JP2003181781A - 二脚歩行式移動装置及びその歩行制御装置及び歩行制御方法 - Google Patents
二脚歩行式移動装置及びその歩行制御装置及び歩行制御方法Info
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- JP2003181781A JP2003181781A JP2001386693A JP2001386693A JP2003181781A JP 2003181781 A JP2003181781 A JP 2003181781A JP 2001386693 A JP2001386693 A JP 2001386693A JP 2001386693 A JP2001386693 A JP 2001386693A JP 2003181781 A JP2003181781 A JP 2003181781A
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
- B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
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- B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
- B62D57/032—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members with alternately or sequentially lifted supporting base and legs; with alternately or sequentially lifted feet or skid
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- Combustion & Propulsion (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 足裏がすべるような不安定な床面であって
も、歩行安定性を実現した二脚歩行式移動装置と、その
歩行制御装置及び歩行制御方法を提供する。 【解決手段】 歩容データに基づいて二脚歩行式移動装
置の各脚部の各関節部の駆動手段を駆動制御する二脚歩
行式移動装置の歩行制御装置３０において、各足部１４
Ｌ，１４Ｒにおける足裏に加わる力を検出する力センサ
２３Ｌ，２３Ｒと、力センサで検出された力のうち水平
床反力Ｆに基づいて歩容生成部からの歩容データを修正
する補償部３２とを含み、各力センサ２３Ｌ，２３Ｒが
各足部１４Ｌ，１４Ｒの複数に分割された足裏の各部に
設けられた三軸力センサ３６ａ乃至３６ｆから成るよう
に、二脚歩行式移動装置の歩行制御装置３０を構成す
る。
も、歩行安定性を実現した二脚歩行式移動装置と、その
歩行制御装置及び歩行制御方法を提供する。 【解決手段】 歩容データに基づいて二脚歩行式移動装
置の各脚部の各関節部の駆動手段を駆動制御する二脚歩
行式移動装置の歩行制御装置３０において、各足部１４
Ｌ，１４Ｒにおける足裏に加わる力を検出する力センサ
２３Ｌ，２３Ｒと、力センサで検出された力のうち水平
床反力Ｆに基づいて歩容生成部からの歩容データを修正
する補償部３２とを含み、各力センサ２３Ｌ，２３Ｒが
各足部１４Ｌ，１４Ｒの複数に分割された足裏の各部に
設けられた三軸力センサ３６ａ乃至３６ｆから成るよう
に、二脚歩行式移動装置の歩行制御装置３０を構成す
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は二脚歩行式移動装置
に関し、特に歩行安定化を実現するようにした歩行制御
に関するものである。
に関し、特に歩行安定化を実現するようにした歩行制御
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、所謂二脚歩行式ロボットは、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。ところで、この
ような二脚歩行式ロボットは、例えば路面状況，ロボッ
ト自体の物理パラメータの誤差等によって歩行の際の姿
勢が不安定になりやすく、場合によっては転倒してしま
う。
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。ところで、この
ような二脚歩行式ロボットは、例えば路面状況，ロボッ
ト自体の物理パラメータの誤差等によって歩行の際の姿
勢が不安定になりやすく、場合によっては転倒してしま
う。
【０００３】これに対して、歩容データを前もって設定
せずに、リアルタイムにロボットの歩行状態を認識しな
がら歩行制御を行なうようにすれば、歩行の際の姿勢を
安定させて歩行を行なわせることも可能であるが、この
ような場合でも、予期しない路面状況等が発生した場合
には、歩行姿勢が崩れてロボットが転倒してしまうこと
になる。
せずに、リアルタイムにロボットの歩行状態を認識しな
がら歩行制御を行なうようにすれば、歩行の際の姿勢を
安定させて歩行を行なわせることも可能であるが、この
ような場合でも、予期しない路面状況等が発生した場合
には、歩行姿勢が崩れてロボットが転倒してしまうこと
になる。
【０００４】このため、歩行制御によってロボットの足
裏における床反力と重力の合成モーメントがゼロとなる
点（以下、ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎ
ｔ）という）を目標値に収束させる、所謂ＺＭＰ補償を
行なう必要がある。このようなＺＭＰ補償のための制御
方法としては、例えば特開平５−３０５５８３号公報に
示すように、コンプライアンス制御を利用して、ＺＭＰ
を目標値に収束させ、ロボットの上体を加速させて修正
する方法や、ロボットの足の接地場所を修正する制御方
法が知られている。
裏における床反力と重力の合成モーメントがゼロとなる
点（以下、ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎ
ｔ）という）を目標値に収束させる、所謂ＺＭＰ補償を
行なう必要がある。このようなＺＭＰ補償のための制御
方法としては、例えば特開平５−３０５５８３号公報に
示すように、コンプライアンス制御を利用して、ＺＭＰ
を目標値に収束させ、ロボットの上体を加速させて修正
する方法や、ロボットの足の接地場所を修正する制御方
法が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
制御方法においては、ＺＭＰ規範により、ロボットの安
定化を図るようにしている。そして、このＺＭＰ規範に
おいては、床面上をロボットの各足が滑らないことが前
提条件となっている。
制御方法においては、ＺＭＰ規範により、ロボットの安
定化を図るようにしている。そして、このＺＭＰ規範に
おいては、床面上をロボットの各足が滑らないことが前
提条件となっている。
【０００６】しかしながら、このような構成の二脚歩行
式ロボットにおいては、ロボットの各足の足裏が滑るよ
うな環境、例えば濡れた床面，氷上，ぬかるみや毛足の
長い絨毯等の足場の不安定な路面状況においては、ＺＭ
Ｐの補償を正確に行なうことができなくなり、ロボット
の安定性を確保することができず、ロボットの二脚歩行
が困難になってしまう。
式ロボットにおいては、ロボットの各足の足裏が滑るよ
うな環境、例えば濡れた床面，氷上，ぬかるみや毛足の
長い絨毯等の足場の不安定な路面状況においては、ＺＭ
Ｐの補償を正確に行なうことができなくなり、ロボット
の安定性を確保することができず、ロボットの二脚歩行
が困難になってしまう。
【０００７】この発明は、以上の点にかんがみて、足裏
がすべるような不安定な床面であっても歩行安定性を実
現できるようにした、二脚歩行式移動装置とその歩行制
御装置及び歩行制御方法を提供することを目的としてい
る。
がすべるような不安定な床面であっても歩行安定性を実
現できるようにした、二脚歩行式移動装置とその歩行制
御装置及び歩行制御方法を提供することを目的としてい
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的は、この発明の
第一の構成によれば、本体と、本体の下部両側にて二軸
方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部を有する二
本の脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り
付けられた足部と、各脚部，膝部及び足部を揺動させる
駆動手段と、要求動作に対応して、目標角度軌道，目標
角速度，目標角加速度を含む歩容データを生成する歩容
生成部と、この歩容データに基づいて上記駆動手段を駆
動制御する歩行制御装置とを備えた二脚歩行式移動装置
において、上記歩行制御装置が、各足部における足裏に
加わる力を検出する力センサと、上記力センサで検出さ
れた力のうち水平床反力に基づいて歩容生成部からの歩
容データを修正する補償部とを含んでいる二脚歩行式移
動装置により達成される。
第一の構成によれば、本体と、本体の下部両側にて二軸
方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部を有する二
本の脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り
付けられた足部と、各脚部，膝部及び足部を揺動させる
駆動手段と、要求動作に対応して、目標角度軌道，目標
角速度，目標角加速度を含む歩容データを生成する歩容
生成部と、この歩容データに基づいて上記駆動手段を駆
動制御する歩行制御装置とを備えた二脚歩行式移動装置
において、上記歩行制御装置が、各足部における足裏に
加わる力を検出する力センサと、上記力センサで検出さ
れた力のうち水平床反力に基づいて歩容生成部からの歩
容データを修正する補償部とを含んでいる二脚歩行式移
動装置により達成される。
【０００９】本発明による二脚歩行式移動装置は、好ま
しくは、上記本体が人型ロボットの上体であって頭部及
び両手部を備えている。
しくは、上記本体が人型ロボットの上体であって頭部及
び両手部を備えている。
【００１０】本発明による二脚歩行式移動装置は、好ま
しくは、各足部の足裏が複数に分割されており、各分割
部毎にそれぞれ力センサを備えている。
しくは、各足部の足裏が複数に分割されており、各分割
部毎にそれぞれ力センサを備えている。
【００１１】本発明による二脚歩行式移動装置は、好ま
しくは、上記各分割部にそれぞれ備えられた力センサが
三軸力センサであって、上記補償部が、各力センサから
の検出信号に基づいて六軸方向の力を演算する。
しくは、上記各分割部にそれぞれ備えられた力センサが
三軸力センサであって、上記補償部が、各力センサから
の検出信号に基づいて六軸方向の力を演算する。
【００１２】本発明による二脚歩行式移動装置は、好ま
しくは、上記補償部が、自動キャリブレーションにより
各力センサからの検出信号を自動的に較正する。
しくは、上記補償部が、自動キャリブレーションにより
各力センサからの検出信号を自動的に較正する。
【００１３】また、上記目的は、この発明の第二の構成
によれば、本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動
可能に取り付けられた中間に膝部分を有する二本の脚部
と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられ
た足部と、各脚部，膝部分及び足部を揺動させる駆動手
段とから成る二脚歩行式移動装置に関して、要求動作に
対応して歩容生成部により生成される目標角度軌道，目
標角速度，目標角加速度を含む歩容データに基づいて上
記駆動手段を駆動制御する二脚歩行式移動装置の歩行制
御装置において、上記歩行制御装置が、各足部における
足裏に加わる力を検出する力センサと、上記力センサで
検出された力のうち水平床反力に基づいて歩容生成部か
らの歩容データを修正する補償部とを含んでいる二脚歩
行式移動装置の歩行制御装置により達成される。
によれば、本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動
可能に取り付けられた中間に膝部分を有する二本の脚部
と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられ
た足部と、各脚部，膝部分及び足部を揺動させる駆動手
段とから成る二脚歩行式移動装置に関して、要求動作に
対応して歩容生成部により生成される目標角度軌道，目
標角速度，目標角加速度を含む歩容データに基づいて上
記駆動手段を駆動制御する二脚歩行式移動装置の歩行制
御装置において、上記歩行制御装置が、各足部における
足裏に加わる力を検出する力センサと、上記力センサで
検出された力のうち水平床反力に基づいて歩容生成部か
らの歩容データを修正する補償部とを含んでいる二脚歩
行式移動装置の歩行制御装置により達成される。
【００１４】本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制
御装置は、好ましくは、各足部の足裏が複数に分割され
ており、各分割部毎にそれぞれ力センサを備えている。
御装置は、好ましくは、各足部の足裏が複数に分割され
ており、各分割部毎にそれぞれ力センサを備えている。
【００１５】本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制
御装置は、好ましくは、上記各分割部にそれぞれ備えら
れた力センサが三軸力センサであって、上記補償部が各
力センサからの検出信号に基づいて六軸方向の力を演算
する。
御装置は、好ましくは、上記各分割部にそれぞれ備えら
れた力センサが三軸力センサであって、上記補償部が各
力センサからの検出信号に基づいて六軸方向の力を演算
する。
【００１６】本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制
御装置は、好ましくは、上記補償部が、自動キャリブレ
ーションにより各力センサからの検出信号を自動的に較
正する。
御装置は、好ましくは、上記補償部が、自動キャリブレ
ーションにより各力センサからの検出信号を自動的に較
正する。
【００１７】さらに上記目的は、この発明の第三の構成
によれば、本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動
可能に取り付けられた中間に膝部分を有する二本の脚部
と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられ
た足部と、各脚部，膝部分及び足部を揺動させる駆動手
段とから成る二脚歩行式移動装置に関して、要求動作に
対応して歩容生成部により生成される目標角度軌道，目
標角速度，目標角加速度を含む歩容データに基づいて上
記駆動手段を駆動制御する二脚歩行式移動装置の歩行制
御方法において、上記歩行制御方法が、歩容データの修
正を行なう際に力センサにより各足部における足裏に加
わる力を検出する第一の段階と、上記力センサで検出さ
れた力のうち水平床反力に基づいて歩容生成部からの歩
容データを修正する第二の段階とを含んでいる二脚歩行
式移動装置の歩行制御方法により達成される。
によれば、本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動
可能に取り付けられた中間に膝部分を有する二本の脚部
と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられ
た足部と、各脚部，膝部分及び足部を揺動させる駆動手
段とから成る二脚歩行式移動装置に関して、要求動作に
対応して歩容生成部により生成される目標角度軌道，目
標角速度，目標角加速度を含む歩容データに基づいて上
記駆動手段を駆動制御する二脚歩行式移動装置の歩行制
御方法において、上記歩行制御方法が、歩容データの修
正を行なう際に力センサにより各足部における足裏に加
わる力を検出する第一の段階と、上記力センサで検出さ
れた力のうち水平床反力に基づいて歩容生成部からの歩
容データを修正する第二の段階とを含んでいる二脚歩行
式移動装置の歩行制御方法により達成される。
【００１８】本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制
御方法は、好ましくは、各足部の足裏が複数に分割され
ており、各分割部毎にそれぞれ力センサを備えている。
御方法は、好ましくは、各足部の足裏が複数に分割され
ており、各分割部毎にそれぞれ力センサを備えている。
【００１９】本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制
御方法は、好ましくは、上記各分割部にそれぞれ備えら
れた力センサが三軸力センサであって、上記補償部が各
力センサからの検出信号に基づいて六軸方向の力を演算
する。
御方法は、好ましくは、上記各分割部にそれぞれ備えら
れた力センサが三軸力センサであって、上記補償部が各
力センサからの検出信号に基づいて六軸方向の力を演算
する。
【００２０】本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制
御方法は、好ましくは、上記補償部が、自動キャリブレ
ーションにより各力センサからの検出信号を自動的に較
正する。
御方法は、好ましくは、上記補償部が、自動キャリブレ
ーションにより各力センサからの検出信号を自動的に較
正する。
【００２１】上記構成によれば、各足部の足裏に設けら
れた力センサにより検出した水平床反力に基づいて、補
償部により歩容生成部からの歩容データを修正して駆動
手段を駆動制御する。従って、ロボットの各足部の足裏
がすべるような床面に着地しているときでも、足裏の床
面との摩擦力によって生ずる水平床反力に基づいて、歩
容データを修正することにより本体、好ましくはロボッ
トの上体の安定化を図るようになっている。これによ
り、ロボットの各足部の足裏が、例えば濡れた床面，氷
上，ぬかるみや毛足の長い絨毯等の足場の不安定な路面
状況においても、ロボットの安定性を確保することがで
き、確実に歩行制御を行なうことが可能である。
れた力センサにより検出した水平床反力に基づいて、補
償部により歩容生成部からの歩容データを修正して駆動
手段を駆動制御する。従って、ロボットの各足部の足裏
がすべるような床面に着地しているときでも、足裏の床
面との摩擦力によって生ずる水平床反力に基づいて、歩
容データを修正することにより本体、好ましくはロボッ
トの上体の安定化を図るようになっている。これによ
り、ロボットの各足部の足裏が、例えば濡れた床面，氷
上，ぬかるみや毛足の長い絨毯等の足場の不安定な路面
状況においても、ロボットの安定性を確保することがで
き、確実に歩行制御を行なうことが可能である。
【００２２】各足部の足裏が複数に分割されており、各
分割部毎にそれぞれ力センサを備えている場合には、各
分割部毎に設けられた力センサにより、全体として水平
床反力を検出することができるので、ロボットの各足部
が着地している状態で、各分割部にそれぞれ備えられた
各力センサに加わる力が分散される。このため、個々の
力センサは小型で軽量のものを使用することができ、コ
ストを低減し得る。また、各力に加わる力が分散される
ことにより、各力センサの解像度が向上するので、同じ
解像度を得るためには、各力センサの検出信号をＡＤ変
換するためのＡＤコンバータも性能が低く且つ低コスト
のものを使用することができる。さらに、ロボットの各
足部の一部のみが床面に載っているようなときでも、確
実に水平床反力を検出することができる。これにより、
ロボットの各足部の足裏が、例えば凹凸等により一部の
み床面に着地しているようなときでも、ロボットの安定
性を確保することができ、確実に歩行制御を行なうこと
が可能である。
分割部毎にそれぞれ力センサを備えている場合には、各
分割部毎に設けられた力センサにより、全体として水平
床反力を検出することができるので、ロボットの各足部
が着地している状態で、各分割部にそれぞれ備えられた
各力センサに加わる力が分散される。このため、個々の
力センサは小型で軽量のものを使用することができ、コ
ストを低減し得る。また、各力に加わる力が分散される
ことにより、各力センサの解像度が向上するので、同じ
解像度を得るためには、各力センサの検出信号をＡＤ変
換するためのＡＤコンバータも性能が低く且つ低コスト
のものを使用することができる。さらに、ロボットの各
足部の一部のみが床面に載っているようなときでも、確
実に水平床反力を検出することができる。これにより、
ロボットの各足部の足裏が、例えば凹凸等により一部の
み床面に着地しているようなときでも、ロボットの安定
性を確保することができ、確実に歩行制御を行なうこと
が可能である。
【００２３】上記各分割部にそれぞれ備えられた力セン
サが、三軸力センサであって、上記補償部が、各力セン
サからの検出信号に基づいて六軸方向の力を演算する場
合には、少なくとも二つの三軸力センサにより六軸方向
の力を演算することができるので、各分割部には、それ
ぞれ安価な三軸力センサを備えることにより六軸力セン
サと同様に六軸方向の力を検出することができると共
に、コストを低減することができる。
サが、三軸力センサであって、上記補償部が、各力セン
サからの検出信号に基づいて六軸方向の力を演算する場
合には、少なくとも二つの三軸力センサにより六軸方向
の力を演算することができるので、各分割部には、それ
ぞれ安価な三軸力センサを備えることにより六軸力セン
サと同様に六軸方向の力を検出することができると共
に、コストを低減することができる。
【００２４】上記補償部が、自動キャリブレーションに
より各力センサからの検出信号を自動的に較正する場合
には、個々の力センサが周囲の温度や経年変化によって
検出精度が変化したとしても、自動キャリブレーション
によって自動較正されることによって各力センサからの
検出信号により正確に水平床反力を検出することができ
る。
より各力センサからの検出信号を自動的に較正する場合
には、個々の力センサが周囲の温度や経年変化によって
検出精度が変化したとしても、自動キャリブレーション
によって自動較正されることによって各力センサからの
検出信号により正確に水平床反力を検出することができ
る。
【００２５】
【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、
この発明による二脚歩行式移動装置を適用した二脚歩行
式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、二脚歩行式ロボット１０は、本体である上体１１
と、上体１１の下部両側に取り付けられた中間に膝部１
２Ｌ，１２Ｒを備えた二本の脚部１３Ｌ，１３Ｒと、各
脚部１３Ｌ，１３Ｒの下端に取り付けられた足部１４
Ｌ，１４Ｒと、を含んでいる。
づいて、この発明を詳細に説明する。図１乃至図２は、
この発明による二脚歩行式移動装置を適用した二脚歩行
式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、二脚歩行式ロボット１０は、本体である上体１１
と、上体１１の下部両側に取り付けられた中間に膝部１
２Ｌ，１２Ｒを備えた二本の脚部１３Ｌ，１３Ｒと、各
脚部１３Ｌ，１３Ｒの下端に取り付けられた足部１４
Ｌ，１４Ｒと、を含んでいる。
【００２６】ここで、上記脚部１３Ｌ，１３Ｒはそれぞ
れ六個の関節部、即ち上方から順に、上体１１に対する
腰の脚部回旋用（ｚ軸周り）の関節部１５Ｌ，１５Ｒ、
腰のロール方向（ｘ軸周り）の関節部１６Ｌ，１６Ｒ、
腰のピッチ方向（ｙ軸周り）の関節部１７Ｌ，１７Ｒ、
膝部１２Ｌ，１２Ｒのピッチ方向の関節部１８Ｌ，１８
Ｒ、足部１４Ｌ，１４Ｒに対する足首部のピッチ方向の
関節部１９Ｌ，１９Ｒ、足首部のロール方向の関節部２
０Ｌ，２０Ｒを備えている。なお、各関節部１５Ｌ，１
５Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒは、それぞれ関節駆動用モータ
により構成されている。
れ六個の関節部、即ち上方から順に、上体１１に対する
腰の脚部回旋用（ｚ軸周り）の関節部１５Ｌ，１５Ｒ、
腰のロール方向（ｘ軸周り）の関節部１６Ｌ，１６Ｒ、
腰のピッチ方向（ｙ軸周り）の関節部１７Ｌ，１７Ｒ、
膝部１２Ｌ，１２Ｒのピッチ方向の関節部１８Ｌ，１８
Ｒ、足部１４Ｌ，１４Ｒに対する足首部のピッチ方向の
関節部１９Ｌ，１９Ｒ、足首部のロール方向の関節部２
０Ｌ，２０Ｒを備えている。なお、各関節部１５Ｌ，１
５Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒは、それぞれ関節駆動用モータ
により構成されている。
【００２７】このようにして、腰関節は、上記関節部１
５Ｌ，１５Ｒ，１６Ｌ，１６Ｒ，１７ＫＬ，１７Ｒから
構成され、また足関節は、関節部１９Ｌ，１９Ｒ，２０
Ｌ，２０Ｒから構成されることになる。さらに、腰関節
と膝関節との間は、大腿リンク２１Ｌ，２１Ｒにより連
結されており、また膝関節と足関節との間は、下腿リン
ク２２Ｌ，２２Ｒにより連結されている。これにより、
二脚歩行式ロボット１０の左右両側の脚部１３Ｌ，１３
Ｒ及び足部１４Ｌ，１４Ｒは、それぞれ６自由度を与え
られることになり、歩行中にこれらの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１３Ｌ，１３Ｒ，足部１４Ｌ，１４Ｒ全
体に所望の動作を与えて、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。
５Ｌ，１５Ｒ，１６Ｌ，１６Ｒ，１７ＫＬ，１７Ｒから
構成され、また足関節は、関節部１９Ｌ，１９Ｒ，２０
Ｌ，２０Ｒから構成されることになる。さらに、腰関節
と膝関節との間は、大腿リンク２１Ｌ，２１Ｒにより連
結されており、また膝関節と足関節との間は、下腿リン
ク２２Ｌ，２２Ｒにより連結されている。これにより、
二脚歩行式ロボット１０の左右両側の脚部１３Ｌ，１３
Ｒ及び足部１４Ｌ，１４Ｒは、それぞれ６自由度を与え
られることになり、歩行中にこれらの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１３Ｌ，１３Ｒ，足部１４Ｌ，１４Ｒ全
体に所望の動作を与えて、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。
【００２８】さらに、上記足部１４Ｌ，１４Ｒは、足裏
（下面）に、力センサ２３Ｌ，２３Ｒを備えている。こ
の力センサ２３Ｌ，２３Ｒは、後述するようにそれぞれ
各足部１４Ｌ，１４Ｒにおける力、特に水平床反力Ｆを
検出するようになっている。
（下面）に、力センサ２３Ｌ，２３Ｒを備えている。こ
の力センサ２３Ｌ，２３Ｒは、後述するようにそれぞれ
各足部１４Ｌ，１４Ｒにおける力、特に水平床反力Ｆを
検出するようになっている。
【００２９】なお、上記上体１１は、図示の場合、単に
箱状に示されているが、実際には、頭部や両手を備えて
いてもよい。
箱状に示されているが、実際には、頭部や両手を備えて
いてもよい。
【００３０】図２は、図１に示した二脚歩行式ロボット
１０の電気的構成を示している。図２において、二脚歩
行式ロボット１０は、要求動作に対応して歩容データを
生成する歩容生成部２４と、この歩容データに基づい
て、駆動手段、即ち上述した各関節部、即ち関節駆動用
モータ１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒを駆動制御す
る歩行制御装置３０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。
１０の電気的構成を示している。図２において、二脚歩
行式ロボット１０は、要求動作に対応して歩容データを
生成する歩容生成部２４と、この歩容データに基づい
て、駆動手段、即ち上述した各関節部、即ち関節駆動用
モータ１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒを駆動制御す
る歩行制御装置３０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。
【００３１】上記歩容生成部２４は、外部から入力され
る要求動作に対応して、二脚歩行式ロボット１０の歩行
に必要な各関節部１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒの
目標角度軌道，目標角速度，目標角加速度を含む歩容デ
ータを生成するようになっている。
る要求動作に対応して、二脚歩行式ロボット１０の歩行
に必要な各関節部１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒの
目標角度軌道，目標角速度，目標角加速度を含む歩容デ
ータを生成するようになっている。
【００３２】上記歩行制御装置３０は、角度計測ユニッ
ト３１と、補償部３２と、制御部３３と、モータ制御ユ
ニット３４と、から構成されている。上記角度計測ユニ
ット３１は、各関節部１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２０
Ｒ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
れることにより、各関節駆動用モータの角度位置、即ち
角度及び角速度に関する状態ベクトルφを計測して、補
償部３２に出力するようになっている。
ト３１と、補償部３２と、制御部３３と、モータ制御ユ
ニット３４と、から構成されている。上記角度計測ユニ
ット３１は、各関節部１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２０
Ｒ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
れることにより、各関節駆動用モータの角度位置、即ち
角度及び角速度に関する状態ベクトルφを計測して、補
償部３２に出力するようになっている。
【００３３】上記補償部３２は、力センサ２３Ｌ，２３
Ｒからの検出出力に基づいて、水平床反力Ｆを演算し
て、この水平床反力Ｆ及び角度計測ユニット３１からの
状態ベクトルφに基づいて、歩容生成部２４からの歩容
データを修正し、ベクトルθｉ（ｉ＝１からｎ、ただ
し、ｎはロボット１０の歩行に関する自由度）を制御部
３３へ出力するようになっている。
Ｒからの検出出力に基づいて、水平床反力Ｆを演算し
て、この水平床反力Ｆ及び角度計測ユニット３１からの
状態ベクトルφに基づいて、歩容生成部２４からの歩容
データを修正し、ベクトルθｉ（ｉ＝１からｎ、ただ
し、ｎはロボット１０の歩行に関する自由度）を制御部
３３へ出力するようになっている。
【００３４】上記制御部３３は、補償部３２で修正され
た歩容データであるベクトルθｉから、ロボットの各関
節部における角度ベクトルθ０を減算して、ベクトル
（θｉ−θ０）に基づいて、各関節駆動用モータの制御
信号、即ちトルクベクトルτを生成するようになってい
る。上記モータ制御ユニット３４は、制御部３３からの
制御信号（トルクベクトルτ）に従って各関節駆動用モ
ータを駆動制御するようになっている。
た歩容データであるベクトルθｉから、ロボットの各関
節部における角度ベクトルθ０を減算して、ベクトル
（θｉ−θ０）に基づいて、各関節駆動用モータの制御
信号、即ちトルクベクトルτを生成するようになってい
る。上記モータ制御ユニット３４は、制御部３３からの
制御信号（トルクベクトルτ）に従って各関節駆動用モ
ータを駆動制御するようになっている。
【００３５】ここで、上記力センサ２３Ｌ，２３Ｒは、
左右対称の構成であるから、力センサ２３Ｌについて図
３を参照して説明する。図３において、力センサ２３Ｌ
は、足部１４Ｌの下面である足裏板３５の下側にて、水
平方向に分割して、即ちｘ方向に三分割，ｙ方向に二分
割して設けられた、六個の力センサ３６ａ，３６ｂ，３
６ｃ，３６ｄ，３６ｅ，３６ｆとして構成されている。
左右対称の構成であるから、力センサ２３Ｌについて図
３を参照して説明する。図３において、力センサ２３Ｌ
は、足部１４Ｌの下面である足裏板３５の下側にて、水
平方向に分割して、即ちｘ方向に三分割，ｙ方向に二分
割して設けられた、六個の力センサ３６ａ，３６ｂ，３
６ｃ，３６ｄ，３６ｅ，３６ｆとして構成されている。
【００３６】各力センサ３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６
ｄ，３６ｅ，３６ｆは、互いに同じ構成であり、力セン
サ３６ａについて図４を参照して説明する。図４におい
て、力センサ３６ａは、上方のソール３７と下方のソー
ル３８との間に取り付けられた三軸力センサであって、
足部１４Ｌが床面に着地したとき、床面から受ける力を
検出するようになっている。下方のソール３８は、力セ
ンサ３６ａのセンサ軸を中心に前後左右に揺動可能に支
持されており、全方位について揺動により接地し得るよ
うになっている。
ｄ，３６ｅ，３６ｆは、互いに同じ構成であり、力セン
サ３６ａについて図４を参照して説明する。図４におい
て、力センサ３６ａは、上方のソール３７と下方のソー
ル３８との間に取り付けられた三軸力センサであって、
足部１４Ｌが床面に着地したとき、床面から受ける力を
検出するようになっている。下方のソール３８は、力セ
ンサ３６ａのセンサ軸を中心に前後左右に揺動可能に支
持されており、全方位について揺動により接地し得るよ
うになっている。
【００３７】なお、この場合、力センサ２３Ｌ及び２３
Ｒは、それぞれ六個に分割されているが、これに限ら
ず、少なくとも各足部１４Ｌ，１４Ｒのかかと部の両側
及び足先部の両側の四個に分割されていればよく、さら
に七個以上に分割されていてもよい。また、各力センサ
３６ａ乃至３６ｆは、図示の場合、足裏にて整列して配
置されているが、これに限らず、任意に配置されていて
もよい。これにより、ロボット１０の歩行の際に、足部
１４Ｌ，１４Ｒのかかと部から床面に着地することによ
ってそれぞれ三軸力センサにより衝撃が吸収され得るこ
とになる。
Ｒは、それぞれ六個に分割されているが、これに限ら
ず、少なくとも各足部１４Ｌ，１４Ｒのかかと部の両側
及び足先部の両側の四個に分割されていればよく、さら
に七個以上に分割されていてもよい。また、各力センサ
３６ａ乃至３６ｆは、図示の場合、足裏にて整列して配
置されているが、これに限らず、任意に配置されていて
もよい。これにより、ロボット１０の歩行の際に、足部
１４Ｌ，１４Ｒのかかと部から床面に着地することによ
ってそれぞれ三軸力センサにより衝撃が吸収され得るこ
とになる。
【００３８】ここで、一般的には同一平面上に四個以上
の力センサが設けられていても、すべての力センサが着
地した状態で、それぞれ力を検出することは幾何学的に
も不可能になり、四個目以上は、冗長となる。しかしな
がら、この場合には、各分割部が互いに分割されている
ことにより、すべての力センサ３６ａ乃至３６ｆが床面
に着地可能となり、冗長な力センサがなくなって、各力
センサがそれぞれ力を検出することができる。従って、
足部１４Ｌ，１４Ｒの床面への着地により加えられる力
は、各力センサ３６ａ乃至３６ｆに分散して印加される
ことになるので、各力センサ３６ａ乃至３６ｆは、小型
で軽量のものを使用することができ、これにより、各力
センサ３６ａ乃至３６ｆのコストを低減することができ
る。また、各力センサ３６ａ乃至３６ｆに印加される力
が小さくなるので、解像度が向上することになる。従っ
て、同じ解像度を得るためには、各力センサ３６ａ乃至
３６ｆを受けてＡＤ変換するＡＤコンバータとして、比
較的性能が低く安価なものを使用することができるの
で、ＡＤコンバータのコストを低減することができる。
の力センサが設けられていても、すべての力センサが着
地した状態で、それぞれ力を検出することは幾何学的に
も不可能になり、四個目以上は、冗長となる。しかしな
がら、この場合には、各分割部が互いに分割されている
ことにより、すべての力センサ３６ａ乃至３６ｆが床面
に着地可能となり、冗長な力センサがなくなって、各力
センサがそれぞれ力を検出することができる。従って、
足部１４Ｌ，１４Ｒの床面への着地により加えられる力
は、各力センサ３６ａ乃至３６ｆに分散して印加される
ことになるので、各力センサ３６ａ乃至３６ｆは、小型
で軽量のものを使用することができ、これにより、各力
センサ３６ａ乃至３６ｆのコストを低減することができ
る。また、各力センサ３６ａ乃至３６ｆに印加される力
が小さくなるので、解像度が向上することになる。従っ
て、同じ解像度を得るためには、各力センサ３６ａ乃至
３６ｆを受けてＡＤ変換するＡＤコンバータとして、比
較的性能が低く安価なものを使用することができるの
で、ＡＤコンバータのコストを低減することができる。
【００３９】ここで、上述した各力センサ３６ａ乃至３
６ｆは三軸力センサであるが、二個以上の三軸力センサ
が在れば六軸方向の力を演算することができる。以下、
一般的にｎ個の三軸力センサから、六軸方向の力を演算
する場合について図５を参照して説明する。図５におい
て、足裏にて、力計測の原点Ｏ（Ｏｘ，Ｏｙ）に対し
て、ｎ個の三軸力センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，・・・，Ｓ
ｎが配置されている。なお、力計測の原点Ｏは、例えば
足部の関節の駆動座標系に一致させることが好ましい。
ここで、各三軸力センサＳｉの位置を、Ｓｉ＝（Ｘ
（ｉ），Ｙ（ｉ））とすると、六軸方向の力はそれぞれ
以下の式で与えられる。
６ｆは三軸力センサであるが、二個以上の三軸力センサ
が在れば六軸方向の力を演算することができる。以下、
一般的にｎ個の三軸力センサから、六軸方向の力を演算
する場合について図５を参照して説明する。図５におい
て、足裏にて、力計測の原点Ｏ（Ｏｘ，Ｏｙ）に対し
て、ｎ個の三軸力センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，・・・，Ｓ
ｎが配置されている。なお、力計測の原点Ｏは、例えば
足部の関節の駆動座標系に一致させることが好ましい。
ここで、各三軸力センサＳｉの位置を、Ｓｉ＝（Ｘ
（ｉ），Ｙ（ｉ））とすると、六軸方向の力はそれぞれ
以下の式で与えられる。
【００４０】即ち、各方向の力ＦＸ，ＦＹ，ＦＺは、
【数１】
【数２】
【数３】
で与えられ、また各方向のトルクＴＸ，ＴＹ，ＴＺは、
【数４】
【数５】
【数６】
で与えられる。ただし、上記式（６）において、αは、
【数７】
で与えられる。このようにして、各三軸力センサ３６ａ
乃至３６ｆの検出出力に基づいて、補償部３２内に設け
られた演算回路により演算が行なわれ、六軸方向の力が
検出されることになる。
乃至３６ｆの検出出力に基づいて、補償部３２内に設け
られた演算回路により演算が行なわれ、六軸方向の力が
検出されることになる。
【００４１】さらに、これらの六軸方向の力から、水平
床反力Ｆは、床面とロボット１０の足裏の摩擦力によっ
て生ずる水平方向の力、即ち上記Ｘ方向及びＹ方向の力
ＦＸ，ＦＹの合力として表わされ、そのベクトルＦＣ及
び大きさ｜ＦＣ｜は、
床反力Ｆは、床面とロボット１０の足裏の摩擦力によっ
て生ずる水平方向の力、即ち上記Ｘ方向及びＹ方向の力
ＦＸ，ＦＹの合力として表わされ、そのベクトルＦＣ及
び大きさ｜ＦＣ｜は、
【数８】
で表わされる。
【００４２】なお、各三軸力センサ３６ａ乃至３６ｆ
は、個々の検出出力のバラツキがあると共に、周囲の温
度，経年変化等によって検出出力が変動する。従って、
各三軸力センサ３６ａ乃至３６ｆの検出出力は、以下の
ような自動キャリブレーションにより、補償部３２内に
て自動的に較正されるようになっている。
は、個々の検出出力のバラツキがあると共に、周囲の温
度，経年変化等によって検出出力が変動する。従って、
各三軸力センサ３６ａ乃至３６ｆの検出出力は、以下の
ような自動キャリブレーションにより、補償部３２内に
て自動的に較正されるようになっている。
【００４３】先ず、Ｚ軸方向のキャリブレーションにつ
いて説明する。上述したように分散配置された三軸力セ
ンサＳ１乃至Ｓｎのうち、任意の三個の三軸力センサ、
例えばＳ１，Ｓ２，Ｓ３を選択し、これらの座標位置
を、それぞれＳ１＝Ｘ（１），Ｙ（１），（Ｚ（１），
Ｓ２＝Ｘ（２），Ｙ（２），Ｚ（２），Ｓ３＝Ｘ
（３），Ｙ（３），Ｚ（３）とする。
いて説明する。上述したように分散配置された三軸力セ
ンサＳ１乃至Ｓｎのうち、任意の三個の三軸力センサ、
例えばＳ１，Ｓ２，Ｓ３を選択し、これらの座標位置
を、それぞれＳ１＝Ｘ（１），Ｙ（１），（Ｚ（１），
Ｓ２＝Ｘ（２），Ｙ（２），Ｚ（２），Ｓ３＝Ｘ
（３），Ｙ（３），Ｚ（３）とする。
【００４４】そして、これらの三軸力センサＳ１乃至Ｓ
３のみに負荷がかかるように、三点支持の状態にして、
図５（Ｂ）に示すように、これらのうち、適宜の二つの
三軸力センサ、例えばＳ１及びＳ２を直線で結び、この
直線に対する残りの一個の三軸力センサＳ３からの垂線
の足をＣとする。ここで、上記垂線上にて駆動対象の重
心位置をＳ３からＣへ静的に移動させて、そのときのＳ
１乃至Ｓ３から出力される電圧値を計測する。その際、
移動中の計測ポイントが多いほど、正確な較正を行なう
ことができる。
３のみに負荷がかかるように、三点支持の状態にして、
図５（Ｂ）に示すように、これらのうち、適宜の二つの
三軸力センサ、例えばＳ１及びＳ２を直線で結び、この
直線に対する残りの一個の三軸力センサＳ３からの垂線
の足をＣとする。ここで、上記垂線上にて駆動対象の重
心位置をＳ３からＣへ静的に移動させて、そのときのＳ
１乃至Ｓ３から出力される電圧値を計測する。その際、
移動中の計測ポイントが多いほど、正確な較正を行なう
ことができる。
【００４５】ｆを計測した力，Ａ，Ｂをキャリブレーシ
ョンパラメータ、Ｖをそのときの電圧値とし、Ｍを駆動
対象の全質量，ｇを重力の加速度とし、ｋを計測ポイン
トとすると、以下の関係式、
ョンパラメータ、Ｖをそのときの電圧値とし、Ｍを駆動
対象の全質量，ｇを重力の加速度とし、ｋを計測ポイン
トとすると、以下の関係式、
【数９】
【数１０】
【数１１】
【数１２】
が成立する。
【００４６】そして、Ｖ，Ｍ，Ｙを既知として、これら
の式をｆの連立方程式として解いて、その結果を、以下
の式
の式をｆの連立方程式として解いて、その結果を、以下
の式
【数１３】
に代入することにより、求めるＦ／Ｖ直線の傾きＡ及び
切片Ｂを同時に求めることができる。さらに、ｎ回の計
測を行なうことにより、較正のための補正パラメータを
算出することができる。
切片Ｂを同時に求めることができる。さらに、ｎ回の計
測を行なうことにより、較正のための補正パラメータを
算出することができる。
【００４７】このようにして、上記三つの三軸力センサ
Ｓ１乃至Ｓ３に関するＺ軸方向のキャリブレーションが
終了する。そして、他の異なる三つの三軸力センサを選
択して、同様にして補正パラメータの算出を繰り返し、
すべての三軸力センサについて補正パラメータの算出を
行なうことにより、すべての三軸力センサのＺ軸方向の
較正を行なうことができる。
Ｓ１乃至Ｓ３に関するＺ軸方向のキャリブレーションが
終了する。そして、他の異なる三つの三軸力センサを選
択して、同様にして補正パラメータの算出を繰り返し、
すべての三軸力センサについて補正パラメータの算出を
行なうことにより、すべての三軸力センサのＺ軸方向の
較正を行なうことができる。
【００４８】さらに、ＸＹ軸に関するキャリブレーショ
ンの方法について説明する。先ず、分散配置された三軸
力センサＳ１乃至Ｓｎのうち、任意の二個の三軸力セン
サ、例えばＳ１，Ｓ２を選択し、ロボットの上体１１ま
たは反対側の脚部１３Ｌまたは１３Ｒを利用して、Ｚ軸
周りのモーメントｍを発生させる。このとき、モーメン
トｍと三軸力センサＳ１，Ｓ２にかかる力Ｆ１，Ｆ２
は、Ｆ１＝Ｆ２となり、以下の式
ンの方法について説明する。先ず、分散配置された三軸
力センサＳ１乃至Ｓｎのうち、任意の二個の三軸力セン
サ、例えばＳ１，Ｓ２を選択し、ロボットの上体１１ま
たは反対側の脚部１３Ｌまたは１３Ｒを利用して、Ｚ軸
周りのモーメントｍを発生させる。このとき、モーメン
トｍと三軸力センサＳ１，Ｓ２にかかる力Ｆ１，Ｆ２
は、Ｆ１＝Ｆ２となり、以下の式
【数１４】
により表わされる。従って、個々の三軸力センサＳ１，
Ｓ２にかかる力Ｆ１，Ｆ２が計算され、それぞれのＸ成
分，Ｙ成分は、以下の式
Ｓ２にかかる力Ｆ１，Ｆ２が計算され、それぞれのＸ成
分，Ｙ成分は、以下の式
【数１５】
により表わされる。
【００４９】これに対して、各三軸力センサＳ１，Ｓ２
から出力される電圧Ｖと力ｆｘ，ｆｙの関係は、計測回
数をｋとすると、以下の式
から出力される電圧Ｖと力ｆｘ，ｆｙの関係は、計測回
数をｋとすると、以下の式
【数１６】
により表わされる。これらの式を連立させて、ｎ回の計
測を行なうと、以下の行列式
測を行なうと、以下の行列式
【数１７】
【数１８】
が得られ、補正パラメータＡ，Ｂを算出することができ
る。このようにして、Ｘ軸方向及びＹ方向の補正パラメ
ータＡ，Ｂを同時に算出して、ＸＹ軸方向のキャリブレ
ーションを行なうことが可能である。
る。このようにして、Ｘ軸方向及びＹ方向の補正パラメ
ータＡ，Ｂを同時に算出して、ＸＹ軸方向のキャリブレ
ーションを行なうことが可能である。
【００５０】本発明実施形態による二脚歩行式ロボット
１０は以上のように構成されており、歩行動作は、図６
に示すフローチャートにより以下のように行なわれる。
図６において、先ずステップＳＴ１にて、歩容生成部２
４が、入力された要求動作（Ｊ＝Ｊ）に基づいて歩容デ
ータを生成し、歩行制御装置３０の補償部３２に出力す
る。そして、ステップＳＴ２にて、双方の足部１４Ｌ，
１４Ｒに備えられた力センサ２３Ｌ，２３Ｒが、それぞ
れ力を検出して補償部３２に出力する。また、ステップ
ＳＴ３にて、角度計測ユニット３１が各関節部１６Ｌ，
１６Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒの状態ベクトルφを計測し
て、補償部３２に出力する。
１０は以上のように構成されており、歩行動作は、図６
に示すフローチャートにより以下のように行なわれる。
図６において、先ずステップＳＴ１にて、歩容生成部２
４が、入力された要求動作（Ｊ＝Ｊ）に基づいて歩容デ
ータを生成し、歩行制御装置３０の補償部３２に出力す
る。そして、ステップＳＴ２にて、双方の足部１４Ｌ，
１４Ｒに備えられた力センサ２３Ｌ，２３Ｒが、それぞ
れ力を検出して補償部３２に出力する。また、ステップ
ＳＴ３にて、角度計測ユニット３１が各関節部１６Ｌ，
１６Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒの状態ベクトルφを計測し
て、補償部３２に出力する。
【００５１】これにより、ステップＳＴ４にて、補償部
３２が力センサ２３Ｌ，２３Ｒからの検出出力に基づい
て水平床反力Ｆを演算する。そして、ステップＳＴ５に
て、補償部３２が、この水平床反力Ｆ及び角度計測ユニ
ット３１からの各関節部１６Ｌ，１６Ｒ乃至２０Ｌ，２
０Ｒの状態ベクトルφに基づいて歩容データを修正し、
ベクトルθｉを制御部３３に出力する。
３２が力センサ２３Ｌ，２３Ｒからの検出出力に基づい
て水平床反力Ｆを演算する。そして、ステップＳＴ５に
て、補償部３２が、この水平床反力Ｆ及び角度計測ユニ
ット３１からの各関節部１６Ｌ，１６Ｒ乃至２０Ｌ，２
０Ｒの状態ベクトルφに基づいて歩容データを修正し、
ベクトルθｉを制御部３３に出力する。
【００５２】次に、ステップＳＴ６にて、制御部３３
は、ベクトルθｉからロボットの各関節部における角度
ベクトルθ０を減算して、ベクトル（θｉ−θ０）に基
づいて各関節駆動用モータの制御信号、即ちトルクベク
トルτを生成し、モータ制御ユニット３４に出力する。
そして、ステップＳＴ７にて、モータ制御ユニット３４
がこのトルクベクトルτに基づいて各関節部の関節駆動
用モータを駆動制御する。これにより、二脚歩行式ロボ
ット１０は、要求動作に対応して、歩行動作を行なうこ
とになる。
は、ベクトルθｉからロボットの各関節部における角度
ベクトルθ０を減算して、ベクトル（θｉ−θ０）に基
づいて各関節駆動用モータの制御信号、即ちトルクベク
トルτを生成し、モータ制御ユニット３４に出力する。
そして、ステップＳＴ７にて、モータ制御ユニット３４
がこのトルクベクトルτに基づいて各関節部の関節駆動
用モータを駆動制御する。これにより、二脚歩行式ロボ
ット１０は、要求動作に対応して、歩行動作を行なうこ
とになる。
【００５３】その後、ステップＳＴ８にて、制御部３３
が、動作カウンタインクリメントによりＪ＝Ｊ＋１とし
て、所定のサンプリング時間になるまで待機した後、ス
テップＳＴ９にて、上記Ｊが前以て決められた動作終了
カウント以下の場合には、再びステップ２に戻って上記
動作を繰り返す。そして、ステップＳＴ９にて、上記Ｊ
が動作終了カウントを超えた場合には、動作を終了す
る。
が、動作カウンタインクリメントによりＪ＝Ｊ＋１とし
て、所定のサンプリング時間になるまで待機した後、ス
テップＳＴ９にて、上記Ｊが前以て決められた動作終了
カウント以下の場合には、再びステップ２に戻って上記
動作を繰り返す。そして、ステップＳＴ９にて、上記Ｊ
が動作終了カウントを超えた場合には、動作を終了す
る。
【００５４】この場合、二脚歩行式ロボット１０におい
て、各関節駆動用モータの駆動制御の際に、歩容データ
が、補償部３２にて各足部１４Ｌ，１４Ｒの足裏に設け
られた力センサ２３Ｌ，２３Ｒからの水平床反力Ｆに基
づいて修正され、ベクトルθｉが生成されることによ
り、この水平床反力Ｆを規範として、ロボット１０の安
定性を得るようになっている。これにより、ロボット１
０の各足部１４Ｌ，１４Ｒが、例えば足裏が滑るような
床面に着地したとしても、足裏に設けられた力センサ２
３Ｌ，２３Ｒが水平床反力Ｆを検出することができるの
で、要求動作に対する歩行動作を確実に行なうことが可
能となる。従って、従来のＺＭＰを規範とする歩行制御
では歩行が困難であった、例えば濡れた床面，氷上，ぬ
かるみや毛足の長い絨毯等の足場の不安定な路面状況に
おいても、本発明による二脚歩行式ロボット１０によれ
ば、安定した状態を保持しながら、確実に歩行動作を行
なうことができる。
て、各関節駆動用モータの駆動制御の際に、歩容データ
が、補償部３２にて各足部１４Ｌ，１４Ｒの足裏に設け
られた力センサ２３Ｌ，２３Ｒからの水平床反力Ｆに基
づいて修正され、ベクトルθｉが生成されることによ
り、この水平床反力Ｆを規範として、ロボット１０の安
定性を得るようになっている。これにより、ロボット１
０の各足部１４Ｌ，１４Ｒが、例えば足裏が滑るような
床面に着地したとしても、足裏に設けられた力センサ２
３Ｌ，２３Ｒが水平床反力Ｆを検出することができるの
で、要求動作に対する歩行動作を確実に行なうことが可
能となる。従って、従来のＺＭＰを規範とする歩行制御
では歩行が困難であった、例えば濡れた床面，氷上，ぬ
かるみや毛足の長い絨毯等の足場の不安定な路面状況に
おいても、本発明による二脚歩行式ロボット１０によれ
ば、安定した状態を保持しながら、確実に歩行動作を行
なうことができる。
【００５５】さらに、水平床反力Ｆを検出するために各
足部１４Ｌ，１４Ｒの足裏に設けられた力センサ２３
Ｌ，２３Ｒが、それぞれ六個に分割された各部に備えら
れた三軸力センサ３６ａ乃至３６ｆから構成されている
ので、各足部１４Ｌ，１４Ｒが着地している状態で、各
分割部にそれぞれ備えられた各三軸力センサ３６ａ乃至
３６ｆに加わる力が分散されるので、個々の三軸力セン
サ３６ａ乃至３６ｆは小型で軽量のものを使用すること
ができ、コストを低減することができる。
足部１４Ｌ，１４Ｒの足裏に設けられた力センサ２３
Ｌ，２３Ｒが、それぞれ六個に分割された各部に備えら
れた三軸力センサ３６ａ乃至３６ｆから構成されている
ので、各足部１４Ｌ，１４Ｒが着地している状態で、各
分割部にそれぞれ備えられた各三軸力センサ３６ａ乃至
３６ｆに加わる力が分散されるので、個々の三軸力セン
サ３６ａ乃至３６ｆは小型で軽量のものを使用すること
ができ、コストを低減することができる。
【００５６】また、各力に加わる力が分散されることに
より、各三軸力センサ３６ａ乃至３６ｆの解像度が向上
するので、同じ解像度を得るためには、各三軸力センサ
３６ａ乃至３６ｆの検出信号をＡＤ変換するためのＡＤ
コンバータも性能が低く且つ低コストのものを使用する
ことができる。従って、全体のコストを低減することが
可能となる。
より、各三軸力センサ３６ａ乃至３６ｆの解像度が向上
するので、同じ解像度を得るためには、各三軸力センサ
３６ａ乃至３６ｆの検出信号をＡＤ変換するためのＡＤ
コンバータも性能が低く且つ低コストのものを使用する
ことができる。従って、全体のコストを低減することが
可能となる。
【００５７】さらに、各足部１４Ｌ，１４Ｒの一部のみ
が床面に載っているようなときでも確実に水平床反力を
検出することができる。これにより、ロボットの各足部
の足裏が、例えば凹凸等により一部のみ床面に着地して
いるようなときでも、ロボットの安定性を確保すること
ができ、確実に歩行制御を行なうことが可能である。
が床面に載っているようなときでも確実に水平床反力を
検出することができる。これにより、ロボットの各足部
の足裏が、例えば凹凸等により一部のみ床面に着地して
いるようなときでも、ロボットの安定性を確保すること
ができ、確実に歩行制御を行なうことが可能である。
【００５８】このようにして、本発明実施形態による二
脚歩行式ロボット１０によれば、各足部１４Ｌ，１４Ｒ
の足裏に設けられた力センサ２３Ｌ，２３Ｒ、即ち複数
に分割された足裏にそれぞれ設けられた三軸力センサ３
６ａ乃至３６ｆからの検出信号から演算される水平床反
力Ｆに基づいて、歩容データを修正することにより、足
裏の床面との摩擦力により生ずる水平床反力Ｆを規範と
して歩行制御を行なうことにより、足裏がすべりやすい
路面状況においても、ロボット１０の歩行安定化を実現
することができる。
脚歩行式ロボット１０によれば、各足部１４Ｌ，１４Ｒ
の足裏に設けられた力センサ２３Ｌ，２３Ｒ、即ち複数
に分割された足裏にそれぞれ設けられた三軸力センサ３
６ａ乃至３６ｆからの検出信号から演算される水平床反
力Ｆに基づいて、歩容データを修正することにより、足
裏の床面との摩擦力により生ずる水平床反力Ｆを規範と
して歩行制御を行なうことにより、足裏がすべりやすい
路面状況においても、ロボット１０の歩行安定化を実現
することができる。
【００５９】上述した実施形態においては、本発明を二
脚歩行式ロボットに適用した場合について説明したが、
これに限らず、他の各種機器を二本足で支持する共に、
この二本足で歩行するようにした、二脚歩行式移動装置
に対して本発明を適用し得ることは明らかである。
脚歩行式ロボットに適用した場合について説明したが、
これに限らず、他の各種機器を二本足で支持する共に、
この二本足で歩行するようにした、二脚歩行式移動装置
に対して本発明を適用し得ることは明らかである。
【００６０】
【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
各足部の足裏に設けられた力センサにより検出した水平
床反力に基づいて、補償部により歩容生成部からの歩容
データを修正して、駆動手段を駆動制御する。従って、
ロボットの各足部の足裏がすべるような床面に着地して
いるときでも、足裏の水平床反力に基づいて歩容データ
を修正することにより、本体、好ましくはロボットの上
体の安定化を図るようになっている。これにより、ロボ
ットの各足部の足裏が、例えば濡れた床面，氷上，ぬか
るみや毛足の長い絨毯等の足場の不安定な路面状況にお
いても、ロボットの安定性を確保することができ、確実
に歩行制御を行なうことが可能である。
各足部の足裏に設けられた力センサにより検出した水平
床反力に基づいて、補償部により歩容生成部からの歩容
データを修正して、駆動手段を駆動制御する。従って、
ロボットの各足部の足裏がすべるような床面に着地して
いるときでも、足裏の水平床反力に基づいて歩容データ
を修正することにより、本体、好ましくはロボットの上
体の安定化を図るようになっている。これにより、ロボ
ットの各足部の足裏が、例えば濡れた床面，氷上，ぬか
るみや毛足の長い絨毯等の足場の不安定な路面状況にお
いても、ロボットの安定性を確保することができ、確実
に歩行制御を行なうことが可能である。
【００６１】各足部の足裏が複数に分割されており、各
分割部毎にそれぞれ力センサを備えている場合には、各
分割部毎に設けられた力センサにより全体として水平床
反力を検出することができるので、ロボットの各足部が
着地している状態で、各分割部にそれぞれ備えられた各
力センサに加わる力が分散される。このため、個々の力
センサは小型で軽量のものを使用することができ、コス
トを低減することができる。また、各力に加わる力が分
散されるので、各力センサの解像度が向上し、同じ解像
度を得るためには、各力センサの検出信号をＡＤ変換す
るためのＡＤコンバータも性能が低く且つ低コストのも
のを使用することができる。このため、全体のコストを
低減することが可能となる。さらに、ロボットの各足部
の一部のみが床面に載っているようなときでも、確実に
水平床反力を検出することができる。これにより、ロボ
ットの各足部の足裏が、例えば凹凸等により一部のみ床
面に着地しているようなときでも、ロボットの安定性を
確保することができ、確実に歩行制御を行なうことが可
能である。
分割部毎にそれぞれ力センサを備えている場合には、各
分割部毎に設けられた力センサにより全体として水平床
反力を検出することができるので、ロボットの各足部が
着地している状態で、各分割部にそれぞれ備えられた各
力センサに加わる力が分散される。このため、個々の力
センサは小型で軽量のものを使用することができ、コス
トを低減することができる。また、各力に加わる力が分
散されるので、各力センサの解像度が向上し、同じ解像
度を得るためには、各力センサの検出信号をＡＤ変換す
るためのＡＤコンバータも性能が低く且つ低コストのも
のを使用することができる。このため、全体のコストを
低減することが可能となる。さらに、ロボットの各足部
の一部のみが床面に載っているようなときでも、確実に
水平床反力を検出することができる。これにより、ロボ
ットの各足部の足裏が、例えば凹凸等により一部のみ床
面に着地しているようなときでも、ロボットの安定性を
確保することができ、確実に歩行制御を行なうことが可
能である。
【００６２】上記各分割部にそれぞれ備えられた力セン
サが、三軸力センサであって、上記補償部が、各力セン
サからの検出信号に基づいて六軸方向の力を演算する場
合には、少なくとも二つの三軸力センサにより六軸方向
の力を演算することができるので、各分割部には、それ
ぞれ安価な三軸力センサを備えることにより、六軸力セ
ンサと同様に六軸方向の力を検出することができると共
に、コストを低減することができる。
サが、三軸力センサであって、上記補償部が、各力セン
サからの検出信号に基づいて六軸方向の力を演算する場
合には、少なくとも二つの三軸力センサにより六軸方向
の力を演算することができるので、各分割部には、それ
ぞれ安価な三軸力センサを備えることにより、六軸力セ
ンサと同様に六軸方向の力を検出することができると共
に、コストを低減することができる。
【００６３】このようにして、本発明によれば、足裏が
すべるような不安定な床面であっても、歩行安定性を実
現できるようにした、極めて優れた二脚歩行式移動装置
とその歩行制御装置及び歩行制御方法が提供される。
すべるような不安定な床面であっても、歩行安定性を実
現できるようにした、極めて優れた二脚歩行式移動装置
とその歩行制御装置及び歩行制御方法が提供される。
【図１】この発明による二脚歩行式ロボットの一実施形
態の機械的構成を示す概略図である。
態の機械的構成を示す概略図である。
【図２】図１の二脚歩行式ロボットの電気的構成を示す
ブロック図である。
ブロック図である。
【図３】図１の二脚歩行式ロボットの各足部の足裏に設
けられた力センサの構成を示し、（Ａ）は斜め上方か
ら、（Ｂ）は斜め下方から見た概略斜視図である。
けられた力センサの構成を示し、（Ａ）は斜め上方か
ら、（Ｂ）は斜め下方から見た概略斜視図である。
【図４】図３の力センサを構成する各三軸力センサの構
成を示し、（Ａ）は斜め上方から、（Ｂ）は斜め下方か
ら見た概略斜視図である。
成を示し、（Ａ）は斜め上方から、（Ｂ）は斜め下方か
ら見た概略斜視図である。
【図５】図４の各三軸力センサと力計測の基点の配置を
示すグラフである。
示すグラフである。
【図６】図１の二脚歩行式ロボットの歩行制御動作を示
すフローチャートである。
すフローチャートである。
１０ 二脚歩行式ロボット
１１ 本体
１２Ｌ，１２Ｒ 膝部
１３Ｌ，１３Ｒ 脚部
１４Ｌ，１４Ｒ 足部
１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒ 関節部（関節駆
動用モータ） ２１Ｌ，２１Ｒ 大腿部 ２２Ｌ，２２Ｒ 下腿部 ２３Ｌ，２３Ｒ 力センサ ２４ 歩容生成部 ３０ 歩行制御装置 ３１ 角度計測ユニット ３２ 補償部 ３３ 制御部 ３４ モータ制御ユニット ３５ 足裏板 ３６ａ乃至３６ｆ 三軸力センサ ３７ 上方のソール ３８ 下方のソール
動用モータ） ２１Ｌ，２１Ｒ 大腿部 ２２Ｌ，２２Ｒ 下腿部 ２３Ｌ，２３Ｒ 力センサ ２４ 歩容生成部 ３０ 歩行制御装置 ３１ 角度計測ユニット ３２ 補償部 ３３ 制御部 ３４ モータ制御ユニット ３５ 足裏板 ３６ａ乃至３６ｆ 三軸力センサ ３７ 上方のソール ３８ 下方のソール
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 奥村 悠
神奈川県藤沢市本鵠沼２−３−21
(72)発明者 田原 哲雄
東京都文京区本駒込６−23−16
(72)発明者 北野 宏明
埼玉県川越市西小仙波町２−18−３
Ｆターム(参考） 3C007 CS08 KS33 KX00 KX12 MT00
WA03 WA13 WB05 WB07
Claims (13)
- 【請求項１】 本体と、本体の下部両側にて二軸方向に
揺動可能に取り付けられた中間に膝部を有する二本の脚
部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けら
れた足部と、各脚部，膝部及び足部を揺動させる駆動手
段と、要求動作に対応して目標角度軌道，目標角速度，
目標角加速度を含む歩容データを生成する歩容生成部
と、この歩容データに基づいて上記駆動手段を駆動制御
する歩行制御装置と、を備えた二脚歩行式移動装置にお
いて、 上記歩行制御装置が、 各足部における足裏に加わる力を検出する力センサと、 上記力センサで検出された力のうち、水平床反力に基づ
いて、歩容生成部からの歩容データを修正する補償部
と、を含んでいることを特徴とする、二脚歩行式移動装
置。 - 【請求項２】 前記本体が人型ロボットの上体であっ
て、頭部及び両手部を備えていることを特徴とする、請
求項１に記載の二脚歩行式移動装置。 - 【請求項３】 各足部の足裏が複数に分割されており、
各分割部毎にそれぞれ力センサを備えていることを特徴
とする、請求項１または２に記載の二脚歩行式移動装
置。 - 【請求項４】 前記各分割部にそれぞれ備えられた力セ
ンサが、三軸力センサであって、 前記補償部が、各力センサからの検出信号に基づいて六
軸方向の力を演算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移動装置。 - 【請求項５】 前記補償部が、自動キャリブレーション
により各力センサからの検出信号を自動的に較正するこ
とを特徴とする、請求項４に記載の二脚歩行式移動装
置。 - 【請求項６】 本体と、本体の下部両側にて二軸方向に
揺動可能に取り付けられた中間に膝部分を有する二本の
脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付け
られた足部と、各脚部，膝部分及び足部を揺動させる駆
動手段と、から成る二脚歩行式移動装置に関して、要求
動作に対応して歩容生成部により生成される目標角度軌
道，目標角速度，目標角加速度を含む歩容データに基づ
いて上記駆動手段を駆動制御する、二脚歩行式移動装置
の歩行制御装置において、 上記歩行制御装置が、 各足部における足裏に加わる力を検出する力センサと、 上記力センサで検出された力のうち、水平床反力に基づ
いて歩容生成部からの歩容データを修正する補償部と、
を含んでいることを特徴とする、二脚歩行式移動装置の
歩行制御装置。 - 【請求項７】 各足部の足裏が複数に分割されており、
各分割部毎にそれぞれ力センサを備えていることを特徴
とする、請求項６に記載の二脚歩行式移動装置の歩行制
御装置。 - 【請求項８】 前記各分割部にそれぞれ備えられた力セ
ンサが、三軸力センサであって、 前記補償部が、各力センサからの検出信号に基づいて六
軸方向の力を演算することを特徴とする、請求項７に記
載の二脚歩行式移動装置の歩行制御装置。 - 【請求項９】 前記補償部が、自動キャリブレーション
により各力センサからの検出信号を自動的に較正するこ
とを特徴とする、請求項８に記載の二脚歩行式移動装置
の歩行制御装置。 - 【請求項１０】 本体と、本体の下部両側にて二軸方向
に揺動可能に取り付けられた中間に膝部分を有する二本
の脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付
けられた足部と、各脚部，膝部分及び足部を揺動させる
駆動手段と、から成る二脚歩行式移動装置に関して、要
求動作に対応して歩容生成部により生成される、目標角
度軌道，目標角速度，目標角加速度を含む歩容データに
基づいて上記駆動手段を駆動制御する、二脚歩行式移動
装置の歩行制御方法において、 上記歩行制御方法が、歩容データの修正を行なう際に、 力センサにより各足部における足裏に加わる力を検出す
る第一の段階と、 上記力センサで検出された力のうち、水平床反力に基づ
いて、歩容生成部からの歩容データを修正する第二の段
階と、 を含んでいることを特徴とする、二脚歩行式移動装置の
歩行制御方法。 - 【請求項１１】 各足部の足裏が複数に分割されてお
り、各分割部毎にそれぞれ力センサを備えていることを
特徴とする、請求項１０に記載の二脚歩行式移動装置の
歩行制御方法。 - 【請求項１２】 前記各分割部にそれぞれ備えられた力
センサが、三軸力センサであって、 前記補償部が、各力センサからの検出信号に基づいて六
軸方向の力を演算することを特徴とする、請求項１１に
記載の二脚歩行式移動装置の歩行制御方法。 - 【請求項１３】 前記補償部が、自動キャリブレーショ
ンにより各力センサからの検出信号を自動的に較正する
ことを特徴とする、請求項１２に記載の二脚歩行式移動
装置の歩行制御方法。
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001386693A JP3574951B2 (ja) | 2001-12-19 | 2001-12-19 | 二脚歩行式移動装置及びその歩行制御装置及び歩行制御方法 |
| KR1020047009232A KR100559408B1 (ko) | 2001-12-19 | 2002-11-19 | 2각 보행식 이동 장치 및 그 보행 제어 장치 및 보행 제어방법 |
| EP02805016A EP1464451B1 (en) | 2001-12-19 | 2002-11-19 | Bipedal walking type moving device; and walking control device and walking control method therefor |
| US10/499,306 US20050016778A1 (en) | 2001-12-19 | 2002-11-19 | Bipedal walkingtype moving device, and walking control device and walking control method therefor |
| CNB028256751A CN100344415C (zh) | 2001-12-19 | 2002-11-19 | 双足步行式移动装置、其步行控制器及步行控制方法 |
| PCT/JP2002/012057 WO2003051582A1 (fr) | 2001-12-19 | 2002-11-19 | Dispositif mobile de type marche de bipède, et dispositif de commande de marche et procédé de commande de marche correspondant |
| DE60237038T DE60237038D1 (de) | 2001-12-19 | 2002-11-19 | Zweibeinige schreitbewegungsvorrichtung und schreitsteuervorrichtung und -verfahren dafür |
| TW091133794A TW575482B (en) | 2001-12-19 | 2002-11-20 | Two-feet gait traveling device and gait control device and method thereof |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001386693A JP3574951B2 (ja) | 2001-12-19 | 2001-12-19 | 二脚歩行式移動装置及びその歩行制御装置及び歩行制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003181781A true JP2003181781A (ja) | 2003-07-02 |
| JP3574951B2 JP3574951B2 (ja) | 2004-10-06 |
Family
ID=19187960
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001386693A Expired - Fee Related JP3574951B2 (ja) | 2001-12-19 | 2001-12-19 | 二脚歩行式移動装置及びその歩行制御装置及び歩行制御方法 |
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|---|---|
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| EP (1) | EP1464451B1 (ja) |
| JP (1) | JP3574951B2 (ja) |
| KR (1) | KR100559408B1 (ja) |
| CN (1) | CN100344415C (ja) |
| DE (1) | DE60237038D1 (ja) |
| TW (1) | TW575482B (ja) |
| WO (1) | WO2003051582A1 (ja) |
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