JP2839677B2

JP2839677B2 - 歩行ロボットの制御方法

Info

Publication number: JP2839677B2
Application number: JP23714090A
Authority: JP
Inventors: 康一鈴森; 文夏近藤; 孝夫鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-09-10
Filing date: 1990-09-10
Publication date: 1998-12-16
Anticipated expiration: 2013-12-16
Also published as: JPH04122587A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、足を駆動することによって移動を行い、運
搬作業などを行う歩行ロボットの歩行制御方法に関す
る。

（従来の技術）近年、複数本の足を有し、これらの足の動きを制御す
ることによって移動を行う歩行ロボットの研究が盛んに
行われている。歩行ロボットは、路面に多少の凹凸があ
ってもそれらに影響されずに移動を行うことができると
いう特徴があり、車輪を用いた移動手段に比べて格段の
安定性を有しているという利点がある。そのため、将来
は人や物を運搬する手段として期待されている。

こういった歩行ロボットは、従来から足の本数に応じ
た歩行制御が検討されている。特に、２本足や４本足と
いった少ない本数での歩行制御では、ロボットの重心位
置と駆動されている足との関係に制限があるため、ロボ
ットの重心位置を移動するといった高度な制御も要求さ
れている。

しかし、いずれの歩行ロボットの場合においても、足
の動きに関しては、Tomovic'やMcGheeが提案する以下の
形態を用いている。つまり、第15図（ａ）〜（ｉ）に示
すように、足には少なくとも２個の関節が付与され、こ
れら関節の回転角を協調制御することによって歩行動作
を実現させている。

同図（ａ）〜（ｃ）では、第２関節52を固定しながら
第１関節51のみを時計方向に回転することによって、
「蹴り足」動作を行っている。次に同図（ｄ）〜（ｆ）
では、第１関節51を反時計方向に回転するとともに、第
２関節52を時計方向に回転することによって、「上げ
足」動作を行っている。そして同図（ｇ）〜（ｉ）で
は、第１関節51を固定しながら第２関節52を反時計方向
に回転することによって、「下げ足」動作を行ってい
る。

このように、第15図の場合においては、各関節51,52
について固定、時計方向回転、反時計方向回転を
繰り返すことによって足が駆動され、ロボットが移動す
る。

つまり、ロボットの足先には第16図に模式的に示すよ
うに、足先の上下移動と前後移動とを併せ持った駆動ス
トロークと復帰ストロークとが要求されることになる。

これに対して特開平１−247809号に記載の筒状弾性体
を歩行手段（脚部）として用いることによって歩行ロボ
ットを構成する手法が提案されている。このようにする
と、筒状弾性体内部に形成される圧力室の任意の１つに
大なる圧力を加えることによりその圧力室が伸長する。
つまり、各圧力室に加える圧力の差によって、筒状弾性
体を任意の方向に湾曲させることができる。また、各圧
力室の圧力を全体的に大きくすれば筒状弾性体は伸直
し、小さくすれば縮小する。つまり、筒状弾性体に加え
る圧力の全体量によって、筒状弾性体を任意の方向に伸
縮させることができる。

したがって、以上のような筒状弾性体を脚部として用
いた歩行ロボットとすれば、歩行運動に必要な駆動スト
ロークと復帰ストロークとが容易に実現し、従来複雑で
あった歩行運動を簡素化することができるようになる。

（発明が解決しようとする課題）しかし、上述したような筒状弾性体による脚部を利用
した従来の歩行ロボットにおいては、その歩行のための
制御方法が確立していなかった。本発明は、上述したよ
うな筒状弾性体を用いた歩行ロボットにおける制御方法
を提供することを目的とするものである。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）上記の目的を達成するために本発明においては、延設
された隔壁によって内部が複数の圧力室に分離された筒
状弾性体を歩行手段とし、前記圧力室に与える圧力パタ
ーンを変化させることによって歩行動作させる歩行ロボ
ットの制御方法において、筒状弾性体の少なくとも一の
圧力室に与える圧力パターンを、他の圧力室に与える圧
力パターンと位相をずらして圧力制御するようにした。

（作用）このようにして制御を行えば、前記一の圧力室と、前
記他の圧力室との間に圧力差が生じ、この圧力差によっ
て歩行手段が所定の方向に湾曲するようになる。前記一
の圧力室と前記他の圧力室とに与えられる圧力は位相ず
れしているため、例えば歩行手段がまずＡ方向に湾曲し
たとすると、次はこのＡ方向とは逆向きのＢ方向に湾曲
することになる。さらにこういった湾曲動作に伸縮動作
が加わって、結果的には第16図に示すような一連の変形
動作が実現する。これにより、歩行運動に必要な駆動ス
トロークと復帰ストロークとが実現するので、ロボット
が歩行可能となる。

（実施例）以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す歩行ロボットの斜視
図であり、第２図は歩行ロボットの側面図、第３図は歩
行ロボットの平面図である。

本実施例に係る歩行ロボット１は、６本の脚部（歩行
手段）2a〜2fを有したものである。これらの脚部2a〜2f
は、物を載置可能なベース３の脚部に対して各３本づつ
配置されている。そして、脚部2a〜2fの上部に形成され
た封止部10（後述する）の外側を、ベース３と固定部材
4a〜4fにて挾み込むようにして固定されている。なお、
固定方法としてここでは、脚部2a〜2fが着脱自在となる
ようにネジ止めが選択されている。また、ここでは脚部
2a〜2fはベース３に対して直角となるように固定されて
いるが、脚部2a,2b,2cと脚部2d,2e,2fとが序々に離間す
るように、ベース３に対して斜めに固定されていてもよ
い。

第３図には、ベース３に対する脚部2a〜2fの固定状態
が示してある。脚部2a〜2fのそれぞれには同図に鎖線で
示したように、その内部に３つの隔壁5,6,7（後述す
る）が、その軸方向に延びるように形成されている。こ
れらの隔壁5,6,7は略120゜間隔に形成され、そのうちの
１つの隔壁５については、全ての脚部について同方向
（同図では左方向）に向くように固定されている。

また、歩行ロボット１の重心位置は、第３図のベース
中央部、つまり図心位置と一致するように設計されてい
る。

つづいて、上記の脚部2a〜2fについて、第４図から第
11図を用いて詳細に説明する。

脚部２（2a〜2f）は、第５図の分解斜視図に示すよう
に、外壁を形成する筒状弾性体８、先端封止部９、根元
封止部10,チューブ11a,11b,11cおよび先端部材12から構
成されている。そして、同図からもわかるように、筒状
弾性体８は同一形状からなる３つの単位筒状弾性体13a,
13b,13cをその軸方向に並列に接着することにより一体
成形したものである。このため、接着された部位により
筒状弾性体８の軸方向に弾性隔壁5,6,7が延設され、こ
れら弾性隔壁5,6,7により３つの圧力室14,15,16が形成
される。前記単位筒状弾性体13a,13b,13cは第５図およ
び第６図に示すように、図面垂直方向を軸としてそれぞ
れ間隔を密にして螺旋状に巻装された繊維17を、弾性材
料であるシリコンーゴムにより被覆して形成されてい
る。このため筒状弾性体８は繊維17とゴムとの複合によ
る異方性弾性材料によって形成されることにより縦弾性
係数の小さい方向は筒状弾性体８の軸方向18と略一致
し、この軸方向18には伸びやすくなっているものであ
る。また軸方向18と直交する方向19には繊維17により縦
弾性係数大のため伸びにくくなっている。

前記先端封止部９は、金属などにより形成され前記単
位筒状弾性体13a,13b,13cに形成された圧力室14,15,16
を封止する扇形状の上蓋9a,9b,9cの一端を単位筒状弾性
体13a,13b,13cに挿入して接着することにより構成され
ている。

前記根元封止部10は、先端封止部９と同様なる扇形状
の下蓋10a,10b,10cと、この下蓋10a,10b,10cの一端を単
位筒状弾性体13a,13b,13cに挿入して接着封止すること
により構成されている。なお、金属製の下蓋10a,10b,10
cを用いずにシリコーンゲルによって直接封止してもよ
い。

また、下蓋10a,10b,10cには、前記チューブ11a,11b,1
1cが挿入固着される挿入穴20a,20b,20cがそれぞれ設け
られている。前記チューブ11a,11b,11cは接着剤により
挿入穴20a,20b,20cに密封状に固着されるものである。
チューブ11a,11b,11cの他端は、ここでは図示しない圧
力制御装置（例えば空気源およびバルブなど）に接続し
ており、作動流体の圧力を自在に調整できるようになっ
ている。また、ここでは図示していないが、接着した３
つの単位筒状弾性体13a,13b,13cの周囲をさらにシリコ
ーンゴムで被覆している。

また、筒状弾性体８の前記先端封止部９のさらに先端
には、シリコンーゴムからなる先端部材12が接着されて
いる。先端部材12は略球面状の形成をなしている。この
先端部材12の表面摩擦係数が比較的大となるように加工
されていてもよい。また、筒状弾性体８の先端部に金属
製の上蓋9a,9b,9cを用いずに直接先端部材を接着しても
よい。

以上のような構成からなる脚部２について、その動作
を説明する。例えばチューブ11aから作動流体を送り込
んで圧力室14の圧力を高めたとする。このようにすると
第４図に示すように、圧力室14は軸方向に伸び、筒状弾
性体８がＡ方向に湾曲して鎖線で示した状態になる。こ
の状態でさらにチューブ11cを介して圧力室16の圧力を
高めれば、筒状弾性体８はＢ方向に湾曲することにな
る。このようにして３つの圧力室14,15,16に与える圧力
の組み合わせにより、筒状弾性体８を任意の方向へ湾曲
させることができる。また、３つの圧力室14,15,16の圧
力を等しく高めれば、筒状弾性体８を軸方向18に真直ぐ
に伸ばすことができる。

このように、異方性弾性材料の特性を利用して３つの
圧力室14,15,16の圧力を制御することにより、筒状弾性
体８には湾曲と伸縮の動作が同時に実現する。なお、上
記筒状弾性体８としては、繊維を巻装した単位筒状弾性
体13a,13b,13cを接着してシリコーンゴムで被覆したも
のを用いているが、繊維を巻装していない単位筒状弾性
体を接着してから全体的に繊維を巻装し、その後にシリ
コーンゴムで被覆したものを用いてもよい。

このような特性を有する筒状弾性体８を脚部２として
利用して歩行ロボット１を構成した場合の、各圧力室に
与える圧力パターンの制御について、第10図，第11図を
用いて説明する。

第10図は歩行ロボット１の脚部２が行う典型的な動作
を示す歩行サイクルであり、第11図は歩行ロボット１に
上記歩行サイクルを実現するために各圧力室に与える圧
力P_i（ｉ＝1,2）のパターンを示すグラフである。な
お、第11図にて縦軸は、予め設定した最高圧力（Pmax）
に対する加圧力の割合を示すものであり、例えば1.0は
（Pmax×1.0）、0.5は（Pmax×0.5）を意味している。

まず、各圧力室14,15,16に与える圧力は、その初期状
態（時間ｔ＝0;第11図中Ａ点）において、脚部２が第10
図（ａ）のように歩行ストローク中最も短い軸方向長さ
を有するように設定される。つまり初期状態では、各圧
力室14,15,16に与える圧力は設定圧力のうち最も低いPm
in（ここではPi＝０）となっている。

次に、進行方向と反対側の圧力室14の圧力P1が、ま
ず、第11図中の実線で示すパターンのように序々に加圧
される。一方、進行方向の圧力室15,16の圧力P2は同図
の鎖線で示すパターンのように序々に加圧される。ここ
で、両圧力パターンは、その位相が所定時間だけずれる
ように制御されている。圧力室14の圧力P1が圧力室15,1
6の圧力P2に比べて高い状態（第11図中Ｂの範囲）で
は、脚部２には第10図（ｂ）のような湾曲状態が実現し
ていることになる。また、この範囲では脚部２は湾曲し
ながらその軸方向長さを序々に伸長させている。

そして、圧力室14,15,16の圧力が全て同一（ここでは
Pi＝Pmax;第11図中Ｃ点）となったとき、圧力室14,15,1
6の変形量が全体的に均等になり、脚部２は伸び変形の
みの状態となる。なお、この時の脚部２の軸方向長さ
は、圧力室14,15,16それぞれの圧力が最大となっている
ので、歩行サイクル中で最も長いものとなっている。

つづいて、進行方向と反対側の圧力室14の圧力P1が序
々に減圧される。そして、これに追従するように、進行
方向の圧力室15,16の圧力P2が序々に減圧される。これ
によって圧力室15,16の圧力P2が圧力室14の圧力P1に比
べて高い状態となり、第11図Ｄの範囲では、第10図
（ｂ）の湾曲状態とは逆向きの湾曲状態（ｃ）が実現す
る。

最後に、圧力室14,15,16の圧力が全て同一（ここでは
Pi＝Pmin＝0;第11図中Ａ点）となり、圧力室14,15,16の
軸方向長さは最も短くなる。

このように、脚部２の連続的な変形の繰り返しによ
り、第10図の歩行サイクルが連続的に行われることにな
る。なお、第11図で同一時間における圧力P1,P2の値を
一部抽出して比較したものを第１表に示す。

第１表のNo.1とNo.7は圧力室14と圧力室15,16の圧力
が同一の状態である（第11図のＡ点とＣ点）。このよう
に、第10図の歩行サイクルを実現するには同図（ａ），
（ｃ）の伸直状態が必要となるので、１周期のうちに少
なくとも２回は同一圧力状態を実現する必要がある。

第１表のNo.2〜No.6,No.8〜No.12は圧力室14と圧力室
15,16の圧力が異なった状態である（第11図のＢの範囲
とＤの範囲）。No.2〜No.6はP1が大きい状態であり、N
o.8〜No.12はP2が大きい状態である。このように、第10
図の歩行サイクルを実現するには同図（ｂ），（ｄ）の
湾曲状態が必要となるので、１周期のうちに少なくとも
１回はP1＞P2を、また少なくとも１回はP1＜P2を実現す
る必要がある。

なお、第12図は加圧パターンの変形例である。同図か
らも明らかなように、加圧パターンの波形や最高圧力Pm
axなどは、P1とP2とで非同一としてもよい。また、第13
図に示す更なる変形例のように、加圧パターンの波形を
パルス状とすることもでき、ロボットを最も容易な制御
で駆動することができる。このような加圧パターンとし
ても範囲B,DやA,C点が存在するので、歩行サイクルを実
現させることができる。

なお、上記した圧力パターンや圧力周期を変化させる
ためには、各圧力室と空気源との間に介在するバルブ装
置の開閉制御を行うようにすればよい。

そして、上記した歩行サイクルを歩行ロボット１の６
本の脚部2a〜2fに適当に組み合わせて歩行パターンを決
定することによって、歩行ロボット１に安定した歩行動
作を行わせることができる。第14図は歩行ロボットの歩
行パターンの一例を示したものであり、歩行ロボット１
を上から見た様子を模式的に示したものである。なお、
図中○および●は、同一の歩行サイクルにて駆動される
脚部を示している。また、ここでＧは歩行ロボット１の
重心位置を示している。

ここで、まず脚部○が第10図（ａ）の状態であり、脚
部●が第10図（ｃ）の状態とする。この時、３つの脚部
●がベース３を支持しており、一方、脚部○は浮上して
いる。

次に、脚部○が（ｂ）の状態に変化すると、脚部●は
（ｄ）の状態に変化する。したがって、全ての脚部がベ
ース３を支持した状態となる。

次に、脚部○が（ｃ）の状態に変化すると、脚部●は
（ａ）の状態に変化する。この時、脚部○は地面を蹴る
ような変化をするので、歩行ロボット１は、全体として
進行方向に所定量だけ移動する。

最後に、脚部○が（ｄ）の状態に変化すると、脚部●
は（ｂ）の状態に変化する。この時、脚部○は引き続き
地面を蹴るような変化をするので、歩行ロボット１はさ
らに、全体として進行方向に所定量だけ移動する。

このようにして、第10図（ｂ）→（ｄ）の過程におい
て、先端部材12が地面を蹴るような変化をすることにな
るので、歩行ロボット１は進行方向に移動する。また、
第10図（ｄ）→（ｂ）の過程では、脚部２は浮上しなが
ら再び蹴り足の位置に先端部材12を移動する。

ここで歩行ロボット１の重心位置Ｇは、脚部○または
脚部●を結んで形成される三角形の範囲内に常に存在し
ていることになる。つまり、脚部○または脚部●のどち
らが浮上していても、重心Ｇは接地している脚部によっ
て保持されるので、結果として安定した歩行を行うこと
ができる。

なお、第10図の説明図では圧力室15,16には同一の圧
力を付与するものとしたが、例えば圧力室14,16に同一
の圧力を付与するようにすれば、歩行ロボット１を60゜
または120゜傾けて歩行させることも可能である。

また、本発明に係る歩行ロボットの脚部としては、例
えば第７図および第８図に示すように２つの圧力室のみ
からなるものであってもよい。この場合、第９図に示す
ように、隔壁５はロボットの進行方向と直角な方向に位
置するように固定することが好ましい。また、この他に
も、圧力室が４つ以上の脚部を用いることも可能であ
る。もちろん、第11図，第12図，第13図のいずれの圧力
パターンを用いても制御することが可能である。

また、本実施例では６足歩行ロボットについて説明し
たが、２足や４足の歩行ロボットに本発明を適用して
も、同様の作用効果を奏する。

［発明の効果］以上のように本発明の歩行ロボットの歩行制御方法と
すれば、歩行運動に必要な駆動ストロークと復帰ストロ
ークとが容易に実現し、ロボットが歩行可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す歩行ロボットの斜視
図、第２図は歩行ロボットの側面図、第３図は歩行ロボ
ットの平面図、第４図は脚部の全体斜視図、第５図は第
４図の分解斜視図、第６図は脚部の断面図、第７図は脚
部の変形例の分解斜視図、第８図は第７図に示す脚部の
断面図、第９図は第７図に示した脚部を用いた歩行ロボ
ットの平面図、第10図は歩行サイクルを示す図、第11図
から第13図は歩行ロボットの脚部に与える圧力パターン
を示すグラフ、第14図は歩行ロボットの歩行サイクルの
組み合わせの一例を示す模式図、第15図と第16図は一般
的な歩行ロボットの歩行形態を示す図である。１……歩行ロボット２……脚部（歩行手段）３……ベース 5,6,7……隔壁８……筒状弾性体 11……チューブ 13……単位筒状弾性体 14,15,16……圧力室

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】延設された隔壁によって内部が複数の圧力
室に分離された筒状弾性体を歩行手段とし、前記圧力室
に与える圧力パターンを変化させることによって歩行動
作させる歩行ロボットの制御方法において、筒状弾性体の少なくとも一の圧力室に与える圧力パター
ンを、他の圧力室に与える圧力パターンと位相をずらし
て圧力制御することを特徴とする歩行ロボットの制御方
法。
【請求項２】延設された隔壁によって内部が複数の圧力
室に分離された筒状弾性体を歩行手段とし、前記圧力室
に与える圧力パターンを変化させることによって歩行動
作させる歩行ロボットの制御方法において、筒状弾性体の少なくとも一の圧力室に与えられる圧力パ
ターンと他の圧力室に与えられる圧力パターンとに、圧
力パターン１周期のうちで少なくとも２回の同一圧力状
態が実現するように圧力制御することを特徴とする歩行
ロボットの制御方法。
【請求項３】延設された隔壁によって内部が複数の圧力
室に分離された筒状弾性体を歩行手段とし、前記圧力室
に与える圧力パターンを変化させることによって歩行動
作させる歩行ロボットの制御方法において、筒状弾性体の少なくとも一の圧力室に与えられる圧力パ
ターンと他の圧力室に与えられる圧力パターンとに、圧
力パターン１周期のうちで少なくとも１回は前記一の圧
力室に与えられる圧力量を大とし、少なくとも１回は前
記他の圧力室に与えられる圧力量を大とするように圧力
制御することを特徴とする歩行ロボットの制御方法。