。

【００１５】また、特開平５−３０５５８３号公報に
は、脚式移動ロボットの歩き速度をＺＭＰ目標位置によ
って制御する点について開示している。すなわち、あら
かじめ設定された歩行パターン・データを用い、ＺＭＰ
を目標位置に一致させるように脚部関節を駆動するとと
もに、上体の傾斜を検出してその検出値に応じて設定さ
れた歩行パターン・データの吐き出し速度を変更する。
未知の凹凸を踏んでロボットが例えば前傾するときは、
吐き出し速度を速めることで姿勢を回復することができ
る。またＺＭＰを目標位置に制御するので、両脚支持期
で吐き出し速度を変更しても支障がない。

【００１６】また、特開平５−３０５５８５号公報に
は、脚式移動ロボットの着地位置をＺＭＰ目標位置によ
って制御する点について開示している。すなわち、同公
報に記載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰ目標位置と実測
位置とのずれを検出し、それを解消するように脚部の一
方又は双方を駆動するか、又はＺＭＰ目標位置まわりに
モーメントを検出してそれが零になるように脚部を駆動
することで、安定歩行を実現する。

【００１７】また、特開平５−３０５５８６号公報に
は、脚式移動ロボットの傾斜姿勢をＺＭＰ目標位置によ
って制御する点について開示している。すなわち、ＺＭ
Ｐ目標位置まわりのモーメントを検出し、モーメントが
生じたときは、それが零になるように脚部を駆動するこ
とで安定歩行を行う。

【００１８】上述したロボットの姿勢安定度制御は、足
底接地点と路面の形成する支持多角形すなわちＺＭＰ安
定領域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を探索することを基本動作とす
る。また、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域から逸脱したら
安定領域に再び戻るように補正制御をかけるというもの
である。

【００１９】しかしながら、ＺＭＰ規範は、ロボットの
機体及び路面が剛体に限りなく近い（すなわち、どのよ
うな力やモーメントが作用しても変形したり動いたりす
ることはない）と仮定できることを前提として適用する
ことができる規範に過ぎない。言い換えれば、ロボット
や路面が剛体に限りなく近いと仮定できない場合、例え
ば、ロボットが高速に動くことでＺＭＰに作用している
（並進）力や、立脚切替え時の衝撃力が大きくなり、ロ
ボット自身に変形や運動が発生してしまう場合には、印
加される力に対するロボットの変形量を適切に管理しな
いと、ＺＭＰが存在している空間自体が不安定になって
しまい、仮にロボットの姿勢がＺＭＰ規範を満たしても
（ＺＭＰが支持多角形の内側に存在し、且つ、ロボット
が路面に押す方向の力を作用させている）、不安定なＺ
ＭＰを安定させるために、ロボットの姿勢が不安定にな
ってしまう。特に、ロボットの重心が低くなるほど機体
に高速な回転運動が発生して、安定歩行の実現が困難に
なる。

【００２０】図１及び図２には、ロボットや路面が限り
なく剛体に近い理想的なモデルの場合と、現実には剛体
ではない場合におけるＺＭＰ位置とロボットの変形量
（若しくは運動量）との関係（すなわちロボットが持つ
ＺＭＰ挙動空間）をそれぞれ示している。

【００２１】ロボットや路面が限りなく剛体に近い理想
的な場合には、そのＺＭＰ挙動空間においては、図１に
示すように、算出されたＺＭＰ安定領域内のいずれのＺ
ＭＰ位置においてもロボットに変形量（若しくは運動
量）は発生しない。言い換えれば、いずれのＺＭＰ位置
においても、ロボットは機体の姿勢安定性を失うことは
ない。

【００２２】しかしながら、実システムにおけるＺＭＰ
挙動空間では、ロボットや路面は剛体ではなく、算出さ
れたＺＭＰ安定領域内であっても、ＺＭＰ位置によって
はロボットに変形量（若しくは運動量）が発生してしま
う。図２に示す例では、ＺＭＰ安定領域内の略中央付近
においては、ロボットに変形量（若しくは運動量）は発
生しないので、そのままの状態ではロボットは機体の姿
勢安定性を失うことはない。しかしながら、ＺＭＰ位置
がＺＭＰ安定領域の中央から離れるにつれて、ロボット
の変形量（若しくは運動量）は、負方向に増大してい
く。

【００２３】図１並びに図２に示すようなＺＭＰ挙動空
間は、ＺＭＰ位置と機体が床面から受ける床反力で定義
される。このＺＭＰ挙動空間におけるロボットの変形量
（若しくは運動量）の正負は、負がＺＭＰを安定領域の
縁に移動させようとする空間歪みを生じさせる方向とな
り、正がＺＭＰを安定領域の中心に移動させようとする
空間歪みを生じさせる方向となる。したがって、図２に
示したように、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央から
離れるにつれてロボットの変形量（若しくは運動量）が
負方向に増大していくことは、ＺＭＰ安定領域内であり
ながら、ロボットはＺＭＰ安定領域の縁に向かうように
変形していき、やがては機体が転倒してしまうことにな
る。

【００２４】このため、計算上はロボットのＺＭＰ位置
はＺＭＰ安定領域内に居ながらも、ＺＭＰ安定領域の中
心に戻すように機体の姿勢制御を常に実行していなけれ
ばならない。このようにＺＭＰ位置を絶え間なく中心に
戻すような制御方式の代表例は「倒立振子」である。し
かしながら、この場合、高速（すなわち、サンプリング
周期が極めて短い）な制御を行なわなければならず、姿
勢制御のための計算機負荷が増大してしまう。

【００２５】つまり、ＺＭＰ安定度判別規範は、ロボッ
トや路面が剛体であるという、現実には満たすことが困
難な前提条件を含む理想的な環境下での歩行の実現を目
標とした安定度判別規範に過ぎない。したがって、人間
の住環境で安定した動歩行を自律的に継続するために
は、ＺＭＰの存在空間の安定性を考慮したロボット・シ
ステム構成方法を考案することが肝要である。

【００２６】また、脚式移動ロボットにおける脚式作業
時の安定性・制御性は、歩容すなわち四肢の動作パター
ンだけでなく、歩行など脚式作業を行う地面、路面の状
況の影響を受けている。何故ならば、脚が路面に接地し
ている限り、路面から常に反力を受けているからであ
る。また、路面からの反力は、特に、歩行などの脚式作
業中に遊脚が着地したときに大きな衝撃力となり、場合
によっては、それが外乱となってロボットの姿勢を不安
定にする。

【００２７】言い換えれば、２足歩行などの脚式移動ロ
ボットが姿勢を崩すことなく歩行などの脚式作業を行う
ためには、着地するときにも安定した姿勢のまま路面に
よく馴染み、接地時に路面から受ける反力を可能な限り
低減させることが好ましい。また、路面と接地する足平
の足底の構造は、ロボットとその接地面との良好な関係
を成立させる上で極めて重要である。

【００２８】例えば、着地時に地面から受ける衝撃を緩
和するために、足部の足裏面に弾性体を装着することが
当業界において広く知られている。

【００２９】着地時に地面から反力を受けたとき、ロボ
ットの機体には、例えばロール軸回り、ピッチ軸回りな
どさまざまな外乱が印加される。前進歩行を前提として
構成される脚式ロボットの場合、前後方向の移動自由度
が豊富であり、進行方向すなわちピッチ軸回りの外乱に
対しては比較的容易に対処することができる。他方、機
体を横方向に揺るがすように作用するロール軸回りの外
乱に対してはロバスト性が低い。しかしながら、路面か
らの衝撃力を、足裏の弾性体によって一様に緩和するだ
けでは、各軸回りの衝撃力を単に吸収するような作用し
か得られず、路面に接地時やその他の外乱などにより失
われた機体の姿勢安定性を回復することはできない。す
なわち、接地時の衝撃を緩和しつつも、結局は機体が転
倒してしまうという事態を招来しかねない。このような
場合、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域から逸脱してはじめ
てＺＭＰの補正制御をかけるという事後的な制御では限
界がある。

【００３０】また、ＺＭＰの探索とは要するに、２足歩
行の機体において、ＺＭＰ軌道が左右の両足の間（すな
わちそれぞれの足の内側）を通過することを意味する。
さらに言えば、機体が前進運動を行った結果、ＺＭＰ軌
道が一方の足の外側に移動してしまうと、他方の足を一
方の足のさらに外側に向けて踏み込まなければ姿勢安定
性を維持することはできない。これは、他方の足を一方
の足と交差するような脚部の動作であり、左右の脚部ど
うしが互いに干渉し合うという物理的・機構学的に実現
が極めて困難な動作である。

【００３１】また、２足の脚式移動ロボットは、一般
に、ヒトやサルなどの生体メカニズムに基づいて、前進
運動を基調としてデザインされていることから、前後方
向の外乱に対するロバスト性は優れているものの、横方
向の外乱に対するロバスト性は比較的低い。

【００３２】しかしながら、脚式作業時における姿勢安
定性を、機体の動作制御のみを以って実現することは、
コントローラの演算速度や制御対象の応答速度、その他
の問題のため未だ困難である。すなわち、ＺＭＰ位置が
ＺＭＰ安定領域から逸脱してはじめてＺＭＰの補正制御
をかけるという事後的な制御では限界がある。

【００３３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、いわ
ゆるＺＭＰ（Zero Moment Point）を安定度判別規範と
して用いながら脚式作業時における機体の姿勢安定制御
を好適に行なうことができる、優れた脚式移動ロボット
を提供することにある。

【００３４】本発明の更なる目的は、比較的遅いサンプ
リング周期でＺＭＰ安定度判別規範を用いながら機体の
姿勢安定制御を好適に行なうことができる、優れた脚式
移動ロボットを提供することにある。

【００３５】本発明の更なる目的は、人間の住環境で安
定した動歩行を自律的に継続するようなＺＭＰ挙動空間
が形成された、優れた脚式移動ロボットを提供すること
にある。

【００３６】本発明の更なる目的は、接地時に路面から
受ける衝撃力を緩和するとともに、失いかけた機体の姿
勢安定性を回復する、若しくは回復を容易にすることが
できる、脚式移動ロボットの可動脚ユニットにおける足
部の足平構造を提供することにある。

【００３７】本発明の更なる目的は、ロボットの機体の
動作制御のみに頼ることなく姿勢安定性を容易に維持す
ることができるように構成された、優れた脚式移動ロボ
ットを提供することにある。

【００３８】本発明の更なる目的は、横方向の外乱に対
するロバスト性を強化することで姿勢安定性を容易に維
持することができるように構成された、優れた脚式移動
ロボットを提供することにある。

【００３９】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、上記
課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面
は、２以上の可動脚を備えた脚式移動ロボットであっ
て、機体のピッチ軸モーメント及びロール軸モーメント
がゼロとなるＺＭＰの位置と機体が床面から受ける床反
力で定義されるＺＭＰ挙動空間を制御するＺＭＰ挙動空
間制御手段を備え、前記ＺＭＰ挙動空間制御手段はあら
かじめＺＭＰ挙動空間に所定の歪み又は所定の特性を与
えている、ことを特徴とする脚式移動ロボットである。

【００４０】［従来の技術］の欄でも既に説明したよう
にＺＭＰ安定度判別規範は、ロボットの機体及び路面が
剛体に限りなく近いと仮定できる場合のみ適用すること
ができる規範に過ぎない。すなわち、ロボットや路面が
剛体に限りなく近いと仮定できないので、印加される力
に対するロボットの変形量を適切に且つ比較的短いサン
プリング周期で管理しないと、ＺＭＰが存在している空
間自体が不安定になってしまい、仮にロボットの姿勢が
ＺＭＰ安定度判別規範を満たしても、不安定なＺＭＰを
安定させるために、ロボットの姿勢が不安定になってし
まう。

【００４１】そこで、本発明の第１の側面に係る脚式移
動ロボットは、ＺＭＰ（Zero Moment Point）を姿勢の
安定度判別の規範として採用するが、ロボットの機体の
変形量や運動量を考慮して安定したＺＭＰの存在空間を
持つロボット・システム構成を採用する。

【００４２】すなわち、前記ＺＭＰ挙動空間制御手段
は、ＺＭＰ位置が前記可動脚の足底接地点と路面とが形
成する支持多角形からなるＺＭＰ安定領域の中央からＺ
ＭＰ位置が外れるにつれてＺＭＰ位置が前記ＺＭＰ安定
領域の中央に移動させようとする機体の変形量若しくは
運動量が生じるようにＺＭＰ挙動空間にあらかじめ歪み
を与えている。これによって、機体の姿勢安定性を維持
し易い構造となる。あるいは、前記ＺＭＰ挙動空間制御
手段は、前記床反力に応じて前記ロボットの変形量又は
運動量の大きさ若しくは方向が変化するような所定の特
性を与えるようにしてもよい。

【００４３】本発明の第１の側面に係る脚式移動ロボッ
トは、ＺＭＰ位置の移動量が所定の領域を越えてはじめ
て事後的な補正制御を開始するのではなく、あらかじめ
ロボットの姿勢が安定するような空間歪みや所定の特性
が与えられているので、機体の制御機構が充分な応答速
度を持たなくても、外乱などに対して高いロバスト性を
得ることができる。

【００４４】ここで、前記ＺＭＰ挙動空間制御手段は、
前記ＺＭＰ安定領域の略中心において機体の変形量又は
運動量の極小点を設定するようにしてもよい。このよう
な場合、常に姿勢が安定する方向に機体の変形量や運動
量が生ずるので、姿勢安定性を保つことが容易となる。
また、比較的低いサンプリング周期であっても、充分な
姿勢安定制御を行うことができる。

【００４５】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御手段は、前
記ＺＭＰ安定領域の略中心において機体の変形量又は運
動量の極小点を設定するとともに、前記ＺＭＰ安定領域
の境界近くで機体の変形量又は運動量の極大点を設定す
るようにしてもよい。このような場合、極大点に挟まれ
た領域では、ＺＭＰ位置が常にＺＭＰ安定領域の中心に
向かうようにロボットの機体の変形量又は運動量が生じ
るので、姿勢安定性を保つことが容易となり、また、比
較的低いサンプリング周期であっても充分な姿勢安定制
御を行うことができる。これに対し、極大点を越えた時
点からは、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の外側に向かう
ような変形量又は運動量が生じるので、ロボットは「姿
勢安定モード」から「転倒モード」に転じる。

【００４６】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御手段は、Ｚ
ＭＰ位置が機体の外側に向かう方向を正方向とする第１
の座標軸とＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に向かわ
せるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向と
する第２の座標軸からなるＺＭＰ挙動空間において、単
脚支持後期の立脚に対して、ロボットの変形量若しくは
運動量が負領域において極大値を持ち、且つ、床反力の
増大とともに該変形量若しくは運動量の極大値のＺＭＰ
位置を正方向に移動させるような空間歪みを与えるよう
にしてもよい。

【００４７】このような場合、単脚支持後期の立脚にお
いては、ＺＭＰ位置のＹ方向への移動量にほぼ線形的に
曲がり量が減少する。床反力が小さいときには、ＺＭＰ
位置が機体の内側に移動したときには該立脚は内側に向
かって曲がるとともに、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動
したときには該立脚は外側に向かって曲がるが、床反力
が大きくなるにつれて、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動
しても該立脚は外側には曲がり難くなる。なお、ロボッ
トの総重量を１００としたときに、床反力が１００以上
となるときに床反力が「大きい」と言い、床反力が２０
〜１００程度のときには床反力が「中」と言い、また、
床反力が２０以下となるときに床反力が「小さい」と言
う（以下同様）。但し、これらはだいたいの目安であっ
て、ロボットの機体構造、重量によって変更しても構わ
ない。特に、「床反力が小さい」ということを定性的に
表現すると、両足支持期に、一方の足でほぼ全身を支え
ている際の他方の足に加わっている程度の床反力を言
う。

【００４８】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御手段は、Ｚ
ＭＰ位置が機体の前方に向かう方向を正方向とする第１
の座標軸とＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に向かわ
せるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向と
する第２の座標軸からなるＺＭＰ挙動空間において、単
脚支持後期の立脚に対して、ロボットの変形量若しくは
運動量が負領域においてＺＭＰ安定領域の略中央付近に
おいて極大値を持ち、且つ、床反力の増大とともに該変
形量若しくは運動量の変化が小さくなるような空間歪み
を与えるようにしてもよい。

【００４９】このような場合、単脚支持後期の立脚にお
いては、ＺＭＰ位置のＸ方向への移動量にほぼ線形的に
曲がり量が減少する。床反力が小さいときには、ＺＭＰ
位置が機体の前方に移動したときには該立脚は前方に向
かって曲がるとともに、ＺＭＰ位置が機体の後方に移動
したときには該立脚は後方に向かって曲がるが、床反力
が大きくなるにつれて、ＺＭＰ位置が前方又は後方のい
ずれに移動しても該立脚は曲がり難くなる。

【００５０】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御手段は、単
脚支持後期の立脚に対して、進行方向と直交方向におい
て、床反力が小さいときにはＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領
域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領
域の中心から外れる方向に向かうようなロボットの変形
量若しくは運動量が発生するが、床反力が大きくなるに
従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れるに
つれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心に向かうよう
なロボットの変形量若しくは運動量が生じるような空間
歪みを与えるようにしてもよい。また、進行方向におい
て、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定
領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定
領域の中心から外れる方向に向かうようなロボットの変
形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大きくなる
に従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる
につれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心に向かうよ
うなロボットの変形量若しくは運動量が発生するような
空間歪みを与えるようにしてもよい。

【００５１】このような場合、床反力が小さいときに
は、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときには単脚支
持後期の立脚は内側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位
置が機体の外側に移動したときには該立脚は外側に向か
って曲がるが、床反力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭ
Ｐ位置が機体の内側に移動したときには該立脚は外側に
向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の外側に移動
したときには該立脚は内側に向かって曲がるように構成
される。また、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が
機体の前方に移動したときには該立脚は前方に向かって
曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の後方に移動したとき
には該立脚は後方に向かって曲がるが、床反力が大きく
なるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動した
ときには該立脚は後方に向かって曲がるとともにＺＭＰ
位置が機体の後方に移動したときには該立脚は前方に向
かって曲がるように構成される。

【００５２】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御手段は、単
脚支持後期の体幹部に対して、進行方向と直交する方向
において、床反力が小さいときにはＺＭＰ位置がＺＭＰ
安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ
安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボット
の変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大きく
なるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外
れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心に向か
うようなロボットの変形量若しくは運動量が生じるよう
な空間歪みを与えるようにしてもよい。また、進行方向
において、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭ
Ｐ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭ
Ｐ安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボッ
トの変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大き
くなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から
外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心に向
かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生する
ような空間歪みを与えるようにしてもよい。

【００５３】このような場合、床反力が小さいときに
は、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときには体幹部
は内側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の外
側に移動したときには体幹部は外側に向かって曲がる
が、床反力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機
体の内側に移動したときには体幹部は外側に向かって曲
がるとともにＺＭＰ位置が機体の外側に移動したときに
は体幹部は内側に向かって曲がるように構成される。ま
た、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機体の前方
に移動したときには体幹部は前方に向かって曲がるとと
もにＺＭＰ位置が機体の後方に移動したときには体幹部
は後方に向かって曲がるが、床反力が大きくなるに従
い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動したときには
体幹部は後方に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機
体の後方に移動したときには体幹部は前方に向かって曲
がるように構成される。

【００５４】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御手段は、Ｚ
ＭＰ位置が機体の外側に向かう方向を正方向とする第１
の座標軸とＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に向かわ
せるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向と
する第２の座標軸からなるＺＭＰ挙動空間において、両
脚支持期の立脚に対して、ロボットの変形量若しくは運
動量が負領域においてＺＭＰ安定領域の略中央付近にお
いて極大値を持ち、且つ、床反力の増大とともに該変形
量若しくは運動量の変化が小さくなるような空間歪みを
与えるようにしてもよい。

【００５５】このような場合、ＺＭＰ位置の機体外側へ
の移動量にほぼ線形的に立脚の曲がり量が減少する。床
反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動
したときには該立脚は内側に向かって曲がるとともに、
ＺＭＰ位置が機体の外側に移動したときには該立脚は外
側に向かって曲がるが、床反力が大きくなるにつれて、
ＺＭＰ位置が内側又は外側のいずれに移動しても該立脚
は曲がり難くなるように構成されている。両脚支持期で
は２本の脚で支持するため１本の脚で支持する単脚支持
期に対し脚の曲がり量は小さい。

【００５６】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御手段は、Ｚ
ＭＰ位置が機体の前方に向かう方向を正方向とする第１
の座標軸とＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に向かわ
せるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向と
する第２の座標軸からなるＺＭＰ挙動空間において、両
脚支持期の立脚に対して、ロボットの変形量若しくは運
動量が負領域においてＺＭＰ安定領域の略中央付近にお
いて極大値を持ち、且つ、床反力の増大とともに該変形
量若しくは運動量の変化が小さくなるような空間歪みを
与えるようにしてもよい。

【００５７】このような場合、ＺＭＰ位置の機体前方へ
の移動量にほぼ線形的に立脚の曲がり量が減少する。床
反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動
したときには該立脚は前方に向かって曲がるとともに、
ＺＭＰ位置が機体の後方に移動したときには該立脚は後
方に向かって曲がるが、床反力が大きくなるにつれて、
ＺＭＰ位置が前方又は後方のいずれに移動しても該立脚
は曲がり難くなるように構成されている。両脚支持期で
は２本の脚で支持するため１本の脚で支持する単脚支持
期に対し脚の曲がり量は小さい。

【００５８】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御手段は、両
脚支持期の立脚に対して、進行方向と直交する方向にお
いて、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安
定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安
定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボットの
変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大きくな
るに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れ
るにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心に向かう
ようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するよう
な空間歪みを与えるようにしてもよい。また、進行方向
において、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭ
Ｐ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭ
Ｐ安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボッ
トの変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大き
くなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から
外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心に向
かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生する
ような空間歪みを与えるようにしてもよい。

【００５９】このような場合、床反力が小さいときに
は、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときには両脚支
持期の立脚は内側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置
が機体の外側に移動したときには該立脚は外側に向かっ
て曲がるが、床反力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ
位置が機体の内側に移動したときには該立脚は外側に向
かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の外側に移動し
たときには該立脚は内側に向かって曲がるように構成さ
れる。また、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機
体の前方に移動したときには該立脚は前方に向かって曲
がるとともにＺＭＰ位置が機体の後方に移動したときに
は該立脚は後方に向かって曲がるが、床反力が大きくな
るに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動したと
きには該立脚は後方に向かって曲がるとともにＺＭＰ位
置が機体の後方に移動したときには該立脚は前方に向か
って曲がるように構成される。

【００６０】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御手段は、両
脚支持期の体幹部に対して、進行方向と直交する方向に
おいて、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭＰ
安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ
安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボット
の変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大きく
なるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外
れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心に向か
うようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するよ
うな空間歪みを与えるようにしてもよい。また、進行方
向において、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺ
ＭＰ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺ
ＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボ
ットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大
きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心か
ら外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心に
向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生す
るような空間歪みを与えるようにしてもよい。

【００６１】このような場合、床反力が小さいときに
は、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときには体幹部
は内側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の外
側に移動したときには体幹部は外側に向かって曲がる
が、床反力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機
体の内側に移動したときには体幹部は外側に向かって曲
がるとともにＺＭＰ位置が機体の外側に移動したときに
は体幹部は内側に向かって曲がるように構成される。ま
た、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機体の前方
に移動したときには体幹部は前方に向かって曲がるとと
もにＺＭＰ位置が機体の後方に移動したときには体幹部
は後方に向かって曲がるが、床反力が大きくなるに従
い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動したときには
体幹部は後方に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機
体の後方に移動したときには体幹部は前方に向かって曲
がるように構成される。

【００６２】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御手段は、Ｚ
ＭＰ位置が機体の外側に向かう方向を負方向とする第１
の座標軸とＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に向かわ
せるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向と
する第２の座標軸からなるＺＭＰ挙動空間において、単
脚支持前期の立脚に対して、ロボットの変形量若しくは
運動量が負領域において極大値を持ち、且つ、床反力の
増大とともに該変形量若しくは運動量の極大値のＺＭＰ
位置を正方向に移動させるような空間歪みを与えるよう
にしてもよい。

【００６３】このような場合、単脚支持前期の立脚にお
いては、ＺＭＰ位置のＹ方向への移動量にほぼ線形的に
曲がり量が減少する。床反力が小さいときには、ＺＭＰ
位置が機体の内側に移動したときには該立脚は内側に向
かって曲がるとともに、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動
したときには該立脚は外側に向かって曲がるが、床反力
が大きくなるにつれて、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動
しても該立脚は外側には曲がり難くなる。

【００６４】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御手段は、Ｚ
ＭＰ位置が機体の前方に向かう方向を正方向とする第１
の座標軸とＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に向かわ
せるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向と
する第２の座標軸からなるＺＭＰ挙動空間において、単
脚支持前期の立脚に対して、ロボットの変形量若しくは
運動量が負領域においてＺＭＰ安定領域の略中央付近に
おいて極大値を持ち、且つ、床反力の増大とともに該変
形量若しくは運動量の変化が小さくなるような空間歪み
を与えるようにしてもよい。

【００６５】このような場合、単脚支持前期の立脚にお
いては、ＺＭＰ位置のＸ方向への移動量にほぼ線形的に
曲がり量が減少する。床反力が小さいときには、ＺＭＰ
位置が機体の前方に移動したときには該立脚は前方に向
かって曲がるとともに、ＺＭＰ位置が機体の後方に移動
したときには該立脚は後方に向かって曲がるが、床反力
が大きくなるにつれて、ＺＭＰ位置が前方又は後方のい
ずれに移動しても該立脚は曲がり難くなる。

【００６６】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御手段は、単
脚支持前期の立脚に対して、進行方向と直交する方向に
おいて、床反力が小さいときにはＺＭＰ位置がＺＭＰ安
定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安
定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボットの
変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大きくな
るに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れ
るにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心に向かう
ようなロボットの変形量若しくは運動量が生じるような
空間歪みを与えるようにしてもよい。また、進行方向に
おいて、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭＰ
安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ
安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボット
の変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大きく
なるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外
れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心に向か
うようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するよ
うな空間歪みを与えるようにしてもよい。

【００６７】このような場合、床反力が小さいときに
は、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動したときには単脚支
持前期の立脚は外側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位
置が機体の内側に移動したときには該立脚は内側に向か
って曲がるが、床反力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭ
Ｐ位置が機体の外側に移動したときには該立脚は内側に
向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の内側に移動
したときには該立脚は外側に向かって曲がるように構成
される。また、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が
機体の前方に移動したときには該立脚は前方に向かって
曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の後方に移動したとき
には該立脚は後方に向かって曲がるが、床反力が大きく
なるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動した
ときには該立脚は後方に向かって曲がるとともにＺＭＰ
位置が機体の後方に移動したときには該立脚は前方に向
かって曲がるように構成される。

【００６８】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御手段は、単
脚支持前期の体幹部に対して、進行方向と直交する方向
において、床反力が小さいときにはＺＭＰ位置がＺＭＰ
安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ
安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボット
の変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大きく
なるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外
れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心に向か
うようなロボットの変形量若しくは運動量が生じるよう
な空間歪みを与えるようにしてもよい。また、進行方向
において、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭ
Ｐ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭ
Ｐ安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボッ
トの変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大き
くなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から
外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心に向
かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生する
ような空間歪みを与えるようにしてもよい。

【００６９】このような場合、床反力が小さいときに
は、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動したときには体幹部
は外側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の内
側に移動したときには体幹部は内側に向かって曲がる
が、床反力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機
体の外側に移動したときには体幹部は内側に向かって曲
がるとともにＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときに
は体幹部は外側に向かって曲がるように構成される。ま
た、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機体の前方
に移動したときには体幹部は前方に向かって曲がるとと
もにＺＭＰ位置が機体の後方に移動したときには体幹部
は後方に向かって曲がるが、床反力が大きくなるに従
い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動したときには
体幹部は後方に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機
体の後方に移動したときには体幹部は前方に向かって曲
がるように構成される。

【００７０】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御手段は、略
平板状の足平フレームと、前記足平フレームの底面に配
置された、初期の比較的変形量が大きな領域とそれ以後
の比較的変形量が小さな領域からなる非線型弾性特性を
持つ足底緩衝体と、前記足平フレームの上面の略中央に
配設された、前記脚式移動ロボットの稼働脚と連結する
ための足首連結部と、で構成される各可動脚の足部構造
であってもよい。

【００７１】このように非線形変形特性を持つ足底緩衝
体を使用することにより、まず路面と接触を開始すると
足底緩衝体が変形を開始することから、充分な緩衝作用
を期待することができる。また、さらに変形が進行する
と、非線形特性により今度は印加荷重当りの変形量が減
少していくので、過度の変形により足底が不安定となる
ことはない。言い換えれば、前記ＺＭＰ挙動空間制御手
段が足部構造により構成されることにより、ＺＭＰ位置
がＺＭＰ安定領域の内側に向かうようなロボットの変形
量や運動量を生じさせるような空間歪みを持ったＺＭＰ
挙動空間を与えることができる。

【００７２】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御手段は、前
記可動脚における関節自由度を実現する１以上の関節ア
クチュエータと、前記関節アクチュエータを前記脚式移
動ロボットの機体の内側から支持するための、第１の剛
性を持つ内側支持体と、前記関節アクチュエータを前記
脚式移動ロボットの機体の外側から支持するための、第
１の剛性よりも比較的大きな第２の剛性を持つ外側支持
体と、で構成される各可動脚の脚部構造であってもよ
い。

【００７３】このような脚部構造からなるＺＭＰ挙動空
間制御手段を備えることにより、予期しない外乱がロボ
ットの機体に発生した場合であっても、ＺＭＰが機体の
外側すなわち土踏まずの反対側に移動しにくくなるよう
に作用することができる。この結果、脚式移動ロボット
全体としては、横方向の外乱に対するロバスト性が強化
されるので、機体の姿勢安定化制御が著しく容易とな
る。言い換えれば、外乱によりＺＭＰが機体の内側すな
わち土踏まず側に移動するように誘導される。すなわ
ち、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の内側に向かうような
ロボットの変形量又は運動量を生じさせるような空間歪
みをＺＭＰ挙動空間に与えることができる。例えば、脚
式移動ロボットは、予期しない外乱により土踏まず側す
なわち左右の両足に間に向かってＺＭＰが移動した場合
には、遊脚を高速に着地させることで、安定領域を倍増
させることができ、転倒を容易に防ぐことができる。

【００７４】また、本発明の第２の側面は、少なくとも
複数本の可動脚を備えた脚式移動ロボットのための足部
構造であって、略平板状の足平フレームと、前記足平フ
レームの底面に配置された、初期の比較的変形量が大き
な領域とそれ以後の比較的変形量が小さな領域からなる
非線型弾性特性を持つ足底緩衝体と、前記足平フレーム
の上面の略中央に配設された、前記脚式移動ロボットの
稼働脚と連結するための足首連結部と、を具備すること
を特徴とする脚式移動ロボットのための足部構造であ
る。

【００７５】前記足底緩衝体は、例えば、高さが相違す
る２以上の緩衝部材を前記足平フレームの底面の所定部
位に配設することによって構成される。高さが相違する
緩衝部材を組み合わせることにより、足底緩衝体の非線
形な変形特性を比較的容易に実現することができる。

【００７６】このように非線形変形特性を持つ足底緩衝
体を使用することにより、まず路面と接触を開始すると
足底緩衝体が変形を開始することから、充分な緩衝作用
を期待することができる。また、さらに変形が進行する
と、非線形特性により今度は印加荷重当りの変形量が減
少していくので、過度の変形により足底が不安定となる
ことはない。言い換えれば、本発明の第２の側面に係る
脚式移動ロボットのための足部構造によれば、ＺＭＰ位
置がＺＭＰ安定領域の内側に向かうようなロボットの変
形量や運動量を生じさせるような空間歪みを持ったＺＭ
Ｐ挙動空間を与えることができる。

【００７７】また、前記足底緩衝体は、前記足平フレー
ムの底面の内側並びに外側にそれぞれ配設してもよい。
このような場合、前記足平フレームの底面の内側並びに
外側にそれぞれ配設され、且つ、内側よりも外側の足底
緩衝体の弾性係数を高く設定するようにしてもよい。

【００７８】内側と外側の足底緩衝体の変形特性の相違
により、高い衝撃力が印加されたときには、内側足底緩
衝体の方がより深く沈み込むことになる。この結果、こ
の足平フレーム上に搭載された脚部ユニットが、ロボッ
トの機体の内側すなわち中心側（土踏まず側）に向かっ
て傾くことになり、ロボットのＺＭＰを機体の内側に向
かわせながら遊脚を着地させることで安定領域を倍増さ
せる方向へ移動させて、姿勢の安定性・制御性を向上さ
せるという効果を導出することができる。

【００７９】また、前記足平フレームは、前記脚式移動
ロボットのピッチ軸回りよりもロール軸回りの剛性を強
化してもよい。例えば、足平フレームの上面及び／又は
底面の所定部位に凹部を形設することにより、前記脚式
移動ロボットのピッチ軸回りよりもロール軸回りの剛性
を強化することができる。

【００８０】２足直立タイプの脚式移動ロボットは、一
般に、歩行方向すなわち前後方向（ピッチ軸回り方向）
に比し、横方向（ロール軸回り方向）のＺＭＰの存在範
囲が狭い。言い換えれば、ロール軸回りの外乱に対する
ロバスト性が低いため、横方向すなわちロール軸回りに
対しては非常に高い制御精度が要求されている。本発明
に係る足部構造によれば、ロール軸回りの剛性を強化す
ることができ、横方向の外乱に対するロバスト性を著し
く向上させるという効果を導出することができる。この
結果、２足直立歩行ロボットの姿勢安定制御が容易にな
る。

【００８１】また、本発明の第３の側面は、少なくとも
１組の左右の可動脚ユニットを備えて脚式作業を行うタ
イプの脚式移動ロボットであって、前記可動脚ユニット
は、前記可動脚における関節自由度を実現する１以上の
関節アクチュエータと、前記関節アクチュエータを前記
脚式移動ロボットの機体の内側から支持するための、第
１の剛性を持つ内側支持体と、前記関節アクチュエータ
を前記脚式移動ロボットの機体の外側から支持するため
の、第１の剛性よりも比較的大きな第２の剛性を持つ外
側支持体と、を具備することを特徴とする脚式移動ロボ
ットである。

【００８２】本発明の第３の側面に係る脚式移動ロボッ
トによれば、左右それぞれの可動脚ユニットについて、
その外側支持体と内側支持体とで剛性を異ならせる構
造、すなわち内側支持体に比し外側支持体の剛性（特に
曲げ剛性）を強化した構造を採用する。このような構成
を採用することによって、予期しない外乱がロボットの
機体に発生した場合であっても、ＺＭＰが機体の外側す
なわち土踏まずの反対側に移動しにくくなるように作用
することができる。この結果、脚式移動ロボット全体と
しては、横方向の外乱に対するロバスト性が強化される
ので、機体の姿勢安定化制御が著しく容易となる。

【００８３】言い換えれば、本発明の第３の側面によれ
ば、外乱によりＺＭＰが機体の内側すなわち土踏まず側
に移動するように誘導される。すなわち、ＺＭＰ位置が
ＺＭＰ安定領域の内側に向かうようなロボットの変形量
又は運動量を生じさせるような空間歪みをＺＭＰ挙動空
間に与えることができる。例えば、脚式移動ロボット
は、予期しない外乱により土踏まず側すなわち左右の両
足に間に向かってＺＭＰが移動した場合には、遊脚を高
速に着地させることで、安定領域を倍増させることがで
き、転倒を容易に防ぐことができる。

【００８４】ここで、第２の剛性は、第１の剛性の１．
２倍以上の曲げ剛性であることが好ましい。更に言え
ば、第２の剛性は、第１の剛性の１．５〜２．０倍程度
であることがより好ましい。

【００８５】このような第１の剛性と第２の剛性の相違
は、前記内側支持体と前記外側支持体の肉厚の相違によ
り実現される。

【００８６】あるいは、第１の剛性と第２の剛性の相違
は、前記内側支持体と前記外側支持体の形状の相違によ
り実現される。

【００８７】あるいは、第１の剛性と第２の剛性の相違
は、前記内側支持体と前記外側支持体を強度の異なる素
材を用いて構成することによっても実現される。

【００８８】また、前記可動脚の関節自由度は、少なく
とも大腿部ロール軸並びに膝関節ロール軸回りの各自由
度を含んでいてもよい。さらに、足平と連結するための
足首関節の自由度を備えていてもよい。

【００８９】また、本発明の第４の側面は、脚式作業を
行う脚式移動ロボットに対して左右の組み合わせで用い
られる可動脚ユニットであって、前記可動脚における関
節自由度を実現する１以上の関節アクチュエータと、前
記関節アクチュエータを前記脚式移動ロボットの機体の
内側から支持するための、第１の剛性を持つ内側支持体
と、前記関節アクチュエータを前記脚式移動ロボットの
機体の外側から支持するための、第１の剛性よりも比較
的大きな第２の剛性を持つ外側支持体と、を具備するこ
とを特徴とする脚式移動ロボットのための可動脚ユニッ
トである。

【００９０】本発明の第４の側面に係る可動脚ユニット
を左右１組にして搭載した脚式移動ロボットにおいて
は、左右それぞれの可動脚ユニットの外側支持体と内側
支持体とで剛性を異ならせる構造、すなわち内側支持体
に比し外側支持体の剛性（特に曲げ剛性）を強化した構
造となる。したがって、予期しない外乱がロボットの機
体に発生した場合であっても、ＺＭＰが機体の外側すな
わち土踏まずの反対側に移動しにくくなるように作用す
ることができる。この結果、脚式移動ロボット全体とし
ては、横方向の外乱に対するロバスト性が強化されるの
で、機体の姿勢安定化制御が著しく容易となる。

【００９１】言い換えれば、本発明の第４の側面によれ
ば、外乱によりＺＭＰが機体の内側すなわち土踏まず側
に移動するように誘導される。すなわち、ＺＭＰ位置が
ＺＭＰ安定領域の内側に向かうようなロボットの変形量
又は運動量を生じさせるような空間歪みをＺＭＰ挙動空
間に与えることができる。例えば、当該可動脚ユニット
を搭載した脚式移動ロボットは、予期しない外乱により
土踏まず側すなわち左右の両足に間に向かってＺＭＰが
移動した場合には、遊脚を高速に着地させることで、安
定領域を倍増させることができ、転倒を容易に防ぐこと
ができる。

【００９２】ここで、第２の剛性は、第１の剛性の１．
２倍以上の曲げ剛性であることが好ましい。更に言え
ば、第２の剛性は、第１の剛性の１．５〜２．０倍程度
であることがより好ましい。

【００９３】このような第１の剛性と第２の剛性の相違
は、前記内側支持体と前記外側支持体の肉厚の相違によ
り実現される。

【００９４】あるいは、第１の剛性と第２の剛性の相違
は、前記内側支持体と前記外側支持体の形状の相違によ
り実現される。

【００９５】あるいは、第１の剛性と第２の剛性の相違
は、前記内側支持体と前記外側支持体を強度の異なる素
材を用いて構成することによっても実現される。

【００９６】また、前記可動脚の関節自由度は、少なく
とも大腿部ロール軸並びに膝関節ロール軸回りの自由度
を含んでいてもよい。さらに、足平と連結するための足
首関節の自由度を備えていてもよい。

【００９７】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形態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。

【００９８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態について詳解する。

【００９９】Ａ．ロボットの構成 図３及び図４には本発明の実施に供される「人間形」又
は「人間型」の脚式移動ロボット１００が直立している
様子を前方及び後方の各々から眺望した様子を示してい
る。図示の通り、脚式移動ロボット１００は、体幹部１
０１と、頭部１０２と、左右の上肢部１０３と、脚式移
動を行う左右２足の下肢部１０４と、機体の動作を統括
的にコントロールする制御部１０５とで構成される。

【０１００】左右各々の下肢１０４は、大腿部と、膝関
節と、脛部と、足首と、足平とで構成され、股関節によ
って体幹部の略最下端にて連結されている。また、左右
各々の上肢は、上腕と、肘関節と、前腕とで構成され、
肩関節によって体幹部の上方の左右各側縁にて連結され
ている。また、頭部は、首関節によって体幹部の略最上
端中央に連結されている。

【０１０１】制御部１０５は、この脚式移動ロボット１
００を構成する各関節アクチュエータの駆動制御や各セ
ンサ（後述）などからの外部入力を処理するコントロー
ラ（主制御部）や、電源回路その他の周辺機器類を搭載
した筐体である。制御部は、その他、遠隔操作用の通信
インターフェースや通信装置を含んでいてもよい。ま
た、図３及び図４に示す例では、脚式移動ロボット１０
０が制御部を背中に背負うような格好となっているが、
制御部の設置場所は特に限定されない。

【０１０２】このように構成された脚式移動ロボット１
００は、制御部１０５による全身協調的な動作制御によ
り、２足歩行を実現することができる。かかる２足歩行
は、一般に、以下に示す各動作期間に分割される歩行周
期を繰り返すことによって行われる。すなわち、

【０１０３】（１）右脚を持ち上げた、左脚による単脚
支持期 （２）右脚が接地した両脚支持期 （３）左脚を持ち上げた、右脚による単脚支持期 （４）左脚が接地した両脚支持期

【０１０４】脚式移動ロボット１００における歩行制御
は、あらかじめ下肢の目標軌道を計画し、上記の各期間
において計画軌道の修正を行うことによって実現され
る。すなわち、両脚支持期では、下肢軌道の修正を停止
して、計画軌道に対する総修正量を用いて腰の高さを一
定値で修正する。また、単脚支持期では、修正を受けた
脚の足首と腰との相対位置関係を計画軌道に復帰させる
ように修正軌道を生成する。具体的な修正は、ＺＭＰに
対する偏差を小さくするための位置、速度、及び加速度
が連続となるように、５次多項式を用いた補間計算によ
り行う。

【０１０５】図５には、この脚式移動ロボット１００が
具備する関節自由度構成を模式的に示している。同図に
示すように、脚式移動ロボット１００は、２本の腕部と
頭部１を含む上肢と、移動動作を実現する２本の脚部か
らなる下肢と、上肢と下肢とを連結する体幹部とで構成
された、複数の肢を備えた構造体である。

【０１０６】頭部１を支持する首関節は、首関節ヨー軸
２と、首関節ピッチ軸３と、首関節ロール軸４という３
自由度を有している。

【０１０７】また、各腕部は、肩関節ピッチ軸８と、肩
関節ロール軸９と、上腕ヨー軸１０と、肘関節ピッチ軸
１１と、前腕ヨー軸１２と、手首関節ピッチ軸１３と、
手首関節ロール軸１４と、手部１５とで構成される。手
部１５は、実際には、複数本の指を含む多関節・多自由
度構造体である。但し、手部１５の動作はロボット１０
０の姿勢制御や歩行制御に対する寄与や影響が少ないの
で、本明細書ではゼロ自由度と仮定する。したがって、
各腕部は７自由度を有するとする。

【０１０８】また、体幹部は、体幹ピッチ軸５と、体幹
ロール軸６と、体幹ヨー軸７という３自由度を有する。

【０１０９】また、下肢を構成する各々の脚部は、股関
節ヨー軸１６と、股関節ピッチ軸１７と、股関節ロール
軸１８と、膝関節ピッチ軸１９と、足首関節ピッチ軸２
０と、足首関節ロール軸２１と、足部２２とで構成され
る。人体の足部２２は実際には多関節・多自由度の足底
を含んだ構造体であるが、本実施形態に係る脚式移動ロ
ボット１００の足底はゼロ自由度とする。したがって、
各脚部は６自由度で構成される。

【０１１０】以上を総括すれば、本実施例に係る脚式移
動ロボット１００全体としては、合計で３＋７×２＋３
＋６×２＝３２自由度を有することになる。但し、エン
ターティンメント向けの脚式移動ロボット１００が必ず
しも３２自由度に限定される訳ではない。設計・製作上
の制約条件や要求仕様などに応じて、自由度すなわち関
節数を適宜増減することができることは言うまでもな
い。

【０１１１】上述したような脚式移動ロボット１００が
持つ各自由度は、実際にはアクチュエータを用いて実装
される。外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形
状に近似させること、２足歩行という不安定構造体に対
して姿勢制御を行うことなどの要請から、アクチュエー
タは小型且つ軽量であることが好ましい。本実施例で
は、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化して
モータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ＡＣサーボ・
アクチュエータを搭載することとした。なお、この種の
ＡＣサーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願
人に既に譲渡されている特開２０００−２９９９７０号
公報（特願平１１−３３３８６号）に開示されている。

【０１１２】図６には、本実施形態に係る脚式移動ロボ
ット１００の制御システム構成を模式的に示している。
同図に示すように、該制御システムは、ユーザ入力など
に動的に反応して情緒判断や感情表現を司る思考制御モ
ジュール２００と、関節アクチュエータの駆動などロボ
ットの全身協調運動を制御する運動制御モジュール３０
０とで構成される。

【０１１３】思考制御モジュール２００は、情緒判断や
感情表現に関する演算処理を実行するＣＰＵ（Central
Processing Unit）２１１や、ＲＡＭ（Random Access M
emory）２１２、ＲＯＭ（Read Only Memory）２１３、
及び、外部記憶装置（ハード・ディスク・ドライブなど）
２１４で構成される、モジュール内で自己完結した処理
を行うことができる、独立駆動型の情報処理装置であ
る。

【０１１４】思考制御モジュール２００は、情緒判断や
感情表現に関する演算処理を実行するＣＰＵ（Central
Processing Unit）２１１や、ＲＡＭ（Random Access M
emory）２１２、ＲＯＭ（Read Only Memory）２１３、
及び、外部記憶装置（ハード・ディスク・ドライブなど）
２１４で構成される、モジュール内で自己完結した処理
を行うことができる独立した情報処理装置である。

【０１１５】思考制御モジュール２００では、画像入力
装置２５１から入力される視覚データや音声入力装置２
５２から入力される聴覚データなど、外界からの刺激な
どに従って、脚式移動ロボット１００の現在の感情や意
思を決定する。さらに、意思決定に基づいた動作（アク
ション）又は行動シーケンス（ビヘイビア）、すなわち
四肢の運動を実行するように、運動制御モジュール３０
０に対して指令を発行する。

【０１１６】一方の運動制御モジュール３００は、ロボ
ット１００の全身協調運動を制御するＣＰＵ（Central
Processing Unit）３１１や、ＲＡＭ（Random Access M
emory）３１２、ＲＯＭ（Read Only Memory）３１３、
及び、外部記憶装置（ハード・ディスク・ドライブなど）
３１４で構成される、モジュール内で自己完結した処理
を行うことができる、独立駆動型の情報処理装置であ
る。外部記憶装置３１４には、例えば、オフラインで算
出された歩行パターンやＺＭＰ目標軌道、その他の行動
計画を蓄積することができる。

【０１１７】運動制御モジュール３００には、ロボット
１００の全身に分散するそれぞれの関節自由度を実現す
る各関節アクチュエータ（図５を参照のこと）、体幹部
の姿勢や傾斜を計測する姿勢センサ３５１、左右の足底
の離床又は着床を検出する接地確認センサ３５２及び３
５３、バッテリなどの電源を管理する電源制御装置など
の各種の装置が、バス・インターフェース３０１経由で
接続されている。

【０１１８】思考制御モジュール２００と運動制御モジ
ュール３００は、共通のプラットフォーム上で構築さ
れ、両者間はバス・インターフェース２０１及び３０１
を介して相互接続されている。

【０１１９】運動制御モジュール３００では、思考制御
モジュール２００から指示された行動を体現すべく、各
関節アクチュエータによる全身協調運動を制御する。す
なわち、ＣＰＵ３１１は、思考制御モジュール２００か
ら指示された行動に応じた動作パターンを外部記憶装置
３１４から取り出し、又は、内部的に動作パターンを生
成する。そして、ＣＰＵ３１１は、指定された動作パタ
ーンに従って、足部運動、ＺＭＰ軌道、体幹運動、上肢
運動、腰部水平位置及び高さなどを設定するとともに、
これらの設定内容に従った動作を指示する指令値を各関
節アクチュエータに転送する。

【０１２０】また、ＣＰＵ３１１は、姿勢センサ３５１
の出力信号によりロボット１００の体幹部分の姿勢や傾
きを検出するとともに、各接地確認センサ３５２及び３
５３の出力信号により各可動脚が遊脚又は立脚のいずれ
の状態であるかを検出することによって、脚式移動ロボ
ット１００の全身協調運動を適応的に制御することがで
きる。

【０１２１】また、ＣＰＵ３１１は、ＺＭＰ位置が常に
ＺＭＰ安定領域の中心に向かうように、機体の姿勢や動
作を制御する。

【０１２２】さらに、運動制御モジュール３００は、思
考制御モジュール２００において決定された意思通りの
行動がどの程度発現されたか、すなわち処理の状況を、
思考制御モジュール２００に返すようになっている。

【０１２３】Ｂ．ロボットの姿勢制御 脚式移動ロボットの多くは、ＺＭＰ（Zero Moment Poin
t）を歩行の安定度判別の規範として採用する。

【０１２４】ＺＭＰによる安定度判別規範は、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
路面から歩行系への反作用としての床反力、並びに床反
力モーメントとバランスするという「ダランベールの原
理」に基づくものであり、「歩行のあらゆる瞬間におい
て、ＺＭＰが足部と路面とが形成する支持多角形の内側
に存在し、且つ、ロボットが路面に押す方向の力が作用
すれば、ロボットが転倒（機体が回転運動）することな
く安定に歩行できる」とするものである。

【０１２５】ＺＭＰを安定度判別規範に用いたロボット
の姿勢安定度制御は、足底接地点と路面の形成する支持
多角形の内側にピッチ及びロール軸モーメントがゼロと
なる点を探索することをベースとする。ＺＭＰ安定度判
別規範に基づく２足歩行パターン生成によれば、足底着
地点をあらかじめ設定することができ、路面形状に応じ
た足先の運動学的拘束条件を考慮し易いなどの利点があ
る。また、ＺＭＰを安定度判別規範とすることは、力で
はなく軌道を運動制御上の目標値として扱うことを意味
するので、技術的に実現可能性が高まる。

【０１２６】しかしながら、［従来の技術の欄］でも既
に説明したように、ＺＭＰ規範は、ロボットの機体及び
路面が剛体に限りなく近いと仮定できる場合のみ適用す
ることができる規範に過ぎない。すなわち、ロボットや
路面が剛体に限りなく近いと仮定できない場合、例え
ば、ロボットが高速に動くことでＺＭＰに作用している
（並進）力や、立脚切替え時の衝撃力が大きくなり、ロ
ボット自身に変形や運動が発生してしまう場合には、印
加される力に対するロボットの変形量を適切に管理しな
いと、ＺＭＰが存在している空間自体が不安定になって
しまい、仮にロボットの姿勢がＺＭＰ安定度判別規範を
満たしても、不安定なＺＭＰ位置をとるために、ロボッ
トの姿勢が不安定になってしまう。

【０１２７】また、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域から逸
脱してはじめて補正制御をかけるという事後的制御で
は、充分な速度で応答できず、外乱などに対するロバス
ト性が高くない。

【０１２８】そこで、本実施形態では、ロボットの機体
の変形量や運動量を考慮して安定したＺＭＰ挙動空間を
持つロボット・システム構成を採用する。ＺＭＰ挙動空
間はＺＭＰ位置と機体が床面から受ける床反力で定義さ
れるが、本実施形態では機体が安定するような変形量や
運動量が発生するように、ＺＭＰ挙動空間に所定の歪み
又は所定の特性があらかじめ与えられている。

【０１２９】したがって、ＺＭＰ位置の移動量が所定の
領域を越えてはじめて事後的な補正制御を開始するので
はなく、あらかじめロボットの姿勢が安定するような空
間歪みが与えられているので、機体の制御機構が充分な
応答速度を持たなくても、外乱などに対して高いロバス
ト性を得ることができる。

【０１３０】ここで、ロボットの変形量（若しくは運動
量）の正負は、負がＺＭＰを安定領域の縁に移動させよ
うとする空間歪みを生じさせる方向となり、正がＺＭＰ
を安定領域の中心に移動させようとする空間歪みを生じ
させる方向となる、という点に留意されたい。

【０１３１】図７には、ロボットの変形量又は運動量と
ＺＭＰ位置との関係を表したＺＭＰ挙動空間の構成例を
示している。

【０１３２】同図に示す例では、ＺＭＰ挙動空間は、放
物線又は円弧で表される非線型曲線で構成される。ま
た、図示しないが、不連続点や変曲点を含んでいてもよ
い。

【０１３３】ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域内の略中央付
近においては、ロボットに大きな変形量（若しくは運動
量）は発生しないので、そのままの状態ではロボットは
機体の姿勢安定性を失うことはない。

【０１３４】また、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央
から離れるにつれて、ロボットの変形量（若しくは運動
量）は正方向に増大していく。これに伴って、ＺＭＰを
安定領域の中心に移動させようとする空間歪みを生じさ
せる作用が働くので、やはり機体の姿勢安定性を維持し
易くなる。

【０１３５】また、図８には、ロボットの変形量又は運
動量とＺＭＰ位置との関係を表したＺＭＰ挙動空間の他
の構成例を示している。

【０１３６】同図に示す例では、ＺＭＰ挙動空間は、Ｚ
ＭＰ安定領域の略中央付近の線形直線と、その左右両端
で接続される非線型曲線とで構成され、直線と曲線の間
で不連続点を含んでいる。また、図示しないが変曲点を
含んでいてもよい。

【０１３７】ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の略中央付近
では、平坦すなわちロボットに大きな変形量（若しくは
運動量）は発生しないので、そのままの状態ではロボッ
トは機体の姿勢安定性を失うことはない。

【０１３８】また、ＺＭＰ位置が平坦な領域を逸脱する
と、ロボットの変形量（若しくは運動量）は正方向に急
激に増大していく。これに伴って、ＺＭＰを安定領域の
中心に移動させようとする空間歪みを生じさせる作用が
働くので、積極的な運動制御がなくても、機体の姿勢安
定性を維持し易くなる。

【０１３９】また、図９には、ロボットの変形量又は運
動量とＺＭＰ位置との関係を表したＺＭＰ挙動空間のさ
らに他の構成例を示している。

【０１４０】同図に示す例では、ＺＭＰ挙動空間は、複
数の線形直線を連結して構成され、複数の不連続点を含
んでいる。

【０１４１】ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の略中央付近
では、ＺＭＰ中央位置からの距離に応じてロボットの変
形量（若しくは運動量）が徐々に正方向に増大する比較
的傾斜が緩やかな直線でＺＭＰ挙動空間が形成される。
また、ＺＭＰ中央位置からの距離が所定値に到達した時
点で、ＺＭＰ中央位置からの距離に応じてロボットの変
形量（若しくは運動量）が急激に正方向に増大していく
比較的傾斜が急な直線でＺＭＰ挙動空間が形成されてい
る。

【０１４２】図示の例では、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領
域の略中央付近では、ＺＭＰを安定領域の中心に移動さ
せようとする空間歪みを生じさせる比較的弱い作用が働
くとともに、ＺＭＰ位置がＺＭＰ中央位置からある距離
から離れた時点では、ＺＭＰを安定領域の中心に移動さ
せようとする空間歪みを生じさせる比較的強い作用が働
くことになる。したがって、積極的な運動制御がなくて
も、同様に機体の姿勢安定性を維持し易くなる。

【０１４３】また、図１０には、ロボットの変形量又は
運動量とＺＭＰ位置との関係を表したＺＭＰ挙動空間の
さらに他の構成例を示している。

【０１４４】同図に示す例では、ＺＭＰ挙動空間は、非
線型曲線で構成され、ＺＭＰ安定領域の略中央位置に極
小点を持つとともに、ＺＭＰ安定領域の境界の近くで極
大点を有している。

【０１４５】このようなＺＭＰ挙動空間においては、Ｚ
ＭＰ位置が左右の極大点の内側では、ＺＭＰ中央位置か
らの距離に応じてロボットの変形量（若しくは運動量）
は正方向に増大するので、機体の姿勢安定性の維持が容
易な姿勢安定モードを形成する。

【０１４６】他方、ＺＭＰ位置が左右の極大点の外側で
は、ロボットの変形量（若しくは運動量）は徐々に減少
していき、ＺＭＰを安定領域の中心に移動させようとす
る空間歪みは低下していく。この結果、機体は姿勢の安
定性を失い易くなり、転倒モードを形成する。

【０１４７】また、図１１には、ロボットの変形量又は
運動量とＺＭＰ位置との関係を表したＺＭＰ挙動空間の
さらに他の構成例を示している。

【０１４８】同図に示す例では、複数の線形直線を連結
して構成され、複数の不連続点を含んでいる。ＺＭＰ安
定領域の略中央付近では、ＺＭＰ中央位置からの距離に
応じてロボットの変形量（若しくは運動量）が徐々に負
方向に増大する比較的傾斜が緩やかな直線でＺＭＰ挙動
空間が形成される。また、ＺＭＰ中央位置からの距離が
所定値に到達した時点で、平坦となる。

【０１４９】この場合のＺＭＰ挙動空間は、ＺＭＰ安定
領域内のいずれの位置においてもロボットの変形量（若
しくは運動量）が負方向にのみ作用し、ＺＭＰ位置がそ
の中央位置からある程度以上離れると、ＺＭＰを安定領
域外に移動させようとする空間ひずみは一定量になる。
したがって、不安定ではあるが制御が比較的容易なＺＭ
Ｐ挙動空間であると言える。

【０１５０】次いで、図３〜図５に示すような２足の脚
式移動ロボット１００が歩行動作を行う場合を例にとっ
て、ＺＭＰ挙動空間について考察してみる。本実施形態
では、ＺＭＰ挙動空間はＺＭＰ安定領域の略中央にＺＭ
Ｐ位置が向かうような空間歪みが与えられており、機体
が安定する方向にＺＭＰ位置が自ずと移動するように、
床反力に応じた機体の変形量若しくは運動量が発生する
ようになっている。

【０１５１】図１２及び図１３には、単脚支持期後期の
左立脚におけるＹ方向（進行方向と直交方向）並びにＸ
方向（進行方向）のＺＭＰ挙動空間の構成例をそれぞれ
示している。

【０１５２】図１２に示すように、単脚支持期後期の左
立脚におけるＹ方向のＺＭＰ挙動空間は、床反力が小さ
いときにはＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れ
るにつれて負方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域
の中心から外れる方向に向かうようなロボットの変形量
若しくは運動量が発生するが、床反力が大きくなるにつ
れてＺＭＰ位置が機体の外側に向かって移動したときに
はロボットの変形量若しくは運動量が生じなくなるよう
な空間歪みが与えられている。この結果、支持脚として
左立脚においては、ＺＭＰ位置のＹ方向への移動量にほ
ぼ線形的に曲がり量が減少する。床反力が小さいときに
は、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときには左立脚
は内側に向かって曲がるとともに、ＺＭＰ位置が機体の
外側に移動したときには左立脚は外側に向かって曲がる
が、床反力が大きくなるにつれて、ＺＭＰ位置が機体の
外側に移動しても左立脚は外側には曲がり難くなるよう
に構成されている。

【０１５３】なお、ロボットの総重量を１００としたと
きに、床反力が１００以上となるときに床反力が「大き
い」と言い、床反力が２０〜１００程度のときには床反
力が「中」と言い、また、床反力が２０以下となるとき
に床反力が「小さい」と言う（以下同様）。但し、これ
らはだいたいの目安であって、ロボットの機体構造、重
量によって変更しても構わない。特に、「床反力が小さ
い」ということを定性的に表現すると、両足支持期に、
一方の足でほぼ全身を支えている際の他方の足に加わっ
ている程度の床反力を言う。

【０１５４】また、図１３に示すように、単脚支持期後
期の左立脚におけるＸ方向のＺＭＰ挙動空間は、ＺＭＰ
位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれて負方向
すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる
方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が
発生するが、床反力が大きくなるに従い、機体に発生す
る変形量若しくは運動量が次第に小さくなっていくよう
な空間歪みが与えられている。この結果、支持脚として
左立脚においては、ＺＭＰ位置のＸ方向への移動量にほ
ぼ線形的に曲がり量が減少する。床反力が小さいときに
は、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動したときには左立脚
は前方に向かって曲がるとともに、ＺＭＰ位置が機体の
後方に移動したときには左立脚は後方に向かって曲がる
が、床反力が大きくなるにつれて、ＺＭＰ位置が前方又
は後方のいずれに移動しても左立脚は曲がり難くなるよ
うに構成されている。

【０１５５】図１４及び図１５には、単脚支持期後期の
左立脚におけるＹ方向（進行方向と直交方向）並びにＸ
方向（進行方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例を
それぞれ示している。

【０１５６】図１４に示すように、単脚支持期後期の左
立脚におけるＹ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間は、床反
力が小さいときにはＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心
から外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ
安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボット
の変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大きく
なるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外
れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領
域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動
量が生じるような空間歪みが与えられている。この結
果、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機体の内側
に移動したときには左立脚は内側に向かって曲がるとと
もにＺＭＰ位置が機体の外側に移動したときには左立脚
は外側に向かって曲がるが、床反力が大きくなるに従
い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときには
左立脚は外側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機
体の外側に移動したときには左立脚は内側に向かって曲
がるように構成されている。

【０１５７】また、図１５に示すように、単脚支持期後
期の左立脚におけるＸ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間
は、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定
領域の中心から外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位
置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうよう
なロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反
力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定
領域の中心から外れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位
置がＺＭＰ安定領域の中心に向かうようなロボットの変
形量若しくは運動量が発生するような空間歪みが与えら
れている。この結果、床反力が小さいときには、ＺＭＰ
位置が機体の前方に移動したときには左立脚は前方に向
かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の後方に移動し
たときには左立脚は後方に向かって曲がるが、床反力が
大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の前方に移
動したときには左立脚は後方に向かって曲がるとともに
ＺＭＰ位置が機体の後方に移動したときには左立脚は前
方に向かって曲がるように構成されている。

【０１５８】図１６及び図１７には、単脚支持期後期の
体幹部におけるＹ方向（進行方向と直交方向）並びにＸ
方向（進行方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例を
それぞれ示している。

【０１５９】図１６に示すように、単脚支持期後期の体
幹部におけるＹ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間は、床反
力が小さいときにはＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心
から外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ
安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボット
の変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大きく
なるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外
れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領
域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動
量が生じるような空間歪みが与えられている。この結
果、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機体の内側
に移動したときには体幹部は内側に向かって曲がるとと
もにＺＭＰ位置が機体の外側に移動したときには体幹部
は外側に向かって曲がるが、床反力が大きくなるに従
い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときには
体幹部は外側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機
体の外側に移動したときには体幹部は内側に向かって曲
がるように構成されている。

【０１６０】また、図１７に示すように、単脚支持期後
期の体幹部におけるＸ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間
は、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定
領域の中心から外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位
置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうよう
なロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反
力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定
領域の中心から外れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位
置がＺＭＰ安定領域の中心に向かうようなロボットの変
形量若しくは運動量が発生するような空間歪みが与えら
れている。この結果、床反力が小さいときには、ＺＭＰ
位置が機体の前方に移動したときには体幹部は前方に向
かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の後方に移動し
たときには体幹部は後方に向かって曲がるが、床反力が
大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の前方に移
動したときには体幹部は後方に向かって曲がるとともに
ＺＭＰ位置が機体の後方に移動したときには体幹部は前
方に向かって曲がるように構成されている。

【０１６１】図１８及び図１９には、両脚支持期の左立
脚におけるＹ方向（進行方向と直交方向）並びにＸ方向
（進行方向）のＺＭＰ挙動空間の構成例をそれぞれ示し
ている。

【０１６２】図１８に示すように、両脚支持期の左立脚
におけるＹ方向のＺＭＰ挙動空間は、ＺＭＰ位置がＺＭ
Ｐ安定領域の中心から外れるにつれて負方向すなわちＺ
ＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向か
うようなロボットの変形量若しくは運動量が発生する
が、床反力が大きくなるに従い、機体に発生する変形量
若しくは運動量が次第に小さくなっていくような空間歪
みが与えられている。両脚支持期では２本の脚で支持す
るため、１本の脚で支持する単脚支持期よりＺＭＰ挙動
空間の剛性が高くなり、空間歪みは小さい。この結果、
ＺＭＰ位置のＹ方向への移動量にほぼ線形的に左立脚の
曲がり量が減少する。床反力が小さいときには、ＺＭＰ
位置が機体の内側に移動したときには左立脚は内側に向
かって曲がるとともに、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動
したときには左立脚は外側に向かって曲がるが、床反力
が大きくなるにつれて、ＺＭＰ位置が内側又は外側のい
ずれに移動しても左立脚は曲がり難くなるように構成さ
れている。両脚支持期では２本の脚で支持するため１本
の脚で支持する単脚支持期に対し脚の曲がり量は小さ
い。

【０１６３】また、図１９に示すように、両脚支持期の
左立脚におけるＸ方向のＺＭＰ挙動空間は、ＺＭＰ位置
がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれて負方向すな
わちＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向
に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生
するが、床反力が大きくなるに従い、機体に発生する変
形量若しくは運動量が次第に小さくなっていくような空
間歪みが与えられている。両脚支持期では２本の脚で支
持するため１本の脚で支持する単脚支持期に対し、ＺＭ
Ｐ挙動空間の剛性が高くなり、空間歪みは小さい。この
結果、ＺＭＰ位置のＸ方向への移動量にほぼ線形的に左
立脚の曲がり量が減少する。床反力が小さいときには、
ＺＭＰ位置が機体の前方に移動したときには左立脚は前
方に向かって曲がるとともに、ＺＭＰ位置が機体の後方
に移動したときには左立脚は後方に向かって曲がるが、
床反力が大きくなるにつれて、ＺＭＰ位置が前方又は後
方のいずれに移動しても左立脚は曲がり難くなるように
構成されている。両脚支持期では２本の脚で支持するた
め１本の脚で支持する単脚支持期に対し脚の曲がり量は
小さい。

【０１６４】図２０及び図２１には、両脚支持期の左立
脚におけるＹ方向（進行方向と直交方向）並びにＸ方向
（進行方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例をそれ
ぞれ示している。

【０１６５】図２０に示すように、両脚支持期の左立脚
におけるＹ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間は、床反力が
小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心か
ら外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安
定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボットの
変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大きくな
るに従い、逆に、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心か
ら外れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安
定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは
運動量が発生するような空間歪みが与えられている。両
脚支持期では２本の脚で支持するため、１本の脚で支持
する単脚支持期よりＺＭＰ挙動空間の剛性が高くなり、
空間歪みは小さい。この結果、床反力が小さいときに
は、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときには左立脚
は内側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の外
側に移動したときには左立脚は外側に向かって曲がる
が、床反力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機
体の内側に移動したときには左立脚は外側に向かって曲
がるとともにＺＭＰ位置が機体の外側に移動したときに
は左立脚は内側に向かって曲がるように構成されてい
る。両脚支持期では２本の脚で支持するため、１本の脚
で支持する単脚支持期に対して脚の曲がり量は小さい。

【０１６６】また、図２１に示すように、両脚支持期の
左立脚におけるＸ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間は、床
反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
中心から外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位置がＺ
ＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボ
ットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大
きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
中心から外れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位置がＺ
ＭＰ安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若
しくは運動量が発生するような空間歪みが与えられてい
る。両脚支持期では２本の脚で支持するため、１本の脚
で支持する単脚支持期よりＺＭＰ挙動空間の剛性が高く
なり、空間歪みは小さい。この結果、床反力が小さいと
きには、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動したときには左
立脚は前方に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体
の後方に移動したときには左立脚は後方に向かって曲が
るが、床反力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が
機体の前方に移動したときには左立脚は後方に向かって
曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の後方に移動したとき
には左立脚は前方に向かって曲がるように構成されてい
る。両脚支持期では２本の脚で支持するため、１本の脚
で支持する単脚支持期の対し、脚の曲がり量は小さい。

【０１６７】図２２及び図２３には、両脚支持期の体幹
部におけるＹ方向（進行方向と直交方向）並びにＸ方向
（進行方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例をそれ
ぞれ示している。

【０１６８】図２２に示すように、両脚支持期の体幹部
におけるＹ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間は、床反力が
小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心か
ら外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安
定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボットの
変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大きくな
るに従い、逆に、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心か
ら外れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安
定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは
運動量が発生するような空間歪みが与えられている。両
脚支持期では２本の脚で支持するため、１本の脚で支持
する単脚支持期よりＺＭＰ挙動空間の剛性が高くなり、
空間歪みは小さい。この結果、床反力が小さいときに
は、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときには体幹部
は内側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の外
側に移動したときには体幹部は外側に向かって曲がる
が、床反力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機
体の内側に移動したときには体幹部は外側に向かって曲
がるとともにＺＭＰ位置が機体の外側に移動したときに
は体幹部は内側に向かって曲がるように構成されてい
る。

【０１６９】また、図２３に示すように、両脚支持期の
体幹部におけるＸ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間は、床
反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
中心から外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位置がＺ
ＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボ
ットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大
きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
中心から外れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位置がＺ
ＭＰ安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若
しくは運動量が発生するような空間歪みが与えられてい
る。両脚支持期では２本の脚で支持するため、１本の脚
で支持する単脚支持期よりもＺＭＰ挙動空間の剛性が高
くなり、空間歪みは小さい。この結果、床反力が小さい
ときには、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動したときには
体幹部は前方に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機
体の後方に移動したときには体幹部は後方に向かって曲
がるが、床反力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置
が機体の前方に移動したときには体幹部は後方に向かっ
て曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の後方に移動したと
きには体幹部は前方に向かって曲がるように構成されて
いる。

【０１７０】図２４及び図２５には、単脚支持期前期の
左立脚におけるＹ方向（進行方向と直交方向）並びにＸ
方向（進行方向）のＺＭＰ挙動空間の構成例をそれぞれ
示している。

【０１７１】図２４に示すように、単脚支持期前期の右
立脚におけるＹ方向のＺＭＰ挙動空間は、床反力が小さ
いときにはＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れ
るにつれて負方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域
の中心から外れる方向に向かうようなロボットの変形量
若しくは運動量が発生するが、床反力が大きくなるにつ
れてＺＭＰ位置が機体の外側に向かって移動したときに
はロボットの変形量若しくは運動量が生じなくなるよう
な空間歪みが与えられている。この結果、支持脚として
右立脚においては、ＺＭＰ位置のＹ方向への移動量にほ
ぼ線形的に曲がり量が減少する。床反力が小さいときに
は、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときには右立脚
は内側に向かって曲がるとともに、ＺＭＰ位置が機体の
外側に移動したときには右立脚は外側に向かって曲がる
が、床反力が大きくなるにつれて、ＺＭＰ位置が機体の
外側に移動しても右立脚は外側には曲がり難くなるよう
に構成されている。

【０１７２】また、図２５に示すように、単脚支持期前
期の右立脚におけるＸ方向のＺＭＰ挙動空間は、ＺＭＰ
位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれて負方向
すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる
方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が
発生するが、床反力が大きくなるに従い、機体に発生す
る変形量若しくは運動量が次第に小さくなっていくよう
な空間歪みが与えられている。この結果、支持脚として
右立脚においては、ＺＭＰ位置のＸ方向への移動量にほ
ぼ線形的に曲がり量が減少する。床反力が小さいときに
は、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動したときには右立脚
は前方に向かって曲がるとともに、ＺＭＰ位置が機体の
後方に移動したときには右立脚は後方に向かって曲がる
が、床反力が大きくなるにつれて、ＺＭＰ位置が前方又
は後方のいずれに移動しても右立脚は曲がり難くなるよ
うに構成されている。

【０１７３】図２６及び図２７には、単脚支持期前期の
右立脚におけるＹ方向（進行方向と直交方向）並びにＸ
方向（進行方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例を
それぞれ示している。

【０１７４】図２６に示すように、単脚支持期前期の右
立脚におけるＹ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間は、床反
力が小さいときにはＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心
から外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ
安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボット
の変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大きく
なるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外
れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領
域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動
量が生じるような空間歪みが与えられている。この結
果、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機体の外側
に移動したときには右立脚は外側に向かって曲がるとと
もにＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときには右立脚
は内側に向かって曲がるが、床反力が大きくなるに従
い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動したときには
右立脚は内側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機
体の内側に移動したときには右立脚は外側に向かって曲
がるように構成されている。

【０１７５】また、図２７に示すように、単脚支持期前
期の右立脚におけるＸ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間
は、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定
領域の中心から外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位
置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうよう
なロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反
力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定
領域の中心から外れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位
置がＺＭＰ安定領域の中心に向かうようなロボットの変
形量若しくは運動量が発生するような空間歪みが与えら
れている。この結果、床反力が小さいときには、ＺＭＰ
位置が機体の前方に移動したときには右立脚は前方に向
かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の後方に移動し
たときには右立脚は後方に向かって曲がるが、床反力が
大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の前方に移
動したときには右立脚は後方に向かって曲がるとともに
ＺＭＰ位置が機体の後方に移動したときには右立脚は前
方に向かって曲がるように構成されている。

【０１７６】図２８及び図２９には、単脚支持期前期の
体幹部におけるＹ方向（進行方向と直交方向）並びにＸ
方向（進行方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例を
それぞれ示している。

【０１７７】図２８に示すように、単脚支持期前期の体
幹部におけるＹ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間は、床反
力が小さいときにはＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心
から外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ
安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボット
の変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大きく
なるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外
れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領
域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動
量が生じるような空間歪みが与えられている。この結
果、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機体の外側
に移動したときには体幹部は外側に向かって曲がるとと
もにＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときには体幹部
は内側に向かって曲がるが、床反力が大きくなるに従
い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動したときには
体幹部は内側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機
体の内側に移動したときには体幹部は外側に向かって曲
がるように構成されている。

【０１７８】また、図２９に示すように、単脚支持期前
期の体幹部におけるＸ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間
は、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定
領域の中心から外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位
置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうよう
なロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反
力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定
領域の中心から外れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位
置がＺＭＰ安定領域の中心に向かうようなロボットの変
形量若しくは運動量が発生するような空間歪みが与えら
れている。この結果、床反力が小さいときには、ＺＭＰ
位置が機体の前方に移動したときには体幹部は前方に向
かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の後方に移動し
たときには体幹部は後方に向かって曲がるが、床反力が
大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の前方に移
動したときには体幹部は後方に向かって曲がるとともに
ＺＭＰ位置が機体の後方に移動したときには体幹部は前
方に向かって曲がるように構成されている。

【０１７９】Ｃ．ＺＭＰ挙動空間の実現例 Ｂ項では、単にＺＭＰ安定度判別規範に頼るだけでな
く、ロボットや路面が剛体に限りなく近いと仮定できな
いことを考慮して、ＺＭＰ位置と床反力で定義されるＺ
ＭＰ挙動空間という観点から、姿勢安定性に優れたロボ
ット・システムの構成方法について説明してきた。

【０１８０】本項では、機体を安定に導くような空間歪
みが与えられたＺＭＰ挙動空間をハードウェア的に備え
た脚式移動ロボットの構成例について説明する。

【０１８１】Ｃ−１．足平構造による安定したＺＭＰ挙
動空間の形成 この項では、脚式移動ロボット１００の足部の足平構造
を用いて、機体を容易に安定方向に向かわせるための空
間歪みが与えられたＺＭＰ挙動空間に関する実施形態に
ついて説明する。

【０１８２】図３０には、本発明の一実施形態に係る脚
式移動ロボット１００に対して適用可能な左足平部の表
側の外観を示している。また、図３１には、同左足平部
の裏側の外観を示している。また、図３２〜図３５に
は、同左足平部の側面図（但し外側の側面）、底面図、
正面図、上面図がそれぞれ示されている。また、図３６
には、図３５に示された線分Ａ−Ａにおける断面図が示
されている。

【０１８３】但し、以下の説明では、足平の「裏側」は
底面すなわち路面に接地する面を指し、足平の「表側」
はその反対側の上面を指すものとする。また、足平の
「内側」は機体の内側となる部位（例えば、左足平であ
れば右側すなわち土踏まず側）を指し、足平の「外側」
は機体の内側となる部位（例えば、左足平であれば左側
すなわち土踏まずの反対側）を指すものとする。

【０１８４】図３０及び図３１に示すように、足平は、
足平フレーム４０３と、その上面を被覆するカバー４０
２で構成される。図３６からも判るように、カバー４０
２は、軽量化などのため、中空の構造体で形成される。

【０１８５】足平フレーム４０３の上面略中央には、該
当する可動脚ユニットと足首関節により連結される足首
連結部４０１が配設されている。

【０１８６】足平フレーム４０３や、カバー４０２、足
首部連結部４０１などの構造体は、例えば、超ジュラル
ミンのような軽量で且つ高剛性の素材を利用して製作さ
れている。

【０１８７】図３３からも判るように、足平フレーム４
０３の底面の前後及び左右の各側縁に沿って、足底緩衝
材（外）４０４と、足底緩衝材（内）４０５と、足底緩
衝材（前）４０６と、足底緩衝材（後）４０７がそれぞ
れ配設されている。これら緩衝材４０４〜４０７は、例
えばウレタン・ゴムのような、所定の弾性係数を持つ弾
性体を用いて構成することができる。

【０１８８】図３２からも判るように、足底緩衝材
（外）４０４は、両端の盛り上がった部位４０４−ａ
と、その間の凹んだ部位４０４−ｂとで構成される略凹
状の構造体である。また、図３１からも判るように、足
底緩衝材（内）４０５も、同様に、両端が盛り上がった
略凹状の構造体で構成されており、足平の底面には４隅
に凸部が形設されている。各足底緩衝材（外／内）４０
４，４０５の凹形状の深さは例えば０．５ｍｍ程度でよ
い。

【０１８９】足底が路面に接地されて路面から反力など
が印加されると、初期は盛り上がった部位４０４−ａの
みで支持するため、弾性係数が小さくなる（すなわち、
外力に対する変形量が大きい）。これに対し、部位４０
４−ａの収縮が進行して凹んだ部位４０４−ｂと同じ高
さに到達した以後は、緩衝材４０４の底面全面で支持す
るようになるため、弾性係数が大きくなる（すなわち、
外力に対する変形量が小さくなる）。

【０１９０】緩衝材４０４，４０５がこのような略凹状
の構造体で構成される場合、床反力などの荷重に対する
緩衝材の変形特性を非線形にすることができる。通常の
歩行時のように、床反力が小さい状態では、足平フレー
ムの足底の４隅に形設された凸部のみで支持する。これ
に対し、着地時などの衝撃により床反力が所定値を越え
ると、足底に配設された緩衝材４０４〜４０７全面で支
持することになるので、接地面を受容する特性が変化し
て、衝撃力に好適に対処することができる。

【０１９１】このように非線形変形特性を持つ足底緩衝
体を使用することにより、まず路面と接触を開始すると
足底緩衝体が変形を開始することから、充分な緩衝作用
を期待することができる。また、さらに変形が進行する
と、非線形特性により今度は印加荷重当りの変形量が減
少していくので、過度の変形により足底が不安定となる
ことはない。

【０１９２】本実施形態では、さらに、足底緩衝材
（外）４０４と足底緩衝材（内）４０５とで弾性特性を
相違させている。より具体的には、図３７に示すよう
に、足底緩衝材（内）４０５に比し、足底緩衝材（外）
４０４の弾性係数を大きく設定している。この結果、足
底緩衝材（外）４０４と足底緩衝材（内）４０５は、い
ずれも通常歩行時と衝撃力印加時とで変形量は非線形と
なるが、図３８に示すように、非線形領域における変形
量は、足底緩衝材（内）４０５の方が足底緩衝材（外）
４０４よりも大きくなる。

【０１９３】このような、足底緩衝材（内）４０５と足
底緩衝材（外）４０４の変形特性の相違により、高い衝
撃力が印加されたときには、足底緩衝材（内）４０５の
方がより深く沈み込むことになる。この結果、この足平
フレーム４０３上に搭載された脚部ユニット（図示しな
い）が、機体の内側すなわち中心側（土踏まず側）に向
かって傾くことになり、ロボットのＺＭＰ位置を機体の
内側すなわち遊脚を着地させることでＺＭＰ安定領域が
倍増する方向へ移動させる作用が働く。

【０１９４】すなわち、図３０〜図３５に示すような足
底構造を採用することにより、ロボットの脚部のＺＭＰ
挙動空間において、床反力が小さいときにはＺＭＰ位置
がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれて負方向すな
わちＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向
に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生
するが、床反力が大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭ
Ｐ安定領域の中心から外れるにつれて正方向すなわちＺ
ＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心に向かうようなロボッ
トの変形量若しくは運動量が生じるような空間歪みが形
成される。したがって、図１４、図２０、並びに図２６
を参照しながら既に説明したように、単脚支持後期、両
脚支持期、並びに単脚支持前期の各局面において、床反
力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動し
たときには立脚は内側に向かって曲がるとともにＺＭＰ
位置が機体の外側に移動したときには立脚は外側に向か
って曲がるが、床反力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭ
Ｐ位置が機体の内側に移動したときには立脚は外側に向
かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の外側に移動し
たときには立脚は内側に向かって曲がるように構成され
る。この結果、脚式移動ロボットの姿勢の安定性・制御
性を向上させる（又は、姿勢安定制御を容易にする）と
いう効果を導出することができる。

【０１９５】なお、緩衝材の非線形的な変形特性は、緩
衝材の断面に対して上述したような凹凸形状を設ける以
外にも、弾性係数の異なる弾性体を積層することによっ
ても得ることができる。また、使用する緩衝材の底面の
形状や面積、弾性係数など材質を相違させることによっ
て、内側（土踏まず側）と外側（土踏まずの反対側）と
でその変形特性を容易に相違させることができる。

【０１９６】図３９には、足平フレーム４０３の上面を
斜視した様子を示している。同様に、図４０には、足平
フレーム４０３の底面を斜視した様子を示している。

【０１９７】各図に示すように、足平フレーム４０３
は、例えば超ジュラルミンなどの軽量且つ高剛性素材か
らなる平板構造体である。

【０１９８】図３９に示すように、足平フレーム４０３
の上面には、前後に各１箇所ずつ凹部（ａ）４０３−ａ
並びに凹部（ｂ）４０３−ｂが凹設されている。これら
凹部４０３−ａ及び４０３−ｂの間の凸部（ｄ）４０３
−ｄには、足首連結用部品の配置位置４０３−ｆが設定
されている。

【０１９９】また、図４０に示すように、足平フレーム
４０３の底面には、略中央に凹部（ｃ）４０３−ｃが凹
設されており、その周縁には凸部（ｅ）４０３−ｅが形
成されている。

【０２００】図４１には、この足平フレーム４０３をロ
ール軸方向（すなわち機体の前後方向）に沿って分割し
た断面図を示している。同図からも判るように、各凹部
４０３−ａ，４０３−ｂ，４０３−ｃは平板構造の足平
フレーム４０３の厚みを薄くすることによって、足平全
体の剛性のバランスを調整する効果がある。

【０２０１】本実施形態では、足平フレーム４０３の上
面の略中央には、前後両側の凹部４０３−ａ，４０３−
ｂに挟設された凸部４０３−ｄの存在などにより、ピッ
チ軸回りに比し、ロール軸回りの剛性が強化されている
（図４２を参照のこと）。

【０２０２】図３並びに図４に示した機体の全体構成か
らも推測されるように、２足直立タイプの脚式移動ロボ
ット１００は、歩行方向すなわち前後方向（ピッチ軸回
り方向）に比し、横方向（ロール軸回り方向）のＺＭＰ
の存在範囲が狭い。言い換えれば、ロール軸回りの外乱
に対するロバスト性が低いため、横方向すなわちロール
軸回りに対しては厳しい制御精度が要求されている。本
実施形態では、図３９〜図４１に示すような足平フレー
ム４０３の構造を採用することにより、ロール軸回りの
剛性を強化することができ、横方向の外乱に対するロバ
スト性を著しく向上させるという効果を導出することが
できる。

【０２０３】すなわち、図３９〜図４１に示すような足
底構造を採用することにより、ロボットの脚部のＺＭＰ
挙動空間において、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心
に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が生じ
るような空間歪みが形成される。したがって、図１４、
図２０、並びに図２６を参照しながら既に説明したよう
に、単脚支持後期、両脚支持期、並びに単脚支持前期の
各局面において、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動したと
きには立脚は内側に向かって曲がるように構成される。

【０２０４】このような機械的構成によりＺＭＰ位置が
ＺＭＰ安定領域の中央に向かうようなＺＭＰ挙動空間の
空間歪みを形成することによって、姿勢の安定性・制御
性を向上させるという効果を導出することができる。あ
るいは、比較的遅いサンプリング周期を以って機体の姿
勢安定性を維持できるなど、姿勢安定制御を容易にする
という効果を導出することができる。

【０２０５】図４３には、本発明の他の実施形態に係る
左足部の表側の外観を示している。また、図４４には、
同じ左足平部の裏側の外観を示している。また、図４５
並びに図４６には、同じ左足平部の側面図（但し、外側
の側面）、底面図をそれぞれ示している。

【０２０６】図４３及び図４４に示すように、足平は、
足平フレーム５０３と、その上面を被覆するカバー５０
２で構成される。カバー５０２は、軽量化などのため、
中空の構造体で形成される。足平フレーム５０３の上面
略中央には、該当する可動脚ユニットと足首関節により
連結される足首連結部５０１が配設されている。

【０２０７】足平フレーム５０３は、図３９〜図４１に
示した前述の実施形態と同様に、上面及び底面の略中央
部に１以上の凹部が形設された平板構造体で構成され、
ピッチ軸回り並びにロール軸回りの剛性のバランスが調
整されている。すなわち、ピッチ軸回りに比し、ロール
軸回りの剛性が強化されており（図４３を参照のこ
と）、横方向の外乱に対するロバスト性を著しく向上さ
せるという効果が導出されている。

【０２０８】足平フレーム５０３や、カバー５０２、足
首部連結部５０１などの構造体は、例えば、超ジュラル
ミンのような軽量で且つ高剛性の素材を利用して製作さ
れている（同上）。

【０２０９】図４４並びに図４６からも判るように、足
平フレーム５０３の底面の前後及び左右の四隅には、そ
れぞれ足底緩衝材（内−前）５０４と、足底緩衝材（外
−前）５０５と、足底緩衝材（内−後）５０６と、足底
緩衝材（外−後）５０７が配設されている。また、内側
（土踏まず側）の側縁に沿って１個の足底緩衝材（内−
中）５０８が配設され、足底の外側の側縁に沿って２個
の足底緩衝材（外−中）５０９−ａ並びに５０９−ｂが
配設されている。これら緩衝材５０４〜５０９は、例え
ばウレタン・ゴムのような、弾性係数が所定値に設定さ
れた弾性体を用いて構成することができる。

【０２１０】図４５からも判るように、足底の内側略中
央に配設された足底緩衝材（内−中）５０８、並びに、
足底の外側略中央に配設された足底緩衝材（外−中）５
０９−ａ及び５０９−ｂは、足底の四隅に配設されたそ
の他の足底緩衝材５０４〜５０７よりも背丈が低く構成
されている。この高さの差ｔは例えば０．５ｍｍ程度で
よい。この緩衝材間の高低差により、足底全体として持
つ弾性特性に非線形成を与えることができる（図３７〜
図３８を参照のこと）。

【０２１１】足底が路面に接地されて路面から反力など
が印加されると、初期は背丈の高い四隅の足底緩衝材５
０４〜５０７のみで支持するため、弾性係数が小さくな
る（すなわち、外力に対する変形量が大きい）。これに
対し、四隅の足底緩衝材５０４〜５０７の収縮が進行し
て、足底緩衝材（内−中）５０８、足底緩衝材（外−
中）５０９−ａ及び５０９−ｂと同じた化さに到達した
以後は、すべての緩衝材５０４〜５０９で支持するよう
になるため、弾性係数が大きくなる（すなわち、外力に
対する変形量が小さくなる）。

【０２１２】要するに、四隅の緩衝材５０４〜５０７と
内側並びに外側の略中央に配設された緩衝材５０８〜５
０９との間で高さの差を設けた場合、床反力などの荷重
に対する緩衝材の変形特性を非線形にすることができ
る。通常の歩行時のように、床反力が小さい状態では、
足平フレームの足底の４隅に形設された凸部のみで支持
する。これに対し、着地時などの衝撃により床反力が所
定値を越えると、足底に配設されたすべての緩衝材５０
４〜５０９全面で支持することになるので、接地面を受
容する特性が変化して、衝撃力に好適に対処することが
できる。

【０２１３】このように非線形変形特性を持つ足底緩衝
材を足部の足底に使用することにより、まず路面と接触
を開始すると足底緩衝体が変形を開始することから、充
分緩衝作用を期待することができる。また、さらに変形
が進行すると、非線形特性により今度は印加される荷重
当りの変形量が減少していくので、過度の変形により足
底が不安定となることはない。

【０２１４】本実施形態では、さらに、内側略中央の足
底緩衝材５０８と外側略中央の足底緩衝材５０９とで、
個数の差を設けることにより足底の内側と外側とで弾性
特性を相違させている。より具体的には、図３７に示す
ように、足底の内側に比し、外側の方の緩衝材の個数を
より多くすることによって、弾性係数を大きく設定して
いる。この結果、足底緩衝材（外）５０９と足底緩衝材
（内）５０８は、いずれも通常歩行時と衝撃力印加時と
で変形量は非線形となるが、図３８に示すように、非線
形領域における変形量は足底緩衝材（内）５０８の方が
足底緩衝材（外）５０９よりも大きくなる。

【０２１５】このような、足底緩衝材（内）５０８と足
底緩衝材（外）５０９の変形特性の相違により、高い衝
撃力が印加されたときには、足底緩衝材（内）５０８の
方がより深く沈み込むことになる。この結果、この足平
フレーム５０３上に搭載された脚部ユニット（図示しな
い）が、機体の内側すなわち中心に向かって傾くことに
なり、ロボットのＺＭＰ位置を機体の内側すなわち遊脚
を着地させることで安定領域が倍増する方向へ移動させ
る作用が働く。

【０２１６】すなわち、図４３〜図４６に示すような足
底構造を採用することにより、ロボットの脚部のＺＭＰ
挙動空間において、床反力が小さいときにはＺＭＰ位置
がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれて負方向すな
わちＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向
に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生
するが、床反力が大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭ
Ｐ安定領域の中心から外れるにつれて正方向すなわちＺ
ＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心に向かうようなロボッ
トの変形量若しくは運動量が生じるような空間歪みが形
成される。したがって、図１４、図２０、並びに図２６
を参照しながら既に説明したように、単脚支持後期、両
脚支持期、並びに単脚支持前期の各局面において、床反
力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動し
たときには立脚は内側に向かって曲がるとともにＺＭＰ
位置が機体の外側に移動したときには立脚は外側に向か
って曲がるが、床反力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭ
Ｐ位置が機体の内側に移動したときには立脚は外側に向
かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の外側に移動し
たときには立脚は内側に向かって曲がるように構成され
る。この結果、脚式移動ロボットの姿勢の安定性・制御
性を向上させる（又は、姿勢安定制御を容易にする）と
いう効果を導出することができる。

【０２１７】なお、緩衝材の非線形的な変形特性は、緩
衝材の断面に対して上述したような凹凸形状を設ける以
外にも、弾性係数の異なる弾性体を積層することによっ
ても得ることができる。また、使用する緩衝材の底面の
形状や面積、弾性係数など材質を相違させることによっ
て、足平の内側（土踏まず側）と外側（土踏まずの反対
側）とでその変形特性を容易に相違させることができ
る。

【０２１８】この項で説明した本発明の実施形態によれ
ば、本発明に固有の足平構造によって安定した空間歪み
をＺＭＰ挙動空間に形成することにより、比較的遅いサ
ンプリング周期でＺＭＰ安定度判別規範を用いながら機
体の姿勢安定制御を行なうことができる、という点を充
分理解されたい。

【０２１９】Ｃ−２．脚部構造による安定したＺＭＰ挙
動空間の形成 この項では、脚式移動ロボット１００の脚部ユニットの
フレーム構造を用いて、機体を容易に安定方向に向かわ
せるための空間歪みが与えられたＺＭＰ挙動空間に関す
る実施形態について説明する。

【０２２０】この実施形態では、左右それぞれの脚部ユ
ニットについて、その外側と内側とで剛性を異ならせる
構造、すなわち、脚部の内側フレームに比し外側フレー
ムの剛性（特に、曲げ剛性）を強化した構造を採用す
る。

【０２２１】このような脚部ユニットの構成によって、
ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に向かうような空間
歪みがＺＭＰ挙動空間に形成されるので、姿勢の安定性
・制御性を向上させる（又は、姿勢安定制御を容易にす
る）という効果を導出することができる。

【０２２２】また、予期しない外乱が発生した場合であ
っても、ロボットのＺＭＰ位置が機体の外側すなわち土
踏まずの反対側に移動しにくくなるようにして、転倒を
容易に（すなわち、機械的構造を利用して自然に）回避
することができる。

【０２２３】図４７には、本実施形態に係る脚式移動ロ
ボット１００の、左右の各脚部６０４の構成をさらに大
きく描いている。

【０２２４】同図に示すように、脚部６０４は、大腿部
ユニット６１１と、脛部ユニット６１２と、足平６１３
とで構成される。

【０２２５】大腿部ユニット６１１の略上端には、その
上方の体幹部６０１との間でピッチ軸並びにロール軸の
各軸回りの関節自由度を付与するための、股関節ロール
軸アクチュエータ６２１と、股関節ピッチ軸アクチュエ
ータ６２２が配設されている。また、大腿部ユニット６
１１の略下端には、その下方の脛部ユニット６１２との
間でピッチ軸回りの関節自由度を付与するための膝関節
ピッチ軸アクチュエータ６２３が配設されている。

【０２２６】大腿部ユニット６１１の内側すなわち土踏
まず側は、大腿部内側側板６３１で支持されている。ま
た、その外側すなわち土踏まずの反対側は、大腿部外側
側板６３２で支持されている。また、大腿部ユニット６
１１の正面は大腿部正面プレート６３５で被覆されてい
る。大腿部内側側板６３１や大腿部外側側板６３２は、
比較的軽量でも剛性を実現することができる超ジュラル
ミンなどの素材を利用して構成されている。

【０２２７】また、脛部ユニット６１２の略下端には、
その下方の足平６１３との間でピッチ軸回りの関節自由
度を付与するために、足首関節ピッチ軸アクチュエータ
６２４が配設されている。

【０２２８】脛部ユニット６１２の内側すなわち土踏ま
ず側は、脛部内側側板６３３で支持されている。また、
その外側すなわち土踏まずの反対側は、脛部外側側板６
３４で支持されている。また、脛部ユニット６１２の正
面は大腿部正面プレート６３６で被覆されている。脛部
内側側板６３３や脛部外側側板６３４は、比較的軽量で
も剛性を実現することができる超ジュラルミンなどの素
材を利用して構成されている。

【０２２９】図４８〜図５０には、脚式移動ロボット１
００の脚部の３面図、すなわち外側（土踏まずの反対
側）側面図、正面図、内側（土踏まず側）側面図をそれ
ぞれ示している。

【０２３０】図４９からも判るように、本実施形態で
は、大腿部内側側板６３１に比し、大腿部外側側板６３
２の方が肉厚が大きくなるように構成されている（すな
わち、ｔ１＞ｔ２）。この結果、大腿部外側側板６３２
の方が剛性（特に曲げ剛性）が高くなる。同様に、脛部
内側側板６３３に比し、脛部外側側板６３４の方が肉厚
が大きくなるように構成されている。この結果、脛部外
側側板６３４の方が剛性（特に曲げ剛性）が高くなる。

【０２３１】図４７〜図５０に示すように脚部ユニット
の内側及び外側の機械的強度をこのように構成すること
によって、ロボットの脚部のＺＭＰ挙動空間において、
ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれて
正方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心に向
かうようなロボットの変形量若しくは運動量が生じるよ
うな空間歪みが形成される。したがって、図１４、図２
０、並びに図２６を参照しながら既に説明したように、
単脚支持後期、両脚支持期、並びに単脚支持前期の各局
面において、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動したときに
は立脚は内側に向かって曲がるように構成される。この
結果、姿勢の安定性・制御性を向上させるという効果を
導出することができる。あるいは、比較的遅いサンプリ
ング周期を以って機体の姿勢安定性を維持できるなど、
姿勢安定制御を容易にするという効果を導出することが
できる。

【０２３２】また、脚部６０４全体としても、内側に比
し外側の剛性（特に曲げ剛性）を強化した構造体を実現
することができる。これによって、予期しない外乱が発
生した場合であっても、脚部６０４は、ロボット１００
のＺＭＰ位置が機体の外側すなわち土踏まずの反対側に
移動しにくくなるように自然に（すなわち制御なしに）
作用することができる。

【０２３３】脚部６０４の内側フレームに比しその外側
フレームの剛性を大きく設定することで、機体の外側す
なわち土踏まずの反対側への予期せぬ外乱によるＺＭＰ
移動量を減少させることができる。また、外乱によるＺ
ＭＰ移動方向を、脚部６０４の動作により対応が容易な
機体の内側すなわち土踏まず側へと誘導することができ
る。この結果、ロボット６００全体としての外乱に対す
るロバスト性を飛躍期に向上させることができる。

【０２３４】さらに、土踏まず側の脚剛性を比較的低く
設定することにより、位置制御のみの機能しか持たない
低コストのアクチュエータ・システムにおいても、衝撃
及び振動が小さい立脚切替え動作を実現することができ
る。これは、動歩行中の画像処理をも容易にし、結果と
して、自律機能を有する２足歩行ロボット・システム若
しくは人間形ロボット・システムを非常に低コストで構
成することを可能にする。

【０２３５】ロボット１００のＺＭＰ位置が外側すなわ
ち土踏まずの反対側に移動しにくくなるようにするとい
う作用効果を得るためには、脚部６０４の外側における
剛性を、内側のそれの１．２倍以上に設定することが好
ましい。より好ましくは、脚部６０４の外側における剛
性を、内側のそれの１．５〜２倍に設定すればよい。

【０２３６】図４７〜図５０に示した実施形態では、脚
部６０４の内側と外側とで剛性（特に曲げ剛性）を相違
させるために、使用する側板６３１〜６３４の肉厚の相
違を利用したが、本発明の要旨は必ずしもこれに限定さ
れない。同様の作用を導き出すために、側板６３１〜６
３４の肉厚ではなく、形状（表面形状並びに断面形状）
の相違や、構成素材の相違（弾性係数の異なる素材を使
用するなど）を利用してもよい。

【０２３７】この項で説明した本発明の実施形態によれ
ば、本発明に固有の脚部ユニットの構成により安定した
ＺＭＰ空間を形成することによって、比較的遅いサンプ
リング周期でＺＭＰ安定度判別規範を用いながら機体の
姿勢安定制御を行なうことができる、という点を充分理
解されたい。

【０２３８】［追補］以上、特定の実施形態を参照しな
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形態の修
正や代用を成し得ることは自明である。

【０２３９】本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と
称される製品には限定されない。すなわち、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
う機械装置であるならば、例えば玩具等のような他の産
業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用す
ることができる。

【０２４０】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、本明細書の記載内容を限定的に解釈
するべきではない。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。

【０２４１】

【発明の効果】以上詳記したように、本発明によれば、
いわゆるＺＭＰ（Zero Moment Point）を安定度判別規
範として用いながら脚式作業時における機体の姿勢安定
制御を好適に行なうことができる、優れた脚式移動ロボ
ットを提供することができる。

【０２４２】また、本発明によれば、比較的遅いサンプ
リング周期でＺＭＰ安定度判別規範を用いながら機体の
姿勢安定制御を好適に行なうことができる、優れた脚式
移動ロボットを提供することができる。

【０２４３】また、本発明によれば、人間の住環境で安
定した動歩行を自律的に継続するために、ＺＭＰ位置の
安定性を考慮した空間歪みが与えられたＺＭＰ挙動空間
が構成された、優れた脚式移動ロボットを提供すること
ができる。

【０２４４】また、本発明によれば、接地時に路面から
受ける衝撃力を緩和するとともに、失いかけた機体の姿
勢安定性を回復する、若しくは回復を容易にすることが
できる、脚式移動ロボットの可動脚ユニットにおける足
部の足平構造を提供することができる。

【０２４５】また、本発明によれば、ロボットの機体の
動作制御のみに頼ることなく姿勢安定性を容易に維持す
ることができるように構成された、優れた脚式移動ロボ
ットを提供することができる。

【０２４６】また、本発明によれば、横方向の外乱に対
するロバスト性を強化することで姿勢安定性を容易に維
持することができるように構成された、優れた脚式移動
ロボットを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ロボットや路面が限りなく剛体に近い理想的な
モデルの場合におけるＺＭＰ位置とロボットの変形量
（若しくは運動量）との関係（すなわちロボットが持つ
ＺＭＰ挙動空間）を示した図である。

【図２】現実には剛体ではない場合におけるＺＭＰ位置
とロボットの変形量（若しくは運動量）との関係（すな
わちロボットが持つＺＭＰ挙動空間）を示した図であ
る。

【図３】本発明の実施に供される「人間形」又は「人間
型」の脚式移動ロボット１００が直立している様子を前
方から眺望した様子を示した図である。

【図４】本発明の実施に供される「人間形」又は「人間
型」の脚式移動ロボット１００が直立している様子を後
方から眺望した様子を示した図である。

【図５】脚式移動ロボット１００が具備する関節自由度
構成を模式的に示した図である。

【図６】本発明の一実施形態に係る脚式移動ロボット１
００の制御システム構成を模式的に示した図である。

【図７】ロボットの変形量又は運動量とＺＭＰ位置との
関係を表したＺＭＰ挙動空間の構成例を示した図であ
る。

【図８】ロボットの変形量又は運動量とＺＭＰ位置との
関係を表したＺＭＰ挙動空間の他の構成例を示した図で
ある。

【図９】ロボットの変形量又は運動量とＺＭＰ位置との
関係を表したＺＭＰ挙動空間のさらに他の構成例を示し
た図である。

【図１０】ロボットの変形量又は運動量とＺＭＰ位置と
の関係を表したＺＭＰ挙動空間のさらに他の構成例を示
した図である。

【図１１】ロボットの変形量又は運動量とＺＭＰ位置と
の関係を表したＺＭＰ挙動空間のさらに他の構成例を示
した図である。

【図１２】単脚支持期後期の左立脚におけるＹ方向（進
行方向と直交方向）のＺＭＰ挙動空間の構成例を示した
図である。

【図１３】単脚支持期後期の左立脚におけるＸ方向（進
行方向）のＺＭＰ挙動空間の構成例を示した図である。

【図１４】単脚支持期後期の左立脚におけるＹ方向（進
行方向と直交方向）のＺＭＰ挙動空間の理想的な構成例
を示した図である。

【図１５】単脚支持期後期の左立脚におけるＸ方向（進
行方向）のＺＭＰ挙動空間の理想的な構成例を示した図
である。

【図１６】単脚支持期後期の体幹部におけるＹ方向（進
行方向と直交方向）のＺＭＰ挙動空間の理想的な構成例
を示した図である。

【図１７】単脚支持期後期の体幹部におけるＸ方向（進
行方向）のＺＭＰ挙動空間の理想的な構成例を示した図
である。

【図１８】両脚支持期の左立脚におけるＹ方向（進行方
向と直交方向）のＺＭＰ挙動空間の構成例を示した図で
ある。

【図１９】両脚支持期の左立脚におけるＸ方向（進行方
向）のＺＭＰ挙動空間の構成例を示した図である。

【図２０】両脚支持期の左立脚におけるＹ方向（進行方
向と直交方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例を示
した図である。

【図２１】両脚支持期の左立脚におけるＹ方向（進行方
向と直交方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例を示
した図である。

【図２２】両脚支持期の体幹部におけるＹ方向（進行方
向と直交方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例を示
した図である。

【図２３】両脚支持期の体幹部におけるＸ方向（進行方
向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例を示した図であ
る。

【図２４】単脚支持期前期の右立脚におけるＹ方向（進
行方向と直交方向）のＺＭＰ挙動空間の構成例を示した
図である。

【図２５】単脚支持期前期の右立脚におけるＸ方向（進
行方向）のＺＭＰ挙動空間の構成例を示した図である。

【図２６】単脚支持期前期の右立脚におけるＹ方向（進
行方向と直交方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例
を示した図である。

【図２７】単脚支持期前期の右立脚におけるＸ方向（進
行方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例を示した図
である。

【図２８】単脚支持期前期の体幹部におけるＹ方向（進
行方向と直交方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例
を示した図である。

【図２９】単脚支持期前期の体幹部におけるＸ方向（進
行方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例を示した図
である。

【図３０】本発明の一実施形態に係る脚式移動ロボット
１００に対して適用可能な左足平部の表側の外観を示し
た斜視図である。

【図３１】本発明の一実施形態に係る脚式移動ロボット
１００に対して適用可能な左足部の裏側の外観を示した
斜視図である。

【図３２】左足平の外側の側面図である。

【図３３】左足平の底面図である。

【図３４】左足平の正面図である。

【図３５】左足平の上面図である。

【図３６】図３５に示された線分Ａ−Ａにおける断面図
である。

【図３７】足底緩衝材（内）４０５と足底緩衝材（外）
４０４の弾性係数を比較した図である。

【図３８】足底緩衝材（内）４０５と足底緩衝材（外）
４０４の変形量を比較した図である。

【図３９】足平フレーム４０３の上面を斜視した様子を
示した図である。

【図４０】足平フレーム４０３の底面を斜視した様子を
示した図である。

【図４１】足平フレーム４０３をロール軸方向に分割し
た断面図である。

【図４２】足平フレーム４０３のロール軸回りの剛性が
ピッチ軸回りに比し強化されている様子を示した図であ
る。

【図４３】本発明の一実施形態に係る左足平部の表側の
外観を示した斜視図である。

【図４４】本発明の一実施形態に係る左足平部の裏側の
外観を示した斜視図である。

【図４５】本発明の一実施形態に係る左足平部の側面図
である。

【図４６】本発明の一実施形態に係る左足平部の底面図
である。

【図４７】本発明の一実施形態に係る脚式移動ロボット
１００の左右の各脚部１０４の構成を大きく描いた図で
ある。

【図４８】図４７に示した脚式移動ロボット１００の脚
部ユニットの外側（土踏まずの反対側）側面図である。

【図４９】図４７に示した脚式移動ロボット１００の脚
部ユニットの正面図である。

【図５０】図４７に示した脚式移動ロボット１００の脚
部ユニットの内側（土踏まず側）側面図である。

【符号の説明】

１…頭部，２…首関節ヨー軸 ３…首関節ピッチ軸，４…首関節ロール軸 ５…体幹ピッチ軸，６…体幹ロール軸 ７…体幹ヨー軸，８…肩関節ピッチ軸 ９…肩関節ロール軸，１０…上腕ヨー軸 １１…肘関節ピッチ軸，１２…前腕ヨー軸 １３…手首関節ピッチ軸，１４…手首関節ロール軸 １５…手部，１６…股関節ヨー軸 １７…股関節ピッチ軸，１８…股関節ロール軸 １９…膝関節ピッチ軸，２０…足首関節ピッチ軸 ２１…足首関節ロール軸，２２…足部 １００…脚式移動ロボット ２００…思考制御モジュール ２０１…バス・インターフェース ２１１…ＣＰＵ，２１２…ＲＡＭ，２１３…ＲＯＭ ２１４…外部記憶装置 ２５１…画像入力装置（ＣＣＤカメラ） ２５２…音声入力装置（マイク） ２５３…音声出力装置（スピーカ） ２５４…通信インターフェース ３００…運動制御モジュール ３０１…バス・インターフェース ３１１…ＣＰＵ，３１２…ＲＡＭ，３１３…ＲＯＭ ３１４…外部記憶装置， ３５１…姿勢センサ ３５２，３５３…接地確認センサ ３５４…電源制御装置 ４０１…足首部連結部，４０２…カバー ４０３…足平フレーム，４０４…足底緩衝材（外） ４０５…足底緩衝材（内），４０６…足底緩衝材（前） ４０７…足底緩衝材（後） ５０１…足首部連結部，５０２…カバー ５０３…足平フレーム ５０４…足底緩衝材（内−前） ５０５…足底緩衝材（外−前） ５０６…足底緩衝材（内−後） ５０７…足底緩衝材（外−後） ５０８…足底緩衝材（内−中） ５０９…足底緩衝材（外−中） ６１１…大腿部ユニット，６１２…脛部ユニット ６１３…足平 ６２１…股関節ロール軸アクチュエータ ６２２…股関節ピッチ軸アクチュエータ ６２３…膝関節ピッチ軸アクチュエータ ６２４…足首関節ピッチ軸アクチュエータ ６３１…大腿部内側側板，６３２…大腿部外側側板 ６３３…脛部内側側板，６３４…脛部外側側板 ６３５…大腿部正面プレート，６３６…脛部正面プレー
ト

【手続補正書】

【提出日】平成１４年１２月５日（２００２．１２．
５）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】追加

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

【図７】

【図８】

【図９】

【図１０】

【図１１】

【図１２】

【図３０】

【図１３】

【図１４】

【図１５】

【図１６】

【図１７】

【図１８】

【図１９】

【図２０】

【図２１】

【図２２】

【図２３】

【図２４】

【図２５】

【図２６】

【図２７】

【図２８】

【図２９】

【図３１】

【図３２】

【図４０】

【図３３】

【図３４】

【図３５】

【図３６】

【図３７】

【図３８】

【図４２】

【図３９】

【図４１】

【図４３】

【図４４】

【図４５】

【図４６】

【図４７】

【図４８】

【図４９】

【図５０】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 服部 裕一 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 山口 仁一 東京都日野市多摩平５−14−38 Ｆターム(参考） 3C007 CS08 CY32 KS20 KS31 WA03 WA13 WB07 WC23

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２以上の可動脚を備えた脚式移動ロボット
   であって、 機体のピッチ軸モーメント及びロール軸モーメントがゼ
   ロとなるＺＭＰの位置と機体が床面から受ける床反力で
   定義されるＺＭＰ挙動空間に所定の歪み又は所定の特性
   を与える手段と、 機体動作により前記ＺＭＰ挙動空間を制御する手段と、
   を具備することを特徴とする脚式移動ロボット。
2. 【請求項２】前記ＺＭＰ挙動空間制御手段は、ＺＭＰ位
   置が前記可動脚の足底接地点と路面とが形成する支持多
   角形からなるＺＭＰ安定領域の中央からＺＭＰ位置が外
   れるにつれてＺＭＰ位置が前記ＺＭＰ安定領域の中央に
   移動させようとする機体の変形量若しくは運動量が生じ
   るようにＺＭＰ挙動空間にあらかじめ歪みを与えてい
   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。
3. 【請求項３】前記所定の特性は、前記床反力に応じて前
   記ロボットの変形量又は運動量の大きさ若しくは方向が
   変化する、ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動
   ロボット。
4. 【請求項４】前記ＺＭＰ挙動空間制御手段は、前記ＺＭ
   Ｐ安定領域の略中心において機体の変形量又は運動量の
   極小点を設定する、ことを特徴とする請求項２に記載の
   脚式移動ロボット。
5. 【請求項５】前記ＺＭＰ挙動空間制御手段は、前記ＺＭ
   Ｐ安定領域の略中心において機体の変形量又は運動量の
   極小点を設定するとともに、前記ＺＭＰ安定領域の境界
   近くで機体の変形量又は運動量の極大点を設定する、こ
   とを特徴とする請求項２に記載の脚式移動ロボット。