JP3167406B2

JP3167406B2 - 脚式移動ロボットの歩行制御装置

Info

Publication number: JP3167406B2
Application number: JP08810992A
Authority: JP
Inventors: 英男高橋; 龍太郎吉野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1992-03-12
Filing date: 1992-03-12
Publication date: 2001-05-21
Anticipated expiration: 2016-05-21
Also published as: JPH05253866A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は脚式移動ロボットの制
御装置に関し、特に２足歩行の脚式移動ロボットにおい
て予期しない凹凸がある路面でも安定して歩行できる様
にしたものに関する。

【０００２】

【従来の技術】脚式移動ロボットを安定に歩行させる技
術として、リアルタイムに歩容を算出するものが提案さ
れている（Legged Robots on Rough Terrain; Experime
nts inAdjusting Step Length, by Jessica Hodgins. I
EEE, 1988)。しかしこの手法によるときは演算量が膨大
となり、現状では移動ロボットに搭載可能な程度の小型
軽量なコンピュータで、かかる多自由度のロボットを制
御することは困難である。他方、脚式移動ロボットの歩
行を実現する手法として、予め歩容を計算しておいてロ
ボットに搭載したコンピュータのメモリに記憶させてお
き、歩行に際しては簡単なデータ処理のみを行って歩行
を実現する技術が提案されており、その例としては、例
えば特開昭６２─９７００６号公報記載の技術を挙げる
ことができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】後者の技術によるとき
は、移動ロボットに搭載可能な小型軽量のコンピュータ
で多自由度のロボットを制御することが可能となるが、
予め予定された歩容条件と異なる条件と遭遇した場合に
は必ずしも満足に対応することができない。しかも、凹
凸のある路面での歩容を予め算出しておくことは極めて
困難である。

【０００４】従って、この発明の目的は、予め設計して
おいた歩容に基づき、搭載可能な小型軽量のコンピュー
タを用いて脚式移動ロボットの歩行を制御するものにお
いて、予期しない凹凸路面に遭遇したときも安定して歩
行できる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。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ためにこの発明は以下のように構成した。後述する符合
を付して説明すると、請求項１項にあっては、基体（胴
体部）２４と、それに第１の関節（股関節１０，１２，
１４Ｒ（Ｌ））を介して連結され、少なくとも第２の関
節（膝関節１６Ｒ（Ｌ）、足関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ
（Ｌ））をそれぞれ有してなる複数本の脚部リンク２と
からなり、前記複数本の脚部リンクで交互に自重を支持
しつつ歩行する脚式移動ロボット１の歩行制御装置であ
って、各関節に配置したサーボモータ（電動モータ）を
介して各関節角度を目標値（目標関節角度ｑｃ、目標関
節角速度ｄｑｃ）に追従制御するものにおいて、前記基
体の傾斜角度θｘ，θｙ及び／又は傾斜角速度ωｘ，ω
ｙを重力方向に対する絶対角度で検出し（制御ユニット
２６、傾斜センサ４０，４２，Ｓ１８、Ｓ２０２）、前
記検出値に所定のゲインを乗じて得た補正量（ΔＶｃ
３）を遊脚側の脚部リンクの第１の関節及び／又は第２
の関節の制御値に加算する（制御ユニット２６，Ｓ２
０，Ｓ３０６，Ｓ３１０，Ｓ４００，Ｓ５００〜Ｓ５０
４，Ｓ６００〜Ｓ６２０，Ｓ７００〜Ｓ７２０）ように
構成した。また、請求項２項にあっては、前記検出値を
所定値（第１の所定値θｘ-max，θｙ-max、第２の所定
値θｘ-min，θｙ-min）と比較し、その比較結果に応じ
て前記遊脚側の脚部リンクの第１の関節及び／又は第２
の関節の制御値を補正するように構成した。また、請求
項３項にあっては、前記遊脚側の脚部リンクが着地した
とき、補正量を保持し、立脚切り換え後に前記補正量を
経時的に低減させる（制御ユニット２６，Ｓ２０，Ｓ３
０６，Ｓ４０２，Ｓ８００〜Ｓ８０８，Ｓ９００〜Ｓ９
０４，Ｓ１０００）ように構成した。また、請求項４項
にあっては、前記検出値に応じて支持脚側の脚部リンク
の第１の関節及び／又は第２の関節の制御値も補正する
（制御ユニット２６，Ｓ２０，Ｓ３０４）ように構成し
た。また、請求項５項にあっては、前記制御値の補正
を、支持脚側の脚部リンクの第１の関節、支持脚側の脚
部リンクの第２の関節、遊脚側の脚部リンクの第１の関
節、遊脚側の脚部リンクの第２の関節の優先順位で行う
ように構成した。また、請求項６項にあっては、前記補
正制御値を前記追従制御系ループの内側に挿入するよう
に構成した。

【０００６】

【作用】基体の傾斜に応じて遊脚側の脚部リンクの第１
の関節及び／又は第２の関節の制御値を補正するように
したので、より具体的には、例えば請求項１項に記載さ
れるように、基体の傾斜角度及び／又は傾斜角速度を重
力方向に対する絶対角度で検出し、検出値に所定のゲイ
ンを乗じて得た補正量を遊脚側の脚部リンクの第１の関
節及び／又は第２の関節の制御値に加算するようにした
ので、脚式移動ロボットが予期しない凹凸路面に遭遇
し、例えば前傾するときは予定された着地位置よりも前
方に、後傾するときは手前側に、左（右）傾するときは
一層左（右）側に着地させることが可能となって、常に
安定した歩行を実現することができる。

【０００７】

【実施例】以下、脚式移動ロボットとして２足歩行のロ
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（軸）を
備える（理解の便宜のために各関節（軸）をそれを駆動
する電動モータで例示する）。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（ｘ方向）の関節（軸）１２Ｒ，１２Ｌ、同ロール
方向（ｙ方向）の関節（軸）１４Ｒ，１４Ｌ、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、その下部には足平
（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。上記において腰関節は関節
（軸）１０Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）から
構成され、また足関節は、関節（軸）１８Ｒ（Ｌ），２
０Ｒ（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２８Ｒ，２８Ｌで、膝関節と足関節との
間は下腿リンク３０Ｒ，３０Ｌで連結される。

【０００８】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１−３
２４２１８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。

【０００９】ここで、図１に示すロボット１において、
足首部には公知の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Ｆ
ｘ，Ｆｙ，Ｆｚとその方向回りのモーメント成分Ｍｘ，
Ｍｙ，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。また足平の四隅に
は公知の静電容量型の接地スイッチ３８が設けられて、
接地の有無を検出する。更に、胴体部２４の上部には、
一対の傾斜センサ４０，４２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および角加速度と、同
様にｙ−ｚ平面内のｚ軸に対する傾きとその角速度およ
び角加速度とを検出する。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（図１において足関節の電動モータ用のもののみを
示す）。これらセンサ３６など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。

【００１０】図２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４０，４２などの出力はＡ
／Ｄ変換器５０でデジタル値に変換され、その出力はバ
ス５２を介してＲＡＭ５４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可逆カウン
タ５６を介してＲＡＭ５４内に入力されると共に、接地
スイッチ３８の出力は波形整形回路６２を経て同様にＲ
ＡＭ５４内に格納される。制御ユニット内には演算装置
６４が設けられており、ＲＯＭ６６に格納されている歩
行パターンを読み込んで可逆カウンタ５６から送出され
る実測値との偏差から電動モータの速度指令値を算出
し、Ｄ／Ａ変換器６８を介してサーボアンプに送出す
る。また図示の如く、エンコーダ出力はＦ／Ｖ変換回路
を介してサーボアンプに送出されており、後で示す様に
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。

【００１１】続いて、本制御装置の動作を説明する。

【００１２】図３は図２の制御装置の動作を示すブロッ
ク線図である。予めオフラインで平坦路を前提とする歩
行パターンを絶対角度（重力方向に対する角度）で設計
しておき、座標変換して胴体部の角度と関節の角度とし
て記憶しておき、歩行時に胴体部の目標角度と、目標関
節角度ｑｃ（相対角度）と目標関節角速度ｄｑｃ（相対
角速度）とを１２個の関節について時系列に出力する。
ここで目標関節角速度ｄｑｃは、時刻ｔにおける目標関
節角度ｑｃ（ｔ）と次の時刻ｔ＋１における目標関節角
度ｑｃ（ｔ＋１）の差分（即ち、ｄｑｃ＝ｑｃ（ｔ＋
１）−ｑｃ（ｔ））として与えられる。かかる目標値に
追従させるべく、図示の如く、位置のフィードバック制
御と速度のフィードフォワード制御が行われて関節角サ
ーボ系が構成される。この発明で特徴的なことは、前記
したロボット１の胴体部（基体）２４の傾斜角度θｘ，
θｙ（ｘ，ｙ軸回りでの絶対角度）とその角速度ωｘ，
ωｙ（ｘ，ｙ軸回りでの絶対角速度）とを検出し、それ
に応じて安定化補正制御を行うと共に、同様に足平につ
いて接地角度を絶対角度で検出し、検出値に応じて目標
関節角度ｑｃを補正することである。また、着地時には
その衝撃を吸収するためにコンプライアンス制御も行わ
れる。これによって歩行パターンが予期しない凹凸路面
に遭遇したときも、安定して歩行することができる。
尚、図示の如く、歩行安定化補正制御は、応答性を考慮
して関節角サーボ系ループの内側に挿入する。以下、こ
の制御の詳細について図４フロー・チャートを参照して
説明する。

【００１３】図４フロー・チャートにおいて先ずＳ１０
で装置各部をイニシャライズしてパラメータ等を初期設
定し、Ｓ１２で歩行終了ではないことを確認してＳ１４
に進んでタイマ割り込みを待機する。尚、この実施例で
はタイマ割り込みは５ｍｓ毎におこなわれる。

【００１４】Ｓ１４でタイマ割り込みがなされるとＳ１
６に進んで目標値を読み込む。図５はその作業を示すサ
ブルーチン・フロー・チャートであり、同図に従って説
明すると、先ずＳ１００で制御モードを読み込む。図６
の下部にそれを示す。この制御においては片足支持期と
両足支持期とについて”７”から”１２”までの制御モ
ードを設定した（尚、図示は省略するが、直立からスタ
ート、加速などについては”０”から”６”まで、減
速、停止などについては”１３”以降の制御モードを設
定した）。続いて、Ｓ１０２において胴体部２４につい
ての目標傾斜角度（前記した歩行パターンで設定）を読
み込み、Ｓ１０４で目標関節角度（前記したｑｃ、より
具体的には１２個の関節の中の最初の関節についての時
刻ｔにおける目標値）を読み込み、Ｓ１０６で同様に目
標関節角速度ｄｑｃを読み込み、Ｓ１０８で制御ゲイン
（後述）を読み込む。尚、ここで胴体部２４の目標角度
を零とおいて、Ｓ１０２を省略しても良い。

【００１５】図４フロー・チャートに戻ると、続いてＳ
１８に進んでロボットの状態を検出する。図７はそれを
示すサブルーチン・フロー・チャートであり、図示の如
く、Ｓ２００からＳ２０６において前記したセンサなど
の出力を読み込んでロボットの状態を検出する。

【００１６】図４フロー・チャートに戻り、次いでＳ２
０において操作量Ｖｏｕｔを計算する。その作業を示す
図８サブルーチン・フロー・チャートに従って説明する
と、先ずＳ３００において前記した関節角サーボ系によ
る基本制御量Ｖｃを、Ｖｃ＝ｋｐ・（ｑｃ−ｑｆ）＋ｋｆ・ｄｑｃと計算する。ここで基本制御値Ｖｃは各時刻における１
２個の関節の１つ１つについて前記した電動モータの速
度指令値の形で算出される。また上記においてｑｆ：実
関節角度、ｋｐ，ｋｆ：比例ゲイン（一定または可変）
である。

【００１７】次いで、Ｓ３０２に進み、遊脚の着地時に
あればコンプライアンス補正量ΔＶｃ１を計算する
（尚、この補正量および以下に述べる補正量におけるΔ
は前記基本制御量を補正する微小値を意味する。また補
正量は前記基本制御量と同様にモータ速度指令値で算出
される）。これは図９に示す如く、足平２２Ｒ（Ｌ）に
ついて力学モデルを仮想し、足平全体が足関節を中心に
バネレートｋｃｏｍｐを持ったつる巻きバネで吊られて
いるものとし、前記した６軸力センサ３６を介して検出
した足首にかかるモーメントＭｘ，Ｍｙの大きさに比例
した回転変位をすると仮想して行う。即ち、インピーダ
ンス制御を速度分解制御で実現するものである。具体的
には、コンプライアンス補正制御量ΔＶｃ１は、 ΔＶｃ１＝ｋｃｏｍｐ・Ｍｘ（Ｍｙ）で算出する。尚、この補正は足関節１８，２０Ｒ（Ｌ）
に限って行われ、そのうち足関節１８Ｒ（Ｌ）はモーメ
ントＭｙに関して、足関節２０Ｒ（Ｌ）はモーメントＭ
ｘに関して行われる。尚、比例ゲインｋｃｏｍｐは一定
または可変とする。

【００１８】次いでＳ３０４に進んで支持脚側について
傾斜角度、傾斜角速度による補正量ΔＶｃ２を計算す
る。これは図１０に示す様に、両脚支持期または片脚支
持期において、支持脚の腰関節１２，１４Ｒ（Ｌ）と足
関節１８，２０Ｒ（Ｌ）に、胴体部２４の傾斜角度θ
ｘ，θｙと傾斜角速度ωｘ，ωｙに応じて補正量ΔＶｃ
２を、 ΔＶｃ２＝ｋθ・θｘ（θｙ）＋ｋω・ωｘ（ωｙ）と算出する。即ち、胴体部２４の傾斜に応じてロボット
の姿勢の不安定度を検出し、それを修正して安定した姿
勢を回復させる様にした。ここで比例ゲインｋθ，ｋω
は一定または可変とする。

【００１９】次いで、Ｓ３０６に進んで遊脚側の腰関節
１２，１４Ｒ（Ｌ）について同様の制御量ΔＶｃ３を計
算する。その作業を示す図１１サブルーチン・フロー・
チャートを参照して説明すると、先ずＳ４００でこの補
正量ΔＶｃ３を計算する。図１２はその作業を示すサブ
ルーチン・フロー・チャートであり、そこにおいてはＳ
５００からＳ５０４において制御モードが８（左脚支持
期）にあるか、１１（右脚支持期）にあるか否か判断
し、そのいずれかにあると判断されるときは以下に述べ
る作業を行って補正量を算出すると共に、しからざると
きはプログラムを終了する。

【００２０】図１３サブルーチン・フロー・チャートは
図１２サブルーチン・フロー・チャートにおいてモード
８（左脚支持期）にあると判断された場合、即ち、右脚
側の関節１２，１４Ｒについて行われるものであり、先
ずＳ６００において係数ｋｕ（ｔ）の値を検索する。こ
れは図６に示した様に、左脚または右脚の片脚支持期に
おいて経時的に増加する様に設定される係数であってこ
の様な特性を示すデータが前記したＲＯＭ６６内にルッ
クアップテーブルとして格納される。Ｓ６００において
は左脚支持期に入ってからの経過時間ｔに応じて検索す
る。次いでＳ６０２以降に進んで前後方向の、即ち、関
節１２Ｒの補正量（ΔＶｃ３ｙとする）を先ず算出す
る。即ち、Ｓ６０２において検出した傾斜角度θｙ（胴
体部２４のｙ軸回りの傾斜角度）を第１の所定値θｙ-m
ax（図６に示す如く正方向について適宜設定する値）と
比較し、それを超えていると判断されるときはＳ６０４
に進んで超過分に前記したｋｕ（ｔ）と比例ゲインｋｒ
（一定または可変）を乗じて補正値ΔＶｃ３ｙを算出す
ると共に、Ｓ６０２で検出値が第１の所定値以下と判断
されるときはＳ６０６に進んで第２の所定値θｙ-min
（負方向について適宜設定する値）と比較し、それを下
廻っていると判断されるときはＳ６０８に進んで同様に
差分にｋｕ（ｔ），ｋｒを乗じて補正量ΔＶｃ３ｙを算
出する。即ち、図６に示す様に、ロボットの歩行につれ
て傾斜角は変動するが、それについて第１、第２の所定
値を予め設定しておき、それらから規定される範囲を傾
斜角度が超えたときは超えた程度に応じて制御値を補正
する様にした。この結果、具体的には図１４に示す様
に、ロボットが前傾するときは遊脚を歩行パターンで予
定された位置よりも前方側に着地させ、また後傾すると
きは手前側に着地させることができ、これによってロボ
ット１が予期しない凹凸路面に遭遇して姿勢を崩したと
きも直ちに姿勢の回復を図ることができる。これは、続
いて述べる様に左右方向についても同様であって左傾す
るときは遊脚を歩行パターンで予定された位置よりも一
層左側に、右傾するときは一層右側に補正する。

【００２１】尚、図１３フロー・チャートにおいてＳ６
０２とＳ６０６で否定されたときはＳ６１０に至り、補
正量を零とする。以上は前後方向（ｙ軸回り）について
の補正量、即ち、関節１２Ｒ（Ｌ）の補正量を計算する
場合であるが、これは関節１４Ｒ（Ｌ）についての左右
方向（ｘ軸回り）の動作についても同様であり、Ｓ６１
２からＳ６２０において左右方向の傾斜角θｘが第１の
所定値θｘ-maxを超えるか第２の所定値θｘ-min未満で
あるときは、その差分に応じて補正量（ΔＶｃ３ｘとす
る）を計算する（尚、θｘ-max、θｘ-minの特性も図６
に示したθｙ-max、θｙ-minと同様のものを適宜設定す
る）。また図１５は制御モード１１（右脚支持脚）のと
き補正値ΔＶｃ３ｘ，ｙを計算する場合であるが、補正
対象となる関節が左側１２Ｌ，１４Ｌであることを除け
ば、Ｓ７００からＳ７２０における補正量算出作業は、
図１３の場合と全く同様である。

【００２２】図１１フロー・チャートに戻ると、次いで
Ｓ４０２において補正量ΔＶｃ３ｘ，ｙの保持作業を行
う。即ち、補正量ΔＶｃ３ｘ，ｙは、補正した遊脚が着
地した後、両脚支持期の間保持するが、離床後は不要と
なるため、零にする必要がある。そこで、係数ｋｕ
（ｔ）の値を図６に示す様に設定し、両足支持期に補正
量を保持させた後、矢印で示す様に次の片脚支持期（遊
脚切り換え）に徐々に低減させて切り換え時にショック
が生じない様にした。

【００２３】図１６はその補正量の保持作業を示すサブ
ルーチン・フロー・チャートであり、ここではＳ８００
からＳ８０８において現在の制御モードが９，１０，１
２，７にあるか否か判断する。図６に示す様に、これら
は両脚支持期を示しており、この４つのモードのいずれ
かにあるとき、片脚支持期で算出された補正量ΔＶｃ３
ｘ，ｙの保持作業を行う。この中、制御モード９（両脚
支持期前半）と制御モード７（両脚支持期後半）にある
場合を例にとって説明すると、図１７サブルーチン・フ
ロー・チャートの場合（制御モード９）には先ずＳ９０
０で前回の制御モードが８（左脚支持期（右脚遊脚）で
あったか否か判断し、肯定されるときはＳ９０２で、右
脚の補正量ΔＶｃ３ｘ，ｙ（計算されたとき）を保持補
正量ΔＶｃ３ｘ，ｙｏｌｄとし、Ｓ９０４に進んでその
保持補正量を補正量とする。従って、この制御モード時
（両脚支持期）にも基本制御値Ｖｃに保持された値ΔＶ
ｃ３ｘ，ｙが加算されて操作量となる。尚、Ｓ９００に
おいて否定されるときは直ちにＳ９０４にジャンプし、
それ以前に保持していた補正量ΔＶｃ３ｘ，ｙｏｌｄ
（あれば）を補正量とする。また図１８に示す両脚支持
期の後半の制御モード（モード７）にあるときは、その
前に制御モードは両脚支持期の前半であって片脚支持期
ではないことから、片脚支持期で計算された値（あると
きのみ）を保持すべき値に置き換えるステップが不要と
なり、Ｓ１０００において単に保持値を補正量とする。

【００２４】ここで図８フロー・チャートに戻ると、次
いでＳ３０８に進んで接地補正Δｑを計算する。これは
図１９に示す様に、着地時の足関節の絶対角度における
偏差θ０を検出し、それに応じて目標関節角度ｑｃを補
正するものである。即ち、同図に示す様に、ロボット１
の足平２２Ｒ（Ｌ）が平地に着地したときは足平角度の
絶対角度は０度であるが、着地時に突起８０などを踏ん
だときは姿勢が傾いて偏差θ０が生じる。よって、それ
に応じて次の両脚支持期とそれに続く片脚支持期とに足
関節１８，２０Ｒ（Ｌ）の目標角度ｑｃを、偏差θ０に
応じた量Δｑだけ補正して姿勢の回復を図る様にした。

【００２５】図２０サブルーチン・フロー・チャートを
参照して説明すると、先ず右側の足首について決定する
ものとすると、Ｓ１１００において右足首接地補正フラ
グ（後述）のビットが零であることを確認してＳ１１０
２に進み、制御モードが９，１０，１１のいずれかにあ
るか否か判断する。これらは左脚支持（右脚遊脚）期か
ら両脚支持期を経て右脚支持（左脚遊脚）期に至る期間
のいずれかを示す。そこで肯定されたときは次いでＳ１
１０４に進み、右脚の足平２２Ｒの先端が接地している
か否か判断し、肯定されたときはＳ１１０６に進んで前
記したフラグのビットを１にセットした後、Ｓ１１０８
に進んで図示の如く検出値と設定値との偏差θ０を算出
する。従って、次回以降のプログラム起動時にはＳ１１
００の判断は否定されてＳ１１１０に進み、そこで偏差
に応じて目標関節角度の補正量Δｑを算出すると共に、
Ｓ１１１２に進んで制御モードが８（左脚支持（右脚遊
脚）期）にあるか否か判断し、肯定されるときはＳ１１
１４に進んで左足首接地補正フラグのビットを零にし、
Ｓ１１１６において左足首の関節１８，２０Ｌについて
の偏差を零とする。次いでＳ１１１８に進んで制御モー
ドが０（初期値）か否か判断し、肯定されるときはＳ１
１２０，Ｓ１１２２において左右の足首についてのフラ
グのビットを零にリセットする。尚、Ｓ１１０２で否定
されるときは直ちに、またＳ１１０４で否定されるとき
はＳ１１２４で左足関節の偏差を零とした後、Ｓ１１１
２にジャンプする。

【００２６】図８フロー・チャートに再び戻ると、次い
でＳ３１０に進んで基本制御量Ｖｃに上記した補正量が
算出されたときはそれらを加算して操作量Ｖｏｕｔの合
成計算を行う。尚、ここで留意されるべきことは、操作
量の合成計算を行う関節に優先順位を設けることであ
る。即ち、関節の優先順位を、支持脚の腰関節１２，１
４Ｒ（Ｌ）、同足関節１８，２０Ｒ（Ｌ）、遊脚の腰関
節１２，１４Ｌ（Ｒ）、同足関節１８，２０Ｒ（Ｌ）と
し、その順で操作量を合算する様にした。即ち、安定し
た姿勢に寄与するところが大きい関節を優先させたもの
であり、これによって制御に時間的余裕がないときは、
支持脚の足関節と腰関節についてのみ操作量を合成する
ことになる。尚、この優先順位は図８フロー・チャート
の補正量の算出に適用し、時間的に余裕がないときは優
先順位の低い関節の補正量の算出を省略する様にしても
良い。

【００２７】そして図４フロー・チャートに戻り、Ｓ２
２において合成した操作量を出力し、Ｓ２４に進んでモ
ニタ処理を行い、Ｓ２６に進んでフラグ処理を行い、Ｓ
１２で歩行終了と判断されるまでかかる処理を繰り返
す。即ち、上記した操作量の算出は関節ごとに時系列に
行うものであり、例えば時刻ｔにおいて最初の関節１０
Ｒについて開始し、最終の関節２０Ｌに至った後、次の
時刻ｔ＋１において最初の関節に戻って操作量を決定す
る。尚、歩行終了と判断されたときはＳ２８で必要な後
処理を行って制御を終了する。

【００２８】この実施例は上記の如く、関節角サーボ系
を備えた２足歩行の脚式移動ロボットの制御装置におい
て、胴体部の傾斜に応じて支持脚と遊脚の制御量を補正
すると共に、足平角度に応じて目標足関節角度を補正す
る様に構成したので、歩行パターンが予期しない凹凸路
面に遭遇したときも常に安定して歩行することができ
る。更に、着地時にはコンプライアンス制御も行う様に
したので、着地時の衝撃を吸収して一層滑らかな歩行を
実現することができる。

【００２９】尚、上記した実施例において基本制御量を
補正するものとして遊脚の腰関節の補正を初めとする種
々の補正を示したが、それらは全て行わなくても良く、
任意に選択しても良い。

【００３０】更には、遊脚の腰関節について傾斜角度か
ら補正する様にしたが、傾斜角速度を用いて補正しても
良い。

【００３１】更には、図３に示した様に、歩行パターン
を絶対角度で設計することとしたが、それに限られるも
のではなく、相対角度で設計しても良い。但し、その場
合に傾斜角度は絶対角度で検出されることから、適宜に
座標変換して絶対角度を求める必要がある。

【００３２】更には、この発明を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、１足ないしは３足以上の脚式移動ロボットにも妥当
するものである。

【００３３】

【発明の効果】請求項１項にあっては、基体と、それに
第１の関節を介して連結され、少なくとも第２の関節を
それぞれ有してなる複数本の脚部リンクとからなり、前
記複数本の脚部リンクで交互に自重を支持しつつ歩行す
る脚式移動ロボットの歩行制御装置であって、各関節に
配置したサーボモータを介して各関節角度を目標値に追
従制御するものにおいて、前記基体の傾斜角度及び／又
は傾斜角速度を重力方向に対する絶対角度で検出し、前
記検出値に所定のゲインを乗じて得た補正量を遊脚側の
脚部リンクの第１の関節及び／又は第２の関節の制御値
に加算するようにしたので、脚式移動ロボットに搭載可
能な小型軽量のコンピュータを用いて、脚式移動ロボッ
トが予期しない凹凸路面に遭遇しても、例えば前傾する
ときは予定された着地位置よりも前方側に、後傾すると
きは手前側に着地させることなどが可能となって、常に
安定した歩行を実現することができる。

【００３４】請求項２項の装置にあっては、前記検出値
を所定値と比較し、その比較結果に応じて前記遊脚側の
脚部リンクの第１の関節及び／又は第２の関節の制御値
を補正するようにしたので、一層効果的に姿勢の安定化
制御を図ることができる。

【００３５】請求項３項の装置にあっては、前記遊脚側
の脚部リンクが着地したとき、補正量を保持し、立脚切
り換え後に前記補正量を経時的に低減させるようにした
ので、安定した滑らかな歩行制御を実現することができ
る。

【００３６】請求項４項の装置にあっては、前記検出値
に応じて支持脚側の脚部リンクの第１の関節及び／又は
第２の関節の制御値も補正する様にしたので、一層効果
的に安定した姿勢での歩行を実現することができる。

【００３７】請求項５項の装置にあっては、前記制御値
の補正を、支持脚側の脚部リンクの第１の関節、支持脚
側の脚部リンクの第２の関節、遊脚側の脚部リンクの第
１の関節、遊脚側の脚部リンクの第２の関節の優先順位
で行うようにしたので、制御に時間的に余裕のないとき
も効果的に安定した姿勢での歩行を実現することができ
る。

【００３８】請求項６項の装置にあっては、前記補正制
御値を前記追従制御系ループの内側に挿入する様にした
ので、姿勢の回復を迅速に行う応答性に優れた歩行制御
を実現することができる。

【００３９】

【図面の簡単な説明】

【図１】この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である。

【図２】図１に示す制御ユニットの説明ブロック図であ
る。

【図３】図２に示す制御ユニットの動作を示すブロック
線図である。

【図４】図２に示す制御ユニットの動作を示すメイン・
フロー・チャートである。

【図５】図４フロー・チャートの中の目標値読み込み作
業を示すサブルーチン・フロー・チャートである。

【図６】図５フロー・チャートで使用する制御モードを
示すタイミング・チャートである。

【図７】図４フロー・チャートの中のロボットの状態検
出作業を示すサブルーチン・フロー・チャートである。

【図８】図４フロー・チャートの中の操作量計算作業を
示すサブルーチン・フロー・チャートである。

【図９】図８フロー・チャートの中で行われるコンプラ
イアンス制御を説明する説明図である。

【図１０】図８フロー・チャートの中で行われる支持脚
の傾斜補正を示す説明図である。

【図１１】図８フロー・チャートの中の遊脚の傾斜補正
作業を示すサブルーチン・フロー・チャートである。

【図１２】図１１フロー・チャートの中の補正量の計算
作業を示すサブルーチン・フロー・チャートである。

【図１３】図１２フロー・チャートで選択された制御モ
ード８のときの補正量の計算作業を示すサブルーチン・
フロー・チャートである。

【図１４】図８フロー・チャートの中の遊脚の傾斜補正
を説明する説明図である。

【図１５】図１３と同様のものであって、制御モード１
１のときの補正量の計算作業を示すサブルーチン・フロ
ー・チャートである。

【図１６】図１１フロー・チャートの中の補正量の保持
作業を示すサブルーチン・フロー・チャートである。

【図１７】図１６フロー・チャートで制御モード９が選
択されたときの補正量の保持作業を示すサブルーチン・
フロー・チャートである。

【図１８】図１６フロー・チャートで制御モード７が選
択されたときの補正量の保持作業を示すサブルーチン・
フロー・チャートである。

【図１９】図８フロー・チャートの中の接地補正計算作
業を説明する説明図である。

【図２０】図８フロー・チャートの中の接地補正計算作
業を示すサブルーチン・フロー・チャートである。

【符号の説明】

１脚式移動ロボット（２足歩行ロボ
ット）２脚部リンク１０Ｒ，１０Ｌ腰の脚部回旋用の関節（軸）１２Ｒ，１２Ｌ腰のピッチ方向の関節（軸）１４Ｒ，１４Ｌ腰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足平（足部）２４胴体部２６制御ユニット３６６軸力センサ３８接地センサ４０，４２傾斜センサ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基体と、それに第１の関節を介して連結
され、少なくとも第２の関節をそれぞれ有してなる複数
本の脚部リンクとからなり、前記複数本の脚部リンクで
交互に自重を支持しつつ歩行する脚式移動ロボットの歩
行制御装置であって、各関節に配置したサーボモータを
介して各関節角度を目標値に追従制御するものにおい
て、前記基体の傾斜角度及び／又は傾斜角速度を重力方
向に対する絶対角度で検出し、前記検出値に所定のゲイ
ンを乗じて得た補正量を遊脚側の脚部リンクの第１の関
節及び／又は第２の関節の制御値に加算するようにした
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】前記検出値を所定値と比較し、その比較
結果に応じて前記遊脚側の脚部リンクの第１の関節及び
／又は第２の関節の制御値を補正するようにしたことを
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】前記遊脚側の脚部リンクが着地した後、
補正量を保持し、立脚切り換え後に前記補正量を経時的
に低減させるようにしたことを特徴とする請求項１項ま
たは２項記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置。
【請求項４】前記検出値に応じて支持脚側の脚部リン
クの第１の関節及び／又は第２の関節の制御値も補正す
るようにしたことを特徴とする請求項１項から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。
【請求項５】前記制御値の補正を、支持脚側の脚部リ
ンクの第１の関節、支持脚側の脚部リンクの第２の関
節、遊脚側の脚部リンクの第１の関節、遊脚側の脚部リ
ンクの第２の関節の優先順位で行うことを特徴とする請
求項４項記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置。
【請求項６】前記補正制御値を前記追従制御系ループ
の内側に挿入することを特徴とする請求項１項から５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。