JP2009125838A - 二足歩行ロボットおよびその歩行制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】姿勢制御が容易な二足歩行ロボットを提供する。
【解決手段】二足歩行ロボットは、角度の制御が可能な複数の関節部を備える第１及び第２の脚部と、これら脚部の足裏の形状および大きさの情報が格納される記憶部２と、上記複数の関節部の角度をそれぞれ制御して上記第１及び第２の脚部による歩行動作を行わせる制御部１と、を有する。上記第１及び第２の脚部の足裏は、長手方向における一方の端部が先端部とされ、他方の端部が後端部とされ、歩行面において、一方の足裏の長手方向と他方の足裏の長手方向が上記後端部側で予め定められた角度で交差する状態で配置される。制御部１は、記憶部２に格納された足裏の形状および大きさの情報に基づいて、上記歩行動作における上記第１及び第２の脚部の足裏の着地位置が重ならないように、上記複数の関節部の角度制御量を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二足歩行を行うロボットに関する。

二足歩行を行うロボットの一例が特許文献１に開示されている。この二足歩行ロボットは、下肢と体幹部を有し、下肢による脚式移動を行うロボットである。下肢は２本の脚部を有し、各脚部は、複数の節部とこれを連結する関節部とから構成される。関節部は、１つまたは複数のモータよりなる回転機構を備える。各脚部の足裏に対応する部分の形状は長方形である。

下肢と体幹部を連結する股関節は、ロール軸（進行方向）、ピッチ軸（左右方向）およびヨー軸（鉛直方向）の３軸における回転制御が可能である。また、股関節のヨー軸の軸中心は、所定量だけ後方へオフセットされている。

上記の二足歩行ロボットは、各脚部の足裏が平行な状態で歩行動作を行う。方向転換を行う場合は、一方の脚部の足の先が転換すべき方向へ向くようにヨー軸における回転制御を行う。このとき、足裏における回転中心が足裏の中心位置と一致する場合は、回転させた足の一部（踵部分）が他方の足と干渉する。上記の二足歩行ロボットでは、股関節のヨー軸の軸中心を所定量だけ後方へオフセットしたことで、回転中心が足裏の中心位置よりも後方（踵側）に位置することとなり、その結果、回転させた足の一部（踵部分）と他方の足との干渉を抑制することが可能となる。
特開２００１−１５０３７１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の二足歩行ロボットにおいては、両脚部の足裏は、その長手方向が進行方向（前方方向）に向かって互いに平行になるように配置されるため、体重を受け止めるための実効的な両足裏の横幅が小さくなり、その結果、体幹部が左右方向に傾き易い、という問題が生じる。なお、両脚部の足裏の間隔を大きくすることで、姿勢の安定化を図ることができる。しかし、この場合は、歩行時におけるロボットの重心の移動量が大きくなるため、姿勢制御が困難になる。

本発明の目的は、上記課題を解決することができる、姿勢制御が容易な二足歩行ロボットおよびその歩行制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の二足歩行ロボットは、
角度の制御が可能な複数の関節部を備える第１及び第２の脚部と、
前記第１及び第２の脚部の足裏の形状および大きさの情報が格納される記憶部と、
前記複数の関節部の角度をそれぞれ制御して前記第１及び第２の脚部による歩行動作を行わせる制御部と、を有し、
前記第１及び第２の脚部の足裏は、長手方向における一方の端部が先端部とされ、他方の端部が後端部とされ、歩行面において、一方の足裏の長手方向と他方の足裏の長手方向が前記後端部側で予め定められた角度で交差する状態で配置され、
前記制御部は、前記記憶部に格納された足裏の形状および大きさの情報に基づいて、前記歩行動作における前記第１及び第２の脚部の足裏の着地位置が重ならないように、前記複数の関節部の角度制御量を調整する、ことを特徴とする。

本発明の二足歩行ロボットの制御方法は、
角度の制御が可能な複数の関節部を備える第１及び第２の脚部を有する二足歩行ロボットの歩行制御方法であって、
前記複数の関節部の角度をそれぞれ制御して前記第１及び第２の脚部による歩行動作を行わせるステップと、
前記第１及び第２の脚部の足裏の、長手方向における一方の端部を先端部とし、他方の端部を後端部として、該両足裏の配置を、歩行面において、一方の足裏の長手方向と他方の足裏の長手方向が前記後端部側で予め定められた角度で交差する状態で維持するステップと、
記憶部に格納された、前記第１及び第２の脚部の足裏の形状および大きさの情報に基づいて、前記歩行動作における前記第１及び第２の脚部の足裏の着地位置が重ならないように、前記複数の関節部の角度制御量を調整するステップと、を含む、ことを特徴とする。

本発明によれば、両足裏の配置は、一方の足裏の長手方向と他方の足裏の長手方向が後端部側で予め定められた角度で交差する状態（オープンスタンス状態）で維持される。両足裏の配置をオープンスタンス状態とすることで、体重を受け止めるための実効的な両足裏の横幅が増大し、その結果、ロボットの左右方向の揺れを抑制することができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態である二足歩行ロボットの歩行制御システムを示すブロック図である。図２は、その二足歩行ロボットの関節を含む制御モデルを示す模式図である。

図２を参照すると、制御モデルは、主に下肢１０、胴体部２０および上肢３０からなる。下肢１０は、第１及び第２の脚部からなる。第１の脚部は、足裏を含む部分である第１節１１ａ、脛に相当する部分である第２節１２ａ、大腿に相当する部分である第３節１３ａ、足首に相当する部分である第１関節１４ａ、膝に相当する部分である第２関節１５ａ、および股関節に相当する部分である第３関節１６ａからなる。これと同様に、第２の脚部も、足裏を含む部分である第１節１１ｂ、脛に相当する部分である第２節１２ｂ、大腿に相当する部分である第３節１３ｂ、足首に相当する部分である第１関節１４ｂ、膝に相当する部分である第２関節１５ｂ、および股関節に相当する部分である第３関節１６ｂからなる。

第１関節１４ａ、１４ｂは、３軸の回転機構を備える。第２関節１５ａ、１５ｂおよび第３関節１６ａ、１６ｂは、１軸または２軸の回転機構を備える。各関節の回転機構は、例えばアクチュエータより構成される。アクチュエータには、例えばサーボモータが用いられる。ここで、３軸とは、互いに交差する３つの軸（ｘｙｚ）を意味し、それぞれの軸を回転軸とする３つのモータにより回転機構が構成される。この３軸の回転機構により、３次元的な動きをする関節を実現する。

上肢３０は、第１及び第２の腕部からなる。第１の腕部は、２つの節と、これら節を連結する関節と、当該第１の腕部を胴体部２０に連結するための関節とを有する。第２の腕部も、第１の腕部と同じ構成である。これら第１及び第２の腕部の各関節も、上記の１軸または２軸もしくは３軸の回転機構により構成される。

次に、図１を参照して、本実施形態の二足歩行ロボットの歩行制御システムについて説明する。

歩行制御システムは、図２に示したような制御モデルより実現される二足歩行ロボットの歩行動作を制御するためのシステムである。この歩行制御システムの主要部は、制御部１、記憶部２、センサ部３、モータ制御部４₁〜４_n、およびモータ部５₁〜５_nからなる。

モータ制御部４₁〜４_nはそれぞれ、制御部１からの制御信号に従って、モータ部５₁〜５_nのモータ５ａの駆動を制御する。

モータ部５₁〜５_nはそれぞれ、図２に示した制御モデルにおける下肢１０を構成する第１及び第２の脚部や上肢３０を構成する第１及び第２の腕部などにおける駆動部に対応する。例えば、モータ部５₁の複数のモータ５ａが、第１の脚部の第１関節１４ａ、第２関節１５ａおよび第３関節１６ａの各回転機構を構成する複数のモータに対応する。モータ部５₂の複数のモータ５ａが、第２の脚部の第１関節１４ｂ、第２関節１５ｂおよび第３関節１６ｂの各回転機構を構成する複数のモータに対応する。モータ部５₃の複数のモータ５ａが、第１の腕部の関節に用いられる各回転機構のモータに対応し、モータ部５₄の複数のモータ５ａが、第２の腕部の関節に用いられる各回転機構のモータに対応する。残りのモータ部５₅〜５_nは、その他の回転機構に対応する。

記憶部２には、二足歩行ロボットを動作させるためのプログラムやデータが予め格納されている。データは、例えば、足裏の形状や大きさの情報、静止時および歩行時におけるつま先の開き角度の情報、姿勢制御に必要な情報（ロボットを構成する部品の質量や配置に関する情報）などである。

センサ部３は、ロボットの傾きや重心位置の変化を検出するための複数のセンサからなる。具体的には、センサ部３は、足裏に設けられた複数の圧力センサ、胴体部２０に設けられた複数の加速度センサや傾きセンサなどからなる。これらセンサの出力は、制御部１に供給される。

制御部１は、記憶部２に格納されたプログラムに従って、ロボットの静止時および歩行時における姿勢制御を行う。歩行時の姿勢制御において、制御部１は、記憶部２に格納されているデータを参照して、各回転機構における関節角の制御量を運動方程式により求め、その制御量に応じた角度制御を行うための制御信号をモータ制御部４₁〜４_nに供給する。ここで、運動方程式は、関節に加えられる力と、ロボットの姿勢変化や、重心位置およびモーメント力の変化との関係を表す式であって、例えば、ＺＭＰ（Zero Moment Point）を利用した運動方程式が知られている。ＺＭＰは、ロボットの足裏内における床反力の中心点を意味する。ロボットの重心位置が足裏内にくるように関係式を立てて運動方程式を解くことで、所望のＺＭＰの位置に対する各関節の角度を算出することができる。

また、制御部１は、センサ部３の各種センサの出力信号に基づいて、姿勢制御に必要な情報を取得することもできる。例えば、制御部１は、複数の圧力センサの出力から足裏における重心位置を求め、この重心位置と所望のＺＭＰの位置との関係から、運動方程式から得られる各関節の角度を補正してもよい。また、制御部１は、複数の加速度センサや傾きセンサの各出力からロボットの重心位置の変化を予測し、この予測結果に基づいて、運動方程式から得られる各関節の角度を補正してもよい。

次に、本実施形態の二足歩行ロボットの具体的な動作について説明する。

本実施形態の二足歩行ロボットでは、第１節１１ａ、１１ｂの両足裏は、長手方向における一方の端部が先端部とされ、他方の端部が後端部とされ、歩行面において、一方の足裏の長手方向と他方の足裏の長手方向が後端部側で予め定められた角度で交差する状態（オープンスタンス状態）で配置される。制御部１は、運動方程式を用いて算出した角度制御量に基づいて角関節部の角度を制御し、各脚部による歩行動作を行わせる。そして、制御部１は、記憶部２に格納された足裏の形状および大きさの情報に基づいて、その歩行動作における両足裏の着地位置が重ならないように、各関節部の角度制御量を調整する。

図３は、本実施形態の二足歩行ロボットの、静止時における足裏の配置を示す模式図である。

図３に示すように、第１節１１ａ、１１ｂの足裏は、つま先側が開いた状態（オープンスタンス）で配置される。このオープンスタンスは、例えば、脚部を構成する各関節の少なくとも一つ、例えば股関節に相当する部分である第３関節１６ａ、１６ｂにおいて、回転軸の１つを水平面方向の回転軸とし、足裏を水平面内で回転させるように制御することで実現される。この制御により、オープンスタンスにおけるつま先の開き角度θを自由に設定することができる。

第１節１１ａ、１１ｂの足裏は、いずれも楕円形状であるが、この形状に限定されるものではない。足裏は、先端部（つま先に相当する部分）および後端部（踵に相当する部分）の幅が、先端部と後端部の間の中央部における幅より狭いことが望ましい。具体的には、足裏は、先端部と後端部とを結ぶ第１の方向における長さＤ１が、その第１の方向と足裏の中心部で交差（または直交）する第２方向（幅方向）における長さＤ２より長く、かつ、幅方向の長さが、中央部から先端部および後端部のそれぞれの方向に向かって段階的または連続的に短くなるような形状であればよい。また、足裏の形状が、第１の方向に沿った線を基準に線対称である場合は、第１節１１ａ、１１ｂの足裏を同じ形状とすることができる。なお、第１節１１ａの足裏の形状が第１の方向に沿った線を基準に左右非対称である場合は、第１節１１ｂの足裏の形状は、その第１節１１ａの足裏の形状の左右を反転した形状となる。

つま先の開き角度（長手方向交差角度）θは、水平面（または歩行面）内における、第１節１１ａの足裏における第１の方向に沿った線４０ａと第１節１１ｂの足裏における第１の方向に沿った線４０ｂとのなす角度である。記憶部２には、つま先の開き角度θの情報として、静止時のつま先の開き角度θ１および歩行時のつま先の開き角度θ２の情報が予め格納されている。これら角度θ１、θ２は、下肢１０、胴体部２０および上肢３０の位置関係（バランス）や足裏の形状などに応じて適宜に設定することが望ましい。角度θ１と角度θ２は同じ値であってもよい。

また、つま先の開き角度θを大きくすると、体重を受け止めるための実効的な両足裏の横幅が増大するが、反対に、実効的な両足裏の縦幅（前後方向の幅）さが減少することになるため、前後方向における体の揺れに対する抑制力が小さくなる。このため、例えば、加減速する場合のように、前後方向に加わる慣性モーメントの力が増大する場合は、前後方向における体の揺れを抑制するための姿勢制御が困難となる。このようなことから、歩行時のつま先の開き角度θ２に関しては、一定の速度で歩行する場合の角度（例えば角度θ１に等しい角度）に比べて、加減速する場合の角度を小さくすることが望ましい。この場合、記憶部２には、歩行時のつま先の開き角度θ２の情報として、一定速度で歩行する場合の角度θ３と、加減速する場合の角度θ４（＜θ３）が格納される。

静止時において、制御部１は、記憶部２に格納されているデータを参照して、つま先の開き角度が角度θ１となるように、第３関節１６ａ、１６ｂにおける角度制御量を調整する。そして、制御部１は、その角度制御量に応じた角度制御を行うための制御信号をモータ制御部４₁、４₂に供給する。モータ制御部４₁は、制御部１からの制御信号に従って、モータ部５₁の第３関節１６ａに対応するモータの駆動を制御する。モータ制御部４₂は、制御部１からの制御信号に従って、モータ部５₂の第３関節１６ｂに対応するモータの駆動を制御する。この制御により、第１節１１ａ、１１ｂの両足裏は、図３に示したオープンスタンスの状態で配置され、そのつま先の開き角度は角度θ１とされる。

一方、歩行時は、制御部１は、記憶部２に格納されているデータを参照して、各回転機構における関節角の制御量を運動方程式により求め、その制御量に応じた角度制御を行うための制御信号をモータ制御部４₁〜４_nに供給する。そして、モータ制御部４₁〜４_nが、制御部１からの制御信号に従って、モータ部５₁〜５_nの各関節に対応するモータの駆動を制御する。これにより、歩行時の姿勢制御が行われる。

歩行時の姿勢制御の際に、制御部１は、各足裏に設けられた複数の圧力センサおよび傾きセンサの各出力信号に基づいて、ロボットの倒れる方向を検知し、ロボットが倒れないように、足裏の任意の箇所における歩行面からの反力の増減を制御する。例えば、ロボットが右方向へ傾いた場合は、右側の足裏のつま先部分における反力が増大するように関節の角度調整を行う。また、ロボットが後方向へ傾いた場合は、両足裏のつま先部分における反力が減少するように関節の角度調整を行う。このような動作により、ロボットが傾いた際の踏ん張る力を得られる。踏ん張る力を得る際の角度調整において、制御部１は、足裏面の歩行面に対する角度（接地角度）を変えるとともに、接地角度を変える速度を加速度的に変化させる制御を行う。なお、足裏の任意の箇所における歩行面からの反力の増減を効率よく制御するために、第１節に指に相当する節部を設け、この節部の連結部に回転機構を設けてもよい。これにより、足裏における歩行面からの反力の増減の制御をより細かく行うことが可能となる。

上記の歩行時の姿勢制御とともに、制御部１は、第１節１１ａ、１１ｂの足裏のつま先の開き角度の制御を行う。具体的には、加減速時において、制御部１は、記憶部２に格納されているデータを参照して、つま先の開き角度が角度θ４となるように、第３関節１６ａ、１６ｂにおける角度制御量を調整する。そして、制御部１は、その角度制御量に応じた角度制御を行うための制御信号をモータ制御部４₁、４₂に供給する。モータ制御部４₁は、制御部１からの制御信号に従って、モータ部５₁の第３関節１６ａに対応するモータの駆動を制御する。モータ制御部４₂は、制御部１からの制御信号に従って、モータ部５₂の第３関節１６ｂに対応するモータの駆動を制御する。この制御により、第１節１１ａ、１１ｂの両足裏は、図３に示したオープンスタンスの状態で配置され、そのつま先の開き角度はθ４とされる。この角度θ４を維持したまま、上記の歩行時の姿勢制御が行われる。

また、一定速度での歩行時は、制御部１は、記憶部２に格納されているデータを参照して、つま先の開き角度が角度θ３となるように、第３関節１６ａ、１６ｂにおける角度制御量を調整する。そして、制御部１は、その角度制御量に応じた角度制御を行うための制御信号をモータ制御部４₁、４₂に供給する。モータ制御部４₁は、制御部１からの制御信号に従って、モータ部５₁の第３関節１６ａに対応するモータの駆動を制御する。モータ制御部４₂は、制御部１からの制御信号に従って、モータ部５₂の第３関節１６ｂに対応するモータの駆動を制御する。この制御により、第１節１１ａ、１１ｂの両足裏は、図３に示したオープンスタンスの状態で配置され、そのつま先の開き角度は角度θ３とされる。この角度θ３を維持したまま、上記の歩行時の姿勢制御が行われる。

また、歩行時における姿勢制御において、制御部１は、両足裏が干渉しないように歩行制御を行う。具体的には、制御部１は、運動方程式より求めた両脚部の各関節の角度制御量に基づいて、軸足となった脚部の足裏の地面（床面）における位置と、遊脚となった脚部の足裏が地面（床面）に着地する位置とを算出し、それら位置と記憶部２に格納されている足裏の形状および大きさの情報とを参照して、両足裏が干渉するか否かを判定する。両足裏が干渉すると判定した場合は、制御部１は、両足裏が干渉しないように、遊脚側の脚部の足裏の着地位置を進行方向に沿ってシフトし、そのシフトした着地位置に、遊脚側の脚部の足裏が着地するように、両脚部の各関節の角度制御量を調整する。

本実施形態の二足歩行ロボットの歩行動作によれば、両足裏の配置は、一方の足裏の長手方向と他方の足裏の長手方向が後端部側で予め定められた角度で交差する状態（オープンスタンス状態）で維持される。両足裏の配置をオープンスタンス状態とすることで、体重を受け止めるための実効的な両足裏の横幅が増大し、その分、ロボットの左右方向の揺れを抑制することができる。この左右方向の揺れの抑制により、姿勢変化が容易になる。

また、加減速時は、つま先の開き角度が小さくなるように制御することで、体重を受け止めるための実効的な両足裏の縦幅（前後方向の幅）が増大し、その分、ロボットの前後方向の揺れを抑制することができる。これにより、加減速時における姿勢変化を効率よく抑制することができる。

また、本実施形態の二足歩行ロボットにおいて、制御部１は、歩行時の両足裏の幅方向における間隔が、静止時の両足裏の幅方向における間隔に比べて狭くなるように両脚部の各関節の角度制御量を調整してもよい。

図４に、静止時および歩行時の両足裏の配置を模式的に示す。図４に示すように、歩行時の両足裏の間隔Ｗ２を、静止時の両足裏の間隔Ｗ１よりも狭くする。足裏の間隔Ｗ１、Ｗ２は、足裏の中心位置の間隔（一方の足裏の中心位置から他方の足裏の中心位置までの距離）である。足裏の中心は、つま先に対応する先端部と踵に対応する後端部との間の中間に位置し、かつ、幅方向における中間に位置する点を意味する。間隔Ｗ１での歩行におけるロボットの重心の移動量は、間隔Ｗ２での歩行におけるロボットの重心の移動量より小さい。このように、ロボットの重心の移動量を小さくすることで、姿勢制御が容易になる。

加えて、足裏の幅方向の長さは、中央部から先端部および後端部のそれぞれの方向に向かって段階的または連続的に短くなっているので、歩行時の両足裏の幅方向における間隔を狭くした場合において、両足裏の干渉を抑制することができる。なお、図４中の、破線で示した長方形の足裏（特許文献１に記載のロボットの足裏に相当する）では、歩行時の両足裏の幅方向における間隔を狭くした場合に、一方の脚部の足裏のつま先部分と他方の脚部の足裏の踵部分が干渉する場合がある。

なお、静止時のつま先の開き角度と歩行時のつま先の開き角度が同じである場合は、股関節の回転機構によるつま先の開き角度の制御は不要となる。よって、歩行時におけるつま先の開き角度の制御を行う必要がなくなる分、姿勢制御が容易になる。この場合、第１節１１ａの第１関節１４ａに対する取り付け角度および第１節１１ｂの第１関節１４ｂに対する取り付け角度を、それぞれ固定の角度とすることもできる。

また、歩行速度に応じて、つま先の開き角度を制御してもよい。歩行速度が速くなればなるほど、姿勢は安定し、左右方向（足裏の幅方向）への姿勢変化は少なくなる。したがって、歩行速度が速い場合は、つま先の開き角度を狭くすることが望ましい。歩行速度に応じたつま先の開き角度の制御を実現するために、以下のような歩行動作を行う。

歩行速度とつま先の開き角度の関係を示すテーブル情報を予め記憶部２に格納しておく。制御部１が、プログラムに従って、指定された歩行速度での歩行制御を開始すると、各関節の回転機構における関節角の制御量を運動方程式により求め、その制御量に応じた角度制御を行うための制御信号をモータ制御部４₁〜４_nに供給する。モータ制御部４₁〜４_nが、制御部１からの制御信号に従って、モータ部５₁〜５_nの各関節に対応するモータの駆動を制御する。これにより、歩行時の姿勢制御が行われる。

上記の姿勢制御と同時に、制御部１が、記憶部２に格納したテーブル情報を参照して、その指定された歩行速度に応じたつま先の開き角度を決定する。そして、歩行時のつま先の開き角度がその決定した角度となるように、両脚部の各関節の角度制御量を調整する。例えば、歩行速度が５ｋｍ／ｈの場合のつま先の開き角度をθ１とし、歩行速度が１０ｋｍ／ｈの場合のつま先の開き角度をθ２（＜θ１）とするテーブル情報が記憶部２に格納される。指定された歩行速度が５ｋｍ／ｈである場合は、制御部１は、つま先の開き角度がθ１となるように角度制御量を調整する。指定された歩行速度が１０ｋｍ／ｈである場合は、制御部１は、つま先の開き角度がθ２となるように角度制御量を調整する。

上記の歩行速度に応じたつま先の開き角度の制御によれば、歩行動作時の姿勢がより安定したものとなり、姿勢制御をより簡単に行うことが可能となる。

また、制御部１は、歩行時の足裏の着地位置を予め決められた歩行ライン上に位置するように歩行制御を行ってもよい。以下、この歩行制御について具体的に説明する。

図５に、歩行ラインに対する足裏の着地位置を模式的に示す。歩行基準ライン６は、歩行面（地面や床面）上に予め設定される、歩行の基準となるラインである。制御部１は、記憶部２に格納されている姿勢制御に必要な情報（ロボットを構成する部品の質量や配置に関する情報）などからロボット全体における重心を取得する。さらに、制御部１は、その重心点を鉛直方向に地面（床面）上に投影した点を基準とし、その基準点から所定の方向（歩行すべき方向）に対して引いたラインを歩行基準ライン６として設定する。そして、制御部１は、その設定した歩行基準ライン６上に沿って歩行を行うために、各関節の回転機構における関節角の制御量を運動方程式により求め、その制御量に応じた角度制御を行うための制御信号をモータ制御部４₁〜４_nに供給する。モータ制御部４₁〜４_nが、制御部１からの制御信号に従って、モータ部５₁〜５_nの各関節に対応するモータの駆動を制御する。これにより、歩行基準ライン６に沿った歩行動作における姿勢制御が行われる。

上記の歩行時の姿勢制御とともに、制御部１は、第１節１１ａ、１１ｂの足裏のつま先の開き角度の制御を行う。この足裏のつま先の開き角度の制御では、前述の実施形態で説明した、加減速時の制御および歩行速度に応じた制御の一方または両方を行う。

さらに、制御部１は、記憶部２に格納されている、足裏の形状や大きさの情報および歩行時におけるつま先の開き角度の情報を参照し、足裏の一部が歩行基準ライン６上に位置し、かつ、両足裏が干渉しないように歩行制御を行う。具体的には、制御部１は、運動方程式より求めた両脚部の各関節の角度制御量に基づいて、軸足となった脚部の足裏の地面（床面）における位置と、遊脚となった脚部の足裏が地面（床面）に着地する位置とを算出する。そして、制御部１は、その算出した位置と記憶部２に格納されている足裏の形状および大きさの情報とに基づいて、足裏の一部が歩行基準ライン６上に位置し、かつ、両足裏が干渉しないように、両脚部の各関節の角度制御量を調整する。

上記の歩行基準ライン６に対する足裏の着地位置の制御によれば、足裏の一部が必ず歩行基準ライン６上に重なるように歩行を行うので、歩行時における両足裏の幅方向における間隔を狭くすることができる。これにより、ロボットの重心の移動量を小さくすることができ、姿勢制御が容易になる。

なお、上記の歩行基準ライン６の設定において、制御部１は、センサ部３の出力を利用することもできる。例えば、制御部１は、各圧力センサの出力に基づいて各足裏の重心を求め、これら重心点を結ぶ直線の中間点を基準点とみなして歩行基準ライン６を設定してもよい。また、制御部１は、加速度センサの出力に基づいて、重心点の移動を予測し、移動した重心点に対応する基準点を求めて歩行基準ライン６を設定してもよい。

また、本実施形態の二足歩行ロボットによれば、両足裏をオープンスタンス状態で配置しているので、方向転換を容易に行うことができる。例えば、右へ曲がる場合は、右側の脚部を軸足として、足裏の先端部における歩行面に対して加わる力を小さくすることで、右方向への力のモーメントが発生する。この力を利用して先端部を中心にして右回転することで、容易に方向転換を行うことが可能となる。

以上説明した本実施形態の二足歩行ロボットは、本発明の一例であり、その構成および動作は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更することができる。

例えば、各脚部を構成する関節の数は３つに限定されるものではなく、２つまたは４つ以上であってもよい。

また、静止時および歩行時における、両足裏の幅方向における間隔の制御は、各脚部を構成する複数の関節部の少なくとも１つにより実現してもよい。

さらに、静止時および歩行時における、両足裏の開き角度の制御は、各脚部を構成する複数の関節部の少なくとも１つにより実現してもよい。

さらに、足裏を歩行基準ライン上に重ねる際の角度制御は、脚部を構成する複数の関節部の少なくとも１つにより実現してもよい。

さらに、制御部１は、センサ部３を構成する各種センサの出力から、歩行速度の判定や加減速状態の判定を行い、その判定結果を利用して、開き角度の制御をリアルタイムに行ってもよい。なお、図１に示した構成において、センサ部３は省略されてもよい。

本発明の一実施形態である二足歩行ロボットの歩行制御システムを示すブロック図である。 本発明の一実施形態である二足歩行ロボットの制御モデルを示す模式図である。 静止時における足裏の配置の一例を示す模式図である。 静止時および歩行時の両足裏の配置の一例を示す模式図である。 歩行基準ラインを利用した歩行動作の一例を示す模式図である。

符号の説明

１ 制御部
２ 記憶部
３ センサ部
４₁〜４_n モータ制御部
５₁〜５_n モータ

Claims (12)

1. 角度の制御が可能な複数の関節部を備える第１及び第２の脚部と、
   前記第１及び第２の脚部の足裏の形状および大きさの情報が格納される記憶部と、
   前記複数の関節部の角度をそれぞれ制御して前記第１及び第２の脚部による歩行動作を行わせる制御部と、を有し、
   前記第１及び第２の脚部の足裏は、長手方向における一方の端部が先端部とされ、他方の端部が後端部とされ、歩行面において、一方の足裏の長手方向と他方の足裏の長手方向が前記後端部側で予め定められた角度で交差する状態で配置され、
   前記制御部は、前記記憶部に格納された足裏の形状および大きさの情報に基づいて、前記歩行動作における前記第１及び第２の脚部の足裏の着地位置が重ならないように、前記複数の関節部の角度制御量を調整する、二足歩行ロボット。
2. 前記制御部は、静止時は、前記複数の関節部の少なくとも１つを制御して前記第１及び第２の脚部の足裏の間隔を第１の間隔とし、歩行時は、前記複数の関節部の少なくとも１つを制御して前記第１及び第２の脚部の足裏の間隔を前記第１の間隔より狭い第２の間隔とする、請求項１に記載の二足歩行ロボット。
3. 前記制御部は、歩行面上に歩行の基準となるラインを想定し、該ライン上に、前記第１及び第２の脚部の足裏の着地位置が重なるように、前記複数の関節部の少なくとも１つを制御する、請求項１または２に記載の二足歩行ロボット。
4. 前記制御部は、静止時は、前記複数の関節部の少なくとも１つを制御して前記長手方向の交差角度を第１の角度とし、歩行時は、前記複数の関節部の少なくとも１つを制御して前記長手方向の交差角度が前記第１の角度よりも小さい第２の角度とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の二足歩行ロボット。
5. 前記制御部は、歩行速度に応じて前記長手方向の交差角度の調整を行う、請求項４に記載の二足歩行ロボット。
6. 前記先端部および後端部の幅が、前記先端部と前記後端部の間の中央部における幅より狭い、請求項１から５のいずれか１項に記載の二足歩行ロボット。
7. 角度の制御が可能な複数の関節部を備える第１及び第２の脚部を有する二足歩行ロボットの歩行制御方法であって、
   前記複数の関節部の角度をそれぞれ制御して前記第１及び第２の脚部による歩行動作を行わせるステップと、
   前記第１及び第２の脚部の足裏の、長手方向における一方の端部を先端部とし、他方の端部を後端部として、該両足裏の配置を、歩行面において、一方の足裏の長手方向と他方の足裏の長手方向が前記後端部側で予め定められた角度で交差する状態で維持するステップと、
   記憶部に格納された、前記第１及び第２の脚部の足裏の形状および大きさの情報に基づいて、前記歩行動作における前記第１及び第２の脚部の足裏の着地位置が重ならないように、前記複数の関節部の角度制御量を調整するステップと、を含む、二足歩行ロボットの歩行制御方法。
8. 静止時は、前記第１及び第２の脚部の足裏の間隔を第１の間隔とし、歩行時は、前記第１及び第２の脚部の足裏の間隔を前記第１の間隔より狭い第２の間隔とする、請求項７に記載の二足歩行ロボットの歩行制御方法。
9. 歩行面上に歩行の基準となるラインを想定し、該ライン上に、前記第１及び第２の脚部の足裏の着地位置が重なるように、前記複数の関節部の角度制御量を調整する、請求項７または８に記載の二足歩行ロボットの歩行制御方法。
10. 静止時は、前記長手方向の交差角度を第１の角度とし、歩行時は、加速または減速時における前記長手方向の交差角度を前記第１の角度よりも小さい第２の角度とする、請求項７から９のいずれか１項に記載の二足歩行ロボットの歩行制御方法。
11. 歩行速度に応じて前記長手方向の交差角度の制御する、請求項１０に記載の二足歩行ロボットの歩行制御方法。
12. 前記先端部および後端部の幅が、前記先端部と前記後端部の間の中央部における幅より狭い、請求項７から１１のいずれか１項に記載の二足歩行ロボットの歩行制御方法。

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