JP3148827B2 - 脚式移動ロボットの歩行制御装置 - Google Patents
脚式移動ロボットの歩行制御装置Info
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行制御装置に関する。
は車輪式、クローラ式、脚式などのロボットが提案され
ている。その中で、脚式移動ロボットの制御技術に関す
るものとして、1脚のロボットに関する技術(Raibert,
M.H., Brown, Jr.H.B.,"Experiments in Balance With
a 2D One-Legged Hopping Machine", ASME, J of DSM
C,vol.106, pp.75-81 (1984)), 2脚のロボットに関す
る技術(日本ロボット学会誌vol.l, no.3, pp.167-203,
1983)、4脚のロボットに関する技術(日本ロボット学
会誌vol.9, no.5, pp.638-643, 1991)、6脚のロボット
に関する技術(Fischeti, M.A.,"Robot Do the Dirty W
ork,"IEEE, spectrum, vol.22. no.4, pp.65-72 (198
5). Shin-Min Song, Kenneth J. Waldron, "Machines T
hat Walk; The Adaptive Suspension Vehicle", The MIT Press Cambri
dge, Massachusetts, London. England)が多数提案され
ている。更には、比較的低自由度のロボットでリアルタ
イムに力学的に安定な移動(歩行)パターンを生成する
技術(下山、”竹馬型2足歩行ロボットの動的歩行”、
日本機械学会論文集 C篇、第48巻、第 433号、pp.1445-
1454, 1982. および"Legged Robots on Rough Terrain;
Experiments in Adjusting Step Length", by Jessica
Hodgins. IEEE, 1988) や、比較的多自由度のロボット
でオフラインで安定な移動(歩行)パターンを生成する
技術(特開昭62-97006号、特開昭63-150176 号)も提案
されている。
フラインで安定な移動パターンを生成するものにおい
て、脚式移動ロボットが移動する床面は厳密に設計値通
りであることは少なく、パターンで予期しない凹凸や傾
斜が存在することが多い。その様な凹凸、傾斜に遭遇す
ると、脚式移動ロボットは予期しない外乱トルクを受け
て姿勢が不安定になる恐れがある。これは上記したリア
ルタイムに移動パターンを生成して歩行する手法を用い
るものでも同様であって、外乱トルクは姿勢を崩す一因
となる。また着地時には脚部が床と接触して反力を受け
るが、その反力が大きいと同様に姿勢の安定性を悪化さ
せる。他方、その様な不都合を解消するために、脚部に
柔らかさを与えると、予定した床を蹴る力が不足し、か
えって歩行に支障を来すことがある。
や傾斜に柔軟に着地させ、踏破性を高めて外乱トルクを
緩和し、また着地時の衝撃も効果的に緩和すると共に、
所期の床を蹴る力を確保して歩行に支障を来さない様に
した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。
たコンプライアンス(柔らかさ)を与えるとき、脚部が
発振、振動するなどの不都合が生じる恐れがある。
ンプライアンスを与えても脚部が発振、振動することが
ない様にした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。
ためにこの発明は例えば請求項1項に示す如く、脚式移
動ロボットの歩行制御装置であって、少なくともその脚
部の接地端付近に設けられた関節とそれを変位制御する
制御手段とを備えるものにおいて、前記関節と脚部接地
端とを連結するバネ機構体、歩行に必要な前記関節の関
節角度指令値を出力する関節角度指令値出力手段、及び
歩行に必要な前記関節の目標荷重を出力する目標荷重出
力手段、を備えると共に、前記制御手段は、前記目標荷
重を発生させるのに必要な前記バネ機構体の変形角度を
求め、求めた変形角度によって前記関節角度指令値を補
正するように構成した。尚、ここで「荷重」はトルク
(モーメント)と力とを含む意味で使用する。
連結することから、脚部先端を床の凹凸や傾斜に柔軟に
接地させて移動環境での踏破性を高めることができ、着
地時の衝撃も効果的に低減することができる。また目標
荷重を発生させるのに必要な前記バネ機構体の変形角度
を求め、求めた変形角度によって前記関節角度指令値を
補正するようにしたことから、歩行パターンで期待する
トルクを減じることもない。更に、荷重変動のうち、高
い周波数成分はバネ機構体で吸収することができるの
で、制御系の応答周波数を余り高くする必要がなく、ト
ルクフィードバック制御の安定性を高めることができ
る。また床が柔らかくても、バネ機構体と同程度なら
ば、トルクフィードバック制御系にとっては硬い床にお
いてバネ構造体のバネ性を若干または半分程度下げたこ
とと等価であるから、床の柔らかさの影響を受けにく
く、トルクフィードバック制御系の特性が極端に変わる
ことがない。また、アクチュエータ内部摩擦や減速機摩
擦の影響を余り受けずに制御することができ、コンプラ
イアンス制御の精度も向上させることができる。
ボットを例にとって、この発明の実施例を説明する。図
1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リンク2に6個の関節を備え
る(理解の便宜のために各関節をそれを駆動する電動モ
ータで示す)。該6個の関節は上から順に、腰の脚部回
旋用(z軸まわり)の関節10R,10L(右側をR、
左側をLとする。以下同じ)、腰のロール方向(x軸ま
わり)の関節12R,12L、同ピッチ方向(y軸まわ
り)の関節14R,14L、膝部のピッチ方向の関節1
6R,16L、足首部のピッチ方向の関節18R,18
L、同ロール方向の関節20R,20Lとなっており、
その下部には後で述べるバネ機構を備えた足平22R,
22Lが取着されると共に、最上位には筐体(上体)2
4が設けられ、その内部には制御ユニット26が格納さ
れる。
12R(L),14R(L)から構成され、また足関節
は、関節18R(L),20R(L)から構成される。
また、腰関節と膝関節との間は大腿リンク32R,32
Lで、膝関節と足関節との間は下腿リンク34R,34
Lで連結される。ここで、脚部リンク2は左右の足につ
いてそれぞれ6つの自由度を与えられ、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、足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様に構成
される。先に述べた様に、上記した関節は電動モータか
らなり、更にはその出力を倍力する減速機などを備える
が、その詳細は先に本出願人が提案した出願(特願平1
−324218号、特開平3−184782号)などに
述べられており、それ自体はこの発明の要旨とするとこ
ろではないので、これ以上の説明は省略する。
は公知の6軸力センサ36が設けられ、足平を介してロ
ボットに伝達されるx,y,z方向の力成分Fx,F
y,Fzとその方向まわりのモーメント成分Mx,M
y,Mzとを測定し、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。また足平22R
(L)の四隅には静電容量型の接地スイッチ38(図1
で図示省略)が設けられて、足平の接地の有無を検出す
る。更に、筐体24には傾斜センサ40が設置され、x
−z平面内とy−z平面内のz軸に対する、即ち、重力
方向に対する傾斜角速度を検出する。また各関節の電動
モータには、その回転量を検出するロータリエンコーダ
が設けられる。更に、図1では省略するが、ロボット1
の適宜な位置には傾斜センサ40の出力を補正するため
の原点スイッチ42と、フェール対策用のリミットスイ
ッチ44が設けられる。これらの出力は前記した筐体2
4内の制御ユニット26に送られる。
られたバネ機構50の構造を詳細に示す底面図、縦断面
図および平面断面図である。足平22R(L)は図示の
如く、プレート52からなり、プレート52は大略平面
正方形状に突設されてそこにガイド部材54が形成され
る。他方、前記した6軸力センサ36に連続するリンク
部位は断面逆Ω状のピストン状部材56に固定され、ピ
ストン状部材56はガイド部材54内にz軸方向に多少
の間隙58を有して収容される。ピストン状部材56と
足平プレート52との間に硬質ゴムブシュからなる弾性
体60が90度間隔で4個配置される。更に、ピストン
状部材56のフランジ56aとの間にはx,y軸方向に
若干の間隙62が形成されると共に、フランジ下部には
プラスチック材からなる摺動体64が、ガイド部材54
の壁面に摺動自在に配置される。弾性体60と摺動体6
4とはビス66を介して足平プレート52とピストン状
部材56とに固定される。
て図3に示す如く、y軸廻りのモーメントを受けたと
き、ピストン状部材56は弾性体60を変形させてモー
メントが作用する方向に想像線で示す如く前(後)傾
し、そのモーメントを吸収する。これはx軸まわりのモ
ーメントを受けたときも同様である。更に、図4から明
らかな如く、ガイド部材54は平面略正方形状となって
いることから、z軸まわりのモーメントを受けたときは
それに対抗することができる。尚、足平プレート52の
下部には第1,第2の弾性体70,72を分散配置し、
衝撃緩和と摩擦力とを増加させる様にした。足部につい
て上に述べたことをモデル化して示すと、図5の様にな
る。
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40などの出力はA/D変
換器80でデジタル値に変換され、その出力はバス82
を介してRAM84に送られる。また各電動モータに隣
接して配置されるエンコーダの出力はカウンタ86を介
してRAM84内に入力されると共に、接地スイッチ3
8などの出力は波形整形回路88を経て同様にRAM8
4内に格納される。制御ユニット内にはCPUからなる
第1、第2の演算装置90,92が設けられており、第
1の演算装置90はROM94に格納されている関節軌
道などの歩行パターンを読み出して目標関節角度(角度
指令)と、その角度を実現するのに必要な目標トルク
(トルク指令)とを算出してRAM84に送出する。ま
た第2の演算装置92は後述の如くRAM84からその
目標値と検出された実測値とを読み出し、各関節の駆動
に必要な制御値を算出し、D/A変換器96とサーボア
ンプを介して各関節を駆動する電動モータに出力する。
置の動作を説明する。但し、この発明が足首まわりのコ
ンプライアンス制御に関するところから、以下の説明は
図5を参照して足関節18,20R(L)に限って行
う。尚、図5においては簡略化のためy軸まわりに足平
を揺動させる関節18R(L)のみ図示したが、x軸ま
わりに足平を揺動させる関節20R(L)についても同
様の制御を行う。
アンプによって変位制御され、足関節18,20R
(L)の角度は、アンプ入力角度(前記した第1演算装
置90で生成した足首角度指令)に一致するように制御
される。またトルク指令の形で、目標とする足首角度指
令を実現するのに必要なロボット1の床を蹴る力(目標
荷重)が与えられる。ここで、足首角度指令に図示の如
く、 第1の補正角度=フィードフォワードゲイン×トルク指
令 第2の補正角度=−フィードバックゲイン×(検出足首
トルク−トルク指令) が加減算される。フィードフォワードゲインは、床を蹴
るために必要なトルクによって生じる足平22R(L)
に設けたバネ機構50のたわみ分(変形角度)を補正す
るものである。即ち、前記したバネ機構50を設けて足
平に柔らかさを与えたことによって、ロボット1に床を
蹴る力が不足することから、バネ機構50のたわみ分を
見越してそれを補償する、換言すれば、目標荷重を発生
させるのに必要なバネ機構(バネ機構体)50の変形角
度を求め、求めた変形角度によって前記関節角度指令値
を補正するようにした。フィードフォワードゲインは、
バネ機構50のバネ定数(バネの発生トルク/バネのた
わみ角度)をkとすると、理論的には1/kとなる。ま
たフィードバックについて言えば、足首角度指令が平坦
な床面を想定しており、実際の床面が図5に示す様に角
度Δθfを持っていたとすると、足首角度がまだ補正さ
れていない瞬間では足平のバネ機構50によって、足首
トルク(=k×Δθf、kは前記したバネ定数)が発生
する。発生した足首トルクはトルクセンサ(前記した6
軸力センサ36)で検出され、検出した足首トルクとト
ルク指令との偏差にトルクフィードバックゲインを乗じ
た補正角度が図示の如く足首角度指令に与えられる。即
ち、検出された荷重に応じて前記関節に作用する荷重が
前記目標荷重となるように、前記関節を変位制御するよ
うにした。ここで、フィードバック制御の特性を図示の
如く−としているところから、補正角度は、足首トルク
が検出されると、それを逃げる様に、即ち、例えば足首
トルクがロボット1を前傾させる方向に作用するとき
は、ロボット1を後傾させる方向に作用される。
構50を設けたことから、床に予期しない凹凸や傾斜が
あったとしても足平22R(L)を柔軟に接地させて移
動環境での踏破性を高めることができ、着地時の衝撃も
低減することができる。また歩行パターンから得られる
足首トルク予想値をトルク指令としてフィードフォワー
ド的に与える様にしたので、ロボット1の床を蹴る力が
不足することはない。またトルク(モーメント)変動の
うち、高い周波数成分はバネ機構50で吸収されるの
で、制御系の応答周波数をあまり高くする必要がなく、
トルクフィードバック制御系の安定度を増すことができ
る。またアンプ入力角度から足首曲げ角度(足関節角
度)までの伝達関数は、アンプのゲインが十分高けれ
ば、電動モータの内部摩擦やハーモニック減速機の摩擦
の影響を無視することができ、ほぼ1となる。従って、
足首トルクも電動モータの内部摩擦や減速機の摩擦の影
響をあまり受けずに制御することができるので、トルク
制御精度が高くなる。また床が柔らかい場合は、図7の
ブロック線図において、バネ機構のバネ定数を小さくし
たのと等価である。従って、床の柔らかさがバネ機構と
同程度までならば、トルクフィードバック制御系にとっ
てはバネ機構を若干または半分程度まで下げたのと等価
であるから、トルクフィードバック制御系の特性が極端
に変わることがなく、床の柔らかさの影響を受けにく
い。
に類似するブロック線図である。第1実施例と相違する
点は、コンプライアンス制御系にフィルタ100を挿入
したことである。フィルタ100としてローパスフィル
タを用い、その伝達関数を1/(1+TS)(但し、T
は時定数)とする。図示の変位制御系が高応答であれ
ば、トルク指令を無視してブロック線図を変形すると、
図9の様になる。図9において、(足首角度指令)−
(ロボットと床との相対角度(Δθa−Δθf))から
足首トルクまでの伝達関数Gは、数1の様になる。
記伝達関数は、数2の式に近似される。
ねじりダンパとを並列に組んだ機構と等価である。即
ち、コンプライアンス制御系に一時遅れフィルタを挿入
することにより、第1実施例の効果に加えて、近似的に
アクティブなダンパを作り出すことができ、バネ機構5
0の振動を速やかに減衰させることができる。
ネ・ダンパ系を形成したい場合には、フィルタの伝達関
数を数3式の様に設定する。正確にはローパスフィルタ
ではないが、ほぼ同様の機能を奏する。
となる。
る。
ので、脚式移動ロボットの脚部に設けられた荷重センサ
(6軸力センサ36)を用いたコンプライアンス制御に
おいて、ロボット本体と床との間に機械的なダンパが挿
入されたことと等価なダンピング効果をフィルタによっ
て得ることができた。これにより倒立振子系での制御を
容易にすると共に、遊脚が着地したときの反動に起因す
る跳びはねも防ぐことができる。更に、ローパスフィル
タをコンプライアンス制御のフィードバックループに挿
入するため、副次的な効果として、高周波に対するルー
プゲインを下げることができ、コンプライアンス制御系
の安定度が高まり、発振を防ぐことができる。またセン
サから侵入する高周波ノイズも除去することができる。
タルフィルタで構成するが、電気フィルタないしは機械
フィルタなどの様なハードウェア手法を用いて構成して
も良い。またローパスフィルタの例として伝達特性が1
次遅れのものを示したが、2次遅れなど他の種類を用い
ても良い。
ント)を通じて検出したが、力で検出しても良い。また
6軸力センサをバネ機構の上に配置したが、バネ機構の
下に配置しても良い。
予め設定しておく場合に適用する例を示したが、それに
限られるものではなく、歩行のときリアルタイムに求め
る様にした技術に適用させても良い。
ロボットを例にとって説明してきたが、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。
ト1の歩行制御装置であって、少なくともその脚部(脚
部リンク2)の接地端(足平22R,L)付近に設けら
れた関節(足関節18、20R,L)とそれを変位制御
する制御手段とを備えるものにおいて、前記関節と脚部
接地端とを連結するバネ機構体(バネ機構)50、歩行
に必要な前記関節の関節角度指令値(足首角度指令)を
出力する関節角度指令値出力手段(制御ユニット2
6)、及び歩行に必要な前記関節の目標荷重(トルク指
令)を出力する目標荷重出力手段(制御ユニット2
6)、を備えると共に、前記制御手段は、前記目標荷重
を発生させるのに必要な前記バネ機構体の変形角度を求
め、求めた変形角度によって前記関節角度指令値を補正
する(制御ユニット26、第1の補正角度)ように構成
したので、予期しない凹凸、傾斜に遭遇したときも柔軟
に接地して移動環境の踏破性を高め、着地時の衝撃を緩
和すると共に、目標変位を実現するのに必要な床を蹴る
力が不足することがない。
の付近に配置され、前記関節に作用する荷重(足首トル
ク)を検出する荷重検出手段(制御ユニット26、トル
クセンサ(6軸力センサ36))、を備え、前記制御手
段は、前記検出された荷重が前記目標荷重となるように
前記関節角度指令値を補正する(制御ユニット26、第
2の補正角度)ように構成したので、前記した効果に加
えて、更に、荷重変動のうち、高い周波数成分はバネ機
構体で吸収されるので、制御系の応答周波数は余り高く
する必要がなく、トルクフィードバック制御の安定度が
高い。また床の柔らかさの影響を受けにくく、床の硬軟
によってトルクフィードバック制御系の特性が極端に変
わることがなく、その意味でも移動環境での踏破性が向
上する。また、アクチュエータ内部摩擦や減速機摩擦の
影響を余り受けずに制御することができ、コンプライア
ンス制御の精度も向上させることができる。
1の歩行制御装置であって、少なくともその脚部(脚部
リンク2)の足部(足平22R,L)付近に設けられた
関節(足関節18、20R,L)とそれを変位制御する
制御手段とを備えるものにおいて、一端が前記脚部関節
に固定されると共に、他端が前記足部に固定され、弾性
体を介して変位自在に連結されてなるバネ機構体(バネ
機構)50、前記関節の付近に配置され、前記バネ機構
体によって前記関節に作用する荷重(足首トルク)を検
出する荷重検出手段(制御ユニット26、トルクセンサ
(6軸力センサ36))、及び歩行に必要な前記関節の
目標荷重(トルク指令)を出力する目標荷重出力手段
(制御ユニット26)、を備えると共に、前記制御手段
は、前記検出された荷重に応じて前記関節に作用する荷
重が前記目標荷重となるように、前記関節を変位制御す
る(制御ユニット26、第2の補正角度)ように構成し
たので、予期しない凹凸、傾斜に遭遇したときも柔軟に
接地して移動環境の踏破性を高め、着地時の衝撃を緩和
することができる。更に、荷重変動のうち、高い周波数
成分はバネ機構体で吸収されるので、制御系の応答周波
数は余り高くする必要がなく、トルクフィードバック制
御の安定度が高い。また床の柔らかさの影響を受けにく
く、床の硬軟によってトルクフィードバック制御系の特
性が極端に変わることがなく、その意味でも移動環境で
の踏破性が向上する。また、アクチュエータ内部摩擦や
減速機摩擦の影響を余り受けずに制御することができ、
コンプライアンス制御の精度も向上させることができ
る。
前記検出された荷重と前記目標荷重との差に応じた補正
値(第2の補正角度)を前記関節の変位指令値に加え、
よって前記関節に作用する荷重が前記目標荷重となるよ
うに、前記関節を変位制御する(制御ユニット26)よ
うに構成したので、前記した効果に加えて、一層コンプ
ライアンス制御の精度を向上させることができる。
段に高周波数成分を遮断するローパスフィルタ100を
接続するように構成したので、ダンピング特性を得るこ
とができて上体の揺れが抑制され、かつトルクフィード
バック制御の安定性を向上させることができると共に、
ノイズカットなどの副次的な効果を得ることができる。
置を全体的に示す概略図である。
示す説明図である。
て示す説明図である。
図である。
ク線図である。
イアンス制御系にフィルタを挿入した例を示すブロック
線図である。
無視してコンプライアンス制御系を簡略化して示すブロ
ック線図である。
る。
る。
ット) 2 脚部リンク 10R,10L 脚部回旋用の関節 12R,12L 股部のロール方向の関節 14R,14L 股部のピッチ方向の関節 16R,16L 膝部のピッチ方向の関節 18R,18L 足首部のピッチ方向の関節 20R,20L 足首部のロール方向の関節 22R,22L 足平 24 筐体 26 制御ユニット 36 6軸力センサ 50 バネ機構 52 足平プレート 54 ガイド部材 56 ピストン状部材 58,62 間隙 60 弾性体 64 摺動体
Claims (5)
- 【請求項1】 脚式移動ロボットの歩行制御装置であっ
て、少なくともその脚部の接地端付近に設けられた関節
とそれを変位制御する制御手段とを備えるものにおい
て、 a .前記関節と脚部接地端とを連結するバネ機構体、 b .歩行に必要な前記関節の関節角度指令値を出力する
関節角度指令値出力手段 、 及び c .歩行に必要な前記関節の目標荷重を出力する目標荷
重出力手段、 を備えると共に、前記制御手段は、前記目標荷重を発生
させるのに必要な前記バネ機構体の変形角度を求め、求
めた変形角度によって前記関節角度指令値を補正するこ
とを特徴とする脚式移動ロボットの歩行制御装置。 - 【請求項2】 さらに、 d .前記関節の付近に配置され、前記関節に作用する荷
重を検出する荷重検出手 段、 を備え、前記制御手段は、前記検出された荷重が前記目
標荷重となるように前記関節角度指令値を補正すること
を特徴とする請求項1項記載の脚式移動ロボットの歩行
制御装置。 - 【請求項3】 脚式移動ロボットの歩行制御装置であっ
て、少なくともその脚部の足部付近に設けられた関節と
それを変位制御する制御手段とを備えるものにおいて、 a.一端が前記脚部関節に固定されると共に、他端が前
記足部に固定され、弾性 体を介して変位自在に連結され
てなるバネ機構体、 b.前記関節の付近に配置され、前記バネ機構体によっ
て前記関節に作用する荷重を検出する荷重検出手段、 及びc .歩行に必要な前記関節の目標荷重を出力する目標荷
重出力手段、 を備えると共に、前記制御手段は、前記検出された荷重
に応じて前記関節に作用する荷重が前記目標荷重となる
ように、前記関節を変位制御することを特徴とする脚式
移動ロボットの歩行制御装置。 - 【請求項4】 前記制御手段は、前記検出された荷重と
前記目標荷重との差に応じた補正値を前記関節の変位指
令値に加え、よって前記関節に作用する荷重が前記目標
荷重となるように、前記関節を変位制御することを特徴
とする請求項2項または3項記載の脚式移動ロボットの
歩行制御装置。 - 【請求項5】 前記検出手段の後段に高周波数成分を遮
断するローパスフィルタを接続することを特徴とする請
求項1項から4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。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13788192A JP3148827B2 (ja) | 1992-04-30 | 1992-04-30 | 脚式移動ロボットの歩行制御装置 |
US08/049,494 US5455497A (en) | 1992-04-20 | 1993-04-19 | Legged mobile robot and a system for controlling the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP13788192A JP3148827B2 (ja) | 1992-04-30 | 1992-04-30 | 脚式移動ロボットの歩行制御装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH05305584A JPH05305584A (ja) | 1993-11-19 |
JP3148827B2 true JP3148827B2 (ja) | 2001-03-26 |
Family
ID=15208873
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP13788192A Expired - Lifetime JP3148827B2 (ja) | 1992-04-20 | 1992-04-30 | 脚式移動ロボットの歩行制御装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP3148827B2 (ja) |
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