JP3183558B2

JP3183558B2 - リンク式移動ロボットの制御装置

Info

Publication number: JP3183558B2
Application number: JP13626292A
Authority: JP
Inventors: 信明小澤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1992-04-28
Filing date: 1992-04-28
Publication date: 2001-07-09
Anticipated expiration: 2016-07-09
Also published as: JPH05305582A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はリンク式移動ロボット
の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、移動ロボットに関する技術として
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; TheAdaptive Suspension Vehicle", The MIT
Press Cambridge, 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 4
33号、pp.1445-1454, 1982. および"Legged Robots on
Rough Terrain; Experiments in Adjusting Step Lengt
h", 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63-150
176 号）も提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記リンク式移動ロボ
ットは、車輪式など他の形態の移動ロボットと比較する
と、自重を支持し、駆動力を発生し、またリンクを振る
ために大出力の関節駆動装置を必要とする。一方、段
差、階段、不整地などの踏破性に優れるが、安定に移動
するためには高度の制御を必要とするといった特徴があ
る。ここで、ロボットの移動のための運動パターン（以
下、歩容と呼ぶ）が適切でない場合、自重とその慣性力
を支持するため、またはイナーシャの大きいリンクを振
るために関節負荷が増加し、一層大出力の関節駆動装置
が必要となる。すると自重とリンクのイナーシャが増加
して、さらに大出力の関節駆動装置が必要となるといっ
た悪循環が発生し、移動ロボットそのものが成立しなく
なる。また、安定性の見地から見ても、歩容が適切でな
いと、リンクを振ることの反力や重心の慣性力が不必要
に大きくなったり、振動的になったりして、所期の安定
性が得られなかったり、外乱に対する復元力が弱くなっ
たりする。またさらに、消費エネルギという観点からみ
ても、歩容が適切でないと無駄なエネルギ消費が避けら
れず、特に、自立型のロボットであれば搭載するエネル
ギ源には限りがあるので、行動できる時間や距離が少な
くなってしまう。

【０００４】したがって、本発明の目的は適切な歩容を
生成できる装置を提供することによって、上記した問題
の発生を未然に防止することにある。

【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如く構成した。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（筐
体）２４とそれに接続される２本の脚部リンク２を有す
ると共に、前記脚部リンクで自重を支持しつつ、アクチ
ュエータ（電動モータ）で駆動されて移動する２足歩行
型のリンク式移動ロボット１の制御装置において、前記
ロボットの姿勢または姿勢の時系列に関する姿勢目標値
を設定する姿勢目標値設定手段（制御ユニット２６，Ｓ
１０からＳ１８）、前記設定された姿勢目標値に従っ
て、前記アクチュエータの目標操作量を決定する目標操
作量決定手段（制御ユニット２６，Ｓ２０，Ｓ３０６，
Ｓ３０８）、及び前記決定された目標操作量となるよう
に前記アクチュエータを動作させるアクチュエータ制御
手段（制御ユニット２６，Ｓ３１０）、を備えると共
に、前記姿勢目標値設定手段は、前記ロボットの重心速
度および加速度の少なくともいずれかの任意の期間にお
けるその絶対値の最大値（例えば重心加速度の最大値Ｇ
ｚツー・ドット.max）が、その実効値（例えば重心加速
度の実効値Ｇｚツー・ドット.rms）に所定の比率（係
数）αを乗じた値未満となるように、前記姿勢目標値を
設定する（制御ユニット２６，Ｓ２２，Ｓ１００からＳ
１１４）ように構成した。また請求項２項にあっては、
前記最大値が減少する方向に、前記姿勢目標値を決定ま
たは修正する手段（制御ユニット２６，Ｓ２２，Ｓ３
０，Ｓ１００からＳ１１４）を備えるように構成した。
また請求項３項にあっては、前記最大値が所定の範囲以
内（例えば−Ｇｚツー・ドット.max〜Ｇｚツー・ドッ
ト.max）になるように、前記姿勢目標値を決定または修
正する手段（制御ユニット２６，Ｓ２２，Ｓ３０，Ｓ１
００からＳ１０６）を備えるように構成した。また請求
項４項にあっては、前記最大値が、その実効値に所定の
比率を乗じた値未満になるように、前記姿勢目標値を決
定または修正する手段（制御ユニット２６，Ｓ２２，Ｓ
３０，Ｓ１００からＳ１１４）を備えるように構成し
た。また請求項５項にあっては、前記最大値が減少する
方向に、前記アクチュエータの目標操作量を修正する手
段（制御ユニット２６，Ｓ２４，Ｓ２８，Ｓ２００から
Ｓ２２０）を備えるように構成した。また請求項６項に
あっては、基体（筐体）２４とそれに接続される２本の
脚部リンク２を有すると共に、前記脚部リンクで自重を
支持しつつ、アクチュエータ（電動モータ）で駆動され
て移動する２足歩行型のリンク式移動ロボット１の制御
装置において、前記ロボットの姿勢または姿勢の時系列
に関する姿勢目標値を設定する姿勢目標値設定手段（制
御ユニット２６，Ｓ１０からＳ１８）、前記設定された
姿勢目標値に従って、前記アクチュエータの目標操作量
を決定する目標操作量決定手段（制御ユニット２６，Ｓ
２０，Ｓ３０６，Ｓ３０８）、及び前記決定された目標
操作量となるように前記アクチュエータを動作させるア
クチュエータ制御手段（制御ユニット２６，Ｓ３１
０）、を備えると共に、前記ロボットの重心の鉛直方向
の速度および加速度の少なくともいずれかが所定の範囲
以内（例えば−Ｇｚツー・ドット.max〜Ｇｚツー・ドッ
ト.max）になるように、前記姿勢目標値を決定または修
正する（制御ユニット２６，Ｓ２２，Ｓ３０，Ｓ１００
からＳ１０６）ように構成した。

【０００６】

【作用】歩容を適切に設定することにより、適切な歩容
で移動することができる様になり、前記した悪循環を未
然に防止でき、重量の増加、リンクイナーシャの増加、
消費エネルギの増加、安定性の低下などの問題点が解決
される。

【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軸まわりに回転）の関
節１２Ｒ，１２Ｌ、同ピッチ方向（ｙ軸まわりに回転）
の関節１４Ｒ，１４Ｌ、膝部のピッチ方向の関節１６
Ｒ，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、
その下部には足平（足部）２２Ｒ，２２Ｌが取着される
と共に、最上位には筐体（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。筐体２４の上
面にはルーフキャリア２８が設けられ、そこに必要に応
じて貨物３０を積載することができる。ルーフキャリア
２８は、図示の如く、筐体２４の上面の四隅に対抗的に
配設された４個のスライダからなり、各スライダはそれ
ぞれｘ方向またはｙ方向に滑動して貨物を挟持した後、
その位置にロックすることができ、ロボット１が歩行す
るとき貨物３０が移動、回転しない様な構成となってい
る。

【０００８】上記において腰関節は関節１０Ｒ（Ｌ），
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、さら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。

【０００９】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。さらに、筐体２４には傾斜センサ４０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。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。さらに、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４
０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３
８などの出力は波形整形回路５８を経て同様にＲＡＭ５
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６０，６２が設けられており、第
１の演算装置６０は後述の如くＲＯＭ６４に格納されて
いる歩行パターンを読み出して目標関節角度（関節駆動
パターン）を算出してＲＡＭ５４に送出する。また第２
の演算装置６２は後述の如くＲＡＭ５４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
な制御値を算出してＤ／Ａ変換器６６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。

【００１１】続いて、この制御装置の動作を説明する。

【００１２】図３はこの制御装置の動作の中の目標軌道
設定手順を示すフロー・チャートである。設定されたデ
ータが図２に示す制御ユニット２６のＲＯＭ６４に格納
され、それに基づいて今述べた様に、制御ユニット２６
で関節駆動制御が行われる。

【００１３】先ず目標軌道設定手順を説明すると、重心
軌道などの位置情報を用いて関節角度を決定してロボッ
トの姿勢を一意に決めるには、その自由度と同数の姿勢
決定パラメータを用いる必要がある。即ち、実施例にか
かるロボット１の場合、１２個の関節を備えて１２個の
自由度を有することから、１２個のパラメータを用いて
各関節を変数とする１２元１次連立方程式を解いて各関
節の関節駆動パターン（目標角度）を決定する。この制
御においては、そのため、１２個のパラメータとして図
４に示す様に、筐体２４の回転角度φｘ，φｙ，φｚ遊脚足平２２Ｒ（Ｌ）の回転角度θｘ，θｙ，θｚ重心の座標Ｇｘ，Ｇｙ，Ｇｚ遊脚足関節１８，２０Ｒ（Ｌ）の交点座標Ａｘ，Ａｙ，
Ａｚを用いる。ここで回転角度は図示の如く、その添字が示
す方向まわりの角度を示す。また重心などの３次元座標
は、支持脚の足平先端位置を原点とする。

【００１４】ここで、この制御を概括すると、これら１
２個のパラメータを一定値または初期値に仮に固定した
上で重心軌道、遊脚軌道などをチェックし、その（加）
速度成分のピーク値を修正して関節トルクが低減する様
に、パラメータとそれから決定される関節駆動パターン
とを補正する様にした。また、いわゆるｚｍｐの概念を
導入して重心軌道を設定することも特徴とする。ここ
で、ｚｍｐ（zero mome-nt point) とは周知の如く、足
裏をある１点で地面に固定したと考えたとき、歩行動作
によってその点にモーメントが発生しない様な点を意味
する。即ち、図５に示す如く、ロボットに働く外力は重
力ｍｇと路面反力Ｆである。即ち、重心Ｇには重力によ
る鉛直方向の力が加わると共に、重心が加速度を受ける
ことによって生ずる慣性力−ｍＧツー・ドットも働き、
その２つの力の合力と地面から受ける路面反力Ｆ、さら
には、各リンクの慣性モーメントと角加速度によって発
生するモーメントの総和Ｍ＝Σ（Ｉｉ・θｉツー・ドッ
ト）とが釣り合ってロボットは歩行する。この路面反力
Ｆを集中荷重としたときの作用点がｚｍｐである。この
ｚｍｐがロボット全体の接地点の外周を結んだ安定領域
（支持多角形）の外に出ると、ロボットは転倒する。従
って、この制御においてはｚｍｐが所定の領域に位置す
る様に、歩容パラメータを設定する。別言すれば、ロボ
ットが路面その他の環境と接触している部分を頂点とし
て構成される多面体又は多角形と、環境からロボットに
作用する全ての外力の合力ベクトルとの交点の集合がｚ
ｍｐである。

【００１５】以下、図３フロー・チャートを参照して説
明すると、先ずＳ１０において筐体２４の回転角度φ
ｘ，φｙ，φｚを設定する。この場合には常に零と設定
した。以下、その理由を述べる。

【００１６】質点系については角運動量の法則、即ち、
質点系のある固定点に関する角運動量の時間的変化の割
合は、外力のその点に関するモーメントの和に等しく、
従って外力の作用しない質点系の角運動量は不変であ
る、なる法則が妥当するが、図６に示す様にロボット１
のｘ−ｚ平面についてこれを示すと、数１に示す様にな
る。

【００１７】

【数１】

【００１８】ここで、ロボット１のある瞬間におけるｚ
ｍｐに関して角運動量の法則を適用すると、ロボット１
に作用する外力は重力と路面反力であるが、路面反力は
ｚｍｐを通るので、外力のモーメントは重力によるもの
だけとなる。従って、数１にｚｍｐの座標を加えて変形
した数２を解くことによってｚｍｐの位置を求めること
ができる。

【００１９】

【数２】

【００２０】ロボット１が安定に歩行するためには、こ
のｚｍｐが安定領域内にあることが必要条件であり、ロ
ボット１の歩容は、この条件式を満足する様に決定され
なければならない。しかし、数２にはロボット１を構成
する各部材の質量、重心位置、イナーシャなどが含まれ
ているために、これらのパラメータをロボット１が歩行
する以前に求めておかなければならない。さらに、ロボ
ット１に貨物３０を積載して歩行させる場合、安定条件
式には、貨物の質量、その重心位置、貨物の重心まわり
のイナーシャも含まれる。このうち質量、重心位置につ
いては前記した６軸力センサ３６を通じて容易に検出す
ることができるが、貨物の重心まわりのイナーシャに関
しては動的な測定が必要となることから、測定困難であ
る。そこで、この制御においては、貨物を実質的に回転
させない歩容でロボット１を歩行させることとした。そ
の結果、貨物相当リンクについてのＩωの項を無視する
ことができ、貨物の重心まわりのイナーシャを予め知る
（測定する）必要がなく、単にその質量と重心位置のみ
を測定すれば良いことになって演算が簡略となる。さら
には、貨物を回転させないこととした結果、荷くずれや
貨物の落下、それに伴う貨物の破損などを未然に防止す
ることができるなどの副次的な効果も生じる。尚、回転
角度φｘ，φｙ，φｚを零とするとしたが、φｘ，φ
ｙ，φｚは、特に零である必要はなく、その微分値であ
る角速度ωｘ，ωｙ，ωｚが実質的に無視できる程度の
大きさであれば、φｘ，φｙ，φｚはどのような値でも
よい。

【００２１】図３フロー・チャートにおいては続いてＳ
１２に進み、遊脚足平の回転角度θｘ，θｚを設定す
る。ここではθｘ，θｚを共に零に設定した。続いてＳ
１４に進み、遊脚足関節の座標のうちのＡｙを設定す
る。図１に示したロボットにおいて、両脚部リンク２の
足関節の歩隔（即ち、足関節のｙ方向の離間距離）を２
００ｍｍに設定したことから、ここではＡｙを２００ｍ
ｍに設定する。

【００２２】続いてＳ１６に進んでｚｍｐ軌道の目標値
を設定する。先にも述べた様に、ロボットが安定に歩行
するためには、片脚支持期にｚｍｐはロボット全体の接
地点の外周を結んだ安定領域内部に、即ち、支持脚の足
裏内に位置しなければならない。人間の歩行も同様にこ
の条件を満足している。そのときのｚｍｐの位置に注目
してみると、ｚｍｐは離床の瞬間に次の片脚支持期の安
定領域の後端にあり、片脚支持期間に安定領域内を移動
して着地の瞬間には前記の安定領域の前端にある。人間
の歩行は着地位置や着地のタイミングを絶妙に調整する
などの方法で歩行の安定化を図っており、非常に高い安
定性を有している。それ故この様なｚｍｐ軌道が合理的
であると推測され、実際に重心の加減速が小さく、また
関節にかかる負荷も小さいことが確かめられた。一方、
運動性能が人間よりも劣る、特に安定性が人間に比較し
て低いと言わざるを得ない現状のロボットでは、ｚｍｐ
を人間と同じ様にすると、離床の直後と着地の直前とで
ｚｍｐが安定領域の端にあったのでは、十分に安定な歩
行を実現することができない。しかし、ロボットには図
１に示した様に足平の面積を比較的大きくすることがで
きる、また関節トルクを大きくすることができる、など
人間にはない特徴があり、これらを活用してｚｍｐ軌道
の目標値を設定することにより、歩行の安定性を向上さ
せることができる。

【００２３】以上から、この制御においては、ｚｍｐが
図７、図８に示す位置にある様にｚｍｐ軌道の目標値を
設定した。即ち、１．離床の瞬間のｚｍｐが、直後の片脚支持期の安定領
域内にあること。２．離床の瞬間のｚｍｐが、直後の片脚支持期の安定領
域内にあり、かつその後端と左右端に対して少なくとも
所定の余裕を持つこと。３．着地の瞬間のｚｍｐが、直前の片脚支持期の安定領
域内にあること。４．着地の瞬間のｚｍｐが、直前の片脚支持期の安定領
域内にあり、かつその前端と左右端に対して少なくとも
所定の余裕を持つこと。５．片脚支持期のｚｍｐが、安定領域に対して少なくと
も所定の余裕を持つこと。尚、言うまでもなく、上記で前（後）端はｘ軸方向の、
左右端はｙ軸方向の位置を示す。

【００２４】即ち、歩行中、種々の外乱などによってロ
ボットが倒れそうになると、ｚｍｐは目標位置から外れ
て移動し、安定領域の境界まで達するとロボットは倒れ
始める。しかしながら、上記の如く構成したことによ
り、離床と着地の瞬間を含む片脚支持期の全ての瞬間に
おいて、ｚｍｐの位置は安定領域の端に対して少なくと
も所定の余裕を持つので、ｚｍｐを安定領域の端まで移
動させるほどの大きい外乱が加わらなければ、ロボット
は傾かない。従って、この余裕が大きいほど安定である
と言える。このとき、各関節は、外力によって生じる負
荷に抗して姿勢を保持するために、能動的にトルクを発
生している。また、姿勢の安定を回復する方向にｚｍｐ
を移動させる様に、積極的に関節トルクを発生すれば、
ロボットに作用する安定性回復力の力積を大きくするこ
とができるので、さらに安定な歩行を実現することがで
きる。このときのｚｍｐの移動量が大きいほど安定性の
回復能力が大きいと言う関係が成立するが、ｚｍｐは安
定領域の外側に出られないので、外乱などがない状態に
おけるｚｍｐを安定領域の十分内側に位置させること
が、安定性を高める要因となる。上記の如く、この制御
においては、足平面積が大きい、関節トルクが大きいと
言う特徴を生かして歩行の安定性を高める様にした。Ｓ
１６で設定するｚｍｐの軌跡の目標値を歩行中に上方か
ら見ると、平面的に示すと、図９に示す様になる。尚、
この明細書では「軌道」は時間に依存した表現を、「軌
跡」は時間に依存しない表現を、意味するものとして使
用する。

【００２５】続いてＳ１８に進んで重心の位置Ｇｘ，Ｇ
ｙ，Ｇｚの初期値を設定する。これについては後で重心
軌道の最適化を図ることから、ここでは単に歩行する姿
勢がとれれば良いと言う程度の値に設定する。続いてＳ
２０に進んで遊脚軌道の初期値を設定する。即ち、遊脚
について未だ設定されていない足関節の座標Ａｘ，Ａｚ
と足平の回転角度θｙについて、とりあえずは遊脚が地
面に接触しない程度の値に設定する。続いてＳ２２に進
み、重心軌道のうちの上下（重力）方向成分Ｇｚについ
て最適化を図る。

【００２６】これについて説明すると、歩行の１周期
（右（左）脚支持期から両足支持期を経て左（右）脚支
持期に至る期間）について重心の位置Ｇｚの上下方向の
変化を見ると、図１０に示す様になる（尚、重心位置の
変化は微小であり、また実際に得られる波形はもっと複
雑であるが、ここでは理解の便宜のため、変化を誇張す
ると共に、波形も滑らかに示す）。また、重心位置が変
位する速度（Ｇｚドットで示す）、重心位置が変位する
加速度（Ｇｚツー・ドットで示す）も併せて同図に示
す。

【００２７】ここでロボットにかかる負荷を図１１に示
す様に例えば膝関節１６Ｒ（Ｌ）について見ると、外力の負荷＝路面反力Ｆ×距離Ｌ路面反力Ｆ＝ｍｇ＋ｍＧｚツー・ドット負荷の合計＝外力の負荷（保持トルク）＋内力の負荷
（加減速トルク）と示すことができる（上下方向についてのみ示す）。即
ち、ロボットの重心の加速度が大きいとロボットに働く
外力もそれに応じて大きくなる。それによって、ロボッ
トはそれに耐えるだけの強度と剛性、アクチュエータの
出力を必要として部材重量の増加、駆動系の重量増加と
なって総重量の増加を強いられ、結果としてロボットに
作用する外力がさらに増大すると言った悪循環が生まれ
る。また、消費エネルギも必要以上に大きくなるため
に、ロボットの作業時間が短縮されると共に、エネルギ
源も大型になり、悪循環に拍車をかける。この悪循環を
断ち切ってロボットの軽量化を図るためには、外力をで
きるだけ小さく抑えた重心軌道の運動パターンで歩行さ
せることが重要である。さらに、関節の保持トルクはそ
の角度を一定として考えれば外力に比例しているので、
外力が大きいときは保持トルクも大きくなる。特に、支
持脚の膝関節の保持トルクは曲げ角度にも強く影響を受
け、曲げ角度が大きくなると、前記した距離Ｌが大きく
なって保持トルクも増加する。また、加減速トルクは関
節の角加速度に比例する。さらに、加速度の変化が大き
いと言うことは、運動パターンとして無駄が多くて滑ら
かさに欠けており、歩行安定性の上からも望ましくな
い。

【００２８】従って、膝関節にかかる負荷を低減するた
めには、重心の加速度を小さく抑え、ロボットに作用す
る外力（路面反力）を低減すること、ならびに重心の高
さを可能な限り高くして支持脚膝関節の曲げ角度（前記
した距離Ｌに比例）を大きくしないことが重要となる。
そこで、この制御においては重心の上下方向の運動パタ
ーンを最適に設定し、歩行中にロボットに作用する外力
の低減化、関節負荷の低減化、消費エネルギの低減化を
図ると共に、歩行安定性を向上させ歩容を人間のそれに
一層近づけて人間の作業動作環境への適応を容易にする
様にした。

【００２９】以下、図１２のサブルーチン・フロー・チ
ャートを参照して重心の鉛直方向軌道の最適化を説明す
る。まず図１２のＳ１００では図３のフロー・チャート
のＳ１８で初期設定された、又はＳ２２でこれから述べ
る様に修正されることになる重心の鉛直方向軌道を初期
値として、図３のフロー・チャートのＳ１０，Ｓ１２，
Ｓ１４，Ｓ１６，Ｓ１８，Ｓ２０で設定された他の歩容
パラメータ、又は後で述べる様にＳ２４，Ｓ２６で修正
されることになる遊脚軌道、重心の前後、左右方向の軌
道を前提とした時に取れる姿勢のなかで最も高い重心の
鉛直方向軌道を探索して、重心の鉛直方向限界軌道（Ｇ
ｚ.lim軌道）とする。ここで得られた重心の鉛直方向限
界軌道（Ｇｚ.lim軌道）を図１０の上段のグラフに一点
鎖線で示した。この重心の鉛直方向限界軌道（Ｇｚ.lim
軌道）では少なくとも左右どちらかの膝関節１６Ｒ
（Ｌ）が伸び切った姿勢となっている。重心の鉛直方向
限界軌道（Ｇｚ.lim軌道）を重心の鉛直方向軌道（Ｇｚ
軌道）としてＳ１０２に進む。Ｓ１０２では重心の鉛直
方向軌道（Ｇｚ軌道）の最小値Ｇｚ.minを探索する。

【００３０】続いてＳ１０４では鉛直方向の重心加速度
のリミット処理を行う。Ｓ１０２で探索したＧｚ.minと
なる時刻から時間の進む方向と戻る方向の両方向に向け
て鉛直方向の重心加速度（図１０の下段のグラフに一点
鎖線で表す）のチェックを行い、もしある時刻における
鉛直方向の重心加速度の絶対値が所定の鉛直方向の重心
加速度の最大値（Ｇｚツー・ドット.max）を超えていた
場合には、その時刻における鉛直方向の重心加速度が所
定の鉛直方向の重心加速度の最大値（Ｇｚツー・ドッ
ト.max）になるように、かつ重心の鉛直方向限界軌道
（Ｇｚ.lim軌道）を超えないように鉛直方向の重心軌道
（Ｇｚ軌道）に修正を加える。かように修正されたＧ
ｚ.lim軌道のＧｚツー・ドット軌道を図１０の下段のグ
ラフに実線で示す。また、同様に鉛直方向の重心速度
（Ｇｚドット）のリミット処理を行ってもよい。これで
全ての時刻における鉛直方向の重心加速度（速度）が所
定の範囲内（−Ｇｚツー・ドット.max〜Ｇｚツー・ドッ
ト.max、−Ｇｚドット.max〜Ｇｚドット.max）にあると
いう条件を満足する軌道のなかでその平均高さが最も高
い鉛直方向の重心軌道が実現される。実施例では所定の
鉛直方向の重心加速度の最大値（Ｇｚツー・ドット.ma
x）を０．２ｇ〜０．７ｇ（ｇ：重力加速度）と設定し
た場合に良好な結果が得られた。

【００３１】図１２サブルーチン・フロー・チャートに
おいては続いてＳ１０６に進んで、図１０の上段のグラ
フに示す様に、Ｇｚ軌道の最小値Ｇｚ．ｍｉｎに対して
所定の余裕Ｇｚ.margin を持たせる様に、下方に平行移
動させる（よって求められる値を図１０の上段のグラフ
に「Ｇｚ軌道（最終値）」で示す）。即ち、例えば図１
３と図１４に示す様に、膝関節が比較的大きく曲がった
状態（図１３）と膝関節が大きく伸びた状態（図１４）
とでは図１５に示す様に、膝関節角度の変化分Δθ1,2
と重心位置の上下方向変化分Δｚとの割合が大きく相違
する。即ち、図１４の様に重心の高さが限界高さに近づ
くと、支持脚膝関節が伸び切った状態に近づくために重
心高さに対する支持脚膝関節の感度（Δθ2 ／Δｚ）が
図１３の場合のそれ（Δθ1 ／Δｚ）に比較して大きく
なり、任意の時間内で重心高さＧｚをΔｚだけ変化させ
るために必要な支持脚膝関節の加減速トルクが増大して
膝関節にかかる負荷が全体として増加するからである。
この理由から所定の余裕を持たせると共に、実施例では
その余裕Ｇｚ.margin を１０ｍｍとした。尚、この結
果、前記した曲げ角度（距離Ｌに比例）は大きくなり、
保持トルクは増加するが、それ以上に加減速トルクが減
少するので膝関節にかかる負荷の合計は減少することに
なる。

【００３２】図３フロー・チャートに戻ると、続いてＳ
２４に進んで遊脚軌道の最適化を行う。これは膝関節と
足関節とについて今述べたＧｚ軌道の最適化と同様な処
理を行って関節駆動アクチュエータの負荷を軽減し、小
型軽量化を図るものである。即ち、先に述べた様に、ロ
ボットの歩容を一意に決定するためには、その自由度と
同数のパラメータを必要とすることになるから、遊脚の
位置と方向などを指定するためには、少なくとも６個の
パラメータを使用することになる。このとき、脚先端の
位置と方向とを単に指定しておき、それから各関節の駆
動パターンを決定するのみとすると、駆動パターンは歩
容決定パラメータに従属に決定されてしまい、場合によ
っては関節駆動パターンの角加速度、角速度、動作角度
が必要以上に大きくなることがあり得る。その結果、関
節を駆動するアクチュエータは必要以上の出力を要求さ
れて大型になり、高速で運動する脚部リンクやロボット
全体の重量も増加してＧｚ軌道の最適化で述べたと同様
の不都合が生じ得る。また、歩行中はｚｍｐが安定領域
内になければならないと言う条件を満足する必要がある
が、そのために遊脚の運動に不必要な加速度のピークを
持たせてしまった場合、この運動が重心の運動にも反映
されて重心の運動まで不要なピークを持ったものとなっ
たり、ｚ軸まわりの回転モーメントを発生したりして歩
行を不安定にする。そこで、この制御において関節の駆
動パターンの角加速度、角速度のピーク値を抑制するこ
ととした。

【００３３】図１６サブルーチン・フロー・チャートを
参照してこの遊脚軌道の最適化について説明すると、ま
ずＳ２００において足関節１８Ｒ（Ｌ）の角加速度、角
速度の許容最大値θａツー・ドット.lim，θａドット.l
imと膝関節１６Ｒ（Ｌ）の角加速度、角速度の許容最大
値θｋツー・ドット.lim，θｋドット.limを設定する。
次に、Ｓ２０２において設定されている歩容パラメータ
から図１に示した１２個の関節について各関節の駆動パ
ターンを計算する。続いて、Ｓ２０４に進んで計算され
た関節駆動パターンのうち、足関節１８Ｒ（Ｌ）の角加
速度θａツー・ドット、角速度θａドットを計算し、そ
れぞれの最大値θａツー・ドット.max，θａドット.max
を探索する。続いて、Ｓ２０６に進んで膝関節について
も足関節と同様に角加速度、角速度の最大値θｋツー・
ドット.max，θｋドット.maxを探索する。次にＳ２０８
に進んで足関節１８Ｒ（Ｌ）の角加速度、角速度の最大
値θａツー・ドット.max，θａドット.maxがＳ２００で
あらかじめ適切に設定されているそれぞれの許容最大値
θａツー・ドット.lim，θａドット.limを超えているか
どうか判定する。

【００３４】もし、足関節１８Ｒ（Ｌ）の角加速度、角
速度の最大値θａツー・ドット.max，θａドット.maxが
許容最大値θａツー・ドット.lim，θａドット.maxを超
えている場合は、Ｓ２１０に進みθｙを修正する。これ
は、θｙと足関節の駆動パターンに直接的な関係があ
り、θｙを修正することにより足関節の駆動パターンの
角加速度、角速度を許容範囲内に収めることができるか
らである。以下、図１７に沿ってその手順を説明する。
図１７の左半分は歩容パラメータの内のθｙの軌道を、
右半分は歩容パラメータから計算された足関節の駆動パ
ターンを表しており、上段は角度を、中段は角速度を、
下段は角加速度を表している。それぞれのグラフで実線
はＳ２１０で修正される前の軌道を、一点鎖線は修正さ
れた後の軌道を表している（但し、θｙ，θｙドット、
及びθａのグラフにおいては実線と一点鎖線はほぼ重な
り合っている）。

【００３５】実施例では初めに左側θｙのグラフに実線
で示した軌道を初期値として図３のＳ２０で与えた。θ
ｙの角速度θｙドット、角加速度θｙツー・ドットもそ
れぞれのグラフに実線で示した。他の歩容パラメータも
図３のＳ１０，Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６，Ｓ１８で与え
られている。これらの歩容パラメータに対して、計算さ
れた足関節の駆動パターンを右側θａのグラフに実線で
示した。とくに中段の角速度（θａドット）、下段の角
加速度（θａツー・ドット）のグラフに示したようにそ
れぞれ角速度、角加速度の最大ピーク値が大きく、また
角加速度ではその変化も激しい。そこで、足関節駆動パ
ターンの角加速度θａツー・ドットのグラフに破線で示
した許容最大値θａツー・ドット.limを設け、任意の時
刻における角加速度θａツー・ドットと比較を行ない、
後者が前者よりも大きいときは、それを超えた割合に応
じて同じ時刻におけるθｙの角加速度を修正する。例え
ば、ある時刻における足関節駆動パターンの角加速度θ
ａツー・ドットと足関節駆動パターンの角加速度の許容
最大値θａツー・ドット.limの比がθａツー・ドット／
θａツー・ドット.lim＝１．２であったとすれば、同時
刻におけるθｙの角加速度θｙツー・ドットを（１／
１．２）倍に修正する。この修正を足関節駆動パターン
の角加速度θａツー・ドットが足関節駆動パターンの角
加速度の許容最大値θａツー・ドット.limよりも大きい
全ての時刻に対して行なうと、θｙの角加速度はθｙツ
ー・ドットのグラフ中の一点鎖線で示すように修正され
る。これを２回、積分して歩容パラメータθｙの新しい
軌道とする。θｙとθｙドットはθｙツー・ドットが積
分したものとなるので、θｙツー・ドットが修正された
ことによる変化はグラフ中では明確になっていない。こ
の新しく修正された歩容パラメータθｙから計算された
足関節駆動パターンをグラフ中に一点鎖線で示した。θ
ｙと同様の理由で足関節の駆動パターンθａでみるとほ
とんど変化がないように見えるが、足関節駆動パターン
の角速度で見ればその最大ピーク値が小さくなっている
こと、角加速度で見れば最大ピーク値が小さくなると共
にその変化が少なくなっていることが認められ、Ｓ２０
８でのθｙ修正の効果が出ていることがわかる。

【００３６】以上は角加速度に対する修正について説明
したが、角速度についても同様な処理を行なってもよ
い。これでＳ２１０のθｙの修正処理は終了し、Ｓ２０
２へ戻る。Ｓ２０２に戻る理由についてはＳ２２０から
Ｓ２０２へと戻る理由と併せて後記する。

【００３７】また、足関節１８Ｒ（Ｌ）の角加速度、角
速度の最大値θａツー・ドット.max，θａドット.maxが
許容最大値θａツー・ドット.lim，θａドット.limを超
えていない場合にはＳ２１２に進む。Ｓ２１２では、Ｓ
２０４で計算した膝関節の角加速度、角速度の最大値θ
ｋツー・ドット.max，θｋドット.maxとあらかじめ適切
に設定されているそれぞれの許容最大値θｋツー・ドッ
ト.lim，θｋドット.limの比較を行ない、前者が後者よ
りも大きくないときは遊脚軌道は最適であると判断さ
れ、遊脚軌道の最適化処理は終了し図３のＳ２６へと続
く。もし、前者が後者よりも大きいときはＳ２１４へ進
み、以降の処理を受ける。

【００３８】Ｓ２１４では膝関節の駆動パターンを改善
する過程で必要になる遊脚腰関節の位置を算出する。Ｓ
２１６では、Ｓ２０２算出された膝関節の駆動パターン
に角加速度、角速度のリミットをかける処理を行なう。
以下、図１８に沿ってその手順を説明する。図１８の上
段は遊脚期の膝関節駆動パターンを、中段はその微分値
である角速度パターンを、下段は二階微分値である角加
速度パターンを示している。これらの図中ではＳ２０２
で算出された膝関節の駆動パターンに関するものを実線
で表示している。下段のグラフの破線はＳ２００で設定
されたθｋツー・ドット.limを示している。角加速度の
グラフでみると、Ｓ２０２で算出された膝関節の角加速
度パターンでは一部、許容最大値のθｋツー・ドット.l
imを超えている。Ｓ２１６ではこの部分の角加速度にリ
ミットをかけて最大角加速度θｋツー・ドット.maxが最
大許容角加速度θｋツー・ドット.limを超えないように
膝関節駆動パターンの角加速度パターンを修正する。Ｓ
２１８ではＳ２１６で修正された角加速度パターンを積
分して角速度パターンを、さらにもう一度積分して膝関
節の駆動角度パターンを算出する。修正された膝関節駆
動角度パターン、角速度パターン、角加速度パターンを
図中に一点鎖線で示した。次に、Ｓ２２０に進みＳ２１
４とＳ２１８で算出された遊脚腰関節１２Ｒ（Ｌ）位置
と膝関節駆動角度パターンから図１９に示したように、
遊脚腰関節と遊脚足関節を結ぶ直線の角度が変化しない
ように歩容パラメータである遊脚足関節１８，２０Ｒ
（Ｌ）の交点の座標（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ）の軌道を修正
し、Ｓ２０２へ戻る。

【００３９】ここで、Ｓ２１０とＳ２２０からＳ２０２
へと戻る理由について記す。Ｓ２１０では足関節の駆動
パターンの改善をθｙ軌道を修正することにより、また
Ｓ２２０では膝関節の駆動パターンの改善を遊脚足関節
１８，２０Ｒ（Ｌ）の交点座標軌道（Ａｘ，Ａｙ，Ａ
ｚ）を修正することにより試みたが、足関節の駆動パタ
ーンはθｙに単独に依存しているわけではなく、また膝
関節の駆動パターンは遊脚足関節軌道のみに依存してい
るわけでもないので、θｙ軌道や遊脚足関節軌道を一度
修正するだけでは足関節駆動パターンや膝関節駆動パタ
ーンが充分に改善されない場合がある。さらに、θｙを
修正した影響は膝関節の駆動パターンにも、また遊脚足
関節軌道を修正した影響は足関節軌道パターンにも及ぶ
ので一旦、Ｓ２０８又はＳ２１２のどちらかの判定条件
を満足したとしても、他方の条件を満足させるために行
なった修正によって一旦は満足したほうの条件に再び適
合しなくなる場合がないとはいえないからである。その
ためにＳ２０２に戻り、Ｓ２０８，Ｓ２１２の判定条件
を満足するまでループをまわり歩容パラメータの修正を
行なう必要があるのである。

【００４０】以上述べた遊脚軌道の最適化処理について
まとめると、即ち、初期設定された遊脚軌道から得られ
る足（膝）関節の角加速度は実際には図１７、図１８に
示す様に無駄が多いものであるが、かかる処理を繰り返
すことにより遊脚期間中の足関節及び膝関節の負荷を必
要最小限度になる様に適正に修正することができる。ま
た、先に述べた様に、関節駆動パターンを歩容を決定す
るための遊脚足関節の位置、遊脚足平の回転角度や他の
変数に従属させて決定すると、その角加速度、角速度の
ピーク値が大きくなる場合が生じ得ることから、この制
御においては関節の駆動パターンを主変数として取り上
げ、遊脚足関節の位置、遊脚足平の回転角度を従属変数
とし、関節の駆動パターンを陽に設定する如くした。以
上から、関節を駆動するアクチュエータの負荷を軽減す
ることができ、小型軽量化を実現することができる。ま
た、無駄な動作はなくなるので、不必要なエネルギ消費
も避けることができる。さらに、ロボット全体の運動が
滑らかになるので、脚部リンクを振ることによって発生
する反力も最小限となり、安定性に優れ、人間の作業動
作環境への適応性が高い歩行を実現することができる。

【００４１】図１６のＳ２１０とＳ２２０の両方の判定
条件を満足したときには遊脚軌道の最適化処理ルーチン
から抜け出して図３のＳ２６へと続く。図３のＳ２６で
は姿勢決定パラメータのである重心の前後、左右方向の
軌道（Ｇｘ，Ｇｙ）を算出する。即ち、Ｇｘ，Ｇｙ軌道
はこれまでの手順において設定された他の姿勢決定パラ
メータの軌道とＳ１６で設定されたｚｍｐ軌道を満足す
るよう算出される。

【００４２】図３フロー・チャートにおいては続いてＳ
２８で遊脚軌道が最適条件（図１６のＳ２０８，Ｓ２１
２と同じ）を満足しているかどうかチェックする。この
チェックが必要な理由について述べると、Ｓ２４で最適
化された遊脚軌道（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ，θｘ，θｙ，θ
ｚ）はその時点において設定されていたほかの姿勢決定
パラメータの軌道を前提条件としていたが、その内のＧ
ｘ，Ｇｙ軌道がＳ２６において修正されたために遊脚軌
道の最適条件を満足しなくなることがあるからである。
もし、この最適条件を満足していない場合はＳ２４に戻
り再び遊脚軌道の最適化を行なう。しかしここで、Ｇ
ｘ，Ｇｙ軌道を修正しても、それが遊脚軌道の最適性、
即ちここでは足関節および膝関節の駆動パターン、に与
える影響は小さいので、Ｓ２４→Ｓ２６→Ｓ２８→Ｓ２
４を巡るループは数回のうちに収束する。Ｓ２８の判定
条件を満足したならばＳ３０に進む。

【００４３】Ｓ３０ではＳ２８で遊脚軌道の最適性をチ
ェックしたことと同様の理由からＳ２２で最適化した際
の条件、より具体的には、Ｓ１０６で与えたはずの所定
の余裕Ｇｚ.margin が確保されているかどうかのチェッ
クを行なう。Ｓ２２では最適化の条件として、他にも最
大加速度、最大速度の制約も与えたが、Ｇｚ軌道は姿勢
決定パラメータとなっているためこれらの条件に変化は
ないからである。所定の余裕Ｇｚ.margin が確保されて
いるかどうかのチェックを行なう必要がある理由は、Ｓ
２２で最適化されたＧｚ軌道はその時点において設定さ
れていた姿勢決定パラメータの軌道を前提条件として探
索されたＧｚ.lim軌道に対してＧｚ.margin が与えられ
ていたが、Ｓ２２からＳ３０にいたる過程で遊脚軌道、
並びにＧｘ，Ｇｙ軌道に修正が加えられ前提条件が変わ
り、それに伴ってＧｚ.lim軌道も変化している場合が考
えられるためである。この条件が満足されていない場合
にはＳ２２へと戻って、再びＧｚ軌道の最適化を行な
う。この、Ｓ２４→Ｓ２６→Ｓ２８→Ｓ２４のループを
含むＳ２２・・・Ｓ３０→Ｓ２２を巡るループもＳ２４
→Ｓ２６→Ｓ２８→Ｓ２４のループでの修正がＧｚ.lim
軌道に与える影響は小さいので数回のうちに収束する。
これで歩容、即ち、姿勢決定パラメータの軌道全ての設
定が終了する。

【００４４】上記の如くして重心軌道、遊脚軌道を含む
ロボットの全ての目標姿勢が時系列に決定される。

【００４５】続いて、図２０フロー・チャートを参照し
て歩行時の制御について説明する。先ずＳ３００でイニ
シャライズした後、Ｓ３０２で歩行終了ではないことを
確認してＳ３０４に進み、そこでタイマ割り込みを待っ
て時刻ｔ＝ｎとする。続いてＳ３０６に進んで図３フロ
ー・チャートに示した手順で設定された目標軌道を読み
出し、Ｓ３０８に進んで時刻ｔにおける関節駆動パター
ンに変換し、Ｓ３１０に進んで各関節がその駆動パター
ンになる様にモータの指令値を決定し、Ｓ３１２で時刻
をタイマ割り込み間隔に等しいΔｔだけ更新し、Ｓ３０
２を経てＳ３０４に戻って更新時刻のタイマ割り込みを
待機する。そして、割り込みがあったときは更新時刻に
ついて同様の処理を行い、以下、Ｓ３０２で歩行終了と
判断されない限り継続し、Ｓ３０２で歩行終了と判断さ
れるときはＳ３１４に進んで必要な後処理をして終わ
る。

【００４６】この実施例は上記の如く、予め設定する歩
行パターンを関節角度ではなく、重心軌道、遊脚軌道な
どのロボットの姿勢で設定したので、脚式移動ロボット
の目標歩容を正確に表現することができる。さらに、重
心軌道については重心位置を大きく変えることなく、そ
の重力方向の加速度の最大値を０．２ｇ〜０．７ｇ以下
に抑制し、あるいはその重力方向の加速度の最大値をそ
の実効値の１１０％以下に抑制し、遊脚軌道についても
足関節と膝関節の角加速度をそれぞれ適宜設定する許容
値以下となる様に抑制したので、関節にかかる負荷を効
果的に低減して関節駆動系の小型軽量化、消費エネルギ
の低減化を図ることができる。さらに、これらの軌道が
滑らかで無駄のないものとなって関節の加減速トルクも
低減できて関節にかかる負荷をその意味からも低減する
ことができると共に、歩行安定性も増して人間の作業動
作環境への適応性を向上させることができる。

【００４７】またｚｍｐの概念を導入してｚｍｐが所定
の軌跡を辿る様に重心軌道を設定する様にしたことか
ら、常に安定した歩行を確保することができる。また貨
物を積載して歩行するときも、貨物を回転させない歩容
に設定してｚｍｐが所定の軌跡を辿る様に重心軌道を設
定する様にしたことから、貨物を積載するときも常に安
定した歩行を実現することができ、さらには貨物を落下
させるなどの不都合を生じることがない。

【００４８】図２１は図１２に示したＧｚ軌道の最適化
の別の例を示すサブルーチン・フロー・チャートであ
る。この例では、図２１に示すように所定の鉛直方向の
重心加速度の最大値（Ｇｚツー・ドット.max）を決定す
る指標として、鉛直方向の重心加速度の実効値（Ｇｚツ
ー・ドット.rms（root me-an square value ））を参照
するようにしたところ、図１２に示した例と同様に良好
な結果を得た。図２１のサブルーチン・フロー・チャー
トに沿って図１２に示した例と相違する点を中心に説明
すると、図１２に示した例と同様のステップ（Ｓ１００
〜Ｓ１０２）の後にＳ１０８を追加し、そこで後に追加
ステップＳ１１２で鉛直方向の重心加速度のリミット処
理が終了したことを判断するときに使用される所定の係
数αの設定と鉛直方向の重心加速度の最大値（Ｇｚツー
・ドット.max）を大きめに設定する。次いでＳ１０４に
進み、図１２に示した例と同様に加速度（速度）のリミ
ット処理を行い、次のＳ１１０で得られた鉛直方向の重
心軌道の加速度の実効値（Ｇｚツー・ドット.rms）を求
める。続いて、Ｓ１１２では設定されている鉛直方向の
重心加速度の最大値（Ｇｚツー・ドット.max）とＳ１１
０で求められた重心軌道の加速度の実効値（Ｇｚツー・
ドット.rms）にαを乗じた値の比較を行ない、もし前者
が後者よりも小さければＳ１０６に進み、図１２に示し
た例と同様に鉛直方向の重心軌道に所定の余裕（Ｇｚ.m
argin ）を与える処理を行なう。また逆に前者が後者よ
りも大きければＳ１１４に進み、鉛直方向の重心加速度
の最大値（Ｇｚツー・ドット.max）をより小さい値に設
定し直してＳ１０４に戻り、Ｓ１１２の条件を満足する
までこれを繰り返す。実施例では、この所定の係数αの
値は１．１とした。この指標を導入することにより、鉛
直方向の重心軌道の平均高さの低下を最小限に抑え、か
つ、鉛直方向の重心加速度の最大ピーク値を必要最小限
度とした鉛直方向の重心軌道が達成される。よって、支
持脚関節、特に膝関節の負荷のうち保持トルクの軽減が
実現できる。尚、残余の構成は図１２に示した例と同様
である。また、鉛直方向の重心速度（Ｇｚドット）につ
いて同様の処理を行っても良い。

【００４９】尚、上記において基体の上面に貨物を積載
する様にしたが、それに限られるものではなく、脚部リ
ンクなどに積載個所を設けても良い。要は、貨物積載部
位リンク系のイナーシャを無視できる様にすれば良い。
またｘ，ｙ，ｚ軸まわりの回転角速度ωｘ，ωｙ，ωｚ
を全て零または実質的に無視できる程度の大きさとした
が、それに限られるものではなく、任意の１軸または２
軸まわりの回転角速度のみを零または実質的に無視でき
る程度の大きさとして、歩容設計の自由度を考慮しつ
つ、貨物のイナーシャの測定作業、及び演算量を低減さ
せても良い。また回転角度を用いたが、回転角速度、角
加速度を用いても良い。

【００５０】尚、上記においてはｚｍｐを用いたが、ロ
ボットの移動速度が低速度のときは動的な成分であるロ
ボットの重心に働く慣性力、及び各リンクのイナーシャ
と角加速度により発生する慣性力を無視しても実質的に
安定性が低下することは無いので、ｚｍｐに代えて、こ
れと実質的に等価であるところのロボットの接地面への
重心の投影点を用いても良い。また、ロボットの全質量
に対する脚部リンクの質量の割合が非常に小さいとき、
あるいは脚部リンクのイナーシャが非常に小さいとき
は、同様の理由により、ｚｍｐに代えて、ロボットの重
心に作用する重力と慣性力のみの合力と接地面との交点
を用いても良い。

【００５１】尚、上記の遊脚軌道の最適化においては、
膝関節及び足関節の関節角速度、角加速度の絶対値の最
大値が所定値を超えない様に構成したが、それに限られ
るものではなく、各関節角度の動作範囲の最大値が所定
値を超えない様に構成しても良く、また各関節に作用す
る負荷を直接検出し、その絶対値の最大値が所定値を超
えない様にしても良い。さらにこれらにおいて、図２１
に示したＧｚ軌道の最適化の別の例と同様に実効値を参
照する様に構成しても良く、あるいは絶対値の最大値ま
たは実効値が減少する様に構成しても良い。また、この
遊脚軌道の最適化の手法は、遊脚だけでなく支持脚にも
妥当するものである。

【００５２】尚、上記において重心の位置を用いてきた
が、重心位置に代えてこれと実質的に置換可能な部位の
位置、例えば腰の位置（左右の腰関節の中点）を用いて
も良い。即ち、図４で示したロボット１の場合には、歩
行中に取られる全ての姿勢において重心位置が大きく変
化することはなく、およそ腰の位置にあるので、腰の位
置を用いることによっても本制御の目的を達成し得るか
らである。この様に、力学的な計算が必要となる重心位
置に代え単に幾何学的な計算のみにより求めることので
きる腰の位置を用いることにより、演算量を低減するこ
とが可能となる。

【００５３】尚、上記において脚式移動ロボットの脚部
リンクについて説明してきたが、この発明は腕部リンク
についても妥当するものであり、例えばリンク式ロボッ
トが脚部リンクで路面を歩行しつつ腕部リンクで壁に寄
り掛かりながら移動する場合や、脚部リンクと共に腕部
リンクをも路面に接地させつつ移動する場合、さらには
腕部リンクのみにより、天井からの突起物にぶら下がり
ながら空間を移動する様な場合などにも妥当するもので
ある。

【００５４】尚、この発明を２足歩行の脚式移動ロボッ
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。

【００５５】

【発明の効果】請求項１項にあっては、基体とそれに接
続される２本の脚部リンクを有すると共に、前記脚部リ
ンクで自重を支持しつつ、アクチュエータで駆動されて
移動する２足歩行型のリンク式移動ロボットの制御装置
において、前記ロボットの姿勢または姿勢の時系列に関
する姿勢目標値を設定する姿勢目標値設定手段、前記設
定された姿勢目標値に従って、前記アクチュエータの目
標操作量を決定する目標操作量決定手段、及び前記決定
された目標操作量となるように前記アクチュエータを動
作させるアクチュエータ制御手段、を備えると共に、前
記姿勢目標値設定手段は、前記ロボットの重心速度およ
び加速度の少なくともいずれかの任意の期間におけるそ
の絶対値の最大値が、その実効値に所定の比率を乗じた
値未満となるように、前記姿勢目標値を設定するように
構成したので、適切な歩容、姿勢目標値が容易に設定で
き、それに応じたアクチュエータの目標操作量が決定で
き、さらにそれに応じてアクチュエータを駆動できる。
その結果、前記リンク式移動ロボットは適切な歩容で移
動することができるようになり、前記した悪循環を未然
に防止することができ、重量の増加、リンクイナーシャ
の増加、消費エネルギの増加、安定性の低下などの問題
が解決される。

【００５６】請求項２項にあっては、前記最大値が減少
する方向に、前記姿勢目標値を決定または修正する手段
を備えるように構成したので、請求項１項の効果に加
え、自動的に歩容をより良い方向に修正できる。

【００５７】請求項３項にあっては、前記最大値が所定
の範囲以内になるように、前記姿勢目標値を決定または
修正する手段を備えるように構成したので、同様に自動
的に歩容をより良い方向に修正できる。

【００５８】請求項４項にあっては、前記最大値が、そ
の実効値に所定の比率を乗じた値未満になるように、前
記姿勢目標値を決定または修正する手段を備えるように
構成したので、同様に自動的に歩容をより良い方向に修
正できる。

【００５９】請求項５項にあっては、前記最大値が減少
する方向に、前記アクチュエータの目標操作量を修正す
る手段を備えるように構成したので、請求項１項の効果
に加え、アクチュエータの負荷などを減少することがで
きる。

【００６０】請求項６項にあっては、基体とそれに接続
される２本の脚部リンクを有すると共に、前記脚部リン
クで自重を支持しつつ、アクチュエータで駆動されて移
動する２足歩行型のリンク式移動ロボットの制御装置に
おいて、前記ロボットの姿勢または姿勢の時系列に関す
る姿勢目標値を設定する姿勢目標値設定手段、前記設定
された姿勢目標値に従って、前記アクチュエータの目標
操作量を決定する目標操作量決定手段、及び前記決定さ
れた目標操作量となるように前記アクチュエータを動作
させるアクチュエータ制御手段、を備えると共に、前記
ロボットの重心の鉛直方向の速度および加速度の少なく
ともいずれかが所定の範囲以内になるように、前記姿勢
目標値を決定または修正するように構成したので、請求
項１項と同じ効果が得られると共に、自動的に歩容をよ
り良い方向に修正できる。

【００６１】

【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】本制御装置の関節駆動制御で使用する歩行パタ
ーン（目標軌道）の設定作業を示すフロー・チャートで
ある。

【図４】図３フロー・チャートで使用する１２個のパラ
メータを示す説明図である。

【図５】図１のロボットに作用する路面反力を示す説明
図である。

【図６】図１のロボットについて角運動量の法則を適用
する場合の説明図である。

【図７】この制御における離床の瞬間のｚｍｐの位置を
示す説明図である。

【図８】この制御における着地の瞬間のｚｍｐの位置を
示す説明図である。

【図９】この制御におけるｚｍｐ軌跡を歩行中に上方か
ら見た説明図である。

【図１０】１歩行周期における重心の重力方向の位置、
その変位速度、その変位加速度の変化を示す波形図であ
る。

【図１１】図１に示すロボット１に作用する外力による
負荷（関節保持トルク）を示す説明図である。

【図１２】図３フロー・チャートのＧｚ軌道の最適化作
業を示すサブルーチン・フロー・チャートである。

【図１３】図１に示すロボット１の膝関節が比較的大き
く曲がった状態を示す説明図である。

【図１４】図１に示すロボット１の膝関節が比較的大き
く伸びた状態を示す説明図である。

【図１５】図１３と図１４における重心の重力方向の変
位と膝関節曲げ角度との関係を示す説明図である。

【図１６】図３フロー・チャートの遊脚軌道の最適化作
業を示す説明図である。

【図１７】右半分に歩容パラメータである遊脚足平のｙ
軸まわりの回転角度（θｙ）の、右半分に歩容パラメー
タから計算された足関節角度の歩行の１周期における角
度、角速度、角加速度の変化を示す波形図である。

【図１８】歩容パラメータから計算された歩行の１周期
における膝関節の角度、角速度、角加速度の変化を示す
波形図である。

【図１９】遊脚軌道の最適化の様子を表す、図１に示す
ロボットを側面から見た説明図である。

【図２０】図２の制御ユニットが行う関節駆動制御を示
すフロー・チャートである。

【図２１】図１２と同様のサブルーチン・フローチャー
トで、Ｇｚ軌道の最適化作業の別の例を示すものであ
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（足部）２４筐体２６制御ユニット２８ルーフキャリア３０貨物３６６軸力センサ

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B25J 5/00 B25J 13/08 B62D 57/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基体とそれに接続される２本の脚部リン
クを有すると共に、前記脚部リンクで自重を支持しつ
つ、アクチュエータで駆動されて移動する２足歩行型の
リンク式移動ロボットの制御装置において、ａ．前記ロボットの姿勢または姿勢の時系列に関する姿
勢目標値を設定する姿勢目標値設定手段、ｂ．前記設定された姿勢目標値に従って、前記アクチュ
エータの目標操作量を決定する目標操作量決定手段、及びｃ．前記決定された目標操作量となるように前記アクチ
ュエータを動作させるアクチュエータ制御手段、を備えると共に、前記姿勢目標値設定手段は、前記ロボ
ットの重心速度および加速度の少なくともいずれかの任
意の期間におけるその絶対値の最大値が、その実効値に
所定の比率を乗じた値未満となるように、前記姿勢目標
値を設定することを特徴とするリンク式移動ロボットの
制御装置。
【請求項２】前記最大値が減少する方向に、前記姿勢
目標値を決定または修正する手段を備えたことを特徴と
する請求項１項記載のリンク式移動ロボットの制御装
置。
【請求項３】前記最大値が所定の範囲以内になるよう
に、前記姿勢目標値を決定または修正する手段を備えた
ことを特徴とする請求項１項記載のリンク式移動ロボッ
トの制御装置。
【請求項４】前記最大値が、その実効値に所定の比率
を乗じた値未満になるように、前記姿勢目標値を決定ま
たは修正する手段を備えたことを特徴とする請求項１項
記載のリンク式移動ロボットの制御装置。
【請求項５】前記最大値が減少する方向に、前記アク
チュエータの目標操作量を修正する手段を備えたことを
特徴とする請求項１項記載のリンク式移動ロボットの制
御装置。
【請求項６】基体とそれに接続される２本の脚部リン
クを有すると共に、前記脚部リンクで自重を支持しつ
つ、アクチュエータで駆動されて移動する２足歩行型の
リンク式移動ロボットの制御装置において、ａ．前記ロボットの姿勢または姿勢の時系列に関する姿
勢目標値を設定する姿勢目標値設定手段、ｂ．前記設定された姿勢目標値に従って、前記アクチュ
エータの目標操作量を決定する目標操作量決定手段、及びｃ．前記決定された目標操作量となるように前記ア
クチュエータを動作させるアクチュエータ制御手段、を備えると共に、前記ロボットの重心の鉛直方向の速度
および加速度の少なくともいずれかが所定の範囲以内に
なるように、前記姿勢目標値を決定または修正すること
を特徴とするリンク式移動ロボットの制御装置。