JP3522742B1 - ロボット装置、脚式移動ロボットの動作制御装置及び動作制御方法、脚式移動ロボットのためのセンサ・システム、並びに移動体装置 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】 ＺＭＰ方程式を高速且つ高精度に導き出すこ
とによってより厳密な姿勢安定制御を行なう。 【解決手段】 ロボットの機体上の制御目標点として質
量操作量が最大となる腰部をローカル座標原点に設定し
て加速度センサを配置して、その位置における姿勢や加
速度を直接計測して、ＺＭＰに基づく姿勢安定制御を行
なう。さらに、路面との接触部位である足部にＺＭＰと
力を直接計測する床反力センサと加速度センサを配置
し、ＺＭＰ位置に最も近い足部で直接ＺＭＰ方程式を組
み立てて、より厳密な姿勢安定制御を高速で実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも複数本
の可動脚を備えた脚式移動ロボットの動作制御装置及び
動作制御方法、脚式移動ロボットのためのセンサ・シス
テム、並びに移動体装置に係り、特に、ＺＭＰを安定度
判別規範に用いて姿勢安定化制御を行なう脚式移動ロボ
ットの動作制御装置及び動作制御方法、脚式移動ロボッ
トのためのセンサ・システム、並びに移動体装置に関す
る。

【０００２】さらに詳しくは、本発明は、機体上の各部
に設置されたセンサからの計測値に基づいて導入された
ＺＭＰ方程式を用いて未知外力モーメント及び未知外力
を同定して運動制御を行なう脚式移動ロボットの動作制
御装置及び動作制御方法、脚式移動ロボットのためのセ
ンサ・システム、並びに移動体装置に係り、特に、機体
上の部位に分散するセンサ・システムを配置して、ＺＭ
Ｐ方程式の導入に必要な運動パラメータを効率的に計測
する脚式移動ロボットの動作制御装置及び動作制御方
法、脚式移動ロボットのためのセンサ・システム、並び
に移動体装置に関する。

【０００３】

【従来の技術】電気的若しくは磁気的な作用を用いて人
間の動作に似せた運動を行なう機械装置のことを「ロボ
ット」という。ロボットの語源は、スラブ語の"ＲＯＢ
ＯＴＡ（奴隷機械）"に由来すると言われている。わが
国では、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末か
らであるが、その多くは、工場における生産作業の自動
化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボ
ットなどの産業用ロボット（industrial robot）であっ
た。

【０００４】最近では、ヒトやサルなどの２足直立歩行
を行なう動物の身体メカニズムや動作を模した脚式移動
ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も
高まってきている。２足直立による脚式移動は、クロー
ラ式や、４足又は６足式などに比し不安定で姿勢制御や
歩行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路
上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続
な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業
を実現できるという点で優れている。

【０００５】また、ヒトの生体メカニズムや動作を再現
した脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、若
しくは「人間型」のロボット（humanoid robot）と呼
ぶ。人間型ロボットは、例えば、生活支援、すなわち住
環境その他の日常生活上のさまざまな場面における人的
活動の支援などを行なうことができる。

【０００６】人間の作業空間や居住空間のほとんどは、
２足直立歩行という人間が持つ身体メカニズムや行動様
式に合わせて形成されおり、車輪その他の駆動装置を移
動手段とした現状の機械システムが移動するのには多く
の障壁が存在する。したがって、機械システムすなわち
ロボットがさまざまな人的作業を代行し、さらに人間の
住空間に深く浸透していくためには、ロボットの移動可
能範囲が人間のそれとほぼ同じであることが好ましい。
これが、脚式移動ロボットの実用化が大いに期待されて
いる所以でもある。

【０００７】人間形若しくは人間型と呼ばれる２足直立
歩行の脚式移動ロボットを研究・開発する意義を、例え
ば以下の２つの視点から把握することができよう。

【０００８】１つは、人間科学的な視点である。すなわ
ち、人間の下肢及び／又は上肢に似た構造のロボットを
作り、その制御方法を考案して、人間の歩行動作をシミ
ュレートするというプロセスを通じて、歩行を始めとす
る人間の自然な動作のメカニズムを工学的に解明するこ
とができる。このような研究成果は、人間工学、リハビ
リテーション工学、あるいはスポーツ科学など、人間の
運動メカニズムを扱う他のさまざまな研究分野の進展に
大いに還元することができるであろう。

【０００９】もう１つは、人間のパートナーとして生活
を支援する、すなわち住環境その他の日常生活上の様々
な場面における人的活動の支援を行なう実用ロボットの
開発である。この種のロボットは、人間の生活環境のさ
まざまな局面において、人間から教わりながら個々に個
性の相違する人間又は環境への適応方法を学習し、機能
面でさらに成長していく必要がある。このとき、ロボッ
トが「人間形」すなわち人間と同じ形又は同じ構造をし
ている方が、人間とロボットとの円滑なコミュニケーシ
ョンを行なう上で有効に機能するものと考えられる。

【００１０】例えば、踏んではならない障害物を避けな
がら部屋を通り抜ける方法を実地においてロボットに教
示するような場合、クローラ式や４足式ロボットのよう
に教える相手が自分と全く違う構造をしているよりも、
同じような格好をしている２足歩行ロボットの方が、ユ
ーザ（作業員）ははるかに教え易く、またロボットにと
っても教わり易い筈である（例えば、高西著「２足歩行
ロボットのコントロール」（自動車技術会関東支部＜高
塑＞No.25, 1996 APRIL）を参照のこと）。

【００１１】２足歩行による脚式移動を行なうタイプの
ロボットに関する姿勢制御や安定歩行に関する技術は既
に数多提案されている。ここで言う安定な「歩行」と
は、「転倒することなく、脚を使って移動すること」と
定義することができる。

【００１２】ロボットの姿勢安定制御は、ロボットの転
倒を回避する上で非常に重要である。何故ならば、転倒
は、ロボットが実行中の作業を中断することを意味し、
且つ、転倒状態から起き上がって作業を再開するために
相当の労力や時間が払われるからである。また、何より
も、転倒によって、ロボット本体自体、あるいは転倒す
るロボットと衝突する相手側の物体にも、致命的な損傷
を与えてしまう危険があるからである。したがって、脚
式移動ロボットの設計・開発において、歩行やその他の
脚式作業時における姿勢安定制御は最も重要な技術的課
題の１つである。

【００１３】歩行時には、重力と歩行運動に伴なって生
じる加速度によって、歩行系から路面には重力と慣性
力、並びにこれらのモーメントが作用する。いわゆる
「ダランベールの原理」によると、それらは路面から歩
行系への反作用としての床反力、床反力モーメントとバ
ランスする。力学的推論の帰結として、足底接地点と路
面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内側にピッ
チ及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわち
「ＺＭＰ（Zero Moment Point）」が存在する。

【００１４】脚式移動ロボットの姿勢安定制御や歩行時
の転倒防止に関する提案の多くは、このＺＭＰを歩行の
安定度判別の規範として用いたものである。ＺＭＰ規範
に基づく２足歩行パターン生成は、足底着地点をあらか
じめ設定することができ、路面形状に応じた足先の運動
学的拘束条件を考慮し易いなどの利点がある。また、Ｚ
ＭＰを安定度判別規範とすることは、力ではなく軌道を
運動制御上の目標値として扱うことを意味するので、技
術的に実現可能性が高まる。なお、ＺＭＰの概念並びに
ＺＭＰを歩行ロボットの安定度判別規範に適用する点に
ついては、Miomir Vukobratovic著"LEGGED LOCOMOTION
ROBOTS"（加藤一郎外著『歩行ロボットと人工の足』
（日刊工業新聞社））に記載されている。

【００１５】一般には、４足歩行よりもヒューマノイド
のような２足歩行のロボットの方が、重心位置が高く、
且つ、歩行時のＺＭＰ安定領域が狭い。したがって、こ
のような路面状態の変化に伴う姿勢変動の問題は、２足
歩行ロボットにおいてとりわけ重要となる。

【００１６】２足歩行ロボットの姿勢安定度判別規範に
ＺＭＰを用いた提案は既に幾つかある。

【００１７】例えば、特開平５−３０５５７９号公報に
記載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰがゼロとなる床面上
の点を目標値に一致させるようにして安定歩行を行なう
ようになっている。

【００１８】また、特開平５−３０５５８１号公報に記
載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰが支持多面体（多角
形）内部、又は、着地、離床時にＺＭＰが支持多角形の
端部から少なくとも所定の余裕を有する位置にあるよう
に構成した。この場合、外乱などを受けても所定距離だ
けＺＭＰの余裕があり、歩行時の機体の安定性が向上す
る。

【００１９】また、特開平５−３０５５８３号公報に
は、脚式移動ロボットの歩き速度をＺＭＰ目標位置によ
って制御する点について開示している。すなわち、あら
かじめ設定された歩行パターン・データを用い、ＺＭＰ
を目標位置に一致させるように脚部関節を駆動するとと
もに、上体の傾斜を検出してその検出値に応じて設定さ
れた歩行パターン・データの吐き出し速度を変更する。
未知の凹凸を踏んでロボットが例えば前傾するときは、
吐き出し速度を速めることで姿勢を回復することができ
る。またＺＭＰを目標位置に制御するので、両脚支持期
で吐き出し速度を変更しても支障がない。

【００２０】また、特開平５−３０５５８５号公報に
は、脚式移動ロボットの着地位置をＺＭＰ目標位置によ
って制御する点について開示している。すなわち、同公
報に記載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰ目標位置と実測
位置とのずれを検出し、それを解消するように脚部の一
方又は双方を駆動するか、又はＺＭＰ目標位置まわりに
モーメントを検出してそれが零になる様に脚部を駆動す
ることで、安定歩行を実現する。

【００２１】また、特開平５−３０５５８６号公報に
は、脚式移動ロボットの傾斜姿勢をＺＭＰ目標位置によ
って制御する点について開示している。すなわち、ＺＭ
Ｐ目標位置まわりのモーメントを検出し、モーメントが
生じたときは、それが零になるように脚部を駆動するこ
とで安定歩行を行なう。

【００２２】ＺＭＰを安定度判別規範に用いたロボット
の姿勢安定度制御は、基本的には足底接地点と路面の形
成する支持多角形の辺上あるいはその内側にモーメント
がゼロとなる点を探索することにある。

【００２３】すなわち、ロボットの機体に印加される各
モーメントの釣合い関係を記述したＺＭＰ方程式を導出
して、このＺＭＰ方程式上で現れるモーメント・エラー
を打ち消すように機体の目標軌道を修正するようにすれ
ばよい。

【００２４】ＺＭＰ方程式を立てるためには、機体上の
制御対象点における位置と加速度を求める必要がある。
ＺＭＰを安定度判別規範に用いた従来のロボット機体制
御システムの多くは、制御対象点における位置データの
みをセンサ入力とし、制御システム内においてこの位置
データを２階微分するなどして加速度データを算出して
からＺＭＰ方程式を導出していた。

【００２５】しかしながら、このような計算方法に頼っ
た場合、計算量が多くなり、処理負荷が高くなるととも
に演算時間が長くなってしまう。さらに、間接的に加速
度データを得ているため、正確な加速度データを用いる
ことができず、跳躍や走行など、高速にリアルタイムで
機体の軌道修正を必要とする動作の実現が困難である。
また、機体の姿勢制御の厳密性を追及した場合、制御対
象点を複数とることが好ましいが、演算時間が過大とな
ってしまい、コスト増大を招来する。

【００２６】また、脚式ロボットを始めとする移動機械
をＺＭＰ方程式に従って厳密に運動制御することを考え
ると、制御に用いるローカル座標原点の世界座標におけ
る加速度と、ローカル座標系における機体各部の位置
（姿勢）、加速度、そしてＺＭＰ位置と外力及び外力モ
ーメントを計測し、その計測値をＺＭＰ方程式に導入す
ることで、未知外力モーメント及び未知外力を同定しつ
つ、各部の位置、加速度を制御することが最も厳密に運
動制御を行なうことになる。

【００２７】例えば、傾斜計（又は加速度計）、及びジ
ャイロを各軸（ピッチ、ロール、ヨー（Ｘ，Ｙ，Ｚ））
に１つずつ、６軸力センサの配置位置を、外力及び外力
が加わることが想定される部位毎に、実際の作用位置よ
り離れた位置に、最小限の個数のセンサ構成で運動制御
を行なうことができる。

【００２８】ところが、このようなセンサ配置に基づく
運動制御方式では、制御に用いるローカル座標原点加速
度に加え、すべての部位の位置及び加速度を直接的に計
測し、制御することは困難である。

【００２９】従来の運動制御方式は、 （１）ロボットの外部環境は、どんな力やトルクが作用
しても動くことがない。 （２）ロボットの外部環境での併進に対する摩擦係数は
十分大きく、滑りが生じない。 （３）ロボットは、どんな力やトルクが作用しても変形
することがない。 という条件を前提としたものである。このため、力やト
ルクが作用すると路面が動いてしまう砂利上や毛足の長
い絨毯上、そして、併進の摩擦係数が十分に確保できず
すべりが生じ易い住居内のタイルなどでの安定歩行（運
動）や、ロボット自身の構造に柔軟性を持たせることで
跳躍を伴う全身運動の実現を目指したロボットの運動制
御を保証するものではない。

【００３０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ＺＭ
Ｐを姿勢安定度判別規範に用いて運動中の機体の姿勢を
安定化制御することができる、優れた脚式移動ロボット
のための動作制御装置及び動作制御方法を提供すること
にある。

【００３１】本発明のさらなる目的は、ＺＭＰ方程式を
高速且つ高精度に導き出すことによってより厳密な姿勢
安定制御を行なうことを可能にする、優れた脚式移動ロ
ボットのための動作制御装置及び動作制御方法を提供す
ることにある。

【００３２】本発明のさらなる目的は、ＺＭＰを安定度
判別規範に用いて姿勢安定化制御を好適に行なうことが
できる、優れた脚式移動ロボットの動作制御装置及び動
作制御方法、並びに脚式移動ロボットのためのセンサ・
システムを提供することにある。

【００３３】本発明のさらなる目的は、機体上の各部に
設置されたセンサからの計測値に基づいて導入されたＺ
ＭＰ方程式を用いて未知外力モーメント及び未知外力を
同定して運動制御を好適に行なうことができる、優れた
脚式移動ロボットの動作制御装置及び動作制御方法、並
びに脚式移動ロボットのためのセンサ・システムを提供
することにある。

【００３４】本発明のさらなる目的は、機体上の部位に
分散するセンサ・システムを配置して、ＺＭＰ方程式の
導入に必要な運動パラメータを効率的に計測することが
できる、優れた脚式移動ロボットの動作制御装置及び動
作制御方法、並びに脚式移動ロボットのためのセンサ・
システムを提供することにある。

【００３５】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、上記
課題を参酌してなされたものであり、基体と前記基体に
接続される複数の可動部を備えたロボット装置であっ
て、前記基体及び少なくとも１つの前記可動部に制御対
象点を設け、前記制御対象点毎に配置された複数の加速
度センサと、前記可動部を制御する制御手段と、前記加
速度センサ毎に得られる加速度情報に基づいて導入され
た所定の方程式を用いて前記ロボット装置に印加される
未知モーメント及び／又は未知外力を算出する手段とを
備え、前記制御手段は、算出された未知モーメント及び
／又は未知外力に応じて前記可動部を制御する、ことを
特徴とするロボット装置である。

【００３６】ロボット装置の姿勢安定性を確保するため
には、例えばＺＭＰ方程式や運動方程式などの安定度判
別規範となる方程式を導入し、装置本体に印加される未
知モーメントや未知外力を打ち消すように動作制御を行
なう必要がある。支持多角形の内側にＺＭＰがある場合
は、系に回転運動や並進運動が発生せず、回転や並進に
関する運動方程式を解く必要がなく、系が形成する適切
なＺＭＰ空間を用いてＺＭＰ方程式を解くことにより、
姿勢安定制御を行なう。また、支持多角形の内側にＺＭ
Ｐがない場合や、外界に対する支持作用点が存在しない
場合は、ＺＭＰ方程式に代えて、運動方程式を解くこと
により、姿勢安定制御を行なう。また、跳躍を伴うダン
スなど、すべての部位の軌道の優先度が一様に高く設定
される場合には、ＺＭＰ方程式と運動方程式の両方を解
く場合がある。

【００３７】ここで、方程式を立てるためには、機体上
の各制御対象点における位置と加速度を求める必要があ
る。しかしながら、制御対象点における位置データのみ
をセンサ入力とした制御システムの場合、位置データを
２階微分するなどして加速度データを算出してから方程
式を導出しなければならない。この場合、計算量が多
く、処理負荷の増大や演算時間の問題がある。また、間
接的に加速度データを得ているため、正確な加速度デー
タを用いることができないので、高速にリアルタイムで
機体の軌道修正を必要とする動作の実現が困難である。

【００３８】これに対し、本発明に係るロボット装置の
場合、装置本体の複数の箇所に設定された制御対象点毎
に加速度センサが配設されているので、正確な加速度デ
ータを用いて方程式を導入することができるとともに、
方程式導入のための計算量を削減することができる。こ
の結果、跳躍や走行など高速性が要求される動作におい
ても好適に軌道修正を行なうことが可能となる。

【００３９】また、本発明の他の側面は、少なくとも複
数本の可動脚を備えた脚式移動を行なうタイプのロボッ
トの動作制御装置又は動作制御方法であって、前記ロボ
ットの機体上の複数の部位における力学的状態を検出す
る状態検出手段又はステップと、前記状態検出手段によ
る検出結果に基づいて、機体の運動を制御する運動制御
手段又はステップと、を具備することを特徴とする脚式
移動ロボットのための動作制御装置又は動作制御方法で
ある。

【００４０】ここで、前記状態検出手段又はステップ
は、例えば、前記ロボットの機体上の制御対象点におけ
る加速度を計測する加速度計測手段又はステップと、前
記ロボットと外界との接触部位におけるＺＭＰと力を計
測する反力計測手段又はステップとで構成される。この
ような場合、前記運動制御手段又はステップは、前記加
速度計測手段又はステップ並びに前記反力計測手段又は
ステップによる計測結果を基に、前記ロボットの機体に
印加される各モーメントの釣合い関係を記述したＺＭＰ
方程式を生成し、該ＺＭＰ方程式上で現れるモーメント
・エラーを打ち消すように機体の目標軌道を修正するこ
とができる。

【００４１】ＺＭＰを安定度判別規範に用いたロボット
の姿勢安定度制御は、基本的には足底接地点と路面の形
成する支持多角形の内側にモーメントがゼロとなる点を
探索することにある。すなわち、ロボットの機体に印加
される各モーメントの釣合い関係を記述したＺＭＰ方程
式を導出して、このＺＭＰ方程式上で現れるモーメント
・エラーを打ち消すように機体の目標軌道を修正する。

【００４２】例えば、制御に用いる機体のローカル座標
原点の世界座標における加速度と、ローカル座標系にお
ける機体の各制御対象点の位置（姿勢）、加速度、並び
にＺＭＰ位置と外力モーメントを計測して、各点におけ
る位置及び加速度を制御することにより、最も厳密に機
体制御を行なうことができる。

【００４３】しかしながら、原理に従い、制御に用いる
ローカル座標原点加速度に加え、すべての部位の位置及
び加速度を直接的に計算して機体制御を行なうことはコ
ストが過大であり、また、計測系の配置のための収容場
所が問題となる。

【００４４】本発明によれば、ロボットの機体上の制御
対象点として質量操作量が最大となる部位、例えば腰部
をローカル座標原点に設定する。そして、この制御対象
点に加速度センサなどの計測手段を配置して、その位置
における姿勢や加速度を直接計測して、ＺＭＰに基づく
姿勢安定制御を行なうことができる。

【００４５】他方、質量操作量が大きな部位を制御対象
点に設定した場合、足部の状態は、世界座標系で直接計
測するものではなく、この制御対象点の計算結果を基に
相対的に算出されるものである。このため、足部と路面
との間では以下の条件を満たすことが、前提となってし
まう。

【００４６】（１）路面はどんな力やトルクが作用して
も動くことがない。 （２）路面での並進に対する摩擦係数は充分に大きく、
滑りが生じない。

【００４７】例えば、力やトルクが作用すると路面が動
いてしまう砂利上や毛足の長い絨毯上、あるいは、並進
の摩擦係数が充分に確保できずに滑りが生じ易い住居の
タイルなどでの安定歩行（運動）を保証することができ
ない。

【００４８】そこで、本発明では、路面との接触部位で
ある足部にＺＭＰと力を直接計測する反力センサ・シス
テム（床反力センサなど）を配備するとともに、制御に
用いるローカル座標とその座標を直接的に計測するため
の加速度センサを配設することとした。

【００４９】この結果、ＺＭＰ位置に最も近い足部で直
接ＺＭＰ方程式を組み立てることができ、上述したよう
な前提条件に依存しない、より厳密な姿勢安定制御を高
速で実現することができる。

【００５０】また、さらに多くの質量操作量を制御シス
テムに組み込むことができ、主に動作の安定性に用いる
部位（腰部）に配設された加速度センサ及び姿勢センサ
による直接計測結果との協働的作用により、上述したよ
うな前提条件に依存しないような脚式移動ロボットの姿
勢安定制御を実現することができる。

【００５１】また、前記状態検出手段は、各制御点毎に
配置された、制御に用いるローカル座標とその座標を直
接的に計測するための加速度センサや角速度センサ、及
び又は、計算モデルで用いる各ベクトル位置に配置され
た加速度センサと姿勢センサで構成することができる。

【００５２】このような場合、ＺＭＰ方程式（又は運動
方程式）の導入に必要な制御パラメータ値を直接的に計
測することができる。この結果、機体が剛体で外力など
の印加で変形しないという条件を前提としないで厳密な
運動制御を応答性よく実現することができる。

【００５３】本発明に係る脚式移動ロボットのためのセ
ンサ・システムは、例えば、機体上の質量が集中してい
る各部位に搭載された加速度センサ、角加速度センサ、
角速度センサで構成される。

【００５４】あるいは、本発明に係る脚式移動ロボット
のためのセンサ・システムは、各リンクの重心付近に搭
載された加速度センサ、角加速度センサ、角速度センサ
で構成される。

【００５５】あるいは、本発明に係る脚式移動ロボット
のためのセンサ・システムは、関節自由度を構成する各
アクチュエータの重心付近に搭載された加速度センサ、
角加速度センサ、角速度センサで構成される。

【００５６】あるいは、本発明に係る脚式移動ロボット
のためのセンサ・システムは、各アクチュエータの重心
付近及びアクチュエータを除いたリンクの重心付近に搭
載された加速度センサ、角加速度センサ、角速度センサ
で構成される。

【００５７】あるいは、本発明に係る脚式移動ロボット
のためのセンサ・システムは、各アクチュエータの重心
付近、バッテリの重心付近、又は、バッテリとアクチュ
エータを除いたリンクの重心付近に搭載された加速度セ
ンサと角加速度センサと角速度センサで構成される。

【００５８】また、機体上に分散配置されたセンサ同士
を直列的に接続し、個々の制御点においてセンサ情報を
基に算出されるモーメント項や外力項を、接続経路に従
って各制御点において順次加算していくようにしてもよ
い。これら各項の総和を効率的に計算して、ＺＭＰ方程
式や運動方程式を高速に導出することができる。

【００５９】また、前記脚式移動ロボットの関節自由度
を構成するアクチュエータは、回転子マグネットと、複
数相の磁気コイルからなる固定子で構成されるモータ部
と、モータ部の出力する回転を加減速するギア・ユニッ
トと、モータ部への供給電力を制御する制御部を備えて
いる。そして、前記制御部上でアクチュエータ・ユニッ
トの２次元重心位置近傍となる位置にセンサ・ユニット
が搭載されている。

【００６０】ここで言うセンサ・ユニットは、例えば、
１軸〜３軸の加速度センサと、１〜２軸の角速度センサ
と、３軸の角速度センサの組み合わせで構成される。

【００６１】本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、
後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより
詳細な説明によって明らかになるであろう。

【００６２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態について詳解する。

【００６３】Ａ．脚式移動ロボットの機械的構成 図１及び図２には本発明の実施に供される「人間形」又
は「人間型」の脚式移動ロボット１００が直立している
様子を前方及び後方の各々から眺望した様子を示してい
る。図示の通り、脚式移動ロボット１００は、胴体部
と、頭部と、左右の上肢部と、脚式移動を行なう左右２
足の下肢部とで構成され、例えば胴体に内蔵されている
制御部（図示しない）により機体の動作を統括的にコン
トロールするようになっている。

【００６４】左右各々の下肢は、大腿部と、膝関節と、
脛部と、足首と、足平とで構成され、股関節によって体
幹部の略最下端にて連結されている。また、左右各々の
上肢は、上腕と、肘関節と、前腕とで構成され、肩関節
によって体幹部の上方の左右各側縁にて連結されてい
る。また、頭部は、首関節によって体幹部の略最上端中
央に連結されている。

【００６５】制御部は、この脚式移動ロボット１００を
構成する各関節アクチュエータの駆動制御や各センサ
（後述）などからの外部入力を処理するコントローラ
（主制御部）や、電源回路その他の周辺機器類を搭載し
た筐体である。制御部は、その他、遠隔操作用の通信イ
ンターフェースや通信装置を含んでいてもよい。

【００６６】このように構成された脚式移動ロボット１
００は、制御部による全身協調的な動作制御により、２
足歩行を実現することができる。かかる２足歩行は、一
般に、以下に示す各動作期間に分割される歩行周期を繰
り返すことによって行なわれる。すなわち、

【００６７】（１）右脚を持ち上げた、左脚による単脚
支持期 （２）右足が接地した両脚支持期 （３）左脚を持ち上げた、右脚による単脚支持期 （４）左足が接地した両脚支持期

【００６８】脚式移動ロボット１００における歩行制御
は、あらかじめ下肢の目標軌道を計画し、上記の各期間
において計画軌道の修正を行なうことによって実現され
る。すなわち、両脚支持期では、下肢軌道の修正を停止
して、計画軌道に対する総修正量を用いて腰の高さを一
定値で修正する。また、単脚支持期では、修正を受けた
脚の足首と腰との相対位置関係を計画軌道に復帰させる
ように修正軌道を生成する。

【００６９】歩行動作の軌道修正を始めとして、機体の
姿勢安定制御には、一般に、ＺＭＰに対する偏差を小さ
くするための位置、速度、及び加速度が連続となるよう
に、５次多項式を用いた補間計算により行なう。ＺＭＰ
（Zero Moment Point）を歩行の安定度判別の規範とし
て用いている。ＺＭＰによる安定度判別規範は、歩行系
から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメント
が路面から歩行系への反作用としての床反力並びに床反
力モーメントとバランスするという「ダランベールの原
理」に基づく。力学的推論の帰結として、足底接地点と
路面の形成する支持多角形（すなわちＺＭＰ安定領域）
の辺上あるいはその内側にピッチ軸及びロール軸モーメ
ントがゼロとなる点、すなわち「ＺＭＰ（Zero Moment
Point）」が存在する。

【００７０】図３には、この脚式移動ロボット１００が
具備する関節自由度構成を模式的に示している。同図に
示すように、脚式移動ロボット１００は、２本の腕部と
頭部１を含む上肢と、移動動作を実現する２本の脚部か
らなる下肢と、上肢と下肢とを連結する体幹部とで構成
された、複数の肢を備えた構造体である。

【００７１】頭部を支持する首関節（Ｎｅｃｋ）は、首
関節ヨー軸１と、第１及び第２の首関節ピッチ軸２ａ，
２ｂと、首関節ロール軸３という３自由度を有してい
る。また、各腕部は、その自由度として、肩（Ｓｈｏｕ
ｌｄｅｒ）における肩関節ピッチ軸４と、肩関節ロール
軸５と、上腕ヨー軸６、肘（Ｅｌｂｏｗ）における肘関
節ピッチ軸７と、手首（Ｗｒｉｓｔ）における手首関節
ヨー軸８と、手部とで構成される。手部は、実際には、
複数本の指を含む多関節・多自由度構造体である。

【００７２】また、体幹部（Ｔｒｕｎｋ）は、体幹ピッ
チ軸９と、体幹ロール軸１０という２自由度を有する。

【００７３】また、下肢を構成する各々の脚部は、股関
節（Ｈｉｐ）における股関節ヨー軸１１と、股関節ピッ
チ軸１２と、股関節ロール軸１３と、膝（Ｋｎｅｅ）に
おける膝関節ピッチ軸１４と、足首（Ａｎｋｌｅ）にお
ける足首関節ピッチ軸１５と、足首関節ロール軸１６
と、足部とで構成される。

【００７４】但し、エンターティンメント向けの脚式移
動ロボット１００が上述したすべての自由度を装備しな
ければならない訳でも、あるいはこれに限定される訳で
もない。設計・製作上の制約条件や要求仕様などに応じ
て、自由度すなわち関節数を適宜増減することができる
ことは言うまでもない。

【００７５】上述したような脚式移動ロボット１００が
持つ各自由度は、実際にはアクチュエータを用いて実装
される。外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形
状に近似させること、２足歩行という不安定構造体に対
して姿勢制御を行なうことなどの要請から、アクチュエ
ータは小型且つ軽量であることが好ましい。本実施形態
では、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化し
てモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ＡＣサーボ
・アクチュエータを搭載することとした（この種のＡＣ
サーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願人に
既に譲渡されている特開２０００−２９９９７０号公報
に開示されている）。本実施形態では、直結ギアとして
低減速ギアを採用することにより、人間との物理的イン
タラクションを重視するタイプのロボット１００に求め
られている駆動系自身の受動的特性を得ている。

【００７６】Ｂ．脚式移動ロボットの制御システム構成 図４には、脚式移動ロボット１００の制御システム構成
を模式的に示している。同図に示すように、脚式移動ロ
ボット１００は、ヒトの四肢を表現した各機構ユニット
３０，４０，５０Ｒ／Ｌ，６０Ｒ／Ｌと、各機構ユニッ
ト間の協調動作を実現するための適応制御を行なう制御
ユニット８０とで構成される（但し、Ｒ及びＬの各々
は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下同様）。

【００７７】脚式移動ロボット１００全体の動作は、制
御ユニット８０によって統括的に制御される。制御ユニ
ット８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメ
モリ等の主要回路コンポーネント（図示しない）で構成
される主制御部８１と、電源回路やロボット１００の各
構成要素とのデータやコマンドの授受を行なうインター
フェース（いずれも図示しない）などを含んだ周辺回路
８２とで構成される。

【００７８】本発明を実現する上で、この制御ユニット
８０の設置場所は特に限定されない。図４では体幹部ユ
ニット４０に搭載されているが、頭部ユニット３０に搭
載してもよい。あるいは、脚式移動ロボット１００外に
制御ユニット８０を配備して、脚式移動ロボット１００
の機体とは有線若しくは無線で交信するようにしてもよ
い。

【００７９】図３に示した脚式移動ロボット１００内の
各関節自由度は、それぞれに対応するアクチュエータに
よって実現される。すなわち、頭部ユニット３０には、
首関節ヨー軸１、首関節ピッチ軸２、首関節ロール軸３
の各々を表現する首関節ヨー軸アクチュエータＡ₁、首
関節ピッチ軸アクチュエータＡ₂、首関節ロール軸アク
チュエータＡ₃が配設されている。

【００８０】また、体幹部ユニット４０には、体幹ピッ
チ軸９、体幹ロール軸１０の各々を表現する体幹ピッチ
軸アクチュエータＡ₉、体幹ロール軸アクチュエータＡ
₁₀が配備されている。

【００８１】また、腕部ユニット５０Ｒ／Ｌは、上腕ユ
ニット５１Ｒ／Ｌと、肘関節ユニット５２Ｒ／Ｌと、前
腕ユニット５３Ｒ／Ｌに細分化されるが、肩関節ピッチ
軸４、肩関節ロール軸５、上腕ヨー軸６、肘関節ピッチ
軸７、手首関節ヨー軸８の各々を表現する肩関節ピッチ
軸アクチュエータＡ₄、肩関節ロール軸アクチュエータ
Ａ₅、上腕ヨー軸アクチュエータＡ₆、肘関節ピッチ軸ア
クチュエータＡ₇、手首関節ヨー軸アクチュエータＡ₈が
配備されている。

【００８２】また、脚部ユニット６０Ｒ／Ｌは、大腿部
ユニット６１Ｒ／Ｌと、膝ユニット６２Ｒ／Ｌと、脛部
ユニット６３Ｒ／Ｌに細分化されるが、股関節ヨー軸１
１、股関節ピッチ軸１２、股関節ロール軸１３、膝関節
ピッチ軸１４、足首関節ピッチ軸１５、足首関節ロール
軸１６の各々を表現する股関節ヨー軸アクチュエータＡ
₁₁、股関節ピッチ軸アクチュエータＡ₁₂、股関節ロール
軸アクチュエータＡ₁₃、膝関節ピッチ軸アクチュエータ
Ａ₁₄、足首関節ピッチ軸アクチュエータＡ₁₅、足首関節
ロール軸アクチュエータＡ₁₆が配備されている。

【００８３】各関節に用いられるアクチュエータＡ₁，
Ａ₂，Ａ₃…は、より好ましくは、ギア直結型で且つサー
ボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニット内に搭載
したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータ（前述）
で構成することができる。

【００８４】頭部ユニット３０、体幹部ユニット４０、
腕部ユニット５０、各脚部ユニット６０などの各機構ユ
ニット毎に、アクチュエータ駆動制御用の副制御部３
５，４５，５５，６５が配備されている。

【００８５】機体の体幹部４０には、加速度センサ９５
と姿勢センサ９６が配設されている。加速度センサ９５
は、Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸方向に配置する。機体の腰部に加速
度センサ９５を配設することによって、質量操作量が大
きな部位である腰部を制御対象点として設定して、その
位置における姿勢や加速度を直接計測して、ＺＭＰに基
づく姿勢安定制御を行なうことができる。

【００８６】また、各脚部６０Ｒ，Ｌには、接地確認セ
ンサ９１及び９２と、加速度センサ９３，９４がそれぞ
れ配設されている。接地確認センサ９１及び９２は、例
えば足底に圧力センサを装着することにより構成され、
床反力の有無により足底が着床したか否かを検出するこ
とができる。また、加速度センサ９３，９４は、少なく
ともＸ及びＹの各軸方向に配置する。左右の足部に加速
度センサ９３，９４を配設することにより、ＺＭＰ位置
に最も近い足部で直接ＺＭＰ方程式を組み立てることが
できる。

【００８７】質量操作量が大きな部位である腰部にのみ
加速度センサを配置した場合、腰部のみが制御対象点に
設定され、足部の状態は、この制御対象点の計算結果を
基に相対的に算出しなければならず、足部と路面との間
では以下の条件を満たすことが、前提となってしまう。

【００８８】（１）路面はどんな力やトルクが作用して
も動くことがない。 （２）路面での並進に対する摩擦係数は充分に大きく、
滑りが生じない。

【００８９】これに対し、本実施形態では、路面との接
触部位である足部にＺＭＰと力を直接計測する反力セン
サ・システム（床反力センサなど）を配備するととも
に、制御に用いるローカル座標とその座標を直接的に計
測するための加速度センサを配設する。この結果、ＺＭ
Ｐ位置に最も近い足部で直接ＺＭＰ方程式を組み立てる
ことができ、上述したような前提条件に依存しない、よ
り厳密な姿勢安定制御を高速で実現することができる。
この結果、力やトルクが作用すると路面が動いてしまう
砂利上や毛足の長い絨毯上や、並進の摩擦係数が充分に
確保できずに滑りが生じ易い住居のタイルなどであって
も、機体の安定歩行（運動）を保証することができる。

【００９０】主制御部８０は、各センサ９１〜９３の出
力に応答して制御目標をダイナミックに補正することが
できる。より具体的には、副制御部３５，４５，５５，
６５の各々に対して適応的な制御を行い、脚式移動ロボ
ット１００の上肢、体幹、及び下肢が協調して駆動する
全身運動パターンを実現する。

【００９１】ロボット１００の機体上での全身運動は、
足部運動、ＺＭＰ（Zero Moment Point）軌道、体幹運
動、上肢運動、腰部高さなどを設定するとともに、これ
らの設定内容に従った動作を指示するコマンドを各副制
御部３５，４５，５５，６５に転送する。そして、各々
の副制御部３５，４５…では、主制御部８１からの受信
コマンドを解釈して、各アクチュエータＡ₁，Ａ₂，Ａ₃
…に対して駆動制御信号を出力する。ここで言う「ＺＭ
Ｐ」とは、歩行中の床反力によるモーメントがゼロとな
る床面上の点のことであり、また、「ＺＭＰ軌道」と
は、例えばロボット１００の歩行動作期間中にＺＭＰが
動く軌跡を意味する（前述）。

【００９２】Ｃ．脚式移動ロボットの姿勢安定制御 次いで、本実施形態に係る脚式移動ロボット１００にお
ける、脚式作業時すなわち足部、腰、体幹、下肢運動な
どからなる全身協調運動の実行時における姿勢の安定化
処理の手順について説明する。

【００９３】本実施形態に係る姿勢安定制御は、ＺＭＰ
を安定度判別規範に用いる。ＺＭＰを安定度判別規範に
用いたロボットの姿勢安定度制御は、基本的には足底接
地点と路面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内
側にモーメントがゼロとなる点を探索することにある。
すなわち、ロボットの機体に印加される各モーメントの
釣合い関係を記述したＺＭＰ方程式を導出して、このＺ
ＭＰ方程式上で現れるモーメント・エラーを打ち消すよ
うに機体の目標軌道を修正する。

【００９４】本実施形態では、ロボットの機体上の制御
対象点として質量操作量が最大となる部位、例えば腰部
をローカル座標原点に設定する。そして、この制御対象
点に加速度センサなどの計測手段を配置して、その位置
における姿勢や加速度を直接計測して、ＺＭＰに基づく
姿勢安定制御を行なう。さらに路面との接触部位である
足部に加速度センサを配備することにより、制御に用い
るローカル座標とその座標を直接的に計測して、ＺＭＰ
位置に最も近い足部で直接ＺＭＰ方程式を組み立てる。

【００９５】Ｃ−１．ＺＭＰ方程式の導入 本実施形態に係る脚式移動ロボット１００は無限のすな
わち連続的な質点の集合体である。但し、ここでは有限
数で離散的な質点からなる近似モデルに置き換えること
によって、安定化処理のための計算量を削減するように
している。より具体的には物理的には図３に示す多関節
自由度構成を具備する脚式移動ロボット１００を、図５
に示すように多質点近似モデルに置き換えて取り扱う。
図示の近似モデルは、線形且つ非干渉の多質点近似モデ
ルである。

【００９６】図５において、Ｏ−ＸＹＺ座標系は絶対座
標系におけるロール、ピッチ、ヨー各軸を表し、また、
Ｏ'−Ｘ'Ｙ'Ｚ'座標系はロボット１００とともに動く運
動座標系におけるロール、ピッチ、ヨー各軸を表してい
る。但し、図中におけるパラメータの意味は以下の通り
である。また、ダッシュ（´）付きの記号は運動座標系
を記述するものと理解されたい。

【００９７】

【数１】

【００９８】同図に示す多質点モデルでは、ｉはｉ番目
に与えられた質点を表す添え字であり、ｍ_iはｉ番目の
質点の質量、ｒ'_iはｉ番目の質点の位置ベクトル（但し
運動座標系）を表すものとする。本実施形態に係る脚式
移動ロボット１００の機体重心は腰部付近に存在する。
すなわち、腰部は、質量操作量が最大となる質点であ
り、図５では、その質量はｍ_h、その位置ベクトル（但
し運動座標系）はｒ'_h（ｒ'_hx，ｒ'_hy，ｒ'_hz）とす
る。また、機体のＺＭＰの位置ベクトル（但し運動座標
系）をｒ'_zmp（ｒ'_zmpx，ｒ'_zmpy，ｒ'_zmpz）とする。

【００９９】世界座標系Ｏ−ＸＹＺは絶対座標系であ
り、不変である。本実施形態に係る脚式移動ロボット１
００は、腰部と両脚の足部にそれぞれ加速度センサ９
３、９４、９６が配置されており、これらセンサ出力に
より腰部並びに立脚それぞれと世界座標系の相対位置ベ
クトルｒ_qが検出される。これに対し、運動座標系すな
わち機体のローカル座標系はＯ−Ｘ’Ｙ’Ｚ’は、ロボ
ットともに動く。

【０１００】多質点モデルは、言わば、ワイヤフレーム
・モデルの形態でロボットを表現したものである。図５
を見ても判るように、多質点近似モデルは、両肩、両
肘、両手首、体幹、腰部、及び、両足首の各々を質点と
して設定される。図示の非厳密の多質点近似モデルにお
いては、モーメント式は線形方程式の形式で記述され、
該モーメント式はピッチ軸及びロール軸に関して干渉し
ない。多質点近似モデルは、概ね以下の処理手順により
生成することができる。

【０１０１】（１）ロボット１００全体の質量分布を求
める。 （２）質点を設定する。質点の設定方法は、設計者のマ
ニュアル入力であっても、所定の規則に従った自動生成
のいずれでも構わない。 （３）各領域ｉ毎に、重心を求め、その重心位置と質量
ｍ_iを該当する質点に付与する。 （４）各質点ｍ_iを、質点位置ｒ_iを中心とし、その質量
に比例した半径に持つ球体として表示する。 （５）現実に連結関係のある質点すなわち球体同士を連
結する。

【０１０２】なお、図６に示す多質点モデルにおいて、
基体すなわち腰部情報における各回転角（θ_hx，θ_hy，
θ_hz）は、脚式移動ロボット１００における腰部の姿勢
すなわちロール、ピッチ、ヨー軸の回転を規定するもの
である。

【０１０３】機体のＺＭＰ方程式は、制御対象点におい
て印加される各モーメントの釣合い関係を記述したもの
である。図６に示したように、機体を多数の質点ｍ_iで
表わし、これらを制御対象点とした場合、すべての制御
対象点ｍ_iにおいて印加されるモーメントの総和を求め
る式がＺＭＰ方程式である。

【０１０４】世界座標系（Ｏ−ＸＹＺ）で記述された機
体のＺＭＰ方程式、並びに機体のローカル座標系（Ｏ−
Ｘ’Ｙ’Ｚ’）はそれぞれ以下の通りとなる。

【０１０５】

【数２】

【０１０６】上式は、各質点ｍ_iにおいて印加された加
速度成分により生成されるＺＭＰ回り（半径ｒ_i−
ｒ_zmp）のモーメントの総和と、各質点ｍ_iに印加された
外力モーメントＭ_iの総和と、外力Ｆ_kにより生成される
ＺＭＰ回り（ｋ番目の外力Ｆ_kの作用点をｓ_kとする）の
モーメントの総和が釣り合うということを記述してい
る。

【０１０７】このＺＭＰ釣合い方程式は、総モーメント
補償量すなわちモーメント・エラー成分Ｔを含んでい
る。このモーメント・エラーをゼロ又は所定の許容範囲
内に抑えることによって、機体の姿勢安定性が維持され
る。言い換えれば、モーメント・エラーをゼロ又は許容
値以下となるように機体運動（足部運動や上半身の各部
位の軌道）を修正することが、ＺＭＰを安定度判別規範
とした姿勢安定制御の本質である。

【０１０８】本実施形態では、腰部と左右の足部にそれ
ぞれ加速度センサ９６，９３及び９４が配設されている
ので、これらの制御対象点における加速度計測結果を用
いて直接的に且つ高精度に上記のＺＭＰ釣合い方程式を
導出することができる。この結果、高速でより厳密な姿
勢安定制御を実現することができる。

【０１０９】Ｃ−２．全身協調型の姿勢安定制御 図７には、脚式移動ロボット１００において安定歩行可
能な機体運動を生成するための処理手順をフローチャー
トの形式で示している。但し、以下の説明では、図５及
び図６に示すような線形・非干渉多質点近似モデルを用
いて脚式移動ロボット１００の各関節位置や動作を記述
するものとする。

【０１１０】まず、足部運動の設定を行なう（ステップ
Ｓ１）。足部運動は、２以上の機体のポーズを時系列的
に連結されてなるモーション・データである。

【０１１１】モーション・データは、例えば、足部の各
関節角の変位を表わした関節空間情報と、関節位置を表
わしたデカルト空間情報で構成される。モーション・デ
ータは、コンソール画面上での手付け入力や、機体への
ダイレクト・ティーチング（直接教示）例えばモーショ
ン編集用のオーサリング・システム上で構築したりする
ことができる。

【０１１２】次いで、設定された足部運動を基にＺＭＰ
安定領域を算出する（ステップＳ２）。ＺＭＰは、機体
に印加されるモーメントがゼロとなる点であり、基本的
には足底接地点と路面の形成する支持多角形の辺上ある
いはその内側に存在する。ＺＭＰ安定領域は、この支持
多角形のさらに内側に設定された領域であり、該領域に
ＺＭＰを収容させることによって機体を高度に安定した
状態にすることができる。

【０１１３】そして、足部運動とＺＭＰ安定領域を基
に、足部運動中におけるＺＭＰ軌道を設定する（ステッ
プＳ３）。

【０１１４】また、機体の上半身（股関節より上側）の
各部位については、腰部、体幹部、上肢、頭部などのよ
うにグループ設定する（ステップＳ１１）。

【０１１５】そして、各部位グループごとに希望軌道を
設定する（ステップＳ１２）。上半身における希望軌道
の設定は、足部の場合と同様に、コンソール画面上での
手付け入力や、機体へのダイレクト・ティーチング（直
接教示）例えばモーション編集用のオーサリング・シス
テム上で構築したりすることができる。

【０１１６】次いで、各部位のグループ設定の調整（再
グルーピング）を行ない（ステップＳ１３）、さらにこ
れらグループに対して優先順位を与える（ステップＳ１
４）。

【０１１７】ここで言う優先順位とは、機体の姿勢安定
制御のための処理演算に投入する順位のことであり、例
えば質量操作量に応じて割り振られる。この結果、機体
上半身についての各部位についての優先順位付き希望軌
道群が出来上がる。ロボットの姿勢に応じて、目標軌道
間での優先順位の変更を行なうようにしてもよい。

【０１１８】また、機体上半身の各部位グループ毎に、
モーメント補償に利用できる質量を算出しておく（ステ
ップＳ１５）。

【０１１９】そして、足部運動とＺＭＰ軌道、並びに上
半身の各部位グループ毎の希望軌道群を基に、ステップ
Ｓ１４により設定された優先順位に従って、各部位グル
ープの運動パターンを姿勢安定化処理に投入する。

【０１２０】この姿勢安定化処理では、まず、処理変数
ｉに初期値１を代入する（ステップＳ２０）。そして、
優先順位が先頭からｉ番目までの部位グループについて
の目標軌道設定時における、目標ＺＭＰ上でのモーメン
ト量すなわち総モーメント補償量を算出する（ステップ
Ｓ２１）。目標軌道が算出されていない部位について
は、希望軌道を用いる。

【０１２１】次いで、ステップＳ１５において算出され
た当該部位のモーメント補償に利用できる質量を用い
て、そのモーメント補償量を設定して（ステップＳ２
２）、モーメント補償量を算出する（ステップＳ２
３）。

【０１２２】次いで、算出されたｉ番目の部位のモーメ
ント補償量を用いて、ｉ番目の部位についてのＺＭＰ方
程式を導出して（ステップＳ２４）、当該部位のモーメ
ント補償運動を算出することにより（ステップＳ２
５）、優先順位が先頭からｉ番目までの部位についての
目標軌道を得ることができる。

【０１２３】このような処理をすべての部位グループに
ついて行なうことにより、安定運動（例えば歩行）が可
能な全身運動パターンが生成される。すなわち、ＺＭＰ
方程式（あるいは運動方程式（後述））の解と各部位に
与えられた優先順位に従がって、各目標起動の全部又は
一部に対して修正を行なうことで、全身運動パターンが
生成される。

【０１２４】図７に示した機体運動パターン生成の処理
手順では、まず足部運動を設定し安定領域を算出しＺＭ
Ｐ軌道の設定を行なってから、上半身の各部位における
希望軌道の優先順位の設定を行なうように構成されてい
るが、処理順序はこれに限定されない。例えば、上半身
の各部位における希望軌道の優先順位を先に設定してか
ら、ＺＭＰ安定領域の算出並びにＺＭＰ軌道の設定を行
なうようにしてもよい。前者の場合、先に設定したＺＭ
Ｐ軌道に従がって上半身の各部位における希望軌道の優
先順位が設定されるのに対し、後者の場合、先に設定さ
れた上半身の各部位の希望軌道を維持するように安定領
域の算出並びにＺＭＰ軌道が設定される。

【０１２５】図８には、各部位の希望軌道の優先順位を
先に設定してから、ＺＭＰ安定領域の算出並びにＺＭＰ
軌道の設定を行なう機体運動の生成処理手順をフローチ
ャートの形式で示している。

【０１２６】まず、機体の上半身（股関節より上側）の
各部位については、腰部、体幹部、上肢、頭部などのよ
うにグループ設定する（ステップＳ３１）。

【０１２７】そして、各部位グループごとに希望軌道を
設定する（ステップＳ３２）。上半身における希望軌道
の設定は、足部の場合と同様に、コンソール画面上での
手付け入力や、機体へのダイレクト・ティーチング（直
接教示）例えばモーション編集用のオーサリング・シス
テム上で構築したりすることができる。

【０１２８】次いで、各部位のグループ設定の調整（再
グルーピング）を行ない（ステップＳ３３）、さらにこ
れらグループに対して優先順位を与える（ステップＳ３
４）。

【０１２９】ここで言う優先順位とは、機体の姿勢安定
制御のための処理演算に投入する順位のことであり、例
えば質量操作量に応じて割り振られる。この結果、機体
上半身についての各部位についての優先順位付き希望軌
道群が出来上がる。

【０１３０】次いで、設定された上半身における希望軌
道の優先順位を基に、ＺＭＰ安定領域を算出する（ステ
ップＳ３５）。そして、ＺＭＰ安定領域を基に、足部運
動中におけるＺＭＰ軌道を設定する（ステップＳ３
６）。

【０１３１】また、機体上半身の各部位グループ毎に、
モーメント補償に利用できる質量を算出しておく（ステ
ップＳ４５）。

【０１３２】そして、上半身の各部位グループ毎の希望
軌道群とＺＭＰ軌道を基に、ステップＳ３４により設定
された優先順位に従って、各部位グループの運動パター
ンを姿勢安定化処理に投入する。

【０１３３】この姿勢安定化処理では、まず、処理変数
ｉに初期値１を代入する（ステップＳ３７）。そして、
優先順位が先頭からｉ番目までの部位グループについて
の目標軌道設定時における、目標ＺＭＰ上でのモーメン
ト量すなわち総モーメント補償量を算出する（ステップ
Ｓ３８）。目標軌道が算出されていない部位について
は、希望軌道を用いる。

【０１３４】次いで、ステップＳ４５において算出され
た当該部位のモーメント補償に利用できる質量を用い
て、そのモーメント補償量を設定して（ステップＳ３
９）、モーメント補償量を算出する（ステップＳ４
０）。

【０１３５】次いで、算出されたｉ番目の部位のモーメ
ント補償量を用いて、ｉ番目の部位についてのＺＭＰ方
程式を導出して（ステップＳ４１）、当該部位のモーメ
ント補償運動を算出することにより（ステップＳ４
２）、優先順位が先頭からｉ番目までの部位についての
目標軌道を得ることができる。

【０１３６】ここで、図７中のステップＳ１４における
希望軌道の優先順位の設定方法について説明する。

【０１３７】総モーメント補償量をΩ［Ｎｍ］とし、ｉ
部のモーメント補償に利用できる質量をＭ_i［Ｎ］とす
ると（ｉ＝１，２，３，…，ｎ）、ｉ部のモーメント補
償量はα_i×Ω［Ｎｍ］となる。但し、α_iは絶対モーメ
ント補償量係数であり、相対モーメント補償量係数β_i
を用いて、下式のように表される。

【０１３８】

【数３】

【０１３９】補償量係数が０より離れるほど希望軌道の
優先順位が下がる。正方向が運動の安定化に作用し、負
方向が運動の安定化と逆方向に作用する。

【０１４０】以下、上半身における希望軌道の優先順位
の設定方法について、具体例を参照しながら説明する。

【０１４１】図９に示すように、手で台車を運ぶような
運動パターンにおいては、手部の軌道の優先度が高ま
る。優先度の設定例として、手部のα＝０．０とし、残
りの部位のαの合計を１．０とする。

【０１４２】図１０に示すように、ゴルフ・クラブ（あ
るいは野球のバット）を両手で持ってスイングするよう
な運動パターンにおいては、手部、足部の軌道の順で優
先度が設定される。優先度の設定例として、手部のα＝
０．０とし、足部のα＝０．１とし、残りの部位のαの
合計を０．９とする。

【０１４３】図１１に示すように、機械体操におけるあ
ん馬競技を行なうような運動パターンにおいては、両手
のみで身体を支持することと脚部の姿勢が重要視される
ことから、手部と、体幹部と下肢の相対関係の軌道の優
先度が高く設定される。優先度の設定例として、手部の
α＝０．０とし、体幹と下肢（肩部における軌道）のα
＝０．０とし、残りの部位のαの合計を１．０とする。

【０１４４】図１２に示すように、瓶やグラスなどを載
せたトレイを片手で持ってバランスをとりながら歩行す
るような運動パターンにおいては、手部、体幹部、腰
部、足部の軌道の順で優先度が設定される。

【０１４５】図１３に示すように、逆立ちをするような
運動パターンにおいては、両手で全身を支持し姿勢安定
を図ることから、手部、体感部、腰部の軌道の順で優先
度が設定される。優先度の設定例として、手部のα＝
０．０とし、体幹のα＝０．２とし、腰部のα＝０．３
とし、残りの部位のαの合計を０．５とする。

【０１４６】図１４に示すように、複数のコップを載せ
たトレイの底に棒を立てて、さらに棒の下端を額に載せ
てバランスをとるという運動パターンにおいては、頭部
の起動の優先度が高く設定される。優先度の設定例とし
て、頭部のα＝０．０とし、残りの部位のαの合計を
１．０とする。

【０１４７】図１５に示すように、複数のフラフープを
腰部・体幹部の回転運動で支持するような運動パターン
においては、体幹部の軌道の優先度が高く設定される。
優先度の設定例として、体幹部のα＝０．０とし、残り
の部位のαの合計を１．０とする。

【０１４８】図１６に示すように、長い棒を持って走
り、高所に設定されたバーを越える棒高跳び競技を行な
うような運動パターンにおいては、時間の経過ととも
に、下肢、腰部、体幹部、上肢…と優先度が変化してい
く。優先度の設定例として、試技の前記において足部の
α＝０．０とし、中期において腰部及び体幹部のα＝
０．０とし、後期において上肢のα＝０．０とし、各時
期における残りの部位のαの合計を１．０とする。

【０１４９】図１７に示すように、リボンを持って踊る
新体操、球乗り、バレエのような運動パターンにおいて
は、すべての部位における軌道の優先度が一様に高く設
定される。優先度の設定例として、各部のαを共通と
し、αの合計を１．０とする。

【０１５０】図１８に示すように、両腕を広げてバラン
スをとりながら綱渡りを行なうような運動パターンにお
いては、足部、上肢・体幹部の軌道の順で優先度が設定
される。優先度の設定例として、足部のα＝０．０と
し、上肢及び体幹部のα＝０．１とし、残りの部位のα
の合計を０．９とする。

【０１５１】図１９に示すように、工事中のビルの外壁
に沿って組まれた足場を歩くような運動パターンにおい
ては、上肢・体幹部、足部の軌道の順で優先度が設定さ
れる。優先度の設定例として、上肢および体幹部のα＝
０．１とし、足部のα＝０．２とし、残りの部位のαの
合計を０．７とする。

【０１５２】Ｄ．機械ハードウェアの変形を考慮した運
動制御 これまでの脚式移動ロボット及びその力学的取り扱い
は、外力やトルクを受けても変形が非常に小さく、ロボ
ット全体の運動に対して無視できることを前提としてい
た。つまり、ロボットの各関節間の距離は変化しないこ
とを前提としていたので、ロボット・システムの状態検
出センサは、各要素に関して各１つの構成で十分であっ
た。

【０１５３】しかしながら、今後、走行やより加速度を
継続的且つ積極的に用いたダイナミクス・レベルの高い
運動を実現しようとすると機械ハードウェア自身の変形
をも利用した衝撃緩衝機能が必要となるとともに、より
高次の方程式を実時間で高速に解くことが必要になる。

【０１５４】そこで、この項では、ロボットの各関節間
の距離は変化しないという前提条件が不要なセンサ・シ
ステム構成方法及びそれを用いた分散型の高速運動制御
システムについて提案する。

【０１５５】なお、本明細書中では、以下の定義に従う
ものとする（例えば、日本機械学会編「機械系の動力
学」（ｐ．３１−３３、オーム社、平成３年３月２５
日）を参照のこと）。

【０１５６】 並進運動： 慣性力＝−（重量／重力加速度）×加速度 回転運動： 慣性モーメント＝−極慣性モーメント×角
加速度 極慣性モーメント： 回転軸における慣性モーメント

【０１５７】本実施形態に係る脚式移動ロボットは、Ｚ
ＭＰ（Zero Moment Point）を歩行の安定度判別の規範
として用いている。ＺＭＰによる安定度判別規範は、系
が適切なＺＭＰ空間を形成し、支持多角形の内側にＺＭ
Ｐがある場合は、系に回転運動や並進運動が発生せず、
回転や並進に関する運動方程式を解く必要がない。な
お、支持多角形の内側にＺＭＰがない場合や、外界に対
する支持作用点が存在しない場合は、ＺＭＰ方程式に代
えて、運動方程式を解く必要がある。

【０１５８】機体のＺＭＰ方程式は、制御対象点におい
て印加される各モーメントの釣合い関係を記述したもの
である。機体を多数の質点ｍ_iで表わし、これらを制御
対象点とした場合、すべての制御対象点ｍ_iにおいて印
加されるモーメントの総和を求める式がＺＭＰ釣合い方
程式である。

【０１５９】世界座標系（Ｏ−ＸＹＺ）で記述された機
体のＺＭＰ釣合い方程式、並びに機体のローカル座標系
（Ｏ−Ｘ’Ｙ’Ｚ’）で記述された機体のＺＭＰ釣合い
方程式はそれぞれ以下の通りとなる。

【０１６０】

【数４】

【０１６１】上記の各式は、各質点（又は制御点）ｍ_i
において印加された加速度成分により生成されるＺＭＰ
回り（半径ｒ_i−Ｐ_zmp）のモーメントの総和と、各質点
ｍ_iに印加された外力モーメントＭ_iの総和と、外力Ｆ_k
により生成されるＺＭＰ回り（ｋ番目の外力Ｆ_kの作用
点をＳ_kとする）のモーメントの総和が釣り合うという
ことを記述している。

【０１６２】このＺＭＰ釣合い方程式は、総モーメント
補償量すなわちモーメント・エラー成分Ｔを含んでい
る。このモーメント・エラーをゼロ又は所定の許容範囲
内に抑えることによって、機体の姿勢安定性が維持され
る。言い換えれば、モーメント・エラーをゼロ又は許容
値以下となるように機体運動（足部運動や上半身の各部
位の軌道）を修正することが、ＺＭＰを安定度判別規範
とした姿勢安定制御の本質である。

【０１６３】本実施形態に係る脚式移動ロボットは、外
界との接触部位にＺＭＰと力を直接計測する反力センサ
・システムを配置するとともに、運動制御に用いるロー
カル座標とその座標を直接的に計測するための加速度セ
ンサや角速度センサを配置し、さらに計算モデルで用い
ている各ベクトル位置に加速度センサと姿勢センサを配
置することで、ＺＭＰ方程式（又は運動方程式）を導入
するために必要な制御パラメータを直接的に計測するこ
とを可能とすることで、機体が剛体で外力などの印加で
変形しないという条件を前提としないで厳密な運動制御
を応答性よく実現する。

【０１６４】本実施形態に係る反力センサ・システムの
配置例を以下に挙げておく。

【０１６５】（１）質量が集中している部位に、加速度
センサ、角加速度センサ、角速度センサを搭載する。 （２）各リンクの重心付近に、加速度センサ、角加速度
センサ、角速度センサを搭載する。 （３）各アクチュエータの重心付近に、加速度センサ、
角加速度センサ、角速度センサを搭載する。 （４）各アクチュエータの重心付近及びアクチュエータ
を除いたリンクの重心付近に、加速度センサ、角加速度
センサ、角速度センサを搭載する。 （５）各アクチュエータの重心付近、バッテリの重心付
近、バッテリとアクチュエータを除いたリンクの重心付
近に、加速度センサと角加速度センサと角速度センサを
搭載する。

【０１６６】（１）によれば、質量が集中している部位
を制御点として、各制御点において印加される加速度成
分を制御点毎に直接計測し、これにより生成される制御
点におけるＺＭＰ回りのモーメント項、制御点に印加さ
れる外力モーメント項、制御点に印加される外力により
生成されるＺＭＰ回りのモーメント項を、各部位毎に直
接算出することができる。そして、中央の制御ユニット
においては、各制御点から集められたこれらモーメント
項を順次加算してその総和をとることで、より厳密なＺ
ＭＰ釣合い方程式を直接的に導入することができる。ま
た、各制御点毎にモーメント項を直接計測していること
から、機体が剛体で外力などの印加で変形しないという
条件を前提としないで厳密な運動制御を応答性よく実現
することができる。

【０１６７】ここで言う質量が集中している部位とは、
バッテリ重心、制御ユニット重心、リンク重心、アクチ
ュエータ重心、関節軸、その他の質量集中物などが該当
する。図２０には、脚式移動ロボットの機体上の質量が
集中している部位に加速度、角加速度、角速度センサを
搭載している様子を示している。同図に示すように、主
要な外界との接触部位として、手のひらと足底に外力セ
ンサ及び外力モーメント・センサを搭載している。

【０１６８】また、（２）によれば、関節を接続する各
リンクの重心付近を制御点として、各制御点において印
加される加速度成分を制御点毎に直接計測し、これによ
り生成される制御点におけるＺＭＰ回りのモーメント
項、制御点に印加される外力モーメント項、制御点に印
加される外力により生成されるＺＭＰ回りのモーメント
項を、各部位毎に直接算出することができる。そして、
中央の制御ユニットにおいては、各制御点から集められ
たこれらモーメント項を順次加算してその総和をとるこ
とで、より厳密なＺＭＰ釣合い方程式を直接的に導入す
ることができる。また、各制御点毎にモーメント項を直
接計測していることから、機体が剛体で外力などの印加
で変形しないという条件を前提としないで厳密な運動制
御を応答性よく実現することができる。

【０１６９】図２１には、脚式移動ロボットの機体上の
各リンクの重心付近に加速度、角加速度、角速度センサ
を搭載している様子を示している。同図に示すように、
主要な外界との接触部位として、手のひらと足底に外力
センサ及び外力モーメント・センサを搭載している。

【０１７０】また、（３）によれば、機体上の主な質量
集中部位としての各アクチュエータの重心付近を制御点
として、各制御点において印加される加速度成分を制御
点毎に直接計測し、これにより生成される制御点におけ
るＺＭＰ回りのモーメント項、制御点に印加される外力
モーメント項、制御点に印加される外力により生成され
るＺＭＰ回りのモーメント項を、各部位毎に直接算出す
ることができる。そして、中央の制御ユニットにおいて
は、各制御点から集められたこれらモーメント項を順次
加算してその総和をとることで、より厳密なＺＭＰ釣合
い方程式を直接的に導入することができる。また、各制
御点毎にモーメント項を直接計測していることから、機
体が剛体で外力などの印加で変形しないという条件を前
提としないで厳密な運動制御を応答性よく実現すること
ができる。

【０１７１】図２２には、脚式移動ロボットの機体上の
各アクチュエータの重心付近に加速度、角加速度、角速
度センサを搭載している様子を示している。同図に示す
ように、主要な外界との接触部位として、手のひらと足
底に外力センサ及び外力モーメント・センサを搭載して
いる。

【０１７２】なお、上述の（１）〜（５）に示したよう
な分散配置型の反力センサ・システムによれば、各制御
点で計測された加速度センサからのセンサ情報に基づい
て、実際の回転中心を測定することができる。したがっ
て、機体の設計情報から一意に求まる重心の場合とは相
違し、リンクなど機体が外力などによって変形をきたし
た場合であっても、より正確な機体の重心位置を動的に
算出することができる。

【０１７３】図２３には、本実施形態に係る脚式移動ロ
ボットの運動制御の概略的な処理手順をフローチャート
の形式で示している。

【０１７４】まず、脚式移動ロボットの機体の安定度判
別を行なう（ステップＳ５１）。安定度は、機体の支持
多角形を参照して、ＺＭＰ位置が安定領域にあるかどう
かで判断することができる。

【０１７５】支持多角形の内側にＺＭＰがある場合は、
系に回転運動や並進運動が発生せず、回転や並進に関す
る運動方程式を解く必要がない。そこで、ステップＳ５
２に進み、系が形成する適切なＺＭＰ空間を用いてＺＭ
Ｐ方程式を解くことにより、姿勢安定制御を行なう（後
述）。

【０１７６】一方、支持多角形の内側にＺＭＰがない場
合や、外界に対する支持作用点が存在しない場合は、Ｚ
ＭＰ方程式に代えて、運動方程式を解くことにより（ス
テップＳ５３）、姿勢安定制御を行なう（後述）。

【０１７７】なお、跳躍を伴うダンスなど、すべての部
位の軌道の優先度が一様に高く設定される場合には、Ｚ
ＭＰ方程式と運動方程式の両方を解く場合がある。図２
４には、ステップＳ５２における、ＺＭＰ方程式の解法
に基づく機体の安定制御の処理手順をフローチャートの
形式で示している。

【０１７８】まず、質量集中部位や各リンクの重心付
近、各アクチュエータの重心付近など、制御点毎に配置
された加速度センサ、角加速度センサ、角速度センサか
らのセンサ情報を基に、ＺＭＰを測定し、又は重心を測
定する（ステップＳ６１）。外力などの影響で、機体が
変形したときには、加速度センサの実測値を基に重心を
動的に測定する必要がある。

【０１７９】次いで、ステップＳ６２〜ステップＳ６９
により形成される処理ループにおいて、ＺＭＰ近傍又は
重心近傍から順に、各制御点についてのＺＭＰ回りのモ
ーメント項、制御点に印加される外力モーメント項、並
びに制御点に印加される外力により生成されるＺＭＰ回
りのモーメント項を、制御点に配設されたセンサからの
情報に基づいて直接算出するとともに、これらのモーメ
ント項を順次加算していき、これらの総和を求める。

【０１８０】この結果、ＺＭＰ方程式を用いて、モーメ
ント・エラーＴを算出することができる（ステップＳ７
０）。

【０１８１】次いで、計測された各部の状態量と同定さ
れた外力モーメントを初期値として、ＺＭＰ軌道又は重
心の回転軌道、そして各部の軌道を再計画する（ステッ
プＳ７１）。

【０１８２】そして、アクチュエータ・システム群に再
計画結果に基づく目標値を送信して、本処理ルーチンを
終了する。

【０１８３】なお、図２４に示す処理手順では、制御点
における発生モーメントを算出するｉ系の処理と、制御
点において印加される外力モーメントを算出するｊ系の
処理と、制御点において外力により生成されるＺＭＰ回
りのモーメントを算出するｋ系の処理を含み、ｉ，ｊ，
ｋ系の処理がシリアルに進行しているが、パラレルに進
行するようにしてもよい（後述）。

【０１８４】また、図２５には、ステップＳ５３におけ
る、運動方程式の解法に基づく機体の安定制御の処理手
順をフローチャートの形式で示している。

【０１８５】まず、ＺＭＰ上の床反力Ｆ_rを測定する
（ステップＳ８１）。

【０１８６】次いで、ステップＳ８２〜ステップＳ８９
により形成される処理ループにおいて、ＺＭＰ近傍又は
重心近傍から順に、各制御点に印加される並進力、ＺＭ
Ｐ回りのモーメントにより印加される並進力、並びに外
力を、制御点に配設されたセンサからの情報に基づいて
直接算出するとともに、これらの並進力項を順次加算し
て、これらの総和を求める。

【０１８７】この結果、ダランベールの原理から、未知
外力Ｆを算出することができる（ステップＳ９０）。

【０１８８】次いで、計測された各部の情報量と同定さ
れた未知外力を初期値として、ＺＭＰ軌道又は重心軌
道、そして各部の軌道を再計画する（ステップＳ９
１）。

【０１８９】そして、アクチュエータ・システム群に再
計画結果に基づく目標値を送信して、本処理ルーチンを
終了する。

【０１９０】なお、図２５に示す処理手順では、制御点
における並進力を算出するｉ系の処理と、制御点の外力
モーメントにより生成される並進力を算出するｊ系の処
理と、制御点において印加される外力を算出するｋ系の
処理を含み、ｉ，ｊ，ｋ系の処理がシリアルに進行して
いるが、パラレルに進行するようにしてもよい（後
述）。

【０１９１】図２４に示したフローチャートにおけるス
テップＳ６２〜ステップＳ６９で形成される処理ループ
では、ＺＭＰ近傍又は重心近傍から順に、各制御点につ
いてのＺＭＰ回りのモーメント項、制御点に印加される
外力モーメント項、並びに制御点に印加される外力によ
り生成されるＺＭＰ回りのモーメント項を、制御点毎に
配設されたセンサからの情報に基づいて直接算出すると
ともに、これらのモーメント項を順次加算していき、こ
れらの総和を求めることによって、ＺＭＰ方程式を効率
的に導入することができる。

【０１９２】同様に、図２５に示したフローチャートに
おけるステップＳ８２〜ステップＳ８９で形成される処
理ループでは、ＺＭＰ近傍又は重心近傍から順に、各制
御点に印加される並進力、ＺＭＰ回りのモーメントによ
り印加される並進力、並びに外力を、制御点毎に配設さ
れたセンサからの情報に基づいて直接算出するととも
に、これらの並進力項を順次加算して、これらの総和を
求めることにより、並進・回転の運動方程式を効率的に
導入することができる。

【０１９３】図２０〜図２２を参照しながら説明したよ
うに、本実施形態に係る脚式移動ロボットにおいては、
制御に用いるローカル座標とその座標を直接的に計測す
るための加速度センサや角速度センサを各制御点毎に配
置し、さらに計算モデルで用いる各ベクトル位置に加速
度センサと姿勢センサを配置することで、ＺＭＰ方程式
（又は運動方程式）の導入に必要な制御パラメータ値を
直接的に計測するように構成されている。

【０１９４】これら機体上に分散配置されたセンサ同士
が直列的に接続されている場合、個々の制御点において
センサ情報を基に算出されるモーメント項や外力項を、
接続経路に従って各制御点において順次加算していくこ
とによって、これらの総和を効率的に計算することがで
きる。

【０１９５】図２２には、脚式移動ロボットの機体上の
各アクチュエータの重心付近に加速度、角加速度、角速
度センサを搭載している様子を示したが（前述）、図２
６には、この場合のセンサ同士を直列的に接続するため
の一例を示している。

【０１９６】同図に示すように、左右の上肢、並びに左
右の下肢に配設されたセンサ間がそれぞれ独立して、中
央の制御ユニットが始点及び終点となるように直列的に
接続されている。このような場合、各肢毎に、制御点の
センサ情報に基づく計算結果が順次加算され、これらが
中央の制御ユニットに戻されて総和が得られ、ここで方
程式を導入することができる。

【０１９７】また、図２７には、センサ同士を直列的に
接続するための他の例を示している。同図に示す例で
は、全身に配設されたセンサ間が、いわば「一筆書き」
の形態で、中央の制御ユニットが始点及び終点となるよ
うに一列に接続されている。このような配線形態の場
合、各制御点におけるセンサ情報に基づく計算結果が制
御点後とに順次加算されていき、中央の制御ユニットに
データが戻された時点で各項の総和が既に求まってお
り、制御ユニットでは、容易に方程式を導入することが
できる。

【０１９８】また、制御に用いるローカル座標とその座
標を直接的に計測するための加速度センサや角速度セン
サを各制御点毎に配置し、さらに計算モデルで用いる各
ベクトル位置に加速度センサと姿勢センサを配置する一
例として、質量が集中する各アクチュエータの重心付近
に、加速度、角加速度、角速度センサを搭載するという
実装例を既に紹介した。

【０１９９】図２８には、ユニットの重心付近に加速
度、角加速度、角速度センサを搭載した関節アクチュエ
ータの構成例を示している。

【０２００】同図に示す関節アクチュエータは、回転子
マグネットと、複数相の磁気コイルからなる固定子で構
成されるモータ部と、モータ部の出力する回転を加減速
するギア・ユニット（ＧＵ）と、モータ部への供給電力
を制御する制御部で構成される。

【０２０１】制御部は例えば印刷配線板で構成され、そ
の略中央には、センサ・ユニットが搭載されている。

【０２０２】センサ・ユニットは、アクチュエータ・ユ
ニットの２次元重心位置近傍に配置されている。

【０２０３】センサ・ユニットは、１軸〜３軸の加速度
センサと、１〜２軸の角速度センサと、３軸の角速度セ
ンサの組み合わせで構成される。

【０２０４】図２９には、図に示した関節アクチュエー
タの機能構成を模式的に示している。同図に示すよう
に、アクチュエータ１０は、インターフェース部１１
と、コマンド処理部１２と、モータ制御部１３と、セン
サ信号処理部１４を備えている。

【０２０５】インターフェース部１１は、ホスト・コン
トローラとの間でインターフェース・プロトコルを実現
する。

【０２０６】コマンド処理部１２は、インターフェース
部１２を介して受け取ったホスト・コマンドを処理して
モータ制御部１３に伝達したり、モータ制御部１３やセ
ンサ信号処理部１４からのセンサ情報を演算処理してイ
ンターフェース部１２経由でホスト・コントローラに返
したりする。

【０２０７】モータ制御部１３は、ホスト・コマンドに
従ったモータの回転を実現するための電流信号をモータ
・コイル１５にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）出力
し、また、回転子（図示しない）の回転位置を検出する
一センサ１６からの角度情報を取得する。

【０２０８】センサ信号処理部１４は、センサ・ユニッ
トに含まれる加速度センサ（Ｘ〜Ｙ）、ジャイロ・セン
サ（ピッチ、ロール、ヨー）からのセンサ情報を処理す
る。

【０２０９】本実施形態においては、制御点毎に配設さ
れたセンサからの情報に基づいて、ＺＭＰ近傍又は重心
近傍から順に、各制御点についてのＺＭＰ回りのモーメ
ント項、制御点に印加される外力モーメント項、並びに
制御点に印加される外力により生成されるＺＭＰ回りの
モーメント項を直接算出することができる。同様に、制
御点毎に配設されたセンサからの情報に基づいて、ＺＭ
Ｐ近傍又は重心近傍から順に、各制御点に印加される並
進力、ＺＭＰ回りのモーメントにより印加される並進
力、並びに外力を直接算出することができる。

【０２１０】さらに、機体上に分散配置されたセンサ同
士が直列的に接続されている場合、個々の制御点におい
てセンサ情報を基に算出されるモーメント項や外力項
を、接続経路に従って各制御点において順次加算してい
くことによって、これらの総和を効率的に計算すること
ができる。

【０２１１】図２８及び図２９を参照しながら説明した
センサ内蔵型の関節アクチュエータにおいては、コマン
ド処理部１２が、センサ信号処理部１４によって信号処
理された加速度センサ（Ｘ〜Ｙ）、ジャイロ・センサ
（ピッチ、ロール、ヨー）からのセンサ情報を利用し
て、モーメント項や外力項を、接続経路に従って各制御
点において順次加算していくことができる。

【０２１２】図３０には、各制御点の関節アクチュエー
タ内で、ＺＭＰ回りのモーメント項、制御点に印加され
る外力モーメント項、並びに制御点に印加される外力に
より生成されるＺＭＰ回りのモーメント項を順次加算し
ていく構成を図解している。

【０２１３】同図に示すように、関節アクチュエータに
は、接続経路の上位の関節アクチュエータから、ｉ−１
番目までの制御点におけるＺＭＰ回りのモーメント項の
総和、ｊ−１番目までの制御点における外力モーメント
項の総和、並びにｋ−１番目までの制御点における外力
により生成されるＺＭＰ回りのモーメント項の総和が入
力される。そして、関節アクチュエータ内で検出された
センサ情報に基づいて、当該制御点におけるＺＭＰ回り
のモーメント項、制御点に印加される外力モーメント
項、並びに制御点に印加される外力により生成されるＺ
ＭＰ回りのモーメント項を算出するとともに、これらを
それぞれの総和に加算処理して、ｉ番目までの制御点に
おけるＺＭＰ回りのモーメント項の総和、ｊ番目までの
制御点における外力モーメント項の総和、並びにｋ番目
までの制御点における外力により生成されるＺＭＰ回り
のモーメント項の総和として、接続経路の下位の関節ア
クチュエータに出力する。したがって、接続経路に従が
って、このような加算処理を逐次繰り返していくことに
より、中央コントローラに演算結果が到達するときに
は、ＺＭＰ釣合い方程式を構成する各モーメント項が既
に求められているので、ＺＭＰ安定度判別規範に基づく
機体の姿勢安定制御を効率的且つ高速に実現することが
できる。

【０２１４】ＺＭＰ釣合い方程式の導入には、制御点に
おける発生モーメントを算出するｉ系の処理と、制御点
において印加される外力モーメントを算出するｊ系の処
理と、制御点において外力により生成されるＺＭＰ回り
のモーメントを算出するｋ系の処理が含まれるが、図示
の例ではｉ，ｊ，ｋ系の処理がパラレルに進行する。
ｉ，ｊ，ｋ系の処理がパラレルに進行するシステムで
は、配線が少なくて済むというメリットがある。なお、
特に各制御点においてｉ，ｊ，ｋ系すべての要素が備わ
っている必要はなく、ｉ系の演算のみ、あるいはｉ系の
演算がなくてｉ−１系までの演算をパススルーするだけ
といったデザインも可能である。

【０２１５】また、図３１には、各制御点の関節アクチ
ュエータ内で、制御点に印加される並進力項、ＺＭＰ回
りのモーメントにより印加される並進力項、並びに外力
項を順次加算していく構成を図解している。

【０２１６】同図に示すように、関節アクチュエータに
は、接続経路の上位の関節アクチュエータから、ｉ−１
番目までの制御点に印加される並進力項の総和、ｊ−１
番目までの制御点におけるＺＭＰ回りのモーメントによ
り印加される並進力項の総和、並びにｋ−１番目までの
制御点に印加される外力項の総和が入力される。そし
て、関節アクチュエータ内で検出されたセンサ情報に基
づいて、当該制御点に印加される並進力項、ＺＭＰ回り
のモーメントにより印加される並進力項、並びに外力項
を算出するとともに、これらをそれぞれの総和に加算処
理して、ｉ番目までの制御点に印加される並進力項の総
和、ｊ番目までの制御点におけるＺＭＰ回りのモーメン
トにより印加される並進力項の総和、並びにｋ番目まで
の制御点に印加される外力項の総和として、接続経路の
下位の関節アクチュエータに出力する。したがって、接
続経路に従がって、このような加算処理を逐次繰り返し
ていくことにより、中央コントローラに演算結果が到達
するときには、運動方程式を構成する各並進力項が既に
求められているので、運動方程式を利用した機体の姿勢
安定制御を効率的且つ高速に実現することができる。

【０２１７】運動方程式の導入には、制御点における並
進力を算出するｉ系の処理と、制御点の外力モーメント
により生成される並進力を算出するｊ系の処理と、制御
点において印加される外力を算出するｋ系の処理が含ま
れるが、図示の例ではｉ，ｊ，ｋ系の処理がパラレルに
進行する。ｉ，ｊ，ｋ系の処理がパラレルに進行するシ
ステムでは、配線が少なくて済むというメリットがあ
る。なお、特に各制御点においてｉ，ｊ，ｋ系すべての
要素が備わっている必要はなく、ｉ系の演算のみ、ある
いはｉ系の演算がなくてｉ−１系までの演算をパススル
ーするだけといったデザインも可能である。

【０２１８】［追補］以上、特定の実施例を参照しなが
ら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や
代用を成し得ることは自明である。

【０２１９】本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と
称される製品には限定されない。すなわち、電気的若し
くは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行
なう機械装置あるいはその他の一般的な移動体装置であ
るならば、例えば玩具などのような他の産業分野に属す
る製品であっても、同様に本発明を適用することができ
る。

【０２２０】要するに、例示という形態で本発明を開示
してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈
するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、
冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきであ
る。

【０２２１】

【発明の効果】本発明によれば、ＺＭＰを姿勢安定度判
別規範に用いて運動中の機体の姿勢を安定化制御するこ
とができる、優れた脚式移動ロボットのための動作制御
装置及び動作制御方法を提供することができる。

【０２２２】また、本発明によれば、ＺＭＰ方程式を高
速且つ高精度に導き出すことによってより厳密な姿勢安
定制御を行なうことを可能にする、優れた脚式移動ロボ
ットのための動作制御装置及び動作制御方法を提供する
ことができる。

【０２２３】また、本発明によれば、ＺＭＰを安定度判
別規範に用いて姿勢安定化制御を好適に行なうことがで
きる、優れた脚式移動ロボットの動作制御装置及び動作
制御方法、並びに脚式移動ロボットのためのセンサ・シ
ステムを提供することができる。

【０２２４】また、本発明によれば、機体上の各部に設
置されたセンサからの計測値に基づいて導入されたＺＭ
Ｐ方程式を用いて未知外力モーメント及び未知外力を同
定して運動制御を好適に行なうことができる、優れた脚
式移動ロボットの動作制御装置及び動作制御方法、並び
に脚式移動ロボットのためのセンサ・システムを提供す
ることができる。

【０２２５】本発明に係る脚式移動ロボットは、外界と
の接触部位にＺＭＰと力を直接計測する反力センサ・シ
ステムを配置するとともに、運動制御に用いるローカル
座標とその座標を直接的に計測するための加速度センサ
や角度センサを配置し、さらに計算モデルで用いている
各ベクトル位置に加速度センサと姿勢センサを配置する
ことで、直接的計測を可能とすることで、機体が剛体で
外力などの印加で変形しないという条件を前提としない
で厳密な運動制御を応答性よく実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の実施に供される脚式移動ロボ
ットが直立している様子を前方から眺望した様子を示し
た図である。

【図２】図２は、本発明の実施に供される脚式移動ロボ
ットが直立している様子を後方から眺望した様子を示し
た図である。

【図３】図３は、脚式移動ロボットが具備する関節自由
度構成を模式的に示した図である。

【図４】図４は、脚式移動ロボット１００の制御システ
ム構成を模式的に示した図である。

【図５】図５は、脚式移動ロボット１００の多質点近似
モデルを示した図である。

【図６】図６は、多質点モデルの腰部周辺の拡大図を示
した図である。

【図７】図７は、脚式移動ロボット１００において安定
歩行可能な機体運動を生成するための処理手順を示した
フローチャートである。

【図８】図８は、脚式移動ロボット１００において安定
歩行可能な機体運動を生成するための処理手順の変形例
を示したフローチャートである。

【図９】図９は、上半身における希望軌道の優先順位の
設定方法を説明するための図である。

【図１０】図１０は、上半身における希望軌道の優先順
位の設定方法を説明するための図である。

【図１１】図１１は、上半身における希望軌道の優先順
位の設定方法を説明するための図である。

【図１２】図１２は、上半身における希望軌道の優先順
位の設定方法を説明するための図である。

【図１３】図１３は、上半身における希望軌道の優先順
位の設定方法を説明するための図である。

【図１４】図１４は、上半身における希望軌道の優先順
位の設定方法を説明するための図である。

【図１５】図１５は、上半身における希望軌道の優先順
位の設定方法を説明するための図である。

【図１６】図１６は、上半身における希望軌道の優先順
位の設定方法を説明するための図である。

【図１７】図１７は、上半身における希望軌道の優先順
位の設定方法を説明するための図である。

【図１８】図１８は、上半身における希望軌道の優先順
位の設定方法を説明するための図である。

【図１９】図１９は、上半身における希望軌道の優先順
位の設定方法を説明するための図である。

【図２０】図２０は、脚式移動ロボットの機体上の質量
が集中している部位に加速度、角加速度、角速度センサ
を搭載している様子を示した図である。

【図２１】図２１は、脚式移動ロボットの機体上の各リ
ンクの重心付近に加速度、角加速度、角速度センサを搭
載している様子を示した図である。

【図２２】図２２は、脚式移動ロボットの機体上の各ア
クチュエータの重心付近に加速度、角加速度、角速度セ
ンサを搭載している様子を示した図である。

【図２３】図２３は、脚式移動ロボットの運動制御の概
略的な処理手順をフローチャートの形式で示した図であ
る。

【図２４】図２４は、ＺＭＰ方程式の解法に基づく機体
の安定制御の処理手順を示したフローチャートである。

【図２５】図２５は、運動方程式の解法に基づく機体の
安定制御の処理手順を示したフローチャートである。

【図２６】図２６は、脚式移動ロボットの機体上の各ア
クチュエータの重心付近に配置されたセンサ同士を直列
的に接続する構成例を示した図である。

【図２７】図２７は、脚式移動ロボットの機体上の各ア
クチュエータの重心付近に配置されたセンサ同士を直列
的に接続する構成例を示した図である。

【図２８】図２８は、ユニットの重心付近に加速度、角
加速度、角速度センサを搭載した関節アクチュエータの
構成例を示した図である。

【図２９】図２９は、図２８に示した関節アクチュエー
タの機能構成を模式的に示した図である。

【図３０】図３０は、各制御点の関節アクチュエータ内
で、ＺＭＰ回りのモーメント項、制御点に印加される外
力モーメント項、並びに制御点に印加される外力により
生成されるＺＭＰ回りのモーメント項を順次加算してい
く構成を示した図である。

【図３１】図３１は、各制御点の関節アクチュエータ内
で、制御点に印加される並進力項、ＺＭＰ回りのモーメ
ントにより印加される並進力項、並びに外力項を順次加
算していく構成を示した図である。

【符号の説明】

１…首関節ヨー軸 ２Ａ…第１の首関節ピッチ軸 ２Ｂ…第２の首関節（頭）ピッチ軸 ３…首関節ロール軸 ４…肩関節ピッチ軸 ５…肩関節ロール軸 ６…上腕ヨー軸 ７…肘関節ピッチ軸 ８…手首関節ヨー軸 ９…体幹ピッチ軸 １０…体幹ロール軸 １１…股関節ヨー軸 １２…股関節ピッチ軸 １３…股関節ロール軸 １４…膝関節ピッチ軸 １５…足首関節ピッチ軸 １６…足首関節ロール軸 ３０…頭部ユニット，４０…体幹部ユニット ５０…腕部ユニット，５１…上腕ユニット ５２…肘関節ユニット，５３…前腕ユニット ６０…脚部ユニット，６１…大腿部ユニット ６２…膝関節ユニット，６３…脛部ユニット ８０…制御ユニット，８１…主制御部 ８２…周辺回路 ９１，９２…接地確認センサ ９３，９４…加速度センサ ９５…姿勢センサ ９６…加速度センサ １００…脚式移動ロボット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 清水 悟 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソ ニー株式会社内 (72)発明者 黒木 義博 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソ ニー株式会社内 (56)参考文献 特開 平10−128688（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−245780（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−253866（ＪＰ，Ａ) 特開2001−212775（ＪＰ，Ａ) 特許2507891（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B25J 5/00 B25J 13/00

Claims (21)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基体と前記基体に接続される可動部を有す
   るロボット装置であって、 前記基体と少なくとも１以上の前記可動部に設けられた
   複数の制御対象点と、 前記の各制御対象点における目標軌道を設定する目標軌
   道設定手段と、 前記ロボット装置が行なおうとする運動に応じ、各目標
   軌道間での優先順位を変更する優先順位変更手段と、 前記ロボット装置の安定性を安定度判別規範により判別
   する安定性判別手段と、 前記安定性判別手段により安定性が満たされないと判断
   されたときに、前記優先順位に基づいて、前記目標軌道
   の全部又は一部に対して修正を行ない、前記目標軌道を
   含んだ前記ロボット装置の運動パターンを生成する運動
   パターン生成手段と、 を具備することを特徴とするロボット装置。
2. 【請求項２】前記ロボット装置は少なくとも上肢、下
   肢、及び体幹を備え、 前記上肢、下肢、体幹に制御対象点が設けられている、 ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
3. 【請求項３】前記運動パターン生成手段は、前記ロボッ
   ト装置に関するＺＭＰ方程式又は運動方程式を導出し、
   前記ＺＭＰ方程式又は運動方程式の解に基づいて前記優
   先順位に従がって制御対象点毎の目標軌道を修正するこ
   とにより、運動パターンを生成する、 ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
4. 【請求項４】前記の各制御対象点に設けられた複数の加
   速度計測手段をさらに備え、 前記運動パターン生成手段は、前記の各加速度計測手段
   における加速度計測結果を用いて前記ＺＭＰ方程式又は
   運動方程式を導出する、 ことを特徴とする請求項３に記載のロボット装置。
5. 【請求項５】基体と前記基体に接続される可動部を有す
   るロボット装置の制御方法であって、 前記基体と少な
   くとも１以上の前記可動部に複数の制御対象点が設けら
   れており、 前記の各制御対象点における目標軌道を設定する目標軌
   道設定ステップと、 前記ロボット装置が行なおうとする運動に応じ、各目標
   軌道間での優先順位を変更する優先順位変更手段と、 前記ロボット装置の安定性を安定度判別規範により判別
   する安定性判別ステップと、 前記安定性判別ステップにおいて安定性が満たされない
   と判断されたときに、前記優先順位に基づいて、前記目
   標軌道の全部又は一部に対して修正を行ない、前記目標
   軌道を含んだ前記ロボット装置の運動パターンを生成す
   る運動パターン生成ステップと、 を具備することを特徴とするロボット装置の制御方法。
6. 【請求項６】前記ロボット装置は少なくとも上肢、下
   肢、及び体幹を備え、 前記上肢、下肢、体幹に制御対象点が設けられている、 ことを特徴とする請求項５に記載のロボット装置の制御
   方法。
7. 【請求項７】前記運動パターン生成ステップでは、前記
   ロボット装置に関するＺＭＰ方程式又は運動方程式を導
   出し、前記ＺＭＰ方程式又は運動方程式の解に基づいて
   前記優先順位に従がって制御対象点毎の目標軌道を修正
   することにより、運動パターンを生成する、 ことを特徴とする請求項５に記載のロボット装置の制御
   方法。
8. 【請求項８】前記の各制御対象点における加速度を計測
   する加速度計測ステップをさらに備え、 前記運動パターン生成ステップでは、前記の加速度計測
   ステップにおける制御対象点毎の加速度計測結果を用い
   て前記ＺＭＰ方程式又は運動方程式を導出する、 ことを特徴とする請求項７に記載のロボット装置の制御
   方法。
9. 【請求項９】可動部を有するロボット装置であって、 前記ロボット装置を移動させる移動手段と、 前記ロボット装置上で質量操作量が最大となる部位に設
   定された制御対象点における加速度と、前記ロボット装
   置と外界との接触部位における反力及び加速度とを含む
   前記ロボット装置の力学的状態を検出する状態検出手段
   と、 前記制御対象点における加速度、及び、前記接触部位に
   おける加速度及び反力の検出結果に基づいて、前記ロボ
   ット装置に印加される各モーメントの釣合い関係を記述
   したＺＭＰ方程式を導出し、該ＺＭＰ方程式上で現れる
   モーメント・エラーを打ち消すように、前記ロボット装
   置の目標軌道を修正する運動制御手段と、 を具備することを特徴とするロボット装置。
10. 【請求項１０】少なくとも体幹と、前記体幹に接続され
    る腰部と、前記腰部に接続される可動脚を有するロボッ
    ト装置であって、 前記腰部に設定された制御対象点における加速度と、前
    記ロボット装置と外界との接触部位における反力及び加
    速度とを含む前記ロボット装置の力学的状態を検出する
    状態検出手段と、 前記制御対象点における加速度及び前記接触部位におけ
    る反力及び加速度の検出結果に基づいて、前記ロボット
    装置に印加される各モーメントの釣合い関係を記述した
    ＺＭＰ方程式を導出し、該ＺＭＰ方程式上で現れるモー
    メント・エラーを打ち消すように、前記ロボット装置の
    目標軌道を修正する運動制御手段と、 を具備することを特徴とするロボット装置。
11. 【請求項１１】足部を備えた複数の可動脚を備え、設定
    された目標軌道に基づいて動作を行なうロボット装置で
    あって、 前記ロボット装置上に設定された制御対象点における加
    速度と、前記足部における床反力及び加速度とを含む前
    記ロボット装置の力学的状態を検出する状態検出手段
    と、 前記制御対象点における加速度及び前記足部における床
    反力及び加速度の検出結果に基づいて、前記ロボット装
    置に印加される各モーメントの釣合い関係を記述したＺ
    ＭＰ方程式を導出し、該ＺＭＰ方程式上で現れるモーメ
    ント・エラーを打ち消すように、前記ロボット装置の目
    標軌道を修正する運動制御手段と、 を具備することを特徴とするロボット装置。
12. 【請求項１２】設定された目標軌道に基づいて動作を行
    なうロボット装置において、 前記ロボット装置を移動させる移動手段と、 前記ロボット装置上に設定された１以上の制御対象点に
    おける加速度と、前記ロボット装置と外界との接触部位
    における反力及び加速度とを含む前記ロボット装置の力
    学的状態を検出する状態検出手段と、 前記ロボット装置を姿勢安定制御する際の質量操作量の
    大きさの順に、各制御対象点に目標軌道を修正するため
    の優先順位を割り当てる優先順位設定手段と、 前記制御対象点における加速度及び前記接触部位におけ
    る反力及び加速度の検出結果に基づいて、前記ロボット
    装置に印加される各モーメントの釣合い関係を記述した
    ＺＭＰ方程式を導出し、該ＺＭＰ方程式上で現れるモー
    メント・エラーを打ち消すように、前記の各制御対象点
    についての目標軌道を前記優先順位に従って修正する運
    動制御手段と、 を具備することを特徴とするロボット装置。
13. 【請求項１３】前記状態検出手段は、少なくとも、前記
    ロボット装置の可動部の１つに設置された第１の加速度
    センサと、前記ローカル座標系内にある前記ロボット装
    置の１以上の制御対象点に設置された第２の加速度セン
    サを備え、 前記ロボット装置上に分散配置された前記加速度センサ
    同士が直列的に接続され、個々の制御点において前記加
    速度センサの加速度情報に基づいて算出される前記ＺＭ
    Ｐ方程式上のモーメント項や外力項を、接続経路に従っ
    て各制御点において順次加算していく、 ことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれかに記載の
    ロボット装置
14. 【請求項１４】前記ロボット装置の関節自由度を構成す
    るアクチュエータは、回転子マグネットと、複数相の磁
    気コイルからなる固定子で構成されるモータ部と、モー
    タ部の出力する回転を加減速するギア・ユニットと、モ
    ータ部への供給電力を制御する制御部を備え、 前記制御部上でアクチュエータ・ユニットの２次元重心
    位置近傍となる位置にセンサ・ユニットが搭載されてい
    る、 ことを特徴とする請求項１３に記載のロボット装置。
15. 【請求項１５】前記制御対象点は、前記ロボット装置上
    で質量操作量の大きな１以上の部位に設定され、 前記状態検出手段は、各制御対象点に搭載された加速度
    センサ、角速度センサ、角加速度センサのうち少なくと
    も１つの組み合わせで構成される、 ことを特徴とする請求項１２に記載のロボット装置。
16. 【請求項１６】前記制御対象点は、前記ロボット装置上
    で１以上のリンクの各重心位置近傍に設定され、 前記状態検出手段は、各制御対象点に搭載された加速度
    センサ、角速度センサ、角加速度センサのうち少なくと
    も１つの組み合わせで構成される、 ことを特徴とする請求項１２に記載のロボット装置。
17. 【請求項１７】前記状態検出手段は、関節自由度を構成
    する各アクチュエータの重心位置付近に搭載された加速
    度センサ、角速度センサ、角加速度センサのうち少なく
    とも１つの組み合わせで構成される、 ことを特徴とする請求項１２に記載のロボット装置。
18. 【請求項１８】可動部を有するロボット装置の動作制御
    方法であって、前記ロボット装置は前記ロボット装置を
    移動させる移動手段を備え、 前記ロボット装置上で質量操作量が最大となる部位に設
    定された制御対象点における加速度と、前記ロボット装
    置と外界との接触部位における反力及び加速度とを含む
    前記ロボット装置の力学的状態を検出する状態検出ステ
    ップと、 前記制御対象点における加速度、及び、前記接触部位に
    おける加速度及び反力の検出結果に基づいて、前記ロボ
    ット装置に印加される各モーメントの釣合い関係を記述
    したＺＭＰ方程式を導出し、該ＺＭＰ方程式上で現れる
    モーメント・エラーを打ち消すように、前記ロボット装
    置の目標軌道を修正する運動制御ステップと、 を具備することを特徴とするロボット装置の動作制御方
    法。
19. 【請求項１９】少なくとも体幹と、前記体幹に接続され
    る腰部と、前記腰部に接続される可動脚を有するロボッ
    ト装置の動作制御方法であって、 前記腰部に設定された制御対象点における加速度と、前
    記ロボット装置と外界との接触部位における反力及び加
    速度とを含む前記ロボット装置の力学的状態を検出する
    状態検出ステップと、 前記制御対象点における加速度及び前記接触部位におけ
    る反力及び加速度の検出結果に基づいて、前記ロボット
    装置に印加される各モーメントの釣合い関係を記述した
    ＺＭＰ方程式を導出し、該ＺＭＰ方程式上で現れるモー
    メント・エラーを打ち消すように、前記ロボット装置の
    目標軌道を修正する運動制御ステップと、 を具備することを特徴とするロボット装置の動作制御方
    法。
20. 【請求項２０】足部を備えた複数の可動脚を備え、設定
    された目標軌道に基づいて動作を行なうロボット装置の
    動作制御方法であって、 前記ロボット装置上に設定された制御対象点における加
    速度と、前記足部における床反力及び加速度とを含む前
    記ロボット装置の力学的状態を検出する状態検出ステッ
    プと、前記制御対象点における加速度及び前記足部にお
    ける床反力及び加速度の検出結果に基づいて、前記ロボ
    ット装置に印加される各モーメントの釣合い関係を記述
    したＺＭＰ方程式を導出し、該ＺＭＰ方程式上で現れる
    モーメント・エラーを打ち消すように、前記ロボット装
    置の目標軌道を修正する運動制御ステップと、 を具備することを特徴とするロボット装置の動作制御方
    法。
21. 【請求項２１】設定された目標軌道に基づいて動作を行
    なうロボット装置の動作制御方法において、前記ロボッ
    ト装置は前記ロボット装置を移動させる移動手段を備
    え、 前記ロボット装置上に設定された１以上の制御対象点に
    おける加速度と、前記ロボット装置と外界との接触部位
    における反力及び加速度とを含む前記ロボット装置の力
    学的状態を検出する状態検出ステップと、 前記ロボット装置を姿勢安定制御する際の質量操作量の
    大きさの順に、各制御対象点に目標軌道を修正するため
    の優先順位を割り当てる優先順位設定ステップと、 前記制御対象点における加速度及び前記接触部位におけ
    る反力及び加速度の検出結果に基づいて、前記ロボット
    装置に印加される各モーメントの釣合い関係を記述した
    ＺＭＰ方程式を導出し、該ＺＭＰ方程式上で現れるモー
    メント・エラーを打ち消すように、前記の各制御対象点
    についての目標軌道を前記優先順位に従って修正する運
    動制御ステップと、を具備することを特徴とするロボッ
    ト装置の動作制御方法。