JP2997037B2 - 脚式移動ロボットの歩行制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は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２足歩行等の脚式移動ロボットにおいて凹
凸のある路面を安定して歩行することができる様にした
脚式移動ロボットの歩行制御装置に関する。

（従来の技術及び発明が解決しようとする課題） 斯る脚式ロボットの歩行のさせかたには従来より２つ
の手法があって、一つは特開昭62−97006号公報に示さ
れる如く、予め脚関節の駆動データを大型計算機で別途
計算しておき、ロボットに搭載する計算機の記憶装置に
格納しておいて歩行時にそのデータを出力するものであ
り、他方は例えば、「Legged Robots on Rough Terrai
n:Experiments in Adjusting Step Lengh:IEEE1988,By
Jessica Hodgins」に提案される様に、ロボット自体に
高性能な計算機を搭載して歩行時にリアルタイムに最適
な関節角度を計算し、関節駆動モータに出力して歩行さ
せる手法である。

前者は搭載する計算機が低レベルのもので済む利点が
ある反面、前もって歩行データを算出しておくことから
実際の歩行時の条件が想定していたものと一致すること
が前提条件となっていて、歩行状況に変化が起きた場
合、例えば予期しないうねりや凹凸のある路面に遭遇し
たときには、変化に対応する能力に欠ける欠点があっ
た。即ち、２足歩行ロボットは重心の位置が高く、かつ
足部の底面積が少ないことから物理的に不安定であり、
ロボットが安定して歩行するにはロボットの重心に働く
重力と慣性力との合力が支持脚の接地面積内に確保され
る必要がある。重力は一定であるが、慣性力はロボット
の運動によって絶えず変化し、その変化の度合いはロボ
ットの外部条件が一定ならば、時空的に一定の周期をも
って繰り返す変動となる。また外部の条件変動としては
路面の傾き、うねり、凹凸等が時々刻々変化し、路面の
硬さ等の物性値も一定ではない。こうした変動が遊脚の
着地時にロボットの受ける路面反力を変化させて歩行を
不安定なものとする。また外部条件に比べれば比較的小
さい変動ではあるが、実際のロボットの内部条件も、例
えば関節各部の摩擦が暖機状態により異なり、機械部品
の剛性不足による撓みも関与する。予め算出されたデー
タでこれらの変動に対応することは不可能である。

また後者の手法では、高速処理能力を有する計算機を
搭載する必要があるため、消費電力が大きく、また計算
機そのものも大型で重量も重く且つ高価である等、移動
ロボットとして容認し難い多くの欠点があった。

従って、本発明の目的は上記した従来技術の欠点を解
消し、オフラインで予め算出されたデータに基づいて歩
行する前者の利点を継承しつつ、予期しない歩行条件の
変化にも柔軟に対応して安定した歩行を実現することが
できる脚式移動ロボットの歩行制御装置を提供すること
にある。

また路面状況の変化は前者のオフラインで算出したデ
ータに基づいて歩行するものであると、後者のリアルタ
イムで歩容を決定する手法によるものであるとを問わ
ず、等しく生じ得る。その際に後者の手法によるときも
突発的な歩行状況の変化に必ずしも迅速に即応できると
は限らず、その意味ではこの問題は後者の手法によると
きも適用可能である。

従って、本発明の第２の目的は、いずれの手法による
ものであるかを問わず、突発的な路面状況の変化にも良
く即応して安定して姿勢を保持することができる脚式移
動ロボットの歩行制御装置を提供することにある。

更にはロボットの安定化制御手法として、近時、脚式
移動ロボットも含めてロボットのリンクの運動学的解析
を行い、現代制御理論で総称される種々の制御理論を用
いてロボットの挙動を多変数で捉えて数式化し、それを
解いて制御値を決定する試みも盛んである。しかしなが
ら、例えば現代制御理論を用いることは巧緻に制御値を
決定することができる反面、多くの行列式を解く必要が
あって、搭載する計算機の処理能力としても高度のもの
が要求され、更にはそれでもリンクの剛性等を完全に把
握することができず、払うべき努力の大きさに比して現
実には未だ見るべき成果を挙げていない。

従って、本発明の第３の目的は、予期しない歩行条件
の変化にも即応して簡易に姿勢の安定を回復することが
でき、また搭載計算機の処理能力としても比較的低レベ
ルのもので足る様にした、実利性の高い脚式移動ロボッ
トの歩行制御装置を提供することにある。

（課題を解決する手段） 上記した目的を達成するために、本発明は請求項１項
において下記の如く構成した。実施例における符号を用
いて説明すると、基体（胴体部24）と、それにそれぞれ
結合され、少なくとも１個の関節を備えた複数本の脚部
リンク（10R,10L,12R,12L,14R,14L,16R,16L,18R,18L,20
R,20L,22R,22L）とからなる脚式移動ロボット１の歩行
制御装置において、前記関節を駆動する制御値（ωDt−
ωＲ）を決定する制御値決定手段（制御ユニット26、S2
2）と、前記基体の鉛直軸に対する傾斜を検出する傾斜
検出手段（エンコーダ89、傾斜センサ100,102）と、前
記傾斜検出手段の出力結果に基づいて前記ロボットの転
倒の可能性を予想する予想手段（制御ユニット26、S3
0）と、予想された可能性に応じて支持脚リンクの前記
制御値を修正する制御値修正手段（制御ユニット26、S3
6,S38）と、および修正された制御値に応じて前記関節
を駆動するアクチュエータとを備える如く構成した。

また、請求項２項にあっては、基体（胴体部24）と、
それにそれぞれ結合され、少なくとも１個の関節を備え
た２本の脚部リンク（10R,10L,12R,12L,14R,14L,16R,16
L,18R,18L,20R,20L,22R,22L）とからなる脚式移動ロボ
ットの歩行制御装置において、前記脚部リンクについて
予め設定された目標値（目標傾斜角速度ωDt）に追従さ
せるべく前記関節を駆動する速度制御値（ωDt−ωＲ）
を決定する制御値決定手段（制御ユニット26、S22）
と、前記基体の鉛直軸に対する傾斜を検出する傾斜検出
手段（エンコーダ89、傾斜センサ100,102）と、前記傾
斜検出手段の出力結果に基づいて前記ロボットの転倒の
可能性を予想する予想手段（制御ユニット26、S30）
と、予想された可能性に応じて所定の係数（ゲインｋ
ω）を乗じて支持脚リンクの前記制御値を修正する制御
値修正手段（制御ユニット26、S36,S38）と、および修
正された制御値に応じて前記関節を駆動するアクチュエ
ータとを備える如く構成した。

また、請求項３項にあっては、前記脚部リンクの両脚
支持期と片脚支持期との切り換え時に、前記係数を一旦
零にする（図12、図13）如く構成した。

また、請求項４項にあっては、前記基体の鉛直軸に対
する傾斜は、前記基体の鉛直軸に対する傾斜角度、傾斜
角速度および傾斜角加速度のいずれかである如く構成し
た。

（作用） ロボットの転倒の可能性を予想し、それに応じて支持
する側の脚部リンクの関節を駆動してロボットの姿勢を
修正する如くしたので、予期しない歩行条件の変化にも
柔軟に対応して安定した歩行を実現することができる。

（実施例） 以下、脚式移動ロボットとして２足歩行ロボットを例
にとって本発明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）10
R,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,14L、膝部のピッチ方向の関節（軸）16R,16
L、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、最上位には胴体部
（基体）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
点で交差する様に構成される。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
直交する様にされており、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、膝関節と足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図及
び第３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22R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力の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）。更に、第１図
に示す如く、胴体部24の適宜位置には、一対の傾斜セン
サ100,102が設置され、ｘ−ｚ平面内のｚ軸に対する傾
きとその角速度、同様にｙ−ｚ平面内のｚ軸に対する傾
きとその角速度を検出する。これらの出力は前記した胴
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
いて傾斜センサ100,102等の出力は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RAM10
8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制御装置
の動作を説明する。尚、同図に示す制御アルゴリズムは
インピーダンス制御を速度分解制御で実現した仮想コン
プライアンス制御を前提とする（「多自由度ロボットの
仮想コンプライアンス制御」（計測自動制御学会論文
集、VOL.22.NO.3.昭和61年３月））。

先ずS10で装置各部をイニシャライズした後、S12で歩
行パターｉθｔを検索する。これはロボットが理想的に
平坦でかつ硬さも均一な路面を歩行するときの各関節角
の目標値を示す。ここで添字ｉは関節の番号を示し、添
字は時刻ｔのときの角度を示す。関節の番号は下から順
に、20R＝1,20L＝2,..とする。これらの時系列データは
予め大型コンピュータで算出しておき、前記した制御ユ
ニット内のマイクロ・コンピュータのROM116に格納して
おく。

続いてS14でパラメータkp,kv...を入力する。これら
はフィードバック・ゲインであり、詳細は後述する。続
いてS16でタイマ値ｔ、カウンタ値COUNT及び関節番号
（カウンタ）値ｉを零にリセットし、S18で歩行を開始
し、S20で関節番号ｉをカウントするカウンタ値を１に
セットする。次いでS22でセットした関節番号に該当す
る関節角度ｉθｔ（ｉ＝１）等のパラメータをメモリか
ら読み出す。ここでｉθｔ＋１は現在の時刻（現在のプ
ログラム起動時）ｔの次の時刻、即ち次回のプログラム
起動時の目標関節角度を示す。ωDtは目標傾斜角速度
（後述）を示す。Ft（ωｗ）は両足支持期、Ft（ωｓ）
は片足支持期、Ft（Ｃ）は衝撃吸収制御期を示すフラグ
であり、前記したマイクロ・コンピュータにおいて６軸
力センサ等の出力から判定され、当該期間にあるときそ
のビットが１にセットされる。

次いで、S24において傾斜センサ等の検出値を読み込
む。ここでｉθＲはｉ番目の関節の実際の関節角度を、
ωＲは実際の傾斜角速度を、Ｍは足部に加わる実際のモ
ーメントを示す。次いでS26において位置フィードバッ
ク制御値iV1を算出し、S28において速度フィードバック
（フォワード）制御値iV2を算出する。即ち、第６図に
示す如く、本制御においては関節角度の指令値ｉθｔと
実際の関節角度ｉθＲとの偏差Δθに比例ゲインｋpを
乗じた位置フィードバック値と、時刻ｔのときの関節角
度指令値ｉθｔと時刻ｔ＋１のときの関節角度指令値ｉ
θｔ＋１との偏差にゲインkvを乗じたフィードフォワー
ド値を加えた速度指令値をサーボアンプ120に出力す
る。尚、第６図は足関節を除く関節についてのブロック
線図であり、足関節は第７図ブロック線図に示す様に傾
斜角速度信号等もフィードバックされるが、それについ
ては後述する。

続いてS30において関節番号ｉが４以内か否か、即ち
足関節の制御値を算出中か否か判断し、この場合には当
然に肯定されてS32以降に進んで傾斜角速度フィードバ
ック等を実施する。即ち、以下に述べる第３、第４フィ
ードバック制御値の算出は、足関節に限って行われる。
具体的には、先ずS32乃至はS34でフラグFt（ωｗ）又は
Ft（ωｓ）のビット・オン、即ち両足支持期か片足支持
期かを判断し、判断結果に基づいてS36又はS38で第７図
に示す様に、目標傾斜角速度ωDtと実際の傾斜角速度ω
Ｒとの偏差Δωにゲインｋωを乗じて第３の速度フィー
ドバック制御値iV3を算出する。

これについて以下説明すると、本制御においては傾斜
角速度が目標値から逸脱したときはロボットが転倒する
可能性がありと判断し、その危険度に応じて、即ち傾斜
角速度の偏差に所定の係数（ゲインｋω）を乗じて着地
している側の脚の足関節を駆動して接地反力を生ぜし
め、ロボットの姿勢の崩れを修正する様にした。このゲ
インｋωについては第８図及び第９図に示す両足支持期
と、第10図及び第11図に示す片足支持期とでは、図示の
様に約束するものとする。即ち、第８図（ａ）（ｂ）に
はロボットを前後から見たときにロボットに働く傾斜角
速度偏差Δωの方向が示されるが、このときフィードバ
ックされるべき速度指令値の方向を図の様に定義するも
のと約束する。即ち、ロール方向の足関節20R,20Lにつ
いて傾斜角速度偏差Δωの作用によって浮く方の足関節
のゲインｋωは零とし、荷重が加わる方の足関節のゲイ
ンの方向を図示の様にとるものと約束する。また第９図
はロボットの側面図であって、同図（ａ）の如くロボッ
トを前に倒そうとする傾斜角速度が働くときには前足の
踵が地面を蹴る方向に前足のピッチ方向の足関節18R
（Ｌ）のゲインをとり、同時に後足の足関節18L（Ｒ）
のゲインは爪先を上げる方向にとることとする。逆にロ
ボットを後側に倒そうとする傾斜角速度に対しては、同
図（ｂ）の様に後足の爪先が地面を蹴る方向に足関節18
L（Ｒ）のゲインをとることにし、同時に前足の足関節1
8R（Ｌ）のゲインは踵を持ち上げる方向にとる。

一方、第10図には片足支持期のロボットを前後方向か
ら見た状態が示されており、このときには着地している
方の足関節20Lが図示の方向に調節駆動される様にゲイ
ンｋωの符号を決める。このとき遊脚側の足関節の修正
は行っても行わなくても良い。また第11図は片足支持期
のロボットを側面から見た図であるが、この時も支持脚
の足関節18L（Ｒ）が図示の方向に駆動される様にゲイ
ンｋωをとるものとし、また遊脚側は修正してもしなく
ても良い。

第12図はゲインｋωの特性を示す説明図である。図示
の例ではゲインｋωの絶対値は同一であり、符号のみ上
記説明の様に変えているが、絶対値を同じにする必要は
なく、上記の各状態毎に変えても良い。但し、ゲインは
各関節とも共通とする。ここで同図から明らかな如く、
両足支持期から片足支持期に移行する際にはゲインの符
号がその前後で反転する。これは滑らかな歩行を実現す
る上で好ましくないので、その切り換えがスムーズに行
われる様に図示の如く、その切り換えの中途に一度ゲイ
ンが零になる短い時間を設けるか、または第13図に示す
様に前後のゲインを平滑に繋げる様にする。尚、傾斜角
速度偏差Δωに比例した速度を加えるときのタイミング
は、遊脚期には基本的にｋωを０とするが、着地の直前
の適宜時期から所定の大きさに設定して過渡的な現象に
十分追従することができる様にする。尚、第５図フロー
・チャートにおいて両足支持期にも片足支持期にもない
と判断されるときは、S40で制御値を零とする。

続いてS42以下で仮想コンプライアンス制御値を決定
する。即ち、第14図に示す様に、ロボットの遊脚が離床
して着床するまでの所定時間ＴCOMPを衝撃吸収制御期と
し、S42でその期間にあると判断されるときはS44に進
み、そこでゲインｋcをkc＝k_COMP×ｆ（count）と算出
し、S46で検出したモーメントＭに乗じて第４の速度フ
ィードバック値iV4を算出し（第７図）、S48で着地が検
出されるとS50でカウンタ値をインクリメントする。即
ち、衝撃吸収のゲインはカウンタ値COUNTの関数として
設定され、第14図に示す様に着地と同時に経時的に逓減
され、ついには零となる様に設定する。尚、S42で衝撃
吸収制御期にないと判断されるときはS52で制御値iV4を
零とし、S54でカウンタ値を零にリセットする。

続いてS56で算出した全ての制御値を加算して総和iVC
OMMを求めてサーボアンプ120に出力し、S58で関節番号
カウンタをインクリメントし、S60で最終関節を超えた
か否か判断し、肯定されるときはS62に進んで次の目標
関節角度ｉθｔを検索するためにタイマ値ｔをインクリ
メントし、S64で歩行終了と判断されない限り、各関節
について連続的に制御値を決定する。

本実施例は上記の如く、ロボットが予め設定された正
常な歩行状態から外れて傾斜すると、その傾斜角速度の
偏差に応じて接地している足の足関節に、姿勢を立て直
そうとする方向に地面を蹴る動作を生じさせる様に構成
したので、外的条件乃至は内的条件の変化に関わらず、
常に安定した歩行を実現することができる。この演算は
主として幾何学的な簡単な式で行われるものであり、現
代制御理論に示される様に多くの複雑な行列式を用いる
こともないことから、特にオフラインで基本的な歩行パ
ターンを算出する制御手法と併せて用いるとき、搭載コ
ンピュータは比較的小型で低速度のもので良く、脚式移
動ロボットの実現性に寄与するところは大きい。即ち、
ゲインを適切に選ぶだけでその後の処理が極めて簡単で
あるところから、比較的低レベルでエネルギ消費量も少
ないコンピュータで足りる。

第15図は本発明の第２の実施例を示しており、第５図
フロー・チャートのS32〜S40において足関節18R（Ｌ）
の一方のみに修正を施す例を示す。即ち、第１実施例で
は第９図に示す様に両方の足関節にフィードバック制御
値を与えていたが、この例では片側の足のみに与える様
にした。これによっても同種の効果を挙げることができ
る。

第16図及び第17図は本発明の第３の実施例を示してお
り、足関節18R（Ｌ）に加えて膝関節16R（Ｌ）について
も先に示した要領で修正を加える例を示す。この例の場
合には第16図（ａ）、第17図（ａ）に示す様に、膝関節
と足関節とでゲインの方向が相反することも生じ得る。
またこの実施例によるときは第５図フロー・チャートの
S30を“ｉ≦6?"（“6"は膝関節16Lの関節番号）と変更
する。尚、このとき膝関節のみに修正を施す様にしても
良い。

尚、上記した第１乃至第３実施例においてはロボット
の姿勢不安定状態を検出するのに、傾斜角速度の目標値
と実際値との偏差を使用したが、これに限る必要はな
く、その微分値たる角加速度を求めて判定しても良く、
逆にその積分値たる角度を求めて判定しても良い。或い
は踵が着地してから足裏部の全面が床に密着する迄の時
間を計測し、それを適宜設定する所定値と比較し、それ
より短ければ前側に、長ければ後側に倒れそうである
と、即ち路面反力の作用点を算出し、その作用点の軌跡
の運動速度が正常時に比べて例えば踵相当部位から爪先
相当部位により早く移動する様であれば前側に転倒しそ
うであると、逆であれば後ろ側に転倒しそうであると判
定しても良い。要約すれば、ロボットの姿勢が不安定で
あることを予想させる指標を求め、その値の大きさから
支持している脚部側に接地反力を生ぜしめる様に制御す
れば良い。

またゲインは各関節とも同一にしたが、適宜変えても
良い。

また本実施例を仮想コンプライアンス制御と同時にす
る場合を示したが、それに限るものではなく、単独に実
施することも可能である。但し、共に姿勢安定化に寄与
するものであるので、併せて用いることにより、一層効
果的に安定歩行を実現することができる。

更には本発明をオフラインで目標関節角度（及び目標
角速度）を算出しておく場合を例にとって説明したが、
必ずしもそれに限られるものではなく、同様にオフライ
ンで歩容データを算出する場合でも着地位置、重心位置
等の、より上位概念で設定する場合にも妥当するのみな
らず、リアルタイムで歩容を決定する場合にも事情が許
す限り妥当するものである。

更には本発明を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、３足以上の
脚式移動ロボットにも妥当するものである。

（発明の効果） 請求項１項記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置
は、脚部リンクについて予め設定された目標値に追従さ
せるべく前記関節を駆動する制御値を決定する制御値決
定手段と、前記基体の鉛直軸に対する傾斜を検出する傾
斜検出手段と、前記傾斜検出手段の出力結果に基づいて
前記ロボットの転倒の可能性を予想する予想手段と、予
想された可能性に応じて支持脚リンクの前記制御値を修
正する制御値修正手段と、および修正された制御値に応
じて前記関節を駆動するアクチュエータとを備える如く
構成したので、予めオフラインで設定された歩行データ
に基づいて関節を駆動するとき、歩行条件の変化が生じ
て姿勢が崩れる場合でも迅速に立て直すことができて安
定した歩行を実現することができる。また基本的な歩行
データは予めオフラインで設定されていることから、制
御装置をコンピュータで構成するときも比較的小型、廉
価かつ低レベルのもので実現することができる。

請求項２項記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置
は、前記脚部リンクについて予め設定された目標値に追
従させるべく前記関節を駆動する速度制御値を決定する
制御値決定手段と、前記基体の鉛直軸に対する傾斜を検
出する傾斜検出手段と、前記傾斜検出手段の出力結果に
基づいて前記ロボットの転倒の可能性を予想する予想手
段と、予想された可能性に応じて所定の係数を乗じて支
持脚リンクの前記制御値を修正する制御値修正手段と、
および修正された制御値に応じて前記関節を駆動するア
クチュエータとを備える如く構成したので、前記した効
果に加えて係数を適当に設定するだけで制御値の演算処
理が極めて簡単であり、また制御装置としても極めて簡
易なもので足り、それを実現するコンピュータとしても
更に低レベルなもので達成することができる。

請求項３項記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置
は、前記脚部リンクの両脚支持期と片脚支持期との切り
換え時に、前記係数を一旦零にする如く構成したので、
前記した効果に加えて一層滑らかで安定した歩行を実現
することができる。

請求項４項記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置
は、前記基体の鉛直軸に対する傾斜は、前記基体の鉛直
軸に対する傾斜角度、傾斜角速度および傾斜角加速度の
いずれかである如く構成したので、簡易な構成でありな
がら、確実にロボットの姿勢の不安定度を検出すること
ができ、それにより迅速に対応することができて安定し
た歩行を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係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
は本制御装置の動作を示すフロー・チャート、第６図は
足関節を除く関節について第５図フロー・チャートに示
される制御アルゴリズムを説明するブロック線図、第７
図は同様に足関節についての制御アルゴリズムを説明す
るブロック線図、第８図（ａ）（ｂ）は第５図フロー・
チャートで使用される両脚支持期でのロボットの前後方
向から見た安定化制御手法を示す説明図、第９図（ａ）
（ｂ）は同様に左右方向から見た手法を示す説明図、第
10図（ａ）（ｂ）は片脚支持期での前後方向から見た同
様の手法を示す説明図、第11図（ａ）（ｂ）は同様に左
右方向から見た手法を示す説明図、第12図はそこで使用
されるゲインの両足支持期と片足支持期との切り換え時
における設定特性を示す説明図、第13図は同様にゲイン
の別の設定特性を示す説明図、第14図は第５図フロー・
チャートでの仮想コンプライアンス制御期とそこで使用
されるゲインの設定特性を示す説明図、第15図（ａ）
（ｂ）は本発明の第２実施例で第９図（ａ）（ｂ）と類
似する手法を示す説明図、第16図（ａ）（ｂ）は本発明
の第３実施例で第９図（ａ）（ｂ）と類似する手法を示
す説明図及び第17図（ａ）（ｂ）は同様に第３実施例で
第11図（ａ）（ｂ）と類似する手法を示す説明図であ
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、100,102……傾斜センサ、104……A/D変換回路、1
06……バス、108……RAM、110……カウンタ、112……波
形整形回路、114……CPU、116……ROM、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……
リミットスイッチ、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−3582（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−97005（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−172478（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−48282（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−48283（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B25J 5/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基体と、それにそれぞれ結合され、少なく
   とも１個の関節を備えた複数本の脚部リンクとからなる
   脚式移動ロボットの歩行制御装置において、 a.前記脚部リンクについて予め設定された目標値に追従
   させるべく前記関節を駆動する制御値を決定する制御値
   決定手段と、 b.前記基体の鉛直軸に対する傾斜を検出する傾斜検出手
   段と、 c.前記傾斜検出手段の出力結果に基づいて前記ロボット
   の転倒の可能性を予想する予想手段と、 d.予想された可能性に応じて支持脚リンクの前記制御値
   を修正する制御値修正手段と、 及び e.修正された制御値に応じて前記関節を駆動するアクチ
   ュエータと、 を備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの歩行制御
   装置。
2. 【請求項２】基体と、それにそれぞれ結合され、少なく
   とも１個の関節を備えた２本の脚部リンクとからなる脚
   式移動ロボットの歩行制御装置において、 a.前記脚部リンクについて予め設定された目標値に追従
   させるべく前記関節を駆動する速度制御値を決定する制
   御値決定手段と、 b.前記基体の鉛直軸に対する傾斜を検出する傾斜検出手
   段と、 c.前記傾斜検出手段の出力結果に基づいて前記ロボット
   の転倒の可能性を予想する予想手段と、 d.予想された可能性に応じて所定の係数を乗じて支持脚
   リンクの前記制御値を修正する制御値修正手段と、 及び e.修正された制御値に応じて前記関節を駆動するアクチ
   ュエータと、 を備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの歩行制御
   装置。
3. 【請求項３】前記脚部リンクの両脚支持期と片脚支持期
   との切り換え時に、前記係数を一旦零にすることを特徴
   とする請求項２項記載の脚式移動ロボットの歩行制御装
   置。
4. 【請求項４】前記基体の鉛直軸に対する傾斜は、前記基
   体の鉛直軸に対する傾斜角度、傾斜角速度および傾斜角
   加速度のいずれかであることを特徴とする請求項１項、
   ２項および３項のいずれかに記載の脚式移動ロボットの
   歩行制御装置。