JP2005007491A - 脚式歩行ロボットの運動制御装置及び運動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】足を意図的に滑らせる動きを採り入れて姿勢安定制御を行なう。
【解決手段】ロボットの着地点のうち任意の着地点を指定して滑らせ、さらに滑り速度を制御する。滑らせない着地点の近傍にＺＭＰ軌道が通るＺＭＰ軌道を設定することにより、目標軌道を生成する。動作制御時には、ロボットに搭載された滑り速度センサや滑り速度推定器から得られる情報により適応的にＺＭＰを修正することにより、摩擦状態が均一でない路面でも任意の滑りを実現する。ダンスのような視覚的効果を高めた動作や、踵を滑らせる期間を挿入して歩行安定性を向上することができる。
【選択図】 図１

Description

【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歩行ロボットの運動制御装置及び運動制御方法に係り、特に、足などの着床点を意図的に滑らせる動きを積極的に採り入れて適応的な姿勢安定制御を行なう脚式歩行ロボットの運動制御装置及び運動制御方法に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、意図的な足の滑りにより歩行安定性を図ったり視覚的な効果を高めた動作を行なったりする脚式歩行ロボットの運動制御装置及び運動制御方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の”ＲＯＢＯＴＡ（奴隷機械）”に由来すると言われている。
【０００４】
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。最近では、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。ヒトの動作をモデルに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。
【０００５】
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。
【０００６】
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」と定義される。機体の転倒は、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。また、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。このため、転倒を回避するための姿勢安定制御は、脚式移動ロボットの開発上、最も重要な課題の１つに位置付けられている。
【０００７】
直立歩行を行なうロボットは基本姿勢としての通常の直立姿勢がそもそも不安定である。多くの場合、脚式移動ロボットの姿勢安定制御には、ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）が歩行の安定度判別の規範として用いられている。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が存在する（例えば、非特許文献１を参照のこと）。
【０００８】
従来の脚移動ロボットの姿勢制御方法は、基本的には連続した安定な歩行を行なうことを目的とする。このため、足底と床との接触状態を安定させることによって、歩行自体の安定性を向上させる手法がほとんどである。言い換えれば、視覚的な効果を高めたり、最大摩擦力を得るなどの理由で意図的に床に対して足底を滑らせたりすることはできない。
【０００９】
また、従来の脚式移動ロボットの制御方法では十分な摩擦力が得られることを前提としているため、ロボットの足底は摩擦力を発生し易い形状や材質となっている。
【００１０】
このため、脚式移動ロボットは、足を滑らせながら機体を方向転換させるという効率的な動作を行なうことはできない。また、意図しない足の滑りはあるが、意図的に滑らすような特殊なダンスのステップを行なうことはできない。
【００１１】
【非特許文献１】
ヴコブラトビッチ（Ｍｉｏｍｉｒ Ｖｕｋｏｂｒａｔｏｖｉｃ）著「脚式移動ロボット（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））
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、足などの着床点を意図的に滑らせる動きを積極的に採り入れて適応的な姿勢安定制御を行なうことができる、優れた脚式歩行ロボットの運動制御装置及び運動制御方法を提供することにある。
【００１３】
本発明のさらなる目的は、意図的な足の滑りにより歩行安定性を図ったり視覚的な効果を高めた動作を行なったりすることができる、優れた脚式歩行ロボットの運動制御装置及び運動制御方法を提供することにある。
【００１４】
【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、少なくとも複数本の可動脚を備え、１以上の着床点を保ちながら脚式作業を行なう脚式移動ロボットの姿勢安定性をＺＭＰ安定度判別規範に基づいて制御する脚式移動ロボットの運動制御装置であって、
着床点における滑りを考慮せずに各部の目標軌道を設定する目標軌道設定部と、
滑らせる着床点を決定し、各着地点間の相対速度と矛盾のないように各着地点の床に対する目標滑り速度を決定する着地点目標滑り速度設定部と、
ＺＭＰが滑らせる着地点よりも滑らせない着地点に近づくようにＺＭＰの目標軌道を設定する目標ＺＭＰ軌道設定部と、
前記目標軌道設定部において設定された各部の目標軌道を、目標ＺＭＰ軌道に基づいて修正する目標軌道修正部と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの運動制御装置である。
【００１５】
脚式移動ロボットは例えば左右の両足において着床点を持つ。ＺＭＰから遠い接地点の摩擦力の方が、ＺＭＰに近い接地点の摩擦力より小さく、先に滑り始める。したがって、任意の着地点を滑らすことが可能になる。本発明に係る脚式移動ロボットにおいては、各着地点の床に対する目標滑り速度は決定時に各着地点間の相対速度と矛盾のないように決定されるので、滑るべき着地点が滑り出せば、その滑り速度は自動的に追従する。
【００１６】
よって、本発明によれば、目標滑り速度に追従するように目標軌道を修正することによって、任意の着地点を滑らせることが可能となり、足を意図的に滑らせる動きを積極的に採り入れて適応的な姿勢安定制御を行なうことができる。
【００１７】
したがって、本発明によれば、ロボットの路面と接触している部位のうち滑らせたい部分を選択できるので、ダンスなどのような視覚的な効果を高めた動作や、踵を滑らせる期間を挿入することによる歩行安定性の向上を実現することができる。
【００１８】
ここで、脚式移動ロボットは、例えば下肢と体幹と上肢を備えている。このような場合、前記目標軌道設定部は、足部の目標軌道、体幹部の目標軌道、及び上肢の目標軌道を設定する。
【００１９】
また、前記着地点目標滑り速度設定部は、滑らない着地点の目標滑り速度を０に設定する。
【００２０】
また、前記ＺＭＰ目標軌道設定部は、足部、体幹部、並びに上肢における目標軌道が目標滑り速度を追従させるようにＺＭＰの目標軌道を設定する。
【００２１】
また、前記目標軌道修正部は、目標ＺＭＰ軌道を実現できるように各部の目標軌道を修正する。
【００２２】
また、このようにして生成された目標軌道に基づいてロボットの動作を制御するロボット制御部をさらに備えてもよい。
【００２３】
このロボット制御部は、実際の滑り速度と目標滑り速度を比較して各部の目標軌道の修正を行なう第１の軌道修正部と、実際のＺＭＰと目標ＺＭＰを比較して各部の目標軌道の修正を行なう第２の軌道修正部と、修正された目標軌道に基づいて各部の動作を制御する駆動制御部で構成することができる。
【００２４】
また、着床点における滑り速度を取得して前記第１の軌道修正部に帰還する滑り速度取得部や、着床点における床反力に基づいてＺＭＰを取得して前記第２の軌道修正部に帰還するＺＭＰ取得部をさらに備えていてもよい。
【００２５】
また、本発明の第２の側面は、少なくとも２本以上の脚を有するロボット装置において、
ＺＭＰ目標軌道設定手段と、
軸足設定手段と、
前記ＺＭＰ目標軌道を前記軸足の近傍を通過させることにより、前記軸足以外の脚に対し滑り動作を発生させる制御手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置である。
【００２６】
ここで、軸足以外の脚に対して滑り動作を発生させながら、ロボット全体としては軸足を中心にして旋回動作を行なうことができる。
【００２７】
したがって、本発明によれば、床運動時において、脚全体を移動させる場合に、脚全体を持ち上げずに滑らせながら移動させることによって、股関節トルクを低減させ、効率的な旋回動作を行なうことが可能である。さらに、滑り易い環境での最大摩擦力による最大加速力動作が実現することができる。
【００２８】
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。
【００２９】
【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。
【００３０】
図１には、本発明の実施に供される２脚２腕を有する人間型ロボットの自由度構成を示している。
【００３１】
本実施形態に係るロボットは、基底（又は基体）Ｂから放射状に回転ジョイントを介して開リンク鎖が連なる構造をなし、７自由度を持つ腕部と、６自由度を持つ足部と、３自由度を持つ腰部と、２自由度を持つ頭部とで構成される。
【００３２】
基底Ｂは、左右の股関節位置を結ぶ線と体幹ヨー軸との交点で定義される。脚部は、基底Ｂに接続され、股関節３自由度（ヨー・ロール・ピッチ）、膝関節１自由度（ピッチ）、足首関節２自由度（ピッチ・ロール）で構成される。腰部は、３自由度（ピッチ・ロール・ヨー）で構成され、基底Ｂと胸部Ｃを接続する．腕部は、胸部Ｃに接続され、肩関節３自由度（ピッチ・ロール・ヨー）、肘関節２自由度（ピッチ・ヨー）、手首関節２自由度（ロール・ピッチ）で構成される。頭部は、胸部Ｃに接続され、首関節２自由度（パン・チルト）で構成される。
【００３３】
なお、本実施形態に係る脚式移動ロボットは、腰部位置に重心が設定されており、姿勢安定制御の重要な制御対象点であるとともに、装置の「基体」を構成する。
【００３４】
ロボットを構成するそれぞれの関節自由度は、実際にはアクチュエータ・モータにより実現される。本実施形態では、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。
【００３５】
本実施形態に係る脚式移動ロボットは、ＺＭＰ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、系が適切なＺＭＰ空間を形成し、支持多角形の内側にＺＭＰがある場合は、系に回転運動や並進運動が発生せず、回転や並進に関する運動方程式を解く必要がない。なお、支持多角形の内側にＺＭＰがない場合や、外界に対する支持作用点が存在しない場合は、ＺＭＰ方程式に代えて、運動方程式を解く必要がある。
【００３６】
図２には、脚式移動ロボット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、脚式移動ロボット１００は、ヒトの四肢を表現した各機構ユニット３０，４０，５０Ｒ／Ｌ，６０Ｒ／Ｌと、各機構ユニット間の協調動作を実現するための適応制御を行なう制御ユニット８０とで構成される（但し、Ｒ及びＬの各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下同様）。
【００３７】
脚式移動ロボット全体の動作は、制御ユニット８０によって統括的に制御される。制御ユニット８０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やメモリ等の主要回路コンポーネント（図示しない）で構成される主制御部８１と、電源回路やロボットの各構成要素とのデータやコマンドの授受を行なうインターフェース（いずれも図示しない）などを含んだ周辺回路８２とで構成される。
【００３８】
本発明を実現する上で、この制御ユニット８０の設置場所は特に限定されない。図２では体幹部ユニット４０に搭載されているが、頭部ユニット３０に搭載してもよい。あるいは、脚式移動ロボット外に制御ユニット８０を配備して、脚式移動ロボットの機体とは有線若しくは無線で交信するようにしてもよい。
【００３９】
図１に示した脚式移動ロボット内の各関節自由度は、それぞれに対応するアクチュエータ・モータＭによって実現される。すなわち、頭部ユニット３０には、首関節ヨー軸、第１及び第２の首関節ピッチ軸、首関節ロール軸の各々を表現する首関節ヨー軸アクチュエータＭ_１、首関節ピッチ軸アクチュエータＭ_２Ａ及びＭ_{２ Ｂ}、首関節ロール軸アクチュエータＭ_３が配設されている。
【００４０】
また、体幹部ユニット４０には、体幹ピッチ軸、体幹ロール軸の各々を表現する体幹ピッチ軸アクチュエータＭ_１１、体幹ロール軸アクチュエータＭ_１２が配備されている。
【００４１】
また、腕部ユニット５０Ｒ／Ｌは、上腕ユニット５１Ｒ／Ｌと、肘関節ユニット５２Ｒ／Ｌと、前腕ユニット５３Ｒ／Ｌに細分化されるが、肩関節ピッチ軸、肩関節ロール軸、上腕ヨー軸、肘関節ピッチ軸、肘関節ヨー軸、手首ロール軸、手首関節ピッチ軸の各々を表現する肩関節ピッチ軸アクチュエータＭ_４、肩関節ロール軸アクチュエータＭ_５、上腕ヨー軸アクチュエータＭ_６、肘関節ピッチ軸アクチュエータＭ_７、肘関節ヨー軸アクチュエータＭ_８、手首関節ロール軸アクチュエータＭ_９、手首関節ピッチ軸アクチュエータＭ_１０がそれぞれ配備されている。
【００４２】
また、脚部ユニット６０Ｒ／Ｌは、大腿部ユニット６１Ｒ／Ｌと、膝ユニット６２Ｒ／Ｌと、脛部ユニット６３Ｒ／Ｌに細分化されるが、股関節ヨー軸、股関節ピッチ軸、股関節ロール軸、膝関節ピッチ軸、足首関節ピッチ軸、足首関節ロール軸の各々を表現する股関節ヨー軸アクチュエータＭ_１３、股関節ピッチ軸アクチュエータＭ_１４、股関節ロール軸アクチュエータＭ_１５、膝関節ピッチ軸アクチュエータＭ_１６、足首関節ピッチ軸アクチュエータＭ_１７、足首関節ロール軸アクチュエータＭ_１８が配備されている。
【００４３】
各関節に用いられるアクチュエータＭ_１，Ｍ_２，Ｍ_３…は、より好ましくは、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・ユニット内に搭載したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータ（前述）で構成することができる。
【００４４】
頭部ユニット３０、体幹部ユニット４０、腕部ユニット５０、各脚部ユニット６０などの機構ユニット毎に、アクチュエータ駆動制御用の副制御部３５，４５，５５，６５が配備されている。
【００４５】
機体の体幹部４０には、加速度センサと、ジャイロ・センサなどからなる姿勢センサが配設されている。加速度センサは、例えばＸ、Ｙ、Ｚ各軸方向に配置する。機体の腰部に加速度センサを配設することによって、質量操作量が大きな部位である腰部を制御目標点として設定して、その位置における姿勢や加速度を直接計測して、ＺＭＰに基づく姿勢安定制御を行なうことができる。
【００４６】
また、各脚部６０Ｒ，Ｌには、床反力センサと、加速度センサ、姿勢センサがそれぞれ配設されている。床反力センサは、例えば足底に圧力センサを装着することにより構成され、床反力の有無により足底が着床したか否かを検出することができる。また、加速度センサは、少なくともＸ及びＹの各軸方向に配置する。左右の足部に加速度センサを配設することにより、ＺＭＰ位置に最も近い足部で直接ＺＭＰ釣合い方程式を組み立てることができる。
【００４７】
また、本実施形態に係る脚式移動ロボットは、左右の足底など複数の着地点のうち任意の着地点を指定して滑らせ、さらに滑り速度を制御する。滑らせない着地点の近傍にＺＭＰ軌道が通るＺＭＰ軌道を設定することにより、目標軌道を生成する。動作制御時には、ロボットに搭載された滑り速度センサや滑り速度推定器から得られる情報により適応的にＺＭＰを修正することにより、摩擦状態が均一でない路面でも任意の滑りを実現する。これによって以下に示すような、従来では意図的に実現することが困難であった動作を実現することができる。
【００４８】
（１）ダンスなどのような視覚的な効果を高めた動作
（２）踵を滑らせる期間を挿入することによる歩行安定性の向上
（３）床運動時に脚全体を移動させる場合に、脚全体を持ち上げずに滑らせながら移動させ、股関節トルクを低減させる
（４）滑り易い環境での最大摩擦力による最大加速力動作
【００４９】
図３には、脚式移動ロボットの足平・足底に各種のセンサを配設した様子を示している。
【００５０】
左右それぞれの足底には、滑り速度検出センサ１０２及び１０３、力センサ１０４、１０５、１０６、１０７が搭載されている。これらのセンサは足底と床との間の滑り速度や床反力を測定するためのセンサであり、滑り速度や床反力が検出できればよい。例えば、他のセンサ値（例えば関節角度値）に基づいて滑り速度推定や床反力推定を行なうようにしても構わない。
【００５１】
なお、滑り速度検出センサは、ｘｙ方向の速度が測定できるものであり、少なくとも２箇所以上に配置すれば並進方向の速度のみならず、滑り回転角速度や滑り回転中心を算出することができる。また、つま先の先端部に二箇所以上配置すれば、つま先立ち時においても、足底面接触時にも、滑り速度・滑り角速度が計測可能である。例えば、本出願人に既に譲渡されている特開２００１−２７７１５９号公報で提案されているような相対位置速度検出センサを、滑り速度検出センサとして適用することができる。
【００５２】
滑り速度検出の配置場所は、図示のようにつま先に限らず、ロボットの平面と平面の交わる辺（あるいは頂点上）に配置することによって同様の効果を得ることができる。
【００５３】
図４には、本実施形態に係る脚式移動ロボットにおいて、歩行やその他の脚式作業中に滑りの期間を挿入して姿勢安定制御を行なうための機能構成を模式的に示している。図示の制御機能モジュールは、ロボットの各部の目標軌道を生成する目標軌道生成部１０と、生成された目標軌道に基づいて実際に機体の動作を実現するロボット制御部２０に大別される。
【００５４】
目標軌道生成部１０は、目標軌道設定部１１と、着地点目標滑り速度設定部１２と、目標ＺＭＰ軌道設定部１３と、目標軌道修正部１４で構成される。
【００５５】
まず始めに、目標軌道設定部１１において、脚式移動ロボットの目標とする足部軌道、目標とする体幹軌道、並びに目標とする上肢軌道を決定する。ここでは、いずれの着床点においても滑りを考慮せずに目標軌道を設定する。
【００５６】
一方、着地点目標滑り速度設定部１２は、左右のどちらの足を滑らせるか（あるいは脚以外の着地点を滑らせるか）を決定し、各着地点間の相対速度と矛盾のないように、各着地点の床に対する目標滑り速度を決定する。ここで、滑らない着地点の場合は目標滑り速度を０とする。
【００５７】
目標軌道設定部１１において設定された目標足部軌道・目標体幹軌道・目標上肢軌道は目標滑り速度について考慮されずに決定されているので、目標足部軌道・目標体幹軌道・目標上肢軌道の通りにロボットが動作したとしても各接地点の目標滑り速度の通りに滑るとは限らない。この様子を図５に示している。
【００５８】
そこで、目標ＺＭＰ軌道設定部１３は、足部、体幹部、並びに上肢における目標軌道が目標滑り速度を追従させるために、ＺＭＰが滑らせる着地点よりも滑らせない着地点に近づくように、床反力制御によりＺＭＰ目標軌道を設定する。
【００５９】
そして、目標軌道修正部１４は、この目標ＺＭＰ軌道を実現できるように目標足部軌道・目標体幹軌道・目標上肢軌道を修正する。これら修正された目標軌道は、滑り可能な目標軌道である。
【００６０】
本実施形態では、このようにＺＭＰが滑らせる着地点よりも滑らせない着地点に近づくようにＺＭＰ目標軌道を設定することにより、足部、体幹部、並びに上肢における目標軌道に目標滑り速度を追従させ、意図した着地点の滑りを採り入れながら機体の姿勢安定性を実現するものである。
【００６１】
ここで、目標滑り速度に追従するように目標軌道を修正することによって、任意の着地点を滑らせることが可能となる理由について説明する。
【００６２】
床面が水平な平面で摩擦係数が均一であるとする。このとき、図６に示すように、接地点Ａ及び接地点Ｂの位置をそれぞれｘ_Ａ及びｘ_Ｂとし、これら各点における垂直抗力をそれぞれｆ_ｚ＿Ａ及びｆ_ｚ＿Ｂとすると、ＺＭＰは次式（１）のように表される。
【００６３】
【数１】

【００６４】
そして、上式（１）は次式（２）のように変形することができる。
【００６５】
【数２】

【００６６】
上式（２）の右辺分母はＺＭＰから接地点ｘ_Ａまでの距離を表し、分子はＺＭＰから接地点ｘ_Ｂまでの距離を表している。また、静止摩擦係数をμ、垂直抗力をｆ_ｚとすると、最大静止摩擦力Ｆは、Ｆ＝μｆ_ｚで表されるので、上式（２）をさらに次式（３）のように変形することができる。
【００６７】
【数３】

【００６８】
上式（３）からも分かるように、ＺＭＰから遠い接地点の摩擦力の方が、ＺＭＰに近い接地点の摩擦力より小さいく、先に滑り始める。したがって、任意の着地点を滑らすことが可能になる。各着地点の床に対する目標滑り速度は決定時に各着地点間の相対速度と矛盾のないように決定されているので、滑るべき着地点が滑り出せば、滑り速度は自動的に追従する。
【００６９】
但し、図７に示すように、静止時の摩擦力より滑り状態での摩擦力の方が小さいため、一旦滑り出した接地点を静止させ、同時に静止状態の接地点を滑り状態にする場合は、ＺＭＰ軌道をさらに大きく移動させる必要がある。
【００７０】
また、電気自動車や電気鉄道の粘着力制御の分野では、図８に示すように、摩擦係数は滑り速度に依存する曲線を描くことが指摘されている。そこで、これらの曲線を考慮してＺＭＰの軌道を計画することにより、滑り速度の追従性能がさらに向上すると期待できる。
【００７１】
次いで、ロボット制御部２０では、目標軌道生成部１０において生成された目標軌道に基づいて実際に機体の動作を実現する。目標軌道に基づいてロボットの動作制御として、例えば本出願人に既に譲渡されている特開２００１−１５７９７３号公報又は特開２００２−２１９６８１号公報で提案されているロボットの動作制御手順などを利用することができる。
【００７２】
まず、第１の軌道修正部２１では、実際の滑り速度と目標滑り速度を比較して、足部、体幹部、並びに上肢それぞれの目標軌道の修正を行なう。
【００７３】
次いで、第２の軌道修正部２２では、実際のＺＭＰと目標ＺＭＰを比較して、足部、体幹部、並びに上肢それぞれの目標軌道の修正を行なう。
【００７４】
そして、駆動制御部２３は、修正された足部、体幹部、並びに上肢の軌道に追従するように、各関節アクチュエータの駆動を制御する。
【００７５】
そして、ＺＭＰ取得部２４は、ロボットの動作が実現している最中に、足底の力センサからＺＭＰを得て、これを第２の軌道修正部２２に帰還する。
【００７６】
また、滑り速度取得部２５は、ロボットの動作が実現している最中に、足底の滑り速度検出センサによって左右の足底における滑り速度を取得して、これを代１の軌道修正部２１に帰還する。
【００７７】
ロボットが動作する環境によっては摩擦係数の変化やごく小さな段差が存在し、これによって目標滑り速度が追従できなかったり、予定とは異なる脚が滑り出したりする可能性がある。そこで、軌道修正部２１がセンサから得られる滑り速度（図８を参照のこと）に応じてＺＭＰを適応的に移動させることによって、これらの外乱にロバスト性を向上させることが可能である。
【００７８】
このように本発明によれば、ロボットの路面と接触している部位のうち滑らせたい部分を選択できる。したがって、ダンスなどのような視覚的な効果を高めた動作や、踵を滑らせる期間を挿入することによる歩行安定性の向上を実現することができる。また、床運動時において、脚全体を移動させる場合に、脚全体を持ち上げずに滑らせながら移動させることによって、股関節トルクを低減させ、効率的な旋回動作を行なうことが可能である。さらに、滑り易い環境での最大摩擦力による最大加速力動作が実現することができる。
【００７９】
ここで、軸足以外の脚の滑り動作を利用してロボットが旋回する動作について、図９を参照しながら説明しておく。
【００８０】
着地点目標滑り速度設定部１２は、左右のどちらの足を滑らせるか、言い換えれば軸足を決定し、各着地点間の相対速度と矛盾のないように、各着地点の床に対する目標滑り速度を決定する。そして、目標ＺＭＰ軌道設定部１３は、足部、体幹部、並びに上肢における目標軌道が目標滑り速度を追従させるために、ＺＭＰが滑らせる着地点よりも滑らせない着地点に近づくように、床反力制御によりＺＭＰ目標軌道を設定する。
【００８１】
この結果、図９に示すように、軸足平の目標軌道に沿ってＺＭＰ目標軌道が設定される。その後、軸足平を中心とした旋回動作が進行すると、軸足以外の足平すなわち滑り足平は外側に向かって滑り動作を発生させる。このとき、足底に設置されている滑り速度センサ又は滑り速度推定器から滑り速度が時々刻々と取得され、第１の軌道修正部はこの滑り速度に従がって足部、体幹部、並びに上肢それぞれの目標軌道の修正を行なう。
【００８２】
これまでに具体的に述べてきた手法は、ロボットの姿勢を変化させることにより、垂直抗力を制御するものである。しかし、本発明の要旨はこの手法に限定されるものではなく、直接床反力を制御するようなコントローラを構成する場合であっても、床反力の配分時に滑らせたい接触点の床反力を小さくすることによって同様の効果が得られる。
【００８３】
また、着地点において均一な滑りを実現することを目的とする「均一摩擦力マット」や目的とする動作に応じて足裏の摩擦係数を変更するための「摩擦係数選択用アタッチメント」によって、滑り速度制御の効果を補うことができる。またこれらの制御は、滑り速度制御時でない場合でもロボットの運動性能を補うために有効である。
【００８４】
［追補］
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。
【００８５】
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なう機械装置あるいはその他一般的な移動体装置であるならば、例えば玩具など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。
【００８６】
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。
【００８７】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、足などの着床点を意図的に滑らせる動きを積極的に採り入れて適応的な姿勢安定制御を行なうことができる、優れた脚式歩行ロボットの運動制御装置及び運動制御方法を提供することができる。
【００８８】
また、本発明によれば、意図的な足の滑りにより歩行安定性を図ったり視覚的な効果を高めた動作を行なったりすることができる、優れた脚式歩行ロボットの運動制御装置及び運動制御方法を提供することができる。
【００８９】
本発明によれば、ロボットの路面と接触している部位のうち滑らせたい部分を選択できるので、ダンスなどのような視覚的な効果を高めた動作や、踵を滑らせる期間を挿入することによる歩行安定性の向上を実現することができる。また、床運動時において、脚全体を移動させる場合に、脚全体を持ち上げずに滑らせながら移動させることによって、股関節トルクを低減させ、効率的な旋回動作を行なうことが可能である。さらに、滑り易い環境での最大摩擦力による最大加速力動作が実現することができる。
【００９０】
これらの効果は、滑り速度検出センサを搭載していないロボットにおいても、滑り速度推定器によって実現することができる。また、ダンス・ステージ（「均一摩擦力マット」）や、ダンス・シューズ（「摩擦係数選択用アタッチメント」）などによって、その効果をさらに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に供される２脚２腕を有する人間型ロボットの自由度構成を示した図である。
【図２】脚式移動ロボットの制御システム構成を模式的に示した図である。
【図３】脚式移動ロボットの足平・足底に各種のセンサを配設した様子を示した図である。
【図４】歩行やその他の脚式作業中に滑りの期間を挿入して姿勢安定制御を行なうための機能構成を模式的に示した図である。
【図５】目標軌道設定部１において設定された目標足部軌道・目標体幹軌道・目標上肢軌道の通りにロボットが動作したとしても各接地点の目標滑り速度の通りに滑るとは限らない様子を示した図である。
【図６】床反力とＺＭＰの関係を説明するための図である。
【図７】滑り速度と摩擦力の関係（滑り速度に依存しないことを仮定した場合）を示した図である。
【図８】滑り速度と摩擦力の関係（滑り速度に依存することを前提とした場合）を示した図である。
【図９】軸足以外の脚の滑り動作を利用してロボットが旋回する様子を示した図である。
【符号の説明】
１０…目標軌道生成部
１１…目標軌道設定部
１２…着地点目標滑り速度設定部
１３…目標ＺＭＰ軌道設定部
１４…目標軌道修正部
２０…ロボット制御部
２１…第１の軌道修正部
２２…第２の軌道修正部
２３…駆動制御部
２４…ＺＭＰ取得部
２５…滑り速度取得部

Claims (18)

1. 少なくとも複数本の可動脚を備え、１以上の着床点を保ちながら脚式作業を行なう脚式移動ロボットの姿勢安定性をＺＭＰ安定度判別規範に基づいて制御する脚式移動ロボットの運動制御装置であって、
   着床点における滑りを考慮せずに各部の目標軌道を設定する目標軌道設定部と、
   滑らせる着床点を決定し、各着地点の床に対する目標滑り速度を決定する着地点目標滑り速度設定部と、
   ＺＭＰが滑らせる着地点よりも滑らせない着地点に近づくようにＺＭＰの目標軌道を設定する目標ＺＭＰ軌道設定部と、
   前記目標軌道設定部において設定された各部の目標軌道を、目標ＺＭＰ軌道に基づいて修正する目標軌道修正部と、
   を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの運動制御装置。
2. 前記脚式移動ロボットは、少なくとも下肢と体幹と上肢を備え、
   前記目標軌道設定部は、足部の目標軌道、体幹部の目標軌道、及び上肢の目標軌道を設定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの運動制御装置。
3. 前記着地点目標滑り速度設定部は、滑らない着地点の目標滑り速度を０に設定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの運動制御装置。
4. 前記ＺＭＰ目標軌道設定部は、足部、体幹部、並びに上肢における目標軌道が目標滑り速度を追従させるようにＺＭＰの目標軌道を設定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの運動制御装置。
5. 前記目標軌道修正部は、目標ＺＭＰ軌道を実現できるように各部の目標軌道を修正する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの運動制御装置。
6. 生成された目標軌道に基づいてロボットの動作を制御するロボット制御部をさらに備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの運動制御装置。
7. 前記ロボット制御部は、
   実際の滑り速度と目標滑り速度を比較して、各部の目標軌道の修正を行なう第１の軌道修正部と、
   実際のＺＭＰと目標ＺＭＰを比較して、各部の目標軌道の修正を行なう第２の軌道修正部と、
   修正された目標軌道に基づいて各部の動作を制御する駆動制御部と、
   を備えることを特徴とする請求項６に記載の脚式移動ロボットの運動制御装置。
8. 着床点における滑り速度を取得して前記第１の軌道修正部に帰還する滑り速度取得部と、
   着床点における床反力に基づいてＺＭＰを取得して前記第２の軌道修正部に帰還するＺＭＰ取得部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の脚式移動ロボットの運動制御装置。
9. 少なくとも複数本の可動脚を備え、１以上の着床点を保ちながら脚式作業を行なう脚式移動ロボットの姿勢安定性をＺＭＰ安定度判別規範に基づいて制御する脚式移動ロボットの運動制御方法であって、
   着床点における滑りを考慮せずに各部の目標軌道を設定する目標軌道設定ステップと、
   滑らせる着床点を決定し、各着地点の床に対する目標滑り速度を決定する着地点目標滑り速度設定ステップと、
   ＺＭＰが滑らせる着地点よりも滑らせない着地点に近づくようにＺＭＰの目標軌道を設定する目標ＺＭＰ軌道設定ステップと、
   前記目標軌道設定ステップにおいて設定された各部の目標軌道を、目標ＺＭＰ軌道に基づいて修正する目標軌道修正ステップと、
   を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの運動制御方法。
10. 前記脚式移動ロボットは、少なくとも下肢と体幹と上肢を備え、
    前記目標軌道設定ステップでは、足部の目標軌道、体幹部の目標軌道、及び上肢の目標軌道を設定する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の脚式移動ロボットの運動制御方法。
11. 前記着地点目標滑り速度設定ステップでは、滑らない着地点の目標滑り速度を０に設定する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の脚式移動ロボットの運動制御方法。
12. 前記ＺＭＰ目標軌道設定ステップでは、足部、体幹部、並びに上肢における目標軌道が目標滑り速度を追従させるようにＺＭＰの目標軌道を設定する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の脚式移動ロボットの運動制御方法。
13. 前記目標軌道修正ステップでは、目標ＺＭＰ軌道を実現できるように各部の目標軌道を修正する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の脚式移動ロボットの運動制御方法。
14. 生成された目標軌道に基づいてロボットの動作を制御するロボット制御ステップをさらに備える、
    ことを特徴とする請求項９に記載の脚式移動ロボットの運動制御方法。
15. 前記ロボット制御ステップは、
    実際の滑り速度と目標滑り速度を比較して、各部の目標軌道の修正を行なう第１の軌道修正ステップと、
    実際のＺＭＰと目標ＺＭＰを比較して、各部の目標軌道の修正を行なう第２の軌道修正ステップと、
    修正された目標軌道に基づいて各部の動作を制御する駆動制御ステップと、
    を備えることを特徴とする請求項９に記載の脚式移動ロボットの運動制御方法。
16. 着床点における滑り速度を取得して前記第１の軌道修正ステップに帰還する滑り速度取得ステップと、
    着床点における床反力に基づいてＺＭＰを取得して前記第２の軌道修正ステップに帰還するＺＭＰ取得ステップと、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の脚式移動ロボットの運動制御方法。
17. 少なくとも２本以上の脚を有するロボット装置において、
    ＺＭＰ目標軌道設定手段と、
    軸足設定手段と、
    前記ＺＭＰ目標軌道を前記軸足の近傍を通過させることにより、前記軸足以外の脚に対し滑り動作を発生させる制御手段と、
    を具備することを特徴とするロボット装置。
18. 前記滑り動作を発生させながら旋回動作を行なう、
    ことを特徴とする請求項１７に記載のロボット装置。

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