JP2009072839A

JP2009072839A - 二足歩行ロボットの制御装置および歩容制御方法

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Publication number: JP2009072839A
Application number: JP2007242040A
Authority: JP
Inventors: Takashi Manba; 崇萬羽
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2007-09-19
Filing date: 2007-09-19
Publication date: 2009-04-09

Abstract

【課題】歩容をオンライン生成できる二足歩行ロボットの歩容生成装置を提供する。
【解決手段】二足の脚構造と、歩容生成装置と、脚構造を動作させる複数アクチュエータと、姿勢等の状態量を検出する各種センサと、各種センサ情報を基に歩容を修正する安定化制御器と、修正歩容を基に指令を生成するアクチュエータ指令生成装置と、アクチュエータの状態量を検出するアクチュエータセンサと、アクチュエータ指令どおりにアクチュエータを動作させるアクチュエータ制御器と、を備え、歩容生成装置が、両脚を揃えて停止している状態を停止状態とし、停止状態の目標ＺＭＰ３を重心の真下とし、停止状態の目標ＺＭＰより後方にずれた位置を歩行開始歩容前後方向目標ＺＭＰ２とし、歩行開始歩容の始めから１歩目の着地までの間、前後方向の目標ＺＭＰを歩行開始歩容前後方向目標ＺＭＰに固定した歩行開始歩容を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二足歩行ロボットの制御装置において、両脚支持の停止状態から歩行を開始する際および歩行を停止して停止状態とする際の歩容を生成する歩容生成装置・方法に関する。

従来の二足歩行ロボットのリアルタイム歩容生成装置は、あらかじめ動力学シミュレーションや実験により様々なパターンの安定な歩容を試行錯誤的に作成し、ロボットに搭載したハードディスクなどの記録媒体の中にデータベースとして保存しておき、それらを組み合わせることにより歩容を生成している（例えば，特許文献１参照）。
以下では図９を用いて従来の二足歩行ロボットの制御装置の全体構成を説明する。

図９において、１００は歩容生成装置であり、上位コンピュータまたは操作者から歩行指令を受け取り、歩行指令の要求を満たすように歩容を生成する。本従来例では、歩行指令とは要求される歩幅と旋回角の組であり、歩容とは上体位置姿勢軌道、足平位置姿勢軌道、ＺＭＰ軌道の組である。１０１は安定化制御器であり、予測しなかった外乱により歩行ロボットが転倒するのを防ぐため、各種センサ情報を用いて歩容生成装置１００が生成した歩容を修正する。
１０２はアクチュエータ指令生成器であり、安定化制御器１０１が生成した修正歩容を、逆キネマティクス演算により各関節のアクチュエータ指令に変換する。６５はアクチュエータ制御器であり、アクチュエータセンサ６７からのアクチュエータセンサ情報を用いて、アクチュエータ指令生成器１０２が生成したアクチュエータ指令どおりの位置にアクチュエータを動作させるようにアクチュエータ操作量を変化させる。
６６はアクチュエータおよび脚構造であり、アクチュエータ制御器６５によって操作されるアクチュエータと脚構造である。脚構造は地面等と接触することにより二足歩行ロボットを移動させる力を発生する。
６７はアクチュエータセンサであり、アクチュエータの状態量を検出し、アクチュエータ制御器６５へフィードバックする。具体的には、関節のアクチュエータとしてはサーボモータが使用される例が多く、その場合のアクチュエータ指令とはサーボモータの回転量をあらわす位置指令であり、アクチュエータ状態量とはサーボモータの回転量である。ロボットの関節の角度とサーボモータの回転量は一対一に対応する。アクチュエータセンサ情報とはサーボモータに取り付けられたエンコーダの信号である。アクチュエータおよび脚構造６６が動作した結果、各種状態量が変化する。
６８は各種センサであり，各種状態量を検出して安定化制御器にフィードバックする。具体的には、各種状態量とは二足歩行ロボットの上体の傾き、向き、またはそれらの速度、足裏に受ける圧力であり、各種センサとは、傾斜センサ、ジャイロセンサ、加速度センサ、地磁気センサ、圧力センサ、６軸力センサ、カメラなどが用いられる例が多い。
以下では、図１０を用いて前述の歩容生成装置１００の構成をより詳細に説明する。図１０において、１００は歩容生成装置であり、１０１は安定化制御器であり、１０２はアクチュエータ指令生成器であり、図９で説明したものである。
歩容生成装置１００の内部動作をより詳しく説明すると、１１１は標準歩容の集合である。標準歩容とは、あらかじめ動力学シミュレーションや試行錯誤的な実験や数式モデルを用いた解析的な手法により、オフラインで求められた安定な歩容の集合をデータベースとして保存したものである。離散的な複数の歩幅と旋回角に対して、それを実現する歩容のパターンを標準歩容としてマトリックス状に保有している。歩幅と旋回角が指令として与えられた場合、これらの標準歩容の中から最も近いものを１つ選択すれば指令に近い歩容を生成することはできるが、指令に近い歩容を生成するためにはマトリックスの間隔を狭める必要があり、データ量が増加する。本従来技術では、指令の要求が歩幅と旋回角の２つであるが、将来さらに拡張して３つ以上に増やす場合にはさらにデータ量は膨大になる。この問題を解決するため、

この従来技術では、標準歩容を組み合わせてマトリックスの間を補完した混合歩容を生成している。１１２は歩容混合器であり、歩行指令として与えられた歩幅と旋回角を実現する歩容を生成するために、標準歩容の集合１１１から３つの標準歩容を選び出し、それらの番号と歩容混合の重みを生成する。３つの標準歩容とは、歩行指令として与えられた歩幅と旋回角に最も近い標準歩容であるベース歩容と、ベース歩容と歩幅のみが異なる標準歩容と、ベース歩容と旋回角のみが異なる標準歩容の３つである。歩幅のみが異なる標準歩容は、その歩幅とベース歩容の歩幅との間に指令の歩幅が存在するように選ばれる。
同様に、旋回角のみが異なる標準歩容は、その旋回角とベース歩容の旋回角との間に指令の旋回角が存在するように選ばれる。選んだ３つの標準歩容を線形補完するための重みを算出する。さらに運動パラメータとＺＭＰパラメータも生成する。
１１４は上体水平位置発生器であり、歩容混合器１１２が生成した標準歩容の番号と歩容混合の重みを基に標準歩容の集合１１１から上体水平位置の時系列データを組み合わせて上体水平位置姿勢の瞬時値を算出する。
上体水平位置発生器１１４での具体的処理については、特許文献２に述べられている技術を用いて実現できる。１１５は足平軌道生成器であり，歩容混合器１１２が生成した運動パラメータから足平位置姿勢の瞬時値を算出する。足平軌道発生器１１５での具体的処理については、特許文献２や特許文献３に述べられている技術を用いて実現できる。１１６は上体高さ決定器であり、歩容混合器１１２が生成した運動パラメータから上体高さの瞬時値を算出する。上体高さ決定器１１６の具体的処理については、特許文献４に述べられている技術を用いて実現できる。１１７はＺＭＰ生成器であり、歩容混合器１１２が生成したＺＭＰパラメータからＺＭＰ軌道を生成する。１１８はタイマであり、歩容混合器１１２に切り替えのタイミングを与え、さらに混合歩容瞬時値発生器１１３に時刻のパラメータを与えている。
このように、従来の二足歩行ロボットの歩容生成装置は、あらかじめ動力学シミュレーションや実験により様々なパターンの安定な歩容を試行錯誤的に作成し、ロボットに搭載したハードディスクなどの記録媒体の中にデータベースとして保存しておき、それらを組み合わせることにより歩容を生成するのである。

特許第３６５８１４７号公報（第３１頁，図３）特許第３２３３４５０号公報特許第３２７３４４３号公報特許第３６６３０３４号公報

従来の二足歩行ロボットの歩容生成装置は、あらかじめ動力学シミュレーションや実験により様々なパターンの安定な歩容を試行錯誤的に作成し，ロボットに搭載したハードディスクなどの記録媒体の中にデータベースとして保存しておき、それらを組み合わせることにより歩容を生成しており、元となる歩容は、ロボットの設計が変更されるたびにそれぞれのロボット専用の歩容を人間が算出しなければならず、試行錯誤の実験やシミュレーションに多くの時間と手間がかかるという問題があった。
また、元となる歩容を数多く記憶させておくために大容量のハードディスクなどの記憶装置が必要で、コストが高くなるなどの問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、実験やシミュレーションによる試行錯誤的なパターン生成作業や、ハードディスクなどの大容量記録媒体を必要とせず、倒立振子モデルより得られた数式を用いて歩行開始や歩行停止を含む歩容をオンライン生成することができる二足歩行ロボットの歩容生成装置および歩容制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、請求項１記載の二足歩行ロボットの制御装置の発明は、二足の脚構造と、上位コンピュータまたは人間とのインターフェース装置が生成した歩行指令どおりの歩行を実現する歩容を生成する歩容生成装置と、前記脚構造を動作させるための複数のアクチュエータと、姿勢または外力または環境情報のうちのいずれかまたはすべてを含む各種状態量を検出して各種センサ情報を生成する各種センサと、前記各種センサ情報を基に前記歩容を修正する安定化制御器と、前記修正歩容を基に前記複数のアクチュエータそれぞれに対する指令を生成するアクチュエータ指令生成装置と、アクチュエータの位置または速度または力または電流のうちのいずれかまたはすべてを含むアクチュエータ状態量を検出してアクチュエータセンサ情報を生成するためのアクチュエータセンサと、前記アクチュエータ指令どおりにアクチュエータを動作させるためのアクチュエータ制御器と、を備えた二足歩行ロボットの制御装置において、前記歩容生成装置は、両脚を左右に揃えて停止している状態を停止状態とし、停止状態の目標ＺＭＰを重心の真下とし、前記停止状態の目標ＺＭＰより後方にずれた位置を歩行開始歩容前後方向目標ＺＭＰとし、歩行開始歩容の始めから１歩目の着地までの間、前後方向の目標ＺＭＰを前記歩行開始歩容前後方向目標ＺＭＰに固定した歩行開始歩容を生成することを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は、前記歩容生成装置は、１歩目の着地時の前後方向重心速度が定常歩容の切替時の前後方向重心速度と等しくなるように前記歩行開始歩容前後方向目標ＺＭＰの前後方向位置を決定することを特徴としている。
また、請求項３記載の二足歩行ロボットの制御装置の発明は、二足の脚構造と、上位コンピュータまたは人間とのインターフェース装置が生成した歩行指令どおりの歩行を実現する歩容を生成する歩容生成装置と、前記脚構造を動作させるための複数のアクチュエータと、姿勢または外力または環境情報のうちのいずれかまたはすべてを含む各種状態量検出して各種センサ情報を生成する各種センサと、前記各種センサ情報を基に前記歩容を修正する安定化制御器と、前記修正歩容を基に前記複数のアクチュエータそれぞれに対する指令を生成するアクチュエータ指令生成装置と、アクチュエータの位置または速度または力または電流のうちのいずれかまたはすべてを含むアクチュエータ状態量を検出してアクチュエータセンサ情報を生成するためのアクチュエータセンサと、前記アクチュエータ指令どおりにアクチュエータを動作させるためのアクチュエータ制御器と、を備えた二足歩行ロボットの制御装置において、前記歩容生成装置は、両脚を左右に揃えて停止している状態を停止状態とし、停止状態の目標ＺＭＰを重心の真下とし、前記停止状態の目標ＺＭＰより1歩目に踏み出す足の方にずれた位置を歩行開始歩容横方向目標ＺＭＰとし、歩行開始歩容の始めから１歩目の離床までの間、横方向の目標ＺＭＰを前記歩行開始歩容横方向目標ＺＭＰに固定した歩行開始歩容を生成することを特徴としている。
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の二足歩行ロボットの制御装置において、前記歩容生成装置が、１歩目の着地時の横方向重心速度が定常歩容の切替時の横方向重心速度と一致するような歩行開始時片脚支持歩容を求め，１歩目の離床の瞬間に横方向重心位置および速度が前記歩行開始時片脚支持歩容の横方向重心位置および速度と同時に一致するように前記歩行開始歩容横方向目標ＺＭＰおよび１歩目の離床タイミングを決定することを特徴としている。

また、請求項５記載の二足歩行ロボットの制御装置記載の発明は、二足の脚構造と、上位コンピュータまたは人間とのインターフェース装置が生成した歩行指令どおりの歩行を実現する歩容を生成する歩容生成装置と、前記脚構造を動作させるための複数のアクチュエータと、姿勢または外力または環境情報のうちのいずれかまたはすべてを含む各種状態量検出して各種センサ情報を生成する各種センサと、前記各種センサ情報を基に前記歩容を修正する安定化制御器と、前記修正歩容を基に前記複数のアクチュエータそれぞれに対する指令を生成するアクチュエータ指令生成装置と、アクチュエータの位置または速度または力または電流のうちのいずれかまたはすべてを含むアクチュエータ状態量を検出してアクチュエータセンサ情報を生成するためのアクチュエータセンサと、前記アクチュエータ指令どおりにアクチュエータを動作させるためのアクチュエータ制御器と、を備えた二足歩行ロボットの制御装置において、前記歩容生成装置は、両脚を左右に揃えて停止している状態を停止状態とし、停止状態の目標ＺＭＰを重心の真下とし、前記停止状態の目標ＺＭＰより前方にずれた位置を歩行停止歩容前後方向目標ＺＭＰとし、最後から２歩目の着地の瞬間から停止までの間、前後方向の目標ＺＭＰを前記歩行停止歩容前後方向目標ＺＭＰの位置に固定した歩行停止歩容を生成し、前後方向重心速度が０となった時点で前後方向の目標ＺＭＰを前記停止状態の目標ＺＭＰとすることを特徴としている。
また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の二足歩行ロボットの制御装置において、前記歩容生成装置が、最後から２歩目の着地時の前後方向重心速度が定常歩容の切替時の前後方向重心速度と等しく、与えられた時間で前後方向重心速度を０にするように前記停止時前後方向目標ＺＭＰを決定することを特徴としている。
また、請求項７記載の二足歩行ロボットの制御装置の発明は、二足の脚構造と、上位コンピュータまたは人間とのインターフェース装置が生成した歩行指令どおりの歩行を実現する歩容を生成する歩容生成装置と、前記脚構造を動作させるための複数のアクチュエータと、姿勢または外力または環境情報のうちのいずれかまたはすべてを含む各種状態量検出して各種センサ情報を生成する各種センサと、前記各種センサ情報を基に前記歩容を修正する安定化制御器と、前記修正歩容を基に前記複数のアクチュエータそれぞれに対する指令を生成するアクチュエータ指令生成装置と、アクチュエータの位置または速度または力または電流のうちのいずれかまたはすべてを含むアクチュエータ状態量を検出してアクチュエータセンサ情報を生成するためのアクチュエータセンサと、前記アクチュエータ指令どおりにアクチュエータを動作させるためのアクチュエータ制御器と、を備えた二足歩行ロボットの制御装置において、前記歩容生成装置は、両脚を左右に揃えて停止している状態を停止状態とし、停止状態の目標ＺＭＰを重心の真下とし、前記停止状態の目標ＺＭＰより最後の１歩の足の方にずれた位置を歩行停止歩容横方向目標ＺＭＰとし、最後の１歩の着地時から停止までの間，横方向目標ＺＭＰを前記歩行停止歩容横方向目標ＺＭＰに固定した歩行停止歩容を生成し、横方向重心速度が０となった時点で目標ＺＭＰを重心の真下とすることを特徴としている。
また、請求項８記載の発明は、請求項７記載の二足歩行ロボットの制御装置において、前記歩容生成装置が、最後から２歩目の着地時に横方向重心速度が定常歩容の切替速度と一致するような歩行停止時片脚支持歩容を求め、最後の１歩の着地の瞬間に横方向重心位置および速度が前記片脚支持歩容の横方向重心位置および速度と同時に一致するように前記歩行停止歩容横方向目標ＺＭＰおよび最後の１歩の着地タイミングを決定することを特徴としている。
また、請求項９記載の発明は、請求項１〜８のいずれか１項記載の二足歩行ロボットの制御装置において、前記歩容生成装置が、倒立振子モデルから解析的に与えられる数式を用いて歩容を生成することを特徴としている。
また、請求項１０記載の発明は、請求項９記載の二足歩行ロボットの制御装置において、前記歩容が、重心加速度が、重力加速度を一定値である重心高さで除して、重心のＸ座標値と目標ゼロモーメントポイントＺＭＰのＸ座標値との差分を乗じて表され、重心位置、重心加速度および着地位置が当該関係を満たしていないと転倒するＺＭＰ方程式を用いて演算されることを特徴としている。

また、請求項１１記載の二足歩行ロボットの制御装置の歩容制御方法の発明は、二足の脚構造と、上位コンピュータまたは人間とのインターフェース装置が生成した歩行指令どおりの歩行を実現する歩容を生成する歩容生成装置と、前記脚構造を動作させるための複数のアクチュエータと、姿勢または外力または環境情報のうちのいずれかまたはすべてを含む各種状態量を検出して各種センサ情報を生成する各種センサと、前記各種センサ情報を基に前記歩容を修正する安定化制御器と、前記修正歩容を基に前記複数のアクチュエータそれぞれに対する指令を生成するアクチュエータ指令生成装置と、アクチュエータの位置または速度または力または電流のうちのいずれかまたはすべてを含むアクチュエータ状態量を検出してアクチュエータセンサ情報を生成するためのアクチュエータセンサと、前記アクチュエータ指令どおりにアクチュエータを動作させるためのアクチュエータ制御器と、を備えた二足歩行ロボットの制御装置の歩容制御方法において、上位装置より歩行速度指令を受け取り、ロボットが停止状態かを判断して、前記ロボッとが停止状態の場合は、前記歩行速度指令がゼロかを判断し、ゼロの場合はそのまま終了しゼロで無い場合は歩行開始歩容生成処理を行い。前記ロボットが停止状態かの判断で停止状態では無い場合も、前記歩行速度指令の確認を行い、前記歩行速度指令がゼロの場合は歩行停止歩容生成処理を行い、前記歩行速度指令の確認で歩行速度指令がゼロでは無い場合は、該歩行速度指令が前回と同じかを判断し、同じ場合は定常歩容生成処理を行って歩行を続行し、前記歩行速度指令が同じでは無い場合は過渡歩容処理に移行する、上記１連の歩容生成処理を、１歩毎に行い、前記ＺＭＰ方程式を解いて第n歩目の歩容の重心位置と速度を求めるための積分定数を算出し、算出された前記積分定数を用いて制御周期毎に歩容を表す重心軌道を算出して歩容制御を実行することを特徴としている。
また、請求項１２記載の発明は、請求項１１記載の二足歩行ロボットの制御装置の歩容制御方法において、前記歩行開始歩容生成が、両脚を左右に揃えて停止している状態を停止状態とし、停止状態の目標ＺＭＰを重心の真下とし、前記停止状態の目標ＺＭＰより後方にずれた位置を歩行開始歩容前後方向目標ＺＭＰとし、歩行開始歩容の始めから１歩目の着地までの間、前後方向の目標ＺＭＰを前記歩行開始歩容前後方向目標ＺＭＰに固定すると共に、前記停止状態の目標ＺＭＰより1歩目に踏み出す足の方にずれた位置を歩行開始歩容横方向目標ＺＭＰとし、歩行開始歩容の始めから１歩目の離床までの間、横方向の目標ＺＭＰを前記歩行開始歩容横方向目標ＺＭＰに固定して、前記積分定数を算出し重心軌道を算出して歩行開始歩容を生成することを特徴としている。
また、請求項１３記載の発明は、請求項１１記載の二足歩行ロボットの制御装置の歩容制御方法において、前記歩行停止歩容生成は、両脚を左右に揃えて停止している状態を停止状態とし、停止状態の目標ＺＭＰを重心の真下とし、前記停止状態の目標ＺＭＰより前方にずれた位置を歩行停止歩容前後方向目標ＺＭＰとし、最後から２歩目の着地の瞬間から停止までの間、前後方向の目標ＺＭＰを前記歩行停止歩容前後方向目標ＺＭＰの位置に固定した歩行停止歩容を生成し、前後方向重心速度が０となった時点で前後方向の目標ＺＭＰを前記停止状態の目標ＺＭＰとすると共に、前記停止状態の目標ＺＭＰより最後の１歩の足の方にずれた位置を歩行停止歩容横方向目標ＺＭＰとし、最後の１歩の着地時から停止までの間，横方向目標ＺＭＰを前記歩行停止歩容横方向目標ＺＭＰに固定した歩行停止歩容を生成し、横方向重心速度が０となった時点で目標ＺＭＰを重心の真下とするようにして、前記積分定数を算出し重心軌道を算出し歩行停止歩容を生成することを特徴としている。

請求項１記載の発明によると、歩行開始時の前後方向の目標ＺＭＰの中央位置からのずれを最小限にすることができ、安定性を高めることができる。
また、請求項２記載の発明によると、前後方向について，歩行開始歩容から定常歩容に滑らかに接続する軌道が生成できるため、切替時の安定性を高めることができる。
また、請求項３記載の発明によると、横方向の目標ＺＭＰの中央位置からのずれを最小限にすることができ、歩行開始時の安定性を高めることができる。
また、請求項４記載の発明によると、横方向について、歩行開始歩容から定常歩容に滑らかに接続する軌道が生成できるため、切替時の安定性を高めることができる。
また、請求項５記載の発明によると、歩行停止時の前後方向の目標ＺＭＰの中央位置からのずれを最小限にすることができ、安定性を高めることができる。
また、請求項６記載の発明によると、前後方向について、定常歩容から歩行停止歩容に滑らかに接続する軌道が生成できるため、切替時の安定性を高めることができる。
また、請求項７記載の発明によると、横方向の目標ＺＭＰの中央位置からのずれを最小限にすることができ、歩行停止時の安定性を高めることができる。
また、請求項８記載の発明によると、横方向について、定常歩容から歩行停止歩容に滑らかに接続する軌道が生成できるため、切替時の安定性を高めることができる。
また、請求項９および１０記載の発明によると、実験やシミュレーションによる試行錯誤的なパターン生成作業や、ハードディスクなどの大容量記録媒体を必要とせず、歩行開始や歩行停止を含む歩容をオンライン生成することができる。
また、請求項１１〜１３記載の発明によると、歩行開始や歩行停止を含む歩容をオンライン生成して、歩容の安定性を高める方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１に係る二足歩行ロボットの制御装置による歩行開始歩容の重心軌道を示す図である。
図２は図１に示す二足歩行ロボットの制御装置で用いる倒立振子モデルを示す図である。
図３は図２に示す倒立振子モデルによる定常歩行の説明図である。
図１において、１は点線で示すように移動するロボットの歩容を表す重心軌道である。３はロボットの左脚５、右脚６の中央点等で表わされる絶対座標系の原点となる停止状態の目標ＺＭＰで、２は目標ＺＭＰ３から△Ｘ、△Ｙだけ補正された位置を表す歩行開始歩容目標ＺＭＰであり、４は歩行開始歩容左脚支持状態の目標ＺＭＰである。７は右脚６による一歩目着地位置を示し、８は左脚５による２歩目の着地位置を示す。１１は停止時の両脚支持状態から一歩目を踏み出す左脚支持状態の歩容を含む歩行開始歩容であり、１２は定常状態に入った場合の定常歩容である。なお、重心軌道１の左・右脚支持切替点に表示されている矢印記号は重心のＸ、Ｙ方向の速度を示す。
また、本実施例の歩容を生成する歩容生成装置としては特に図示していないが、ブロック図は、従来と同じく図９のように構成された二足歩行ロボットの制御装置の中の歩容生成装置１００に相当するものである。二足歩行ロボットを安定に歩行させるためには、フィードフォワード的に転倒しにくい歩行パターンを与える歩容生成装置１００と、外乱などによって体が傾いたときセンサ情報を基にフィードバック的に姿勢を立て直す安定化制御器１０１の２つが必要である。本実施例の歩容生成装置を、さらに安定化制御器と組み合わせることで予測が困難な外乱に対する安定性を向上させることができる。

次に動作について説明する。
本発明の歩容生成装置で生成される定常歩行パターンは、常に片脚のみで支持しており、支持脚が地面から離れると同時に次の足を着地するものとする。その二足歩行ロボットを図２のような倒立振子モデルで表して見る。脚は質量を持たず、質量は重心の１点に集中しているとする。二足歩行ロボットの股関節と足首との間の長さは可変であり、重心の高さを一定値Hに保ちつつ水平に運動するものとする。進行方向をｘ軸、右横方向をｙ軸、鉛直上方向をｚ軸とする。進行方向の運動方程式は以下で表される。

ただし、X_ZMPは目標ゼロモーメントポイント(ＺＭＰ)のｘ座標である。歩容生成装置内の演算では、常に上式を満たすように軌道を生成する。本発明の二足歩行ロボット制御装置の定常歩容では常に片脚支持状態であるため、目標ＺＭＰは支持脚着地位置の中央と考えてよい。ＸCOGは重心のｘ座標であり、変数の上の点は微分を意味し、２つの点は２階微分を意味する。ｇは重力加速度を表す。数１はＺＭＰ方程式と呼ばれ、重心位置、重心加速度、着地位置がこの関係を満たしていないと胴体にモーメントが生じ、転倒する。（１）式を解くと

ここで、Ｃ_1x、Ｃ_2xは積分定数である。同様に横方向について次式が成立する。

ただし、ｙ_ZMPはゼロモーメントポイント(ＺＭＰ)のｙ座標、ｙ_COGは重心のｙ座標である。支持脚が左の時の軌道と右の時の軌道は、符号の違いだけであるため、どちらか一方だけ求めておき、符号を変えて用いればよい。

以上のことを用いて、定常歩行時の歩容生成方法を説明する。第ｎ歩目の着地時刻をｔ＝０、第ｎ＋１歩目の着地時刻をｔ＝Ｔとする。ｔ＝０での重心位置をＸ０とする。ｘ軸方向すなわち前方向について、定常状態では支持脚切り替え時の進行方向速度が等しいという条件を与える。

このとき、

となり，

となっている。ただし、Ｘstrideは歩幅を表し、

である。
歩数と着地点と重心位置の関係を図示すると図３のようになる。
歩行速度指令をＶrefとすると、

となっていなければならない。
（７）式、（８）式より、（５）式は次のように表せる。

速度指令が与えられたとき、（９）式によりＣ_1x、Ｃ_2xを求め、（２）式に代入すれば定常状態でのｎ歩目の進行方向重心軌道を求めることができる。
ｙ軸方向すなわち横方向について、定常状態では切り替え時の重心位置が等しく、速度が逆という条件を満たす。

このとき，

横方向の着地位置ｙ_ZMPを指定しておき、（１１）式によりＣ_1y、Ｃ_2yを求めて、（３）式に代入すれば定常状態でのｎ歩目の横方向重心軌道を求めることができる。ただし、ｎが奇数の時と偶数の時では符号を逆とする。
定常状態での重心軌道と切換時速度は図４のような、重心軌道３０、ｎ−１歩目の着地位置２１、ｎ歩目の着地位置２２、ｎ＋１歩目の着地位置２３になる。Ｘ方向の切替時速度ＶｘおよびＹ方向の切替時速度Ｖｙは、（３）式または（４）式でｔ＝０とすれば次式で与えられる。

次に、歩行開始時の歩容生成方法について説明する。
図１に示すように、停止状態とは、両脚５、６を横に揃えて重心が停止しており、目標ＺＭＰ３が重心の真下にある状態を意味する。停止状態の目標ＺＭＰ３は、例えば両足の中央とすればよい。停止状態の目標ＺＭＰ位置を絶対座標系の原点とする。歩行開始歩容の演算式では歩行開始時刻を０とした時刻ｔ’を用いるものとする。歩行開始歩容は、以下のようなものとする。まず、歩行開始と同時に、停止状態の目標ＺＭＰ３から前後方向にΔＸ，横方向にΔＹだけずらした位置を歩行開始歩容目標ＺＭＰ２とし、図２のような倒立振子モデルにより重心軌道を生成する。時刻Ｔｙで一方の足を持ち上げ片脚支持状態とする。片脚支持状態では，前後方向の目標ＺＭＰはそのまま、横方向の目標ＺＭＰを支持脚の中央とした倒立振子モデルにより重心軌道を生成する。例えば、図６は歩行開始歩容のタイムチャートであり、図示の時刻Ｔｘで遊脚を着地し、同時に支持脚を持ち上げ、定常歩容に入る。ただし、Ｔｘ＞Ｔｙでなければならない。
以上のような歩行開始歩容の演算方法を以下に説明する。まず、Ｘ方向について、時刻０からＴｘまでの間、次式が成り立つ。

ここで、Ｃ’_1x、Ｃ’_2xは歩行開始歩容時の時刻０からＴｘまでの間の積分定数である。Ｘ方向重心速度について、初速度０、与えられた時刻Ｔｘで定常歩容の切替時速度Ｖｘと等しいという条件を与える。

これを解くと、次式が得られる。

ただし、Ｃ_1x、Ｃ_2xはは定常歩容の積分定数である。
これらを（１３）式に代入することにより、Ｘ方向の重心軌道が得られる。一歩目の着地位置は、時刻Ｔｘでの重心位置よりＸstrideの半分だけ前とする。

次に、Ｙ方向について、時刻０からＴｙまでの間、次式が成り立つ。

ここで、Ｃ’_1y、Ｃ’_2yは歩行開始歩容時の時刻０からＴｙまでの間の積分定数である。
Ｙ方向重心速度について、初期位置０、初速度０、時刻Ｔｙで定常歩容の重心位置および速度と同時に一致するという条件を与える。ただし、時刻Ｔｙで乗り移る定常歩容は時刻Ｔｘで定常歩容の切替位置および速度となるようにするため、ｔ’＝Ｔｙのとき、定常歩容のｔ＝Ｔ−Ｔｘ＋Ｔｙとなる。
この関係を図６に示す。

これを解くと、次式が得られる。

ただし、Ｃ_1y、Ｃ_2yは（１１）式で与えられる定常歩容の積分定数である。（１８）式を（１６）式に代入することにより、時刻０からＴｙまでの間のＹ方向の重心軌道が得られる。時刻ＴｙからＴｘまでの間の軌道は次式で与えられる。

以上の演算式を用いて実際に重心軌道を求めた例を図７の軌道図に示す。

次に、本発明の実施例２として、歩行停止時の歩容生成方法について説明する。
図５は本発明の実施例２に係る二足歩行ロボットの制御装置の歩行停止歩容の重心軌道を示す図である。
歩行停止時の歩容は、前述の歩行開始歩容の時間軸およびＸ軸を逆にした歩容とすればよい。歩行停止歩容の開始は、定常歩行の切替の瞬間、すなわち着地の瞬間とする。歩行停止歩容の演算式では、歩行停止開始時刻を０とした時刻ｔ’’を用いるものとする。歩行停止歩容は以下のようなものとする。
図５の定常歩容１２の切替位置で歩行停止歩容３６を開始する。
歩行停止歩容開始時に、最後から２歩目３１の片脚支持状態とし、停止状態での目標ＺＭＰ３３から前後方向にΔＸだけずらした倒立振子モデルにより重心軌道を生成する。ただし、前述のように、停止状態とは，両脚を横に揃えて重心が停止しており、目標ＺＭＰ３３が重心の真下にある状態を意味する。停止状態の目標ＺＭＰ位置を絶対座標系の原点とする。時刻ｔ’’＝Ｔｘ−Ｔｙで最後の1歩３５を着地して両脚支持状態とし、停止状態の目標ＺＭＰ３３から前後方向にΔＸ、横方向にΔＹだけずらした倒立振子モデルにより重心軌道３０を生成する。ｔ’’＝Ｔｘで重心速度は横方向、前後方向ともに０となり、それと同時に目標ＺＭＰを停止状態の目標ＺＭＰにする。
以上のような歩行停止歩容の演算方法を以下に説明する。
まず，Ｘ方向について、時刻０からＴｘまでの間の軌道を次式で与える。

ここで、Ｃ’_1y、Ｃ’_2yは（１８）式で与えられるものを用いればよい。
次に、Ｙ方向について、時刻０からＴｘ−Ｔｙまでの間の軌道を次式で与える。

Ｙ方向は、時刻Ｔｘ−Ｔｙで両脚支持の歩容に切り替わり、時刻Ｔｘで停止状態となる。

次に本発明の実施例３について説明する。
図８は本発明の実施例３に係る二足歩行ロボットの制御装置の歩容生成処理のフローチャートである。
実施例３として、以上のように倒立振子モデルを用いて解析的に得られた数式を用いて、どのように歩容を生成するかを図８のフローを用いて以下に説明する。
図８で表される歩容生成処理は、一歩ごとに行われ、第ｎ歩目の歩容を表す数式の係数を算出する。算出された係数を用いて、制御周期ごとの重心軌道を算出する。
歩容生成処理は、まずｓｔｅｐ１で、歩行速度指令を受け取る。
次に、ｓｔｅｐ２に移行し、その時点でロボットが停止状態であればｓｔｅｐ３へ、停止状態でない場合はｓｔｅｐ４へ移行する。ｓｔｅｐ３では、受け取った歩行速度指令が０であるかどうかを判定し、０であれば停止状態のまま終了する。０でない場合はｓｔｅｐ６へ移行する。ｓｔｅｐ４では、受け取った歩行速度指令が０であるかどうかを判定し、０であればｓｔｅｐ７へ移行する。
０でない場合はｓｔｅｐ５へ移行する。ｓｔｅｐ５では受け取った歩行速度指令が前回と同じであるかどうかを判定し、同じであればｓｔｅｐ８へ、変わっていればｓｔｅｐ９へ移行する。ｓｔｅｐ６では歩行開始歩容を生成する。ｓｔｅｐ７では歩行停止歩容を生成する。ｓｔｅｐ８では定常歩容を生成する。ｓｔｅｐ９では過渡歩容を生成する。
本発明の特徴となるのは、歩行開始歩容および歩行停止歩容の生成方法であるため、過渡歩容の詳細な生成方法については省略する。過渡歩容の生成方法としては、例えば本出願人が先に提出した特許文献に記載されている方法を用いればよい。

図８では歩行速度指令が０の場合は停止状態となるようにしているが、停止状態と歩行状態を切り替えるフラグを指令として与えてもよい。この場合、歩行速度指令が０の場合は停止状態ではなく足踏みを続けるようにすることもできる。その場合、ｓｔｅｐ１で、歩行速度指令とフラグを受け取り、ｓｔｅｐ３およびｓｔｅｐ４での判定はフラグが歩行停止かどうかとすればよい。

本発明の実施例１に係る二足歩行ロボットの制御装置による歩行開始歩容の重心軌道を示す図である。図１に示す二足歩行ロボットの制御装置で用いる二足歩行ロボットの倒立振子モデルを示す図である。図２に示す倒立振り子モデルによる定常歩容の説明図である。図１に示す制御装置により生成される定常歩容の重心軌道を示す図である。本発明の実施例２に係る二足歩行ロボットの制御装置による歩行停止歩容の重心軌道を示す図である。図１に示す二足歩行ロボットの制御装置の歩行開始歩容生成処理のタイムチャートである。図６に示す歩行開始歩容生成時のX・Y方向の重心軌道を示す図である。本発明の実施例３に係る二足歩行ロボットの制御装置の歩容生成処理のフローチャートである。従来の二足歩行ロボット制御装置の全体構成を表すブロック図である。従来の二足歩行ロボット歩容生成装置を表すブロック図である。

符号の説明

１、１０、２０重心軌道
２歩行開始歩容目標ＺＭＰ
３、３３停止状態の目標ＺＭＰ
４、３２左脚支持状態の目標ＺＭＰ
５左脚
６右脚
７一歩目の着地位置
８２歩目の着地位置
１１歩行開始歩容
１２定常歩容
２１ｎ−１歩目の着地位置
２２ｎ歩目の着地位置
２３ｎ＋１歩目の着地位置
２４Ｘstride
３１最後から２歩目の着地位置
３４両脚支持状態の目標ＺＭＰ
３５最後の一歩の着地位置
３６歩行停止歩容

Claims

二足の脚構造と、上位コンピュータまたは人間とのインターフェース装置が生成した歩行指令どおりの歩行を実現する歩容を生成する歩容生成装置と、前記脚構造を動作させるための複数のアクチュエータと、姿勢または外力または環境情報のうちのいずれかまたはすべてを含む各種状態量を検出して各種センサ情報を生成する各種センサと、前記各種センサ情報を基に前記歩容を修正する安定化制御器と、前記修正歩容を基に前記複数のアクチュエータそれぞれに対する指令を生成するアクチュエータ指令生成装置と、アクチュエータの位置または速度または力または電流のうちのいずれかまたはすべてを含むアクチュエータ状態量を検出してアクチュエータセンサ情報を生成するためのアクチュエータセンサと、前記アクチュエータ指令どおりにアクチュエータを動作させるためのアクチュエータ制御器と、を備えた二足歩行ロボットの制御装置において、
前記歩容生成装置は、両脚を左右に揃えて停止している状態を停止状態とし、停止状態の目標ＺＭＰを重心の真下とし、前記停止状態の目標ＺＭＰより後方にずれた位置を歩行開始歩容前後方向目標ＺＭＰとし、歩行開始歩容の始めから１歩目の着地までの間、前後方向の目標ＺＭＰを前記歩行開始歩容前後方向目標ＺＭＰに固定した歩行開始歩容を生成することを特徴とする二足歩行ロボットの制御装置。
前記歩容生成装置は、１歩目の着地時の前後方向重心速度が定常歩容の切替時の前後方向重心速度と等しくなるように前記歩行開始歩容前後方向目標ＺＭＰの前後方向位置を決定することを特徴とする請求項１記載の二足歩行ロボットの制御装置。
二足の脚構造と、上位コンピュータまたは人間とのインターフェース装置が生成した歩行指令どおりの歩行を実現する歩容を生成する歩容生成装置と、前記脚構造を動作させるための複数のアクチュエータと、姿勢または外力または環境情報のうちのいずれかまたはすべてを含む各種状態量検出して各種センサ情報を生成する各種センサと、前記各種センサ情報を基に前記歩容を修正する安定化制御器と、前記修正歩容を基に前記複数のアクチュエータそれぞれに対する指令を生成するアクチュエータ指令生成装置と、アクチュエータの位置または速度または力または電流のうちのいずれかまたはすべてを含むアクチュエータ状態量を検出してアクチュエータセンサ情報を生成するためのアクチュエータセンサと、前記アクチュエータ指令どおりにアクチュエータを動作させるためのアクチュエータ制御器と、を備えた二足歩行ロボットの制御装置において、
前記歩容生成装置は、両脚を左右に揃えて停止している状態を停止状態とし、停止状態の目標ＺＭＰを重心の真下とし、前記停止状態の目標ＺＭＰより1歩目に踏み出す足の方にずれた位置を歩行開始歩容横方向目標ＺＭＰとし、歩行開始歩容の始めから１歩目の離床までの間、横方向の目標ＺＭＰを前記歩行開始歩容横方向目標ＺＭＰに固定した歩行開始歩容を生成することを特徴とする二足歩行ロボットの制御装置。
前記歩容生成装置は、１歩目の着地時の横方向重心速度が定常歩容の切替時の横方向重心速度と一致するような歩行開始時片脚支持歩容を求め，１歩目の離床の瞬間に横方向重心位置および速度が前記歩行開始時片脚支持歩容の横方向重心位置および速度と同時に一致するように前記歩行開始歩容横方向目標ＺＭＰおよび１歩目の離床タイミングを決定することを特徴とする請求項３記載の二足歩行ロボットの制御装置。
二足の脚構造と、上位コンピュータまたは人間とのインターフェース装置が生成した歩行指令どおりの歩行を実現する歩容を生成する歩容生成装置と、前記脚構造を動作させるための複数のアクチュエータと、姿勢または外力または環境情報のうちのいずれかまたはすべてを含む各種状態量検出して各種センサ情報を生成する各種センサと、前記各種センサ情報を基に前記歩容を修正する安定化制御器と、前記修正歩容を基に前記複数のアクチュエータそれぞれに対する指令を生成するアクチュエータ指令生成装置と、アクチュエータの位置または速度または力または電流のうちのいずれかまたはすべてを含むアクチュエータ状態量を検出してアクチュエータセンサ情報を生成するためのアクチュエータセンサと、前記アクチュエータ指令どおりにアクチュエータを動作させるためのアクチュエータ制御器と、を備えた二足歩行ロボットの制御装置において、
前記歩容生成装置は、両脚を左右に揃えて停止している状態を停止状態とし、停止状態の目標ＺＭＰを重心の真下とし、前記停止状態の目標ＺＭＰより前方にずれた位置を歩行停止歩容前後方向目標ＺＭＰとし、最後から２歩目の着地の瞬間から停止までの間、前後方向の目標ＺＭＰを前記歩行停止歩容前後方向目標ＺＭＰの位置に固定した歩行停止歩容を生成し、前後方向重心速度が０となった時点で前後方向の目標ＺＭＰを前記停止状態の目標ＺＭＰとすることを特徴とする二足歩行ロボットの制御装置。
前記歩容生成装置は、最後から２歩目の着地時の前後方向重心速度が定常歩容の切替時の前後方向重心速度と等しく、与えられた時間で前後方向重心速度を０にするように前記停止時前後方向目標ＺＭＰを決定することを特徴とする請求項５記載の二足歩行ロボットの制御装置。
二足の脚構造と、上位コンピュータまたは人間とのインターフェース装置が生成した歩行指令どおりの歩行を実現する歩容を生成する歩容生成装置と、前記脚構造を動作させるための複数のアクチュエータと、姿勢または外力または環境情報のうちのいずれかまたはすべてを含む各種状態量検出して各種センサ情報を生成する各種センサと、前記各種センサ情報を基に前記歩容を修正する安定化制御器と、前記修正歩容を基に前記複数のアクチュエータそれぞれに対する指令を生成するアクチュエータ指令生成装置と、アクチュエータの位置または速度または力または電流のうちのいずれかまたはすべてを含むアクチュエータ状態量を検出してアクチュエータセンサ情報を生成するためのアクチュエータセンサと、前記アクチュエータ指令どおりにアクチュエータを動作させるためのアクチュエータ制御器と、を備えた二足歩行ロボットの制御装置において、
前記歩容生成装置は、両脚を左右に揃えて停止している状態を停止状態とし、停止状態の目標ＺＭＰを重心の真下とし、前記停止状態の目標ＺＭＰより最後の１歩の足の方にずれた位置を歩行停止歩容横方向目標ＺＭＰとし、最後の１歩の着地時から停止までの間，横方向目標ＺＭＰを前記歩行停止歩容横方向目標ＺＭＰに固定した歩行停止歩容を生成し、横方向重心速度が０となった時点で目標ＺＭＰを重心の真下とすることを特徴とする二足歩行ロボットの制御装置。
前記歩容生成装置は、最後から２歩目の着地時に横方向重心速度が定常歩容の切替速度と一致するような歩行停止時片脚支持歩容を求め、最後の１歩の着地の瞬間に横方向重心位置および速度が前記片脚支持歩容の横方向重心位置および速度と同時に一致するように前記歩行停止歩容横方向目標ＺＭＰおよび最後の１歩の着地タイミングを決定することを特徴とする請求項７記載の二足歩行ロボットの制御装置。
前記歩容生成装置は、倒立振子モデルから解析的に与えられる数式を用いて歩容を生成することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載の二足歩行ロボットの制御装置。
前記歩容は、重心加速度が、重力加速度を一定値である重心高さで除して、重心のＸ座標値と目標ゼロモーメントポイントＺＭＰのＸ座標値との差分を乗じて表され、重心位置、重心加速度および着地位置が当該関係を満たしていないと転倒するＺＭＰ方程式を用いて演算されることを特徴とする請求項９記載の二足歩行ロボットの制御装置。
二足の脚構造と、上位コンピュータまたは人間とのインターフェース装置が生成した歩行指令どおりの歩行を実現する歩容を生成する歩容生成装置と、前記脚構造を動作させるための複数のアクチュエータと、姿勢または外力または環境情報のうちのいずれかまたはすべてを含む各種状態量を検出して各種センサ情報を生成する各種センサと、前記各種センサ情報を基に前記歩容を修正する安定化制御器と、前記修正歩容を基に前記複数のアクチュエータそれぞれに対する指令を生成するアクチュエータ指令生成装置と、アクチュエータの位置または速度または力または電流のうちのいずれかまたはすべてを含むアクチュエータ状態量を検出してアクチュエータセンサ情報を生成するためのアクチュエータセンサと、前記アクチュエータ指令どおりにアクチュエータを動作させるためのアクチュエータ制御器と、を備えた二足歩行ロボットの制御装置の歩容制御方法において、
上位装置より歩行速度指令を受け取り、ロボットが停止状態かを判断して、前記ロボッとが停止状態の場合は、前記歩行速度指令がゼロかを判断し、ゼロの場合はそのまま終了しゼロで無い場合は歩行開始歩容生成処理を行い。前記ロボットが停止状態かの判断で停止状態では無い場合も、前記歩行速度指令の確認を行い、前記歩行速度指令がゼロの場合は歩行停止歩容生成処理を行い、前記歩行速度指令の確認で歩行速度指令がゼロでは無い場合は、該歩行速度指令が前回と同じかを判断し、同じ場合は定常歩容生成処理を行って歩行を続行し、前記歩行速度指令が同じでは無い場合は過渡歩容処理に移行する、上記１連の歩容生成処理を、１歩毎に行い、前記ＺＭＰ方程式を解いて第n歩目の歩容の重心位置と速度を求めるための積分定数を算出し、算出された前記積分定数を用いて制御周期毎に歩容を表す重心軌道を算出して歩容制御を実行することを特徴とする二足歩行ロボットの制御装置の歩容制御方法。
前記歩行開始歩容生成は、両脚を左右に揃えて停止している状態を停止状態とし、停止状態の目標ＺＭＰを重心の真下とし、前記停止状態の目標ＺＭＰより後方にずれた位置を歩行開始歩容前後方向目標ＺＭＰとし、歩行開始歩容の始めから１歩目の着地までの間、前後方向の目標ＺＭＰを前記歩行開始歩容前後方向目標ＺＭＰに固定すると共に、前記停止状態の目標ＺＭＰより1歩目に踏み出す足の方にずれた位置を歩行開始歩容横方向目標ＺＭＰとし、歩行開始歩容の始めから１歩目の離床までの間、横方向の目標ＺＭＰを前記歩行開始歩容横方向目標ＺＭＰに固定して、前記積分定数を算出し重心軌道を算出して歩行開始歩容を生成することを特徴とする請求項１１記載の二足歩行ロボットの制御装置の歩容制御方法。
前記歩行停止歩容生成は、両脚を左右に揃えて停止している状態を停止状態とし、停止状態の目標ＺＭＰを重心の真下とし、前記停止状態の目標ＺＭＰより前方にずれた位置を歩行停止歩容前後方向目標ＺＭＰとし、最後から２歩目の着地の瞬間から停止までの間、前後方向の目標ＺＭＰを前記歩行停止歩容前後方向目標ＺＭＰの位置に固定した歩行停止歩容を生成し、前後方向重心速度が０となった時点で前後方向の目標ＺＭＰを前記停止状態の目標ＺＭＰとすると共に、前記停止状態の目標ＺＭＰより最後の１歩の足の方にずれた位置を歩行停止歩容横方向目標ＺＭＰとし、最後の１歩の着地時から停止までの間，横方向目標ＺＭＰを前記歩行停止歩容横方向目標ＺＭＰに固定した歩行停止歩容を生成し、横方向重心速度が０となった時点で目標ＺＭＰを重心の真下とするようにして、前記積分定数を算出し重心軌道を算出し歩行停止歩容を生成することを特徴とする請求項１１記載の二足歩行ロボットの制御装置の歩容制御方法。