JP2528464Y2 - 脚式移動ロボットの傾斜計測装置及び該装置を用いてなる脚式移動ロボットの姿勢制御装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は脚式移動ロボットの傾斜計測装置及びその装
置を用いてなる脚式移動ロボットの歩行制御装置に関
し、より具体的には角速度計と鉛直指示器（以下「補正
振り子」と称する）とからなる傾斜計測装置において両
者を分離して別々に配置して脚式移動ロボットの傾斜角
度を精度良く計測するようにした計測装置及びその計測
値を用いて姿勢制御するようにした制御装置に関する。

（従来の技術及び考案が解決しようとする課題） 重力方向に対する傾斜角（速）度を計測する装置は一
般に、角速度を検出する角速度計とその補正用の振り子
とを一体的に組み合わせたものが知られており、既に市
販されている。

ところで近時脚式移動ロボットが種々提案されてお
り、その一例として特開昭62-97005号公報記載のものを
挙げることができる。そこには、匡体（胴体部）と２本
の脚部とからなる２足歩行の脚式移動ロボットが紹介さ
れている。斯かる２足歩行ロボットを安定して歩行させ
るためには、その傾斜角（速）度を測定して姿勢の崩れ
を検出し、姿勢を回復する方向に路面反力を生ぜしめて
重力と慣性力との合力との均衡を取り戻す必要がある。
而して、そのためにロボットに傾斜計測装置を配置する
とき、通例は匡体が予定される。

しかしながら、斯る脚式移動ロボットにあっては軽量
化のため剛性を比較的低くしているところから、傾斜計
測装置を匡体にに配置した場合には考案者達が実験した
限りでは、第９図（ａ）に示す如く、外力Ｆが加わった
とき腰部等が撓んで匡体が平行移動してしまい、検出遅
れが生じて対応が間に合わず、転倒する事態が生じたこ
とがあった。また同図（ｂ）に示す如く、歩行時には脚
部を相互に振って移動することになるが、その遊脚の振
りを検出してしまい、真にロボットの姿勢が傾斜してい
るのか、或いは振動が生じているのか、判定し難い場合
があった。

従って、本考案の目的は上記の欠点を解消し、検出精
度を向上させるようにした脚式移動ロボットの傾斜計測
装置を提供することにある。

更には上記装置で計測した値に基づいて脚式移動ロボ
ットを安定した姿勢に制御する脚式移動ロボットの姿勢
制御装置を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記した目的を達成するために、本考案は例えば請求
項１項において、基体と脚部リンクとを備えた脚式移動
ロボットの傾斜角度及び／又は傾斜角速度を角速度計と
鉛直指示器とからなる傾斜計測装置で計測するものであ
って、該角速度計と鉛直指示器とを分離し、鉛直指示器
を前記基体に配置すると共に、角速度計を前記脚部リン
クの適宜位置に配置するように構成した。

（作用） 角速度計を撓みの影響の少ない脚部に装着すると共
に、十分応答の遅い鉛直指示器（補正振り子）のみ基体
に残置するようにしたので、検出遅れが発生することが
ない。

（実施例） 以下、２足歩行の脚式移動ロボットを例にとって本考
案の実施例を説明する。第１図はそのロボット１を全体
的に示す説明スケルトン図であり、左右それぞれの脚部
に６個の関節（軸）を備える。該６個の関節（軸）は上
から順に、腰の脚部回旋用の関節（軸）10R,10L（右側
をＲ、左側をＬとする。以下同じ）、腰のピッチ方向の
関節（軸）12R,12L、同ロール方向の関節（軸）14R,14
L、膝部のピッチ方向の関節（軸）16R,16L、足首部のピ
ッチ方向の関節（軸）18R,18L、同ロール方向の関節
（軸）20R,20Lとなっており、その下部には足部22R,22L
が取着されると共に、最上位置には胴体部（匡体）24が
設けられ、その内部には制御ユニット26が格納される。

上記において股関節は、関節（軸）10R（Ｌ）,12R
（Ｌ）,14R（Ｌ）から構成され、それらの軸線は全て１
点で交差するように構成される。また関節（軸）18R
（Ｌ）,20R（Ｌ）から構成される足関節も軸線が互いに
直交するようにされており、さらに前記した３本のピッ
チ方向の関節（軸）12R（Ｌ）,16R（Ｌ）,18R（Ｌ）は
相互に平行に配置され、その相対位置関係は他の関節
（軸）の挙動に関わらず、常に変わらない構成となって
いる。図示の如く、片側の脚について６つの自由度を与
えられ、胴体部24を固定しても足部22R（Ｌ）を任意の
位置で任意の方向に置くことができる構成とされる。即
ち、歩行中にこれらの６×２＝12個の関節（軸）をそれ
ぞれ適宜な角度に駆動することで、脚全体に所望の動き
を与えることができ、任意に３次元空間を歩行すること
ができる。尚、股関節と膝関節との間は大腿リンク27R,
27Lで、肘関節と足首関節との間は下腿リンク28R,28Lで
連結される。

これらの関節は主として電動モータとその出力を倍力
する減速機とから構成される。以下に第２図及び第３図
を参照して膝関節以下の部位についてその詳細を説明す
るが、腰関節も類似した構造である。尚、左右対象であ
るため、以下の説明では右脚側について行う。第２図に
おいて大腿リンク27Rの中途位置に取着された電動モー
タ（図示せず）の出力が、ベルト82を介して膝関節
（軸）16Rに装着されたハーモニック減速機84の入力軸
に入力される。また下腿リンク28Rの上端側にも凹部87
が形成され、そこに電動モータ88が収納され、その出力
はベルト90を介して足首部に配置されたハーモニック減
速機92に入力され、足部22Rを前記した軸線18Rを中心と
してピッチ方向に駆動する。また軸線18Rと直交する前
記した軸線20Rを中心として足部22はロール方向に揺動
自在に構成されており、そのためにハーモニック減速機
94と、それに動力を供給する電動モータ96とが直結され
て設けられる。各電動モータにはロータリエンコーダが
設けられ、モータ軸の回転角度を検出する（図には電動
モータ88用のロータリエンコーダ89のみ示す）。

而して足首部には６軸力センサ98が設けられ、足部を
介してロボットに伝達されるx,y,zの３方向成分とモー
メントの３方向成分とを分離して別々に測定し、足部の
着地の有無と支持脚に加わる力の大きさと方向とを検出
する。また略平坦に形成され、着地時の衝撃を吸収する
ためにゴム等の弾性材220を備えた足底部の四隅には公
知の接地スイッチ99が設けられて、接地の有無を検出す
る（第２図乃至第３図で図示省略）。

而して、本考案の最初の目的は斯る２足歩行の脚式移
動ロボットの傾斜角（速）度、即ちx-z軸平面内のｚ軸
に対する角度及び／又は角速度とy-z平面のｚ軸に対す
る角度及び／又は角速度を正確に計測する装置を提案す
ることにあるが、そのために本考案においては後で詳細
に述べる如く、傾斜計測装置を構成する角速度計と補正
振り子とを分離し、補正振り子は振動や慣性力の影響を
受け難い胴体部（匡体）24に配置すると共に、角速度計
は重心と接地点とを結ぶ線の線直方向に対する傾きをノ
イズなく可能な限り精度良く検出するために左右の脚部
リンクに、より具体的には左右の大腿リンク27R,Lの適
宜位置に１個づつ配置するようにした。図において符号
100は補正振り子を、符号102R,Lは角速度計を示す。
尚、補正振り子は重力感知型のものを使用する。上記に
おいて傾斜計測装置を含むセンサ出力は、前記した胴体
部24内の制御ユニット26に送られる。

第４図は制御ユニット26の詳細を示すブロック図であ
り、マイクロ・コンピュータから構成される。そこにお
いて補正振り子100等のアナログ出力はA/D変換回路104
でデジタル値に変換され、その出力はバス106を介してR
AM108に送られる。またエンコーダ89等の出力はカウン
タ110を介してRAM108内に入力されると共に、接地スイ
ッチ99等の出力は波形整形回路112を経て同様にRAM108
内に格納される。制御ユニット内にはCPU114が設けられ
ており、CPU114は後述の如く、格納されている歩行デー
タを読み込んでカウンタ110から送出される実測値との
偏差から速度指令値を算出し、D/A変換回路118を介して
サーボアンプ120に送出する。制御値はそこで電流値に
変換されて各関節の電動モータに供給される。また図示
の如く、エンコーダ出力はF/V変換回路122を介してサー
ボアンプに送出されており、マイナーループとしての速
度フィードバック制御が実現されている。尚、符号128
は進路、歩幅等の歩容変更指令用のジョイスティック
を、符号130は原点（直立）姿勢決定用の原点スイッチ
を、符号132はオーバラン防止用のリミットスイッチを
示す。

以下、第５図フロー・チャートを参照して本装置の動
作を説明する。

先ずS10で左右の脚について前記したエンコーダ出力
パルスをカウントするカウンタ110のカウンタ値を入力
し、S12で前回値との差分から左右の腰の関節角速度Ｌ
ωx,Lωy,Rωx,Rωｙを算出し、次いでS14で同様に左右
の脚について角速度計102R,Lの検出値Ｌω′x,Lω′y,R
ω′x,Rω′ｙを入力し、S16で補正振り子検出値θ″x,
θ″ｙを入力し、S18で何れの脚が着地しているか判断
し、それに応じてS20又はS22に進んで立脚している側の
脚についての測定値をもとにロボットの傾斜角度を最終
的に算出する。

第６図を参照して説明する。同図は理解の便宜のため
この算出手法をブロック図的に示す説明図であるが、図
示の如く、先ず左右の脚の股関節10,12,14R（Ｌ）に設
けたエンコーダ出力パルスはカウントされて角度変換さ
れて胴体部と脚部とのｘ軸,y軸角度Ｒ（Ｌ）θx,yが求
められる。算出値は微分され、角速度計出力Ｒ（Ｌ）
ω′x,yと加算点a,bで加え合わされる。加算値の中の立
脚側の値は第３の加算点ｃに送られ、そこでドリフトを
打ち消すたに胴体部に装着された補正振り子100の胴体
部の傾斜角度（補正用）出力値θ″x,yと、直前の傾斜
角度推定値との差にドリフト補正ゲインｋを乗じたもの
が加え合わされてロボットの最終傾斜角度が算出される
（第５図、S20,22）。

また遊脚側の算出値からは遊脚の振動状態が判定され
る。即ち、第５図フロー・チャートに戻ると、例えば右
脚が遊脚とするとS24において遊脚傾斜角度からその振
動状態が検出され、S26において防振制御が必要と判断
されるとS28に進んで防振制御を実施する。これは例え
ば、エンコーダの値が指令値通りに動いたとしても、関
節及びリンクの剛性の不足から弾性変形（撓み）が生じ
て遊脚が振動することがあるためである。従って、遊脚
傾斜角速度とエンコーダの微分値の差は、振動時の弾性
変形量の変化速度に比例するため、これを関節駆動モー
タにフィードバックして振動を抑えることができる。第
５図フロー・チャートのS24〜S34はそれを示す。尚、上
記の如く検出した姿勢傾斜角に基づき、前記したマイク
ロ・コンピュータにおいてCPU114は転倒の危険があると
判断するとき、S36において所期の姿勢に回復させるよ
うに適宜の関節を駆動して安定した歩行を実現する。

本実施例は上記の如く、角速度計を撓みの影響の少な
い脚部に装着し、十分応答の遅い補正振り子のみを胴体
部に残置したので、これにより第９図（ａ）に示したよ
うな外力Ｆを受けたときも、脚部の傾き（傾斜角度）を
高応答に検出することができた。第７図はそれを示す測
定データであり、図中は最初に述べた傾斜計測装置を
一体的に胴体部（匡体）に装着した場合の結果を示し、
は上記実施例の結果を示す。図示の如く、遅れが低下
して応答性が改善されているのが、見てとれる。また最
初にのべた遊脚の振動に起因する検出精度低下について
は、本実施例では両脚に角速度計を各々装着して接地側
の脚の検出値を使用するように構成したことから、第７
図下部に示す如く、遊脚の振動による影響を低減させる
ことができた。

第８図は本考案の第２の実施例を示すフロー・チャー
トであり、左右の脚について値を求めた後（S100〜S10
6）、実験等を通じて得た値によって重みづけを与え、
それから算出するようにした（S108）。これによるとき
は角速度計出力を接地脚によってオンオフ的に切り換え
ることがないので、両脚支持状態では振動の影響を受け
ることがない安定な傾斜角度を検出することができる。
尚、残余のステップ（S110〜S124）は、第１実施例と殆
ど同様であるので、説明は省略する。

尚、２つの実施例において補正振り子を胴体部に配置
すると共に角速度計を大腿リンク27R（Ｌ）に装着した
が、それに限られるものではなく、角速度計は脚部、関
節等で撓み量が最も少ない位置、即ち接地点と重心位置
とを結ぶ線が鉛直方向にどの位傾斜しているかを最も正
確に示す個所であれば、どこでも良い。但し、角速度計
を膝関節16R（Ｌ）より下方に配置するときは膝関節角
度の演算を追加する必要がある。

また接地スイッチ99から着地の有無を検出したが、こ
れに限られるものではなく、前記した制御ユニットのRO
M116に予め歩行データを格納しておくものであれば、そ
れを用いても良く、更には６軸力センサ98の出力を利用
しても良い。

また補正振り子100は重力感知型のものに限るもので
はない。例えば、単なる加速度センサを用いても良く、
更には前記ロボットに視覚（画像処理）手段を設けて柱
等の垂直な物体を視認させて補正を行っても良い。

更には本考案を２足歩行の脚式移動ロボットについて
説明したが、それに限られるものではなく、その他の脚
式移動ロボット乃至は車輪式走行車等に妥当するもので
ある。

（考案の効果） 請求項１項記載の考案は、基体と脚部リンクとを備え
た脚式移動ロボットの傾斜角度及び／又は傾斜角速度を
角速度計と鉛直指示器とからなる傾斜計測装置で計測す
るものであって、該角速度計と鉛直指示器とを分離し、
鉛直指示器を前記基体に配置すると共に、角速度計を前
記脚部リンクの適宜位置に配置するようにしたので、角
速度計は撓みの影響の少ない脚部リンクに装着されると
共に、十分応答の遅い補正振り子のみ基体に配置される
ことから、検出遅れが生じることがない。

請求項２項記載の考案は、前記脚式移動ロボットは複
数本の脚部リンクを備えるものであって、その複数本の
それぞれに前記角速度計を配置すると共に、支持脚リン
クに配置された角速度計出力に基づいて傾斜角度及び／
又は傾斜角速度とを測定するようにしたので、前記した
効果に加えて遊脚が振動してもその影響を受けることが
ない。

請求項３項記載の考案は、基体とそれに股関節を介し
て連結される脚部リンクとからなる脚式移動ロボットに
おいて、前記脚部リンクに配置された傾斜角速度計出力
と前記股関節に配置されたエンコーダ出力とに基づいて
前記脚部リンクの中の遊脚リンクの振動状態を検出し、
その振動を抑制すべく該遊脚リンクの関節駆動制御値を
決定するようにしたので、ロボットの安定性を一層向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係る脚式移動ロボットの傾斜計測装置
及びその装置を用いてなる脚式移動ロボットの歩行制御
装置を全体的に示す概略図、第２図は第１図の膝関節以
下の部位を示す説明側面図、第３図はそのIII-III線部
分断面図、第４図は制御ユニットの説明ブロック図、第
５図は本計測装置の動作を示すフロー・チャート、第６
図はその動作をブロック図的に説明する説明図、第７図
は本考案に係る傾斜計測装置の測定結果を示す測定デー
タ、第８図は本考案の第２実施例を示すフロー・チャー
ト及び第９図（ａ）（ｂ）は傾斜計測装置の配置例を示
す説明図である。 １……脚式移動ロボット（２足歩行ロボット）、10R,10
L……脚部回旋用の関節（軸）、12R,12L……股部のピッ
チ方向の関節（軸）、14R,14L……股部のロール方向の
関節（軸）、16R,16L……膝部のピッチ方向の関節
（軸）、18R,18L……足首部のピッチ方向の関節
（軸）、20R,20L……足首部のロール方向の関節
（軸）、22R,22L……足部、24……胴体部、26……制御
ユニット、27R,27L……大腿リンク、28R,28L……下腿リ
ンク、84,92,94……ハーモニック減速機、82,90……ベ
ルト、88,96……電動モータ、89……ロータリエンコー
ダ、87……凹部、98……６軸力センサ、99……接地スイ
ッチ、100……傾斜計測装置の補正振り子（鉛直指示
器）、102R,102L……傾斜計測装置の角速度計、104……
A/D変換回路、106……バス、108……RAM、110……カウ
ンタ、112……波形整形回路、114……CPU、116……RO
M、118……D/A変換回路、120……サーボアンプ、122…
…F/V変換回路、128……ジョイスティック、130……原
点スイッチ、132……ミリットスイッチ、

Claims (3)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】基体と脚部リンクとを備えた脚式移動ロボ
   ットの傾斜角度及び／又は傾斜角速度を角速度計と鉛直
   指示器とからなる傾斜計測装置で計測するものであっ
   て、該角速度計と鉛直指示器とを分離し、鉛直指示器を
   前記基体に配置すると共に、角速度計を前記脚部リンク
   の適宜位置に配置することを特徴とする脚式移動ロボッ
   トの傾斜計測装置。
2. 【請求項２】前記脚式移動ロボットが複数本の脚部リン
   クを備えるものであって、その複数本のそれぞれに前記
   角速度計を配置すると共に、支持脚リンクに配置された
   角速度計出力に基づいて傾斜角度及び／又は傾斜角速度
   とを測定することを特徴とする請求項１項記載の脚式移
   動ロボットの傾斜計測装置。
3. 【請求項３】基体とそれに股関節を介して連結される脚
   部リンクとからなる脚式移動ロボットにおいて、前記脚
   部リンクに配置された傾斜角速度計出力と前記股関節に
   配置されたエンコーダ出力とに基づいて前記脚部リンク
   の中の遊脚リンクの振動状態を検出し、その振動を抑制
   すべく該遊脚リンクの関節駆動制御値を決定することを
   特徴とする脚式移動ロボットの姿勢制御装置。