JP2003326484A

JP2003326484A - 脚式ロボットの歩行制御装置

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Publication number: JP2003326484A
Application number: JP2002131120A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kaneko; 健二金子; Kazuhito Yokoi; 一仁横井; Fumio Kanehiro; 文男金広; Hideji Kajita; 秀司梶田; Seiji Fujiwara; 清司藤原; Hirohisa Hirukawa; 博久比留川
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-05-07
Filing date: 2002-05-07
Publication date: 2003-11-18
Anticipated expiration: 2022-05-07
Also published as: DE10392608T5; WO2003095155A1; KR100748463B1; JP3646169B2; AU2003235867A1; KR20050007390A; US20050240308A1

Abstract

(57)【要約】【課題】脚式ロボットにおける姿勢を安定制御するため
の歩行制御装置を提供する。【解決手段】脚式ロボットの歩行制御装置は、接地脚の
足裏位置を検出する足裏位置センサと、接地脚の状態を
検出する接地脚センサもしくは接地脚の状態を生成する
動作生成装置と、検出した接地脚の足裏位置および接地
脚の状態に応じて接地脚の位置を基準にした座標系を歩
行制御のための制御座標系として歩行制御を行う制御装
置と、前記制御装置により制御される脚部アクチュエー
タとを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、脚式ロボットの歩
行制御装置に関し、具体的には、脚式ロボットにおける
姿勢を安定制御できる制御装置を備えた歩行制御装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来における脚式移動ロボットの制御装
置は、例えば、特開平１１−３００６６０号公報に記載
されているように、脚式移動ロボットの進行方向を１軸
に持つ直交座標系（進行方向座標系）を基準として、安
定制御系が設計されて、例えば、歩行制御装置が作成さ
れている。

【０００３】従来においては、脚式ロボットの歩行パタ
ーンは、進行方向制御系で設計されてきたことから、当
然ながら、進行方向制御系を用いて制御系が設計され、
安定制御系の制御装置が作られてきた。このような進行
方向制御系は、人間の直感に合致することから、進行方
向制御系での制御系の構築は、システムの設計手法から
は妥当なものであった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、進行方
向制御系で設計された制御装置では、例えば、脚式移動
ロボットにおいて、接地脚の移動に伴って、必然的に安
定な歩行制御系を構築することは困難である。すなわ
ち、脚式ロボットが歩行する場合において、例えば、二
足歩行する場合においては、その歩行状態により姿勢が
変化し、姿勢変化により制御パラメータが変動するばか
りか、時々刻々変化する姿勢によって、脚部のリンク構
造から、必然的にロボット身体の剛性が変化することに
なり、制御系が発振してしまうこともある。このため、
多種多様な歩行パターンに対して安定した歩行制御系を
構築することは困難であった。

【０００５】このため、安定した歩行制御系を構築する
には、頻繁で試行錯誤的に制御系のパラメータ調整が必
要であった。例えば、進行方向座標系において歩行パタ
ーンの安定した制御系を構築するためには、制御信号の
入力に重み付けを行い、制御系の剛性を落として発振を
回避しながら制御系を構成することになるが、この場合
には、逆に制御系の特性を所望の特性に設定することが
困難であるという問題点があった。

【０００６】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたものであり、本発明の目的は、脚式ロボッ
トにおける姿勢を安定制御するための制御装置を備えた
歩行制御装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記のような目的を達成
するため、本発明による脚式ロボットの歩行制御装置
は、脚式ロボットの歩行制御装置において、足裏位置を
基準にした座標系（以下、足裏座標系と称す）を歩行制
御のための制御座標系として歩行制御を行う制御装置を
備えたことを特徴とする。

【０００８】また、本発明の脚式ロボットの歩行制御装
置は、基本構成として、制御座標系の基準位置となる足
裏位置を検出する足裏位置センサを備えている。この足
裏位置センサは、例えば、関節の回転角を検出する回転
角センサと、リンク形状データから、運動学を用いて、
足裏位置を算出する構成でも良い。また、接地脚の状態
を検出する接地脚センサもしくは接地脚の状態を生成す
る動作生成装置を備え、検出した足裏位置および状態に
応じて接地脚の位置を基準にした座標系を歩行制御のた
めの制御座標系として歩行制御を行う制御装置と、前記
制御装置により制御される脚部アクチュエータとを備え
る。

【０００９】また、本発明による脚式ロボットの歩行制
御装置において、制御装置は、足裏座標系において制御
パラメータの入力を行い、入力した制御パラメータによ
り制御特性を設定する。この場合に、接地状態センサも
しくは動作生成装置により検出された接地脚の状況に対
応して制御特性を変更する。また、座標変換手段を備
え、足裏座標系での制御特性を、センサ自身が内蔵して
いる座標系であるセンサ座標系、脚式ロボットが進行す
る方向を基準にした座標系である進行方向座標系、また
は脚式ロボットのボディを基準にした座標系であるボデ
ィ座標系のいずれかに変換して制御パラメータを得る。
これにより、脚式ロボットが進行する方向を基準にした
座標系（以下、進行方向座標系と称す）、もしくは脚式
ロボットのボディーを基準にした座標系（以下、ボディ
ー座標系と称す）などに換算して制御を行うことができ
る。このように、接地脚の状況により、また、座標系を
変更して、その制御特性を動的に変更し、安定制御を行
うようにすることで、脚式ロボットの歩行制御安定性が
向上する。

【００１０】すなわち、本発明による脚式ロボットの歩
行制御装置においては、制御装置は、歩行状態（例え
ば、接地脚の状況）により制御装置自体をを切り替える
のではなく、接地状態センサもしくは動作生成装置によ
り検出された接地脚の状況により、制御装置の制御特性
を変更する。

【００１１】また、本発明の脚式ロボットの歩行制御装
置において、制御装置は、センサ自身が内蔵している座
標系（以下、センサ座標系）において検出したセンサ情
報を、接地脚の位置を基準にした座標系（以下、足裏座
標系と称す）に変換する座標変換手段、進行方向座標系
において記述された動作パターン情報を、接地脚の位置
を基準にした座標系（以下、足裏座標系と称す）に変換
する座標変換手段を備え、また、足裏座標系において生
成された制御信号を、他の座標系（例えば、センサ座標
系、進行方向座標系、ボディー座標系）の信号に変換し
て歩行制御を行う。

【００１２】脚式ロボットにおいては、歩行姿勢により
制御パラメータ変動が起き、また、歩行の姿勢によりロ
ボットの剛性が変化する。例えば、具体的に二足歩行ロ
ボットを例として説明すると、両脚の足裏を結ぶ方向に
は、両脚により閉リンク構造ができているため剛性が高
く、倒れがたいものとなっている。一方、この両脚の足
裏を結ぶ方向に直交する方向については、両脚による閉
リンク構造を構成しないため、脚式ロボットの歩行姿勢
について剛性が低く、倒れやすいものとなっている。

【００１３】そこで、本発明による脚式ロボットの歩行
制御装置においては、歩行姿勢の制御を行う歩行制御系
を、脚式ロボットの歩行制御に適した座標系として、足
裏位置を基準にした座標系（足裏座標系）を用いる。こ
の足裏座標系を用いて歩行制御を行う制御装置を備え、
脚式ロボットの歩行制御装置を構成する。例えば、前述
した接地脚の両脚の足裏を結ぶ方向、接地脚の両脚の足
裏を結ぶ方向と直交する方向、および鉛直方向の各方向
からなる座標系を用いて、歩行制御系を設計・構築す
る。これにより、歩行姿勢において安定した制御系を設
計・構築することができる。

【００１４】また、本発明の歩行制御装置においては、
足裏座標系を用いて歩行制御を行うので、このため、足
裏座標系に座標変換を行う座標変換手段を備えて、例え
ば、センサ座標系でのセンサ情報や進行方向座標系で記
述された歩行パターン等については、足裏座標系に座標
変換し、また、足裏座標系において生成された制御信号
から逆変換を行い、進行方向座標系で記述された歩行パ
ターンを実現する制御系を設計・構築する。これによ
り、所望の特性をもった制御系の設計・構築が容易に実
現できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施する場合の形
態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明
を一態様で実施する脚式ロボットの脚部の構造を概略的
に説明する図であり、また、図２は、脚式ロボットの歩
行制御を行う場合についての接地脚の位置の状態を説明
する図である。図１および図２において、１は左足、２
は右足、２ａは右足の上板基板、２ｂは右足の接地基
板、３は足部を構成する低剛性部材、４は足部関節設置
部、５は姿勢制御装置、６ａは第１脚部，６ｂは第２脚
部、７はロボット本体部、８ａは第１の関節モータ，８
ｂは第２の関節モータ、８ｃは第３の関節モータであ
る。なお、図示されないが、左足１および右足２には、
それぞれ低剛性部材３の中に接地状態センサとして機能
する圧力センサが設けられている。また、左足１および
右足２の位置は、図示しない姿勢センサ、ならびに、関
節角度センサ等から構成される足裏位置センサにより、
初期設定位置から歩行制御を行って動作させたロボット
の脚部（６ａ〜６ｂ，８ａ〜８ｃ）の移動位置が算出さ
れて求められる。また、図示されないが、姿勢制御装置
５の中には、座標変換を行い、制御データ等を生成し、
脚部アクチュエータに対して制御信号を出力するコンピ
ュータ装置が設けられている。

【００１６】脚式ロボットの歩行制御については、ロボ
ット本体部７に設けられた姿勢制御装置５が、ロボット
の脚部（６ａ〜６ｂ，８ａ〜８ｃ）を動作させて、つま
り、脚部アクチュエータを制御して、左足１および右足
２を動作させて、歩行パターンにしたがって歩行制御を
行う。また、機能的には、脚部の状態を生成して制御を
行う動作生成装置からの制御信号により、脚部アクチュ
エータを制御して、左足１および右足２を動作させて、
歩行パターンにしたがって歩行制御を行う。

【００１７】脚式ロボットの歩行制御を行う場合、脚式
ロボットにおいては、歩行姿勢によりパラメータ変動が
起きる。また、歩行の姿勢によっては、ロボット本体部
７のメカニカルな剛性が変化する。すなわち、二足歩行
ロボットの歩行姿勢については、図２に示すように、接
地脚について、両脚（左足１および右足２）の足裏を結
ぶ方向（以下、長手方向と称す）には、両脚により閉リ
ンク構造ができているため剛性が高く、倒れがたい状態
となっており、また、この長手方向に直交する方向（以
下、短手方向と称す）については、両脚による閉リンク
構造を構成しないため、剛性が低く、倒れやすいものと
なっている。

【００１８】このため、脚式ロボットの歩行制御におけ
る安定制御では、この長手方向および短手方法のそれぞ
れについて、異なる制御特性を持たせて制御系を設定す
る。二足歩行ロボットにおいては、上述したように方向
（長手方向および短手方向）に応じてのそれぞれの特性
があり、これが変化する。そこで、二足歩行ロボットの
歩行制御系としては、図３に示すように、接地脚の位置
を基準とした直交座標系である足裏座標系を設定し、歩
行制御を行う。この足裏座標系は、脚式ロボットを歩行
させた場合、接地脚の位置において足裏座標系の座標軸
が動的に変化する。このため、歩行制御を行うについて
は、制御を行うタイミングに応じて、接地脚（左足１お
よび右足２）の位置を検出し、この検出した接地脚の位
置に基づいて、足裏座標系を設定し、その足裏座標系に
従って歩行制御を行う。姿勢制御では、図４に示すよう
に、長手方向軸まわりの転倒に対しては、強い踏ん張り
力で姿勢を復帰するように制御を行う。一方、短手方向
軸まわりの転倒に対しては、両足間隔が広い（長い）こ
とから、弱い踏ん張り力でも、目標ＺＭＰ回りのモーメ
ントを稼げるため、弱い踏ん張り力で姿勢を復帰さする
ように制御を行う。

【００１９】また、歩行制御において片脚支持の状態が
介在するが、この場合においても、次に説明するよう
に、制御装置を切り替えることなく、両脚支持状態での
制御と全く同じに、足裏座標系を設定し、その足裏座標
系に従って歩行制御を行う。つまり、片脚の状態におい
ては、図５に示すように、その剛性については、前述し
た長手方向および短手方向のいずれの方向についても弱
いので、これらの方向とも、強い踏ん張り力で姿勢を復
帰するように制御を行う。

【００２０】より具体的には、足裏座標系に基づく姿勢
制御に関して説明を行うと、傾いたロボットの胴体を復
帰させるため、接地脚の足裏による踏ん張り力により姿
勢を復帰しているが、物理的には、足裏から床面に対す
る補償モーメントを発生することにより姿勢の復帰を行
う。前述のように、接地脚の状況により長手方向と短手
方向の剛性が異なるため、異方性を持たせて（方向によ
り異なる制御特性を持たせて）、制御系を設計し構築す
る。その制御系は、例えば、（式１）に示されるよう
に、足裏座標系の各軸が非干渉化された線形システムの
制御系を構成し、補償モーメントを発生させる。

【数１】ここで、左上の添え字Ｆ：足裏座標系を意味するＭ：復帰モーメントベクトル Δθ：胴体の傾きベクトルＫｐ：胴体の傾きの比例ゲインＫｖ：胴体の傾きの速度ゲインＢ：踏ん張り力を決定する重み行列（図４）である。なお、この重み行列は、２×２行列の場合、具
体的には、

【数２】ただし、ｂは０以上１以下の数値で、長手方向軸まわり
の強い踏ん張り力を１とした時の短手方向の踏ん張り力
の割合を意味する。

【００２１】一方、胴体の傾きを検出するセンサ等のフ
ィードバックに使用するセンサは、両脚の位置関係によ
り軸方向が可変となる足裏座標系で検出される訳ではな
く、通常、胴体等に固定されたセンサ座標系で検出され
る。したがって、（式１）における変数の胴体の傾きΔ
θは、（式３−１）および（式３−２）に示すような
「センサ座標系→足裏座標系」間の座標変換を行い算出
する。

【数３】ここで、左上の添え字S：センサ座標系を意味する R：座標変換を表す記号で、Rの左下の添え字で表記され
た座標系データを、Rの左上の添え字で表記された座標
系データに変換する座標変換行列

【００２２】一方、歩行パターンは、通常、足裏座標系
とは異なる座標系、例えば、ボディー座標系で記述され
ている。したがって、安定で所望な制御系を構築するた
めには、（式１）により算出された足裏座標系での補償
信号を、（式４）に示すようにボディー座標系の信号に
座標変換を行い、最終的には歩行パターンに補償を加え
制御を行う。

【数４】

【００２３】以上をまとめると、次の（式５）に示され
る制御系を構成して、ボディー座標系における補償モー
メントを発生させるようにする。

【数５】この（式５）から分かるように、ボディー座標系で考え
た場合、歩行姿勢によりゲインが可変となり、多種多様
な歩行パターンに対して、（式１）で表現される所望の
制御系を、安定に構築することができる。

【００２４】また、脚式ロボットの歩行制御の場合に
は、接地脚の状態によりモード切り替える場合が多い
が、モード切替は制御システムを複雑にするばかりか、
時には、不安定な制御系を構成することになる。そのた
め、ここでは、（式２）における重み付けを連続的に変
えることにより、これに対応して制御系を構成する。具
体例として、二足歩行ロボットを例にして説明すると、
図５に示すように、片脚支持期については、全ての方向
に対して、「強い足裏による踏ん張り力」が必要である
ので、（式１）により算出される復帰モーメントを不連
続に変化させると、場合によっては、転倒に至る時があ
る。このため、連続して変化させる必要がある。そこ
で、接地脚の状態を検出する接地脚センサ、もしくは接
地脚の状態を生成する動作生成装置による歩行パターン
から、片脚支持期または両脚支持期の判別を行い、この
判別に基づき（式２）で与えられる「重みｂ」を連続的
に変化させて、片脚支持期においては「ｂ＝１」となる
ようにする。

【００２５】以上、説明したように、本発明よる歩行制
御装置においては、足裏座標系を用いて歩行制御を行う
ようにしているので、足裏座標系に座標変換を行うため
の座標変換手段を備え、例えば、センサ座標系でのセン
サ情報や進行方向座標系で記述された歩行パターン等に
ついては、足裏座標系に座標変換し、もしくは足裏座標
系から逆変換を行い、歩行パターン等を用いた方向制御
を行う制御系を設計して構築する。これにより、所望の
特性をもった制御系の設計および構築が容易に実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を一態様で実施する脚式ロボットの脚部
の構造を概略的に説明する図である。

【図２】脚式ロボットの歩行制御を行う場合について接
地脚の位置の状態を説明する図である。

【図３】本発明にかかる足裏座標系を説明する図であ
る。

【図４】足裏座標系による異方向性を持つ復帰モーメン
トを説明する図である。

【図５】片脚支持期における足裏座標系の復帰モーメン
トを説明する図である。

【符号の説明】

１…左足２…右足２ａ…右足の上板基板２ｂ…右足の接地基板３…足部を構成する低剛性部材４…足部関節設置部５…姿勢制御装置６ａ…第１脚部６ｂ…第２脚部７…ロボット本体部８ａ…第１の関節モータ８ｂ…第２の関節モータ８ｃ…第３の関節モータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者梶田秀司茨城県つくば市東１−１−１独立行政法人産業技術総合研究所つくばセンター内 (72)発明者藤原清司茨城県つくば市東１−１−１独立行政法人産業技術総合研究所つくばセンター内 (72)発明者比留川博久茨城県つくば市東１−１−１独立行政法人産業技術総合研究所つくばセンター内Ｆターム(参考） 3C007 BS27 CS08 KS15 LV19 MT05 WA03 WA13 WB09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】脚式ロボットの歩行制御装置において、足
裏位置を基準にした座標系を歩行制御のための制御座標
系として歩行制御を行う制御装置を備えたことを特徴と
する脚式ロボットの歩行制御装置。
【請求項２】脚式ロボットの歩行制御装置において、足裏位置を検出する足裏位置センサと、前記足裏位置センサにより検出した足裏位置を基準にし
た座標系を歩行制御のための制御座標系として歩行制御
を行う制御装置と、前記制御装置により制御される脚部アクチュエータとを
備えたことを特徴とする脚式ロボットの歩行制御装置。
【請求項３】脚式ロボットの歩行制御装置において、足裏位置を検出する足裏位置センサと、接地脚の状態を検出する接地状態センサと、検出した足裏位置および状態に応じて接地脚の位置を基
準にした座標系に変更して歩行制御を行う制御装置と、前記制御装置により制御される脚部アクチュエータとを
備えたことを特徴とする脚式ロボットの歩行制御装置。
【請求項４】脚式ロボットの歩行制御装置において、足裏位置を検出する足裏位置センサと、接地脚の状態を生成する動作生成装置と、検出した足裏位置および状態に応じて接地脚の位置を基
準にした座標系に変更して歩行制御を行う制御装置と、前記制御装置により制御される脚部アクチュエータとを
備えたことを特徴とする脚式ロボットの歩行制御装置。
【請求項５】請求項２に記載の脚式ロボットの歩行制御
装置において、制御装置は、足裏位置センサにより検出された足裏位置
を基準にした座標系において制御パラメータの入力を行
い、入力した制御パラメータにより制御特性を設定すること
を特徴とする脚式ロボットの歩行制御装置。
【請求項６】請求項３または請求項４に記載の脚式ロボ
ットの歩行制御装置において、制御装置は、接地状態センサもしくは動作生成装置によ
り検出された接地脚の状態により制御特性を変更するこ
とを特徴とする脚式ロボットの歩行制御装置。
【請求項７】請求項３または請求項４に記載の脚式ロボ
ットの歩行制御装置において、制御装置は、センサ自身が内蔵している座標系において
検出したセンサ情報を接地脚の位置を基準にした座標系
に変換する座標変換手段を備えることを特徴とする脚式
ロボットの歩行制御装置。
【請求項８】請求項３または請求項４に記載の脚式ロボ
ットの歩行制御装置において、制御装置は、進行方向を基準にした座標系において記述
された動作パターン情報を、接地脚の位置を基準にした
座標系に変換する座標変換手段を備えることを特徴とす
る脚式ロボットの歩行制御装置。
【請求項９】請求項７または請求項８に記載の脚式ロボ
ットの歩行制御装置において、更に、接地脚の位置を基準にした座標系において生成さ
れた信号を、センサ自身が内蔵している座標系であるセ
ンサ座標系、脚式移動ロボットが進行する方向を基準に
した座標系である進行方向座標系、または脚式移動ロボ
ットのボディを基準にした座標系であるボディ座標系の
いずれかの座標系に変換する座標変換手段を備えること
を特徴とする脚式ロボットの歩行制御装置。