JP3270766B2

JP3270766B2 - 脚式移動ロボットの制御装置

Info

Publication number: JP3270766B2
Application number: JP08138192A
Authority: JP
Inventors: 龍太郎吉野; 英男高橋
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1992-03-04
Filing date: 1992-03-04
Publication date: 2002-04-02
Anticipated expiration: 2017-04-02
Also published as: JPH05245780A

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】基体と、それに連結される２本の脚部リ
ンクとからなり、その２本の脚部リンクを交互に前方に
振り出して着地させつつ歩行する人間型の２足歩行ロボ
ットの場合、一般には平坦路を前提とする歩行パターン
を予め設計しておき、それを関節角軌道に変換してその
軌道に遅れなく追従する様にロボットの関節角を制御し
て歩行を実現している。既知の階段、斜面についても同
様である。その例としては、例えば特開昭６２─９７０
０６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】しかしながら、この手
法では路面に予期しない未知の凹凸がある場合、支持脚
の足平（足部）の角度が、既知の路面を歩行するときの
様に一定しないため、既知の路面を前提に設計した歩行
パターンに従っては安定して歩行することができない場
合が生じ、甚だしい場合には転倒してしまう。そこで未
知の凹凸がある路面でも倒れずに安定して歩行させる手
法の一つとして、歩行パターンで足平から上の姿勢を設
計しておき、それに実際の姿勢を追従制御させることが
考えられる。即ち、ロボットの関節角を制御するのでは
なく、支持脚の足平から上の各リンクの絶対角、換言す
ればロボットの重力方向に対する姿勢を制御することが
考えられる。何故ならば、支持脚の足平がどのような角
度であろうとも、それから上の姿勢が目標姿勢（倒れな
い姿勢）であれば、安定した歩行を確保することができ
るからである。その考え方を利用したものを本出願人は
先に、特願平２─２５９８３９号（平成２年９月２８日
出願）で提案している。

【０００４】しかしながら、本出願人が提案した技術は
ロボットの運動を線形モデルで近似しているため、支持
脚の膝相当部位の関節が極端に動く歩行パターンや歩幅
が大きく線形性が損なわれる如き歩行パターンにおいて
も滑らかな歩行を実現するためには、マニピュレータで
一般的に行われている様に、非線形性を補償する必要が
あった。しかし、非線形性を補償するにはロボットの制
御装置に高速のコンピュータを搭載しなければならず、
その様な高速のコンピュータは大型で重量も大きくなる
ことから、その搭載は移動型のロボットにとって好まし
いものではない。

【０００５】従って、この発明の目的は、予め設計して
おいた歩行パターンに基づいてロボットの姿勢を制御し
つつ、前記した線形性を損なう様な歩行パターンについ
ても高速コンピュータを用いた非線形補償を行うことな
く滑らかな歩行を実現すると共に、予期せぬ凹凸に遭遇
しても常に安定した姿勢を確保することができる様にし
た脚式移動ロボットの制御装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ためにこの発明は例えば請求項１項に示す如く、脚式移
動ロボットの脚部リンクの各関節をサーボモータで駆動
制御する制御装置において、前記各関節の角度が予め設
定された目標角度と目標角速度の少なくともいずれかに
追従するように第１の操作量を演算する手段、前記脚部
リンクの実角度と目標角度との偏差を重力方向に対する
絶対角度で検出する検出手段、及び前記検出された偏差
に応じ、前記検出された偏差を補正すべく第２の操作量
を演算する演算手段とを備えると共に、前記制御装置
が、前記第１の操作量に前記第２の操作量を加算した値
を前記サーボモータに与えるように構成した。

【０００７】

【作用】脚部リンクの実角度と目標角度との偏差を絶対
角度で求め、それに応じて第２の操作量を演算して関節
角サーボ系の第１の操作量に足し込むようにしたので、
凹凸のある路面を歩行するときも常に安定した歩行を確
保することができる。また平坦路を歩行するときも含め
て常に滑らかな姿勢制御を実現することができる。

【０００８】

【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。上記において股関節は関節
（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、股関節と膝関節との
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。

【０００９】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別途提案した出願（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。

【００１０】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、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（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。

【００１１】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等の出力は波形整形回路６２を経て同様に
ＲＡＭ５４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６０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、図３に示す様
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。

【００１２】続いて、本制御装置の動作を説明する。

【００１３】図３は図１に示したロボット１について、
公知の関節角サーボ系を構成した場合を示すブロック図
である。予めオフラインで設計しておいた平坦路を前提
とする歩行パターンを１２個の関節の角度ｑｒ、角速度
ｑｒドットの時系列データ、即ち、関節軌道に変換し、
それを各関節のサーボアンプに指令値として一定間隔で
出力する。その結果、各関節角は指令値通りにほとんど
遅れなく追従し、ロボット１は設計された歩行パターン
通りに駆動されて歩行する。これによって平坦路は支障
なく歩行するが、予期しない凹凸路面に遭遇したときは
先に述べた如く、支持脚の足平の角度が一定ではないこ
とから、必ずしも安定した歩行を確保することはできな
い。

【００１４】そこでこの発明においては図４に示す様
に、図３に示した関節角サーボ系に、後で述べる操作量
ｕを加えて凹凸路面に対する安定化を試みた。以下、こ
の操作量ｕの算出とそれによる歩行安定化について説明
する。

【００１５】先ず、図３の関節角サーボ系を備えたロボ
ット１について数式モデルを作成する。その際に次に示
す仮定を設ける。〔仮定１〕ロボット１の前後方向の運動と左右方向の運
動とは相互干渉が安定化制御により十分小さく、分離す
ることができる。（図５に前後方向の、図６に左右方向
の運動を示す。）〔仮定２〕２本の脚部リンクのうちのどちらかの足平２
２は、路面に完全に接地しているものとする。また、足
平が完全に路面に接地している方の脚を支持脚とする。〔仮定３〕支持脚の足平は、路面に対して動かない（滑
らない）ものとする。（一般に歩行パターンは、片足支
持期において支持脚の足平が路面に対して動かない様に
設計する。例えば、いわゆるＺＭＰ（zero moment poin
t)の概念を用いて、足平が路面から離れない様にＺＭＰ
の軌道を決めて設計される。また倒立振り子の概念を用
いた歩行パターンにおいても、足首回りで回転する場合
には足平は物理的に路面から離れない。滑りに対して
は、足裏にゴムを貼るなど適宜処理することにより滑ら
ない様にすることは可能である。）

【００１６】以上の仮定から、図１に示したロボット１
の運動方程式は、数１の様に表すことができる。数１の
式から明らかな様に、仮定３が成り立てば、ロボット１
の運動は足平の角度に無関係である。

【００１７】

【数１】

【００１８】ところで、この制御においては図３に示す
関節角サーボ系を備えることから、各関節（符号ｉで代
表させる）の発生トルク（図３中のモータ発生トルク）
は、関節角ｑｉと関節角指令値ｑｉｒとから数２に示す
式を用いて計算される。（尚、数２の式中のｋｐ，ｋ
ｄ，ｆｖは、図３中のｋｐ，ｋｄにｋｖ，ｋｃ，ｋｔを
それぞれ含む値の意味で使用する。）

【００１９】

【数２】

【００２０】ここで図５，６に示す様に、関節角ｑｉと
リンク角θｉとの関係は数３で表すことができる。尚、
この明細書において、「関節角」または「ｑ」はリンク
間の角度（即ち、相対角度）を、「リンク角」または
「θ」は重力方向に対する（絶対座標における）リンク
の角度（即ち、絶対角度）を意味するものとして使用す
る。

【００２１】

【数３】

【００２２】数２の式を数３の式によってリンク角で表
してまとめると、数４に示す様になる。

【００２３】

【数４】

【００２４】尚、数４の外乱ｄ（θ０，θ０ｒ）、即
ち、足平角度θ０の実際値と目標値とによって生じる値
は数５の様に示すことができる。

【００２５】

【数５】

【００２６】ここで、数４の式を数１の式に代入して整
理すると、数６の如くになる。

【００２７】

【数６】

【００２８】この数６に示す式が、関節角サーボ系によ
るロボットの運動方程式となる。数１の式では運動を制
御する操作量は関節トルクＴであるが、数６の式におい
ては目標姿勢Θｒ（絶対角度），Θｒドット（絶対角速
度）となる。また数１の式では足平角度θ０（絶対角
度）の項が式の上に表れないが、数６の式では表れてく
る。このため、関節角サーボ系で予期しない凹凸路を歩
行させると足平角度θ０がランダムに変動し、数６の式
の運動を乱す外乱となり歩行が不安定となる。よって、
歩行可能な目標姿勢、即ち、歩行パターンは、仮定３よ
り路面の形状を既知としてのみ設計することができる。
ここで、平坦路の歩行を考えると、足平角度は零である
ことから、数７に示す様になる。

【００２９】

【数７】

【００３０】即ち、目標姿勢Θｒ，Θｒドットは平坦路
の歩行パターンとなる。このとき、ロボットの運動方程
式（数６の式）は、数８で表すことができる。

【００３１】

【数８】

【００３２】一方、関節角サーボの定数Ｋｒなどを最適
な値に設定すると目標関節軌道に実際の関節軌道がほと
んど遅れなく追従するので、数９で示す通りとなる。即
ち、数１０で示す様になる。

【００３３】

【数９】

【００３４】

【数１０】

【００３５】その結果、数８の式より近似的に数１１の
式が成り立つ。

【００３６】

【数１１】

【００３７】ここで、しばしば述べた様に、平坦路に未
知の凹凸が存在する場合を考えると、足平角度θ０が零
ではなくて不明なため、歩行可能な歩行パターンを作成
するのが困難である。そこで路面の凹凸が十分小さいと
し（段差、階段などの大きい凹凸は前記したロボット１
に視覚手段を設ければ検知し易い）、平坦路の歩行パタ
ーンΘｒを用いると（即ち、外乱ｄ（θｒ，θ０）＝
０）、凹凸による姿勢のズレ（偏差）をΔΘとすると
き、ロボットの姿勢Θは数１２の様に表すことができ
る。

【００３８】

【数１２】

【００３９】従って、このズレを補正するために、数４
の式の関節トルクに補正量Ｕを数１３で示す式の様に導
入する。

【００４０】

【数１３】

【００４１】この数１３の式は平坦路の歩行における、
即ち（θ０ｒ，θ０＝０）の状態における関節角サーボ
系による発生トルクに補正量Ｕを加えた形になっている
ことが分かる。

【００４２】この補正量Ｕの算出について次に説明す
る。数１２，数１３の式をロボットの運動方程式である
数１の式に代入すると、数１４の式となる。即ち、平坦
路歩行パターンΘｒとズレΔΘで表した運動方程式とな
る。

【００４３】

【数１４】

【００４４】路面の凹凸が十分小さいとすると、ズレΔ
Θも十分小さくなることから、数１５の式の様に変形す
ることができる。

【００４５】

【数１５】

【００４６】ここで、ズレΔΘの２次以上の項を無視す
ると、数１６の式となる。

【００４７】

【数１６】

【００４８】関節角サーボが高速に追従するとき成立す
る数１１に示した式より、数１６の式は近似的に数１７
に示す様になる。

【００４９】

【数１７】

【００５０】さらに、Ｊ（Θｒ）はΘによる変化が小さ
いこと、Ｘ（Θｒ）は値が小さいこと、関節角サーボの
ゲインＦｐ，Ｆｖの値が大きいことから、数１８に示す
様な大小関係が成り立つ。

【００５１】

【数１８】

【００５２】よって、数１７の式は数１９の様に表すこ
とができる。

【００５３】

【数１９】

【００５４】即ち、数１９の式は歩行パターンからのズ
レΔΘに対する運動方程式を表し、安定化のための補正
量ＵはそのズレΔΘの運動を制御する操作量となってい
る。よって、ズレΔΘを零にする操作量Ｕを導き出せ
ば、凹凸のある路面であってもロボットの姿勢は平坦路
の歩行パターンに収束するため、安定して歩行すること
になる。

【００５５】次に、ズレΔΘを零にする操作量Ｕの算出
について説明する。ここで操作量Ｕを数２０の様に表し
てみる。ここで、ΔＦは遊脚に作用する外力の変動分で
あるが、これは前記した６軸力センサ３６から検出する
ことができる。

【００５６】

【数２０】

【００５７】数２０の式を数１９の式に代入すると、数
２１の如くとなる。

【００５８】

【数２１】

【００５９】従って、Ｕを数２０の式を用いて計算すれ
ば、数２１の式はズレΔΘに関する線形方程式となり、
また最適に制御値を決定することができる。ただし、外
力変動分ΔＦが十分小さく、数２１の式において外乱と
みなすことができるならば、ΔＦ≒０とし、数２０の式
の第２項を計算することなく以下の操作量Ｕθを算出す
ることによっても、ある程度の安定化は可能である。こ
れは例えば、片足支持期では遊脚に外力が作用しないた
めΔＦ≒０とできる様な場合である。

【００６０】以下、その操作量Ｕθの算出について説明
する。

【００６１】数２１の式はΔΘに関する線形方程式であ
るから、いわゆる状態方程式表現を用いて数２２の様に
表すことができる。

【００６２】

【数２２】

【００６３】ここで、最適レギュレータ理論により、数
２３の式に示す２次形式の評価関数Ｊを最小にするｕは
数２４の様に表現することができる。

【００６４】

【数２３】

【００６５】

【数２４】

【００６６】評価関数Ｊを最小にすることは、数２３の
式から明らかな様に、できるだけ少ない操作量ｕで状態
変数ｘをできるだけ小さくすることである。即ち、路面
の凹凸によるズレΔΘをできるだけ小さくすることにな
る。よって、数２４の式から補正量（操作量）ｕを計算
することにより、安定な歩行が実現できることになる。

【００６７】一方、外力変動分ΔＦやマトリックスＡ，
Ｂのモデル化誤差を外乱ｄと考えると、数２２に示した
式は、数２５の様に表すことができる。

【００６８】

【数２５】

【００６９】また、最適レギュレータ理論によれば、数
２６に示す２次形式の評価関数Ｊを最小にするｕは数２
７の様に計算することができる。

【００７０】

【数２６】

【００７１】

【数２７】

【００７２】数２７の式も、数２４の式と同様に、安定
な歩行を実現する補正量（操作量）ｕの算出手法であ
る。

【００７３】ここで、ｕを計算するためにはゲインＫ
ｘ，Ｋｉとロボットの状態量ｘとを求める必要がある
が、ゲインＫｘ，Ｋｉは、周知の如く、最適レギュレー
タ理論によりリカッチ方程式を解くことで求められる。
また状態量ｘはリンクの角度と角速度であるが、これは
ロボットの胴体部２４に取りつけた傾斜センサ４０，４
２と各関節に配置したロータリエンコーダにより求める
ことができる。よって、例えば前後方向の運動の場合、
数３の式は数２８の様に書くことができる。

【００７４】

【数２８】

【００７５】ここで、胴体部（基体）２４の傾斜角θ３
は傾斜センサ４０，４２で検出できることから、この検
出値をψとすると、関節角ｑｉを用いれば、数２８の式
より数２９の式が成り立つ。

【００７６】

【数２９】

【００７７】よって、ズレΔΘは数３０の式で表すこと
ができる。

【００７８】

【数３０】

【００７９】よって、数３０の式は、マトリックス表現
で数３１の様に表すことができる。

【００８０】

【数３１】

【００８１】従って、例えば数２４の式は数３１に示し
た変換式を用いて数３２の様に表すことができる。

【００８２】

【数３２】

【００８３】数３２の式は、操作量ｕを胴体部２４の傾
斜角と関節角のズレから算出することを示している。こ
こで、マトリックスＥの構成要素を見ると、傾斜角と傾
斜角速度の列に１の要素が多いことや、関節角のズレは
サーボ系の偏差と等価であり、サーボ系はこの偏差を小
さくする様に作用することなどを考えると、操作量ｕは
胴体部２４の傾斜角と傾斜角速度のみから簡便に算出す
る数３３の式を考えることができる。

【００８４】

【数３３】

【００８５】図７から図１１は実験データであるが、こ
れらから数３３で操作量ｕを算出した場合でも、この制
御系は安定となり、制御系の応答性を決める固有値も数
３２の式を用いる場合とほとんど変わらないことが確認
できた。即ち、図７から図９はロボットを片足支持状態
にして支持脚の足首関節角を３度前方にステップ状に変
化させたときの各リンク角の応答を示す実験データであ
り、うち図７は関節角サーボのみの場合を、図８は数３
３の式による安定化制御の場合を、図９は数３２の式に
よる安定化制御の場合を示す。また図１０と図１１は左
右方向に同様に３度傾けた場合の実験データを示してお
り、うち図１０が関節角制御のみの場合を、図１１が数
３２の式による安定化制御の場合を示す。この実験結果
から明らかな様に、数３２の式による場合と数３３の式
による場合とで応答に余り差が見られなかった。またい
ずれの式によるにせよ、この安定化制御を行うことでロ
ボットは転倒することはなかったが、関節角サーボのみ
の場合には勢い余って転倒することが確認された。

【００８６】尚、上記は数２７に示す式にも妥当し、同
式も全く同様に簡略化することができる。

【００８７】以上を前提として、図１２から図１４のフ
ロー・チャートを参照して制御値の決定を説明する。
尚、これらのフロー・チャートは、図１５に示す歩行の
状態遷移図において、右足から歩行を始めて３歩目から
定常歩行に移行し、左足で終わる場合を想定し、それら
に沿って経時的に片足支持期、コンプライアンス制御期
（遊脚着地時の）、両足支持期とに分けて記載したもの
である。

【００８８】図１２は最初の片足支持期の制御値決定フ
ロー・チャートであり、先ずＳ１０において関節角指令
値ｑｒ，ｑｒドットを読み込む。即ち、ロボット１の制
御ユニット２６中のＲＯＭ６６には図４に示す様に、歩
行パターンとして各リンク角Θｒ（先に述べた様に絶対
角）が格納されており、それが経時的に関節角度ｑｒと
角速度ｑｒドット（共に相対角度）に座標変換され、Ｓ
１０ではその変換された値（時刻ｔにおける）を、１２
個の関節のうち最初の関節について読み出す。

【００８９】次いでＳ１２に進んでその関節について実
際の角度ｑを入力し、Ｓ１４に進んで図示の式から関節
角サーボ系の操作量を算出する。これは具体的には前記
したサーボモータの速度指令値の形で算出される。次い
でＳ１６において傾斜角ψ、傾斜角速度ψドットを入力
し、Ｓ１８において実際角度ｑと目標角度ｑｒとから関
節角偏差Δｑを算出し、Ｓ２０において数３２あるいは
数３３の式のいずれかを用いて補正量ｕを算出する
（尚、数３３の式を用いるときはＳ１８はジャンプす
る）。この補正量ｕもサーボモータの速度指令値の形で
算出される。続いてＳ２２においてＳ１４で算出した値
にＳ２０で算出した値を加算し、その値をサーボアンプ
に出力する。続いて、Ｓ２４で遊脚が着地したと判断さ
れるまで、次の関節について同様に制御値を決定し、１
２の関節について制御値を決定し終わると、次の時刻ｔ
＋１について同様の作業を繰り返す。尚、遊脚の着地は
前記した着地スイッチ３８から検出する。

【００９０】尚、ここで留意されるべきことは、Ｓ２２
においてサーボアンプに出力するに際し、関節に優先順
位を設けたことである。即ち、関節の優先順位を、支持
脚の足関節１８，２０Ｒ（Ｌ）、支持足の膝関節１６Ｒ
（Ｌ）、支持足の股関節１０，１２，１４Ｒ（Ｌ）、遊
脚の股関節１０，１２，１４Ｌ（Ｒ）、遊脚の膝関節１
６Ｌ（Ｒ）、遊脚の足関節１８，２０Ｌ（Ｒ）とし、そ
の順で操作量を加算するようにした。即ち、安定した姿
勢の保持に寄与することが大きい関節を優先するように
したものであり、この結果、時間的に余裕がないときに
は、例えば、支持脚の足関節と膝関節についてのみ操作
量ｕを加算することになる。言うまでもなく、時間的に
余裕があるときは、この順序で全ての関節に加算する。

【００９１】図１２フロー・チャートのＳ２４で遊脚着
地と判断されるときは図１３フロー・チャートに従って
着地時のコンプライアンス制御に移行する。同図を参照
して説明すると、先ずＳ１００からＳ１０４において同
様にサーボ制御値を算出した後、Ｓ１０６に進んで前記
した６軸力センサ３６の出力から着地した遊脚に加わっ
た足首トルクを入力し、Ｓ１０８でコンプライアンス量
ｍを算出する。これはインピーダンス制御を速度分解制
御で実現した、いわゆる仮想的なコンプライアンス制御
手法を用いて行う。続いてＳ１１０においてサーボ制御
値ｖｃと仮想コンプラアンス制御値ｍと補正量ｕとを加
算した値をサーボアンプに出力し、Ｓ１１２でコンプラ
イアンス制御が終了と判断されるまで、それぞれの関節
について経時的に繰り返す。尚、この終了判断は、着地
から所定時間が経過したか否かで判断する。またＳ１１
０の補正量ｕの値は、図１２フロー・チャートのＳ２０
で算出した値を保存しておいて使用する。

【００９２】図１３フロー・チャートにおいてＳ１１２
でコンプライアンス制御終了と判断されたときは図１４
フロー・チャートのＳ２００からＳ２１４に従って両脚
支持期の制御値を決定するが、これはＳ２１０の補正量
Ｕの算出が数２０の式から決定される点を除けば、図１
２フロー・チャートと同様である。尚、ここで数２０に
示した式を用いて精緻に操作量を算出する様にしたが、
ΔＦを外乱と考えれば数３２または数３３から算出して
も良く、逆に遊脚に外力が作用するときは、図１２フロ
ー・チャートのＳ２０において数２０を含めた式の中か
ら算出しても良い。

【００９３】尚、ここで前述した評価関数Ｊの重みの決
定について付言すると、先に数２３に示した式の評価関
数Ｊを前後方向の運動の場合に具体的に表すと、一般的
には数３４の様になる。

【００９４】

【数３４】

【００９５】この評価関数Ｊは姿勢のズレΔθｉと操作
量ｕｉの重み付き自乗和を表している。最適レギュレー
タ理論によれば、重みの大きい項の姿勢のズレは重みの
小さい項のそれよりも小さい値になる様にフィードバッ
クゲインが算出される。よって、重みの付けかたで違っ
たフィードバックゲインが算出され、姿勢のズレの修正
の時間応答が相違してくる。最適レギュレータ理論で
は、この重みの付けかたに関する定まった選定法がな
い。一般にはシミュレーションや実験により選定する。

【００９６】そこで、この発明においては２足歩行の特
徴を考慮して重みＱ，Ｒを選定する様にした。それに関
して階段を昇降するときの様に遊脚の着地位置を正確に
制御したい場合を例にとって説明する。

【００９７】図１６に示す様に、遊脚の目標足先位置
（ｘ，ｙ）にズレΔｘ，Δｙが生じた場合を考える。こ
れらは数３５から数３８の様に示すことができる。

【００９８】

【数３５】

【００９９】

【数３６】

【０１００】

【数３７】

【０１０１】

【数３８】

【０１０２】図１６に示す様に、遊脚の目標足先位置
（ｘ，ｙ）からのズレΔｘ，Δｙの位置上のズレΔｐ
は、数３９の様に自乗和で表すことができる。

【０１０３】

【数３９】

【０１０４】この式から明らかな様に、目標足先位置か
らのズレΔｐ²は、各リンクの姿勢ズレΔθｉにかかる
係数に比例している。即ち、その係数が大きい順に姿勢
ズレΔθｉを小さくすれば、位置ズレΔｐ²を効率的に
小さくすることができる。一方、評価関数Ｊは重みの大
きい姿勢ズレΔθｉほど小さくすることができる。よっ
て、評価関数Ｊを数４０の式の様に選ぶことによって最
適に足先位置のズレを修正することができる。即ち、所
定の位置に正確に着地させたいときなどは、全てのリン
ク角についての重みを等しくするのではなく、足先位置
のズレに対する寄与度に応じて重みを変えることとす
る。例えば、数３４において、Δθ１の変動を小さくし
たいときは重みｑ１を大きくし、アクチュエータの最大
発生トルクを考慮し、ｕ２の発生トルクを大きくしたい
ときはｒ２を小さくすれば良い。この様に、安定化制御
とは別に、重みＱ，Ｒの大きさを最適に制御したい位置
（ここでは関節角度位置などの関節座標系での位置では
ない、作業座標系での位置）に応じて変えることによ
り、例えば足先の位置を最適（効果的）に制御すること
が可能となる。尚、この選定手法は、足先位置のみなら
ず、重心位置など他の部位の位置にも適用可能である。

【０１０５】

【数４０】

【０１０６】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、予め設定した歩行パターンの目標角度と実際の角度
との偏差を絶対角度で求め、それに応じて操作量ｕを求
めてサーボ操作量に足し込む様に構成したので、歩行パ
ターンが予期しない凹凸路面を歩行するときも常に安定
した姿勢を保持することができ、また線形性を損なう様
な歩行パターンに対しても高速なコンピュータを用いて
非線形補償する必要がなく、常に滑らかな歩行を実現す
ることができる。また操作量ｕの算出に際しても、遊脚
に作用する外力の変動分に応じて精緻に決定する手法に
加えて、胴体部の傾斜角度と傾斜角速度とから簡便に算
出する様にも構成したので、その簡便に算出する手法に
よるときは簡易に算出することができる。

【０１０７】図１７は本発明の第２実施例を示すブロッ
ク図であり、第１実施例の図４と同様に安定化制御系を
表すものである。この例は、前記したゲインＫｘ，ある
いはＫｑ，Ｋψに周波数特性を持たせたものである。即
ち、第１実施例においては、図１８に示す様に、ゲイン
を周波数に対しては一定値に固定したのに対し、図１９
に示す如く、周波数に応じて低減する様に構成した。

【０１０８】これについて説明すると、外乱が生じたと
きに備え、ゲインを上げておいて系の反応を早め、外乱
に対する安定性を向上させる必要がある。しかし、ゲイ
ンを大きくしてリンクの応答性を上げると、高周波の振
動が各リンクに生じ、更にゲインを上げていくと、その
高周波の振動がフィードバックループ内で増幅され、発
振を生じてしまう。これは、前記した数１の式で表され
る数学モデルは剛性モデルの様な低周波領域でのみ成立
するものであり、リンクの柔らかさ、ガタ、撓み等の影
響が現れる高周波領域の状態を正確に表現し得ていない
ためである。しかしながら、高周波領域まで含めた状態
を正確に数学モデルで表現するのは極めて困難であり、
仮に表現できたとしても非常に複雑なモデルとなり、大
容量で高価なコンピュータが必要となって実現が殆ど不
可能となる。

【０１０９】この発振の原因は高周波信号が減衰せず、
増幅することによるものであるから、この高周波信号を
減衰させれば良い。そこで、本実施例においてはフィー
ドバックゲインＫｘ，あるいはＫｑ，Ｋψに周波数特性
を持たせる如く構成した。即ち、図１９に示した様に、
指令信号レベルの低周波領域では比較的ゲインを高く
し、リンクが弾性を示す高周波領域では低くする様にし
た。具体的には図１７に示す様に、フィードバックルー
プ内に高周波遮断のフィルタを介挿する様にした。この
フィルタの状態方程式は数４１の式で表すことができ、
Ａf,Ｂf,Ｃf を設計段階において適宜設定することによ
りカットオフ周波数を任意に決定することができる。

【０１１０】

【数４１】

【０１１１】本実施例の場合、図１２フロー・チャート
のＳ２０、図１４フロー・チャートのＳ２１０での補正
量ｕ，Ｕの算出に当たり、運搬重量に応じカットオフ周
波数を可変とする。即ち、ロボットが物体を上体に取り
付けて運搬するときはロボットのメカニズムの固有周波
数が変化し、よって発振周波数も変化するからである。
尚、この調節はソフトウェア手法に依らずに、電気フィ
ルタを用いても良いことは言うまでもない。

【０１１２】本実施例は安定化制御系（最適レギュレー
タ）のフィードバックゲインを高周波域において小さく
設定する様に構成し、予め設定した歩行パターンの目標
角度と実際の角度との偏差を絶対角度で求め、それに応
じて求めた操作量ｕを足し込む様に構成したので、関節
リンクの弾性による発振が生じない限度において、フィ
ルタを付加しない場合より安定性を一層良く実現するこ
とができることに加えて、歩行パターンが予期しない凹
凸路面を歩行するときも常に安定した姿勢を保持するこ
とができ、また線形性を損なう様な歩行パターンに対し
ても高速なコンピュータを用いて非線形補償する必要が
なく、常に滑らかな歩行を実現することができる。また
操作量ｕの算出に際しても、遊脚に作用する外力の変動
分に応じて精緻に決定する手法に加えて、胴体部の傾斜
角度と傾斜角速度とから簡便に算出する様にも構成した
ので、その簡便に算出する手法によるときは簡易に算出
することができる。

【０１１３】尚、上記した第１、第２実施例にあって
は、図３において符号（イ）で示す個所に操作量ｕを加
算する様にしたが、同図に符号（ロ）あるいは（ハ）に
示す個所で加算しても良い。

【０１１４】更には、図４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
合に実際の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。

【０１１５】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。

【０１１６】

【発明の効果】請求項１項にあっては、脚式移動ロボッ
トの脚部リンクの各関節をサーボモータで駆動制御する
制御装置において、前記各関節の角度が予め設定された
目標角度と目標角速度の少なくともいずれかに追従する
ように第１の操作量を演算する手段、前記脚部リンクの
実角度と目標角度との偏差を重力方向に対する絶対角度
で検出する検出手段、及び前記検出された偏差に応じ、
前記検出された偏差を補正すべく第２の操作量を演算す
る演算手段とを備えると共に、前記制御装置が、前記第
１の操作量に前記第２の操作量を加算した値を前記サー
ボモータに与えるように構成したので、予期せぬ凹凸が
ある路面を歩行するときも安定した姿勢を常に保持する
ことができ、また平坦路を歩行するときも含めて常に滑
らかな姿勢制御を実現することができる。

【０１１７】請求項２項の装置にあっては、前記脚式移
動ロボットが、基体と、それに連結される複数本の脚部
リンクとからなるものにおいて、前記演算手段は、前記
基体の傾斜角と傾斜角速度の少なくともいずれかから前
記第２の操作量を演算するように構成したので、簡易に
第２の操作量を演算することができる。

【０１１８】請求項３項の装置にあっては、前記脚式移
動ロボットが、基体と、それに第１の関節を介して連結
される２本の脚部リンクとからなり、前記脚部リンクが
その先端付近に第２の関節を備えると共に、前記第２の
関節と前記第１の関節との間に第３の関節を備え、前記
２本の脚部リンクで交互に自重を支持しつつ歩行する２
足歩行型のロボットであり、前記制御装置は、支持脚の
第２関節、支持脚の第３関節、支持脚の第１関節、遊脚
の第１関節、遊脚の第３関節、遊脚の第２関節の順に設
けられた優先順位に少なくとも部分的に従って、前記第
１の操作量に第２の操作量を加算するように構成したの
で、制御に時間的な余裕がないときにおいても、有効に
安定化制御を実現することができる。

【０１１９】請求項４項の装置にあっては、前記演算手
段は前記第２の操作量を状態方程式を用いて演算すると
共に、その状態フィードバックゲインを、前記関節の角
度から決定される前記ロボットの姿勢に応じて変えるよ
うに構成したので、安定化制御に加えて、着地位置など
を最適制御することができる。

【０１２０】請求項５項の装置にあっては、前記脚式移
動ロボットが、基体と、それに第１の関節を介して連結
され、その先端付近に第２の関節を備えた２本の脚部リ
ンクとからなり、前記２本の脚部リンクで交互に自重を
支持しつつ歩行する２足歩行型のロボットであり、前記
第２関節付近に遊脚に作用する外力を検出する手段を備
え、前記演算手段は、前記検出された外力に基づいて前
記第２の操作量を演算するように構成したので、第２の
操作量を精緻に演算することができ、よって一層安定し
た姿勢を常に実現することができる。

【０１２１】請求項６項の装置にあっては、前記所定の
操作量の算出において、前記状態フィードバック・ゲイ
ンをフィードバック信号の周波数特性に応じて可変と
し、所定周波数を基準としてそれを超える帯域でのゲイ
ンをそれを下廻る帯域でのゲインより小さくするように
構成したので、前記した効果に加えて、発振を抑止しつ
つ安定した高速歩行を実現することができる。

【０１２２】請求項７項の装置にあっては、前記所定周
波数と前記状態フィードバックゲインの少なくともいず
れかを可搬重量に応じて可変に構成したので、前記した
効果に加えて、発振を抑制しつつ安定した高速歩行を実
現することができる。

【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制御のうちの関節角
サーボ系を示すブロック線図である。

【図４】図３に示す関節角サーボ系に、この発明で算出
する第２の操作量を加算する状態を示すブロック図であ
る。

【図５】図１に示すロボットの前後方向の運動を示す説
明図である。

【図６】図１に示すロボットの左右方向の運動を示す説
明図である。

【図７】図３に示す関節角サーボ系のみを備えた場合
に、ロボットの支持脚の足首関節角を前後方向にステッ
プ状に３度傾けたときの応答性を示す実験データ図であ
る。

【図８】図４に示す第２の操作量を加算した場合の図７
と同様の実験データ図である。

【図９】図８と同様のものであって、別の手法で算出し
た第２の操作量を加算した場合の実験データ図である。

【図１０】図７と同様のものであって、ロボットの支持
脚の足首関節角を左右方向にステップ状に３度傾けたと
きの応答性を示す実験データ図である。

【図１１】図１０と同様のものであって、図４に示す第
２の操作量を加算した場合の実験データ図である。

【図１２】図２の制御装置の動作を示すフロー・チャー
トであって、片足支持期の制御値決定を示すフロー・チ
ャートである。

【図１３】図１２と同様のものであって、着地時のコン
プライアンス制御期の制御値決定を示すフロー・チャー
トである。

【図１４】図１２と同様のものであって、両足支持期の
制御値決定を示すフロー・チャートである。

【図１５】図１２から図１４に示した制御時期を説明す
る歩行の状態遷移図である。

【図１６】図４に示す第２の操作量を算出するときの評
価関数の重みの決定手法を説明する説明図である。

【図１７】本発明の第２実施例を示す図４と同様の説明
ブロック線図である。

【図１８】第１実施例のフィードバックゲインの周波数
特性を示す説明特性図である。

【図１９】第２実施例のフィードバックゲインの周波数
特性を示す説明特性図である。

【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（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足平（足部）２４胴体部２６制御ユニット３６６軸力センサ４０，４２傾斜センサ

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 G05D 1/02 B62D 57/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】脚式移動ロボットの脚部リンクの各関節
をサーボモータで駆動制御する制御装置において、ａ．前記各関節の角度が予め設定された目標角度と目標
角速度の少なくともいずれかに追従するように第１の操
作量を演算する手段、ｂ．前記脚部リンクの実角度と目標角度との偏差を重力
方向に対する絶対角度で検出する検出手段、及びｃ．前記検出された偏差に応じ、前記検出された偏差を
補正すべく第２の操作量を演算する演算手段、とを備えると共に、前記制御装置が、前記第１の操作量
に前記第２の操作量を加算した値を前記サーボモータに
与えるように構成したことを特徴とする脚式移動ロボッ
トの制御装置。
【請求項２】前記脚式移動ロボットが、基体と、それ
に連結される複数本の脚部リンクとからなるものにおい
て、前記演算手段は、前記基体の傾斜角と傾斜角速度の
少なくともいずれかから前記第２の操作量を演算するこ
とを特徴とする請求項１項記載の脚式移動ロボットの制
御装置。
【請求項３】前記脚式移動ロボットが、基体と、それ
に第１の関節を介して連結される２本の脚部リンクとか
らなり、前記脚部リンクがその先端付近に第２の関節を
備えると共に、前記第２の関節と前記第１の関節との間
に第３の関節を備え、前記２本の脚部リンクで交互に自
重を支持しつつ歩行する２足歩行型のロボットであり、
前記制御装置は、支持脚の第２関節、支持脚の第３関
節、支持脚の第１関節、遊脚の第１関節、遊脚の第３関
節、遊脚の第２関節の順に設けられた優先順位に少なく
とも部分的に従って、前記第１の操作量に第２の操作量
を加算する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制御装置。
【請求項４】前記演算手段は前記第２の操作量を状態
方程式を用いて演算すると共に、その状態フィードバッ
クゲインを、前記関節の角度から決定される前記ロボッ
トの姿勢に応じて変える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制御装
置。
【請求項５】前記脚式移動ロボットが、基体と、それ
に第１の関節を介して連結され、その先端付近に第２の
関節を備えた２本の脚部リンクとからなり、前記２本の
脚部リンクで交互に自重を支持しつつ歩行する２足歩行
型のロボットであり、前記第２関節付近に遊脚に作用す
る外力を検出する手段を備え、前記演算手段は、前記検
出された外力に基づいて前記第２の操作量を演算するこ
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制御装置。
【請求項６】前記所定の操作量の算出において、前記
状態フィードバック・ゲインをフィードバック信号の周
波数特性に応じて可変とし、所定周波数を基準としてそ
れを超える帯域でのゲインをそれを下廻る帯域でのゲイ
ンより小さくした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制御装置。
【請求項７】前記所定周波数と前記状態フィードバッ
クゲインの少なくともいずれかを可搬重量に応じて可変
とすることを特徴とする請求項６項記載の脚式移動ロボ
ットの制御装置。