JP4526332B2 - 脚式移動ロボットの脚体関節アシスト装置 - Google Patents

Description

本発明は２足移動ロボットのなどの脚式移動ロボットの脚体の関節に、該関節を駆動するための関節アクチュエータを補助する補助駆動力を発生する脚体関節アシスト装置に関する。

従来、この種のアシスト装置としては、例えば本願出願人が先に提案した特開２００３−１０３４８０号公報（特許文献１）の図２１に見られるものが知られている。

この特許文献１の図２１のものは、２足移動ロボットの各脚体の膝関節により連結された２つのリンク部材（大腿部および下腿部）の間に、シリンダ内にピストンにより画成された２つ気室を有する気体ばねを介装し、この気体ばねにより、膝関節アクチュエータ（膝関節を駆動する電動モータ）の駆動力と並列に膝関節に作用する補助駆動力を発生させ、膝関節アクチュエータの負担を軽減するようにしたものである。この場合、シリンダ内の両気室の体積が膝関節における脚体の屈伸運動に応じて変化するようにシリンダおよびピストンが大腿部および下腿部に連結され、該屈伸運動に応じて両気室内の気体の圧縮または膨張を発生させることで、弾性的に補助駆動力を発生させるようにしている。また、両気室は、電磁開閉弁を有する気体流通路を介して接続されており、電磁開閉弁を閉弁させた状態でのみ、気体ばねが補助駆動力を発生するようにして、電磁開閉弁を通電制御することで、ロボットの移動時の所望の期間でのみ、補助駆動力を発生するようにしている。
特開２００３−１０３４８０号公報（図２１）

ところで、通常の電磁開閉弁は、その弁体を開弁位置または閉弁位置に付勢するバネを備える常開型または常閉型のものであり、該電磁開閉弁のソレノイドの通電遮断状態では、バネの付勢力により、開弁状態または閉弁状態に保持されるようになっている。そして、ソレノイドに通電して、バネの付勢力と逆向きの駆動力（電磁力）を発生させ、また、その通電状態を維持することで、電磁開閉弁の弁体がバネの付勢力に抗して閉弁位置または開弁位置に保持されるようになっている。

このため、このような通常の電磁開閉弁を特許文献１のもので使用すると、電磁開閉弁の閉弁状態または開弁状態での電力消費が大きなものとなり、ロボットの移動時の電力消費を低減する妨げとなっていた。

また、特許文献１のものでは、電磁開閉弁の閉弁状態で、該電磁開閉弁の弁体に前記両気室の圧力差が作用する。このため、特に常開型の電磁開閉弁を使用した場合に、前記圧力差が前記バネの付勢力と同方向（弁体の開弁方向）に作用するような期間で前記補助駆動力を発生させるべく電磁開閉弁を閉弁状態にすると、ソレノイドに通電すべき電流が大きくなって、電磁開閉弁の電力消費が増大する。これを回避するために、常閉型の電磁開閉弁を使用することも考えられるが、この場合には、補助駆動力を発生しない電磁開閉弁の開弁状態で常時、電磁開閉弁のソレノイドに通電しておく必要がある。しかしながら、一般に、補助駆動力を必要とする期間（電磁開閉弁を閉弁すべき期間）は、ロボットの高速移動時など、特定の運動時の一部の期間であるため、それ以外の期間で常に電磁開閉弁に通電しておくことは、却って、電磁開閉弁の電力消費が増大してしまう。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、気室に通じる気体流通路の電磁開閉弁を閉弁した状態での脚体の運動に伴う気体の圧縮または膨張によって補助駆動力を発生する脚体関節アシスト装置において、簡単な構成でアシスト装置の電磁開閉弁の電力消費を効果的に低減することができる脚体関節アシスト装置を提供することを目的とする。

本発明の脚式移動ロボットの脚体関節アシスト装置は、上体から複数のリンク部材を複数の関節を介して連接してなる脚体を複数備えた脚式移動ロボットにおいて、各脚体の複数の関節のうちの少なくとも１つの関節を特定関節とし、該特定関節により連結された一対のリンク部材間の相対的変位運動に連動して体積が変化するように設けられた気室と、該気室とその外部との間の気体の流通を行なうべく該気室に連通して設けられた気体流通路と、該気体流通路に開閉自在に設けられた電磁開閉弁とを備え、前記ロボットの移動時の所定期間において該電磁開閉弁を閉弁させることにより前記気室を密封して、その密封状態の気室の体積変化に伴う該気室内の気体の圧縮または膨張により該気体が発生する弾性力を前記特定関節に対する補助駆動力とし、該補助駆動力を前記特定関節を駆動する関節アクチュエータの駆動力と併せて該特定関節に作用させると共に、前記所定期間以外の期間では前記電磁開閉弁を開弁させて前記気室を非密封状態にすることにより、該気室の体積変化に伴い該気室内の気体が発生する弾性力の最大値が少なくとも前記所定期間よりも小さくなる（例えば該弾性力がほぼ０となる）ようにした脚体関節アシスト装置であって、
前記所定期間は、前記気室と外部との圧力差が該所定期間の開始時から増加した後、その開始時の圧力差にほぼ等しい圧力差まで減少するように前記一対のリンク部材の相対的変位運動に連動して前記気室の体積が変化する期間であり、
前記電磁開閉弁は、前記所定期間において前記圧力差が該電磁開閉弁の弁体にその閉弁方向に作用するように前記気体流通路に介装されていると共に、前記圧力差が所定値以下に減少したときに該電磁開閉弁の弁体を閉弁状態から開弁状態に作動させるべく該弁体を開弁方向に付勢する付勢手段を備え、さらに該弁体の開弁状態で該電磁開閉弁のソレノイドに通電することにより該弁体が前記付勢手段の付勢力に抗して開弁状態から閉弁状態に作動するように構成されており、
前記所定期間のうち、その開始時から前記圧力差が前記付勢手段の付勢力に抗して前記弁体を閉弁状態に保持し得る圧力差に増加するまでの期間だけ、前記電磁開閉弁のソレノイドに通電するようにしたことを特徴とする。

本発明では、前記電磁開閉弁は、その弁体が前記付勢手段により開弁方向に付勢されているので、常開型の電磁開閉弁である。但し、この電磁開閉弁の弁体には、前記所定期間（電磁開閉弁を閉弁する期間）において、前記圧力差が該弁体の閉弁方向に作用するので、該電磁開閉弁のソレノイドに前記所定期間の全体にわたって通電しておく必要はなく、前記所定期間の開始時から前記圧力差が前記付勢手段の付勢力に抗して前記弁体を閉弁状態に保持し得る圧力差に増加するまでの期間だけ、一時的にソレノイドに通電すれば十分である。また、前記電磁開閉弁が前記付勢手段を備えることで、前記圧力差が減少して、前記所定値以下に低下すれば、該付勢手段の付勢力によって、自動的に電磁開閉弁は、閉弁状態から開弁状態に切り替わり、その開弁状態に保持される。従って、前記所定期間の開始初期に一時的に電磁開閉弁のソレノイドに通電するだけで、該所定期間において電磁開閉弁を閉弁状態に維持することができ、前記所定期間の開始初期以外の期間では、電磁開閉弁のソレノイドに通電する必要がない。このため、電磁開閉弁の電力消費を効果的に低減することができる。

なお、以上説明した本発明では、前記所定期間は、脚式移動ロボットの高速移動時など、該脚式移動ロボットの所定の歩容形態での移動時における各脚体の着床状態での期間であることが好ましい。

また、各脚体がその中間部に、該脚体の屈伸運動を可能とする膝関節を有する２足移動ロボット（２本の脚体を有する脚式移動ロボット）では、その膝関節を前記特定関節とすることが好ましい。そして、この場合、該２足移動ロボットの走行動作を行うときに、各脚体が着床状態となる期間のうち、前記膝関節における脚体の曲げ度合いがその増加側に凸となる期間（該曲げ度合いが増加した後、それに続いて減少する期間）を前記所定期間とすることが好適である。

また、前記電磁開閉弁を閉弁状態として、前記補助駆動力を発生させる前記所定期間では、その補助駆動力と前記関節アクチュエータの駆動力との和が前記脚式移動ロボットの目標歩容に追従するように決定した目標駆動力になるように該関節アクチュエータの駆動力を制御することが好ましい。

まず、本発明に関連する参考例としての第１実施形態を図１〜図８を参照して説明する。図１は本実施形態における脚式移動ロボットとしての２足移動ロボットの構成を模式化して示した図である。同図示のように、ロボット１はその基体である上体２から下方に延設された２本の脚体３，３を備えている。なお、これらの脚体３，３は後述のアシスト装置を含めて同一構造であるため、一方の脚体３（図ではロボット１の前方に向かって左側の脚体３）については、その一部のみを図示している。

各脚体３は、人間の脚と同様、大腿部４、下腿部５および足平部６を上体２から股関節７、膝関節８、足首関節９を介して順次連接して構成されている。より詳しく言えば、各脚体３の大腿部４は、上体２から股関節７を介して延設され、下腿部５は膝関節８を介して大腿部４に連接され、足平部６は足首関節９を介して下腿部５に連接されている。なお、大腿部４、下腿部５および足平部６はそれぞれ本発明におけるリンク部材に相当するものである。

この場合、股関節７は、ロボット１の前後、左右、上下方向の３軸回りの回転動作が可能とされ、膝関節８は、左右方向の１軸回りの回転動作が可能とされ、足首関節９は、前後、左右方向の２軸回りの回転動作が可能とされている。これらの各関節７，８，９の回転動作により、各脚体３は人間の脚とほぼ同様の運動が可能となっている。そして、例えば膝関節８には、その左右方向の１軸回りの回転動作を行なうために、関節アクチュエータとしての電動モータ１０（以下、膝関節電動モータ１０という）が設けられている。また、図示は省略するが、股関節７には、その３軸回りの回転動作を行なうための３個の電動モータが設けられ、足首関節９には、その２軸回りの回転動作を行なうための２個の電動モータが設けられている。

なお、本実施形態では、各足平部６に作用する床反力（ロボット１の前後、左右、上下の３軸方向の並進力および３軸回りのモーメント９を検出するために、各足平部６は６軸力センサ１１を介して足首関節９に連接されている。また、各関節７，８，９には、その回転位置（詳しくは、各関節７〜９の電動モータの回転角）を検出するためのエンコーダ（図示しない）が備えられている。

本実施形態では、各脚体３の膝関節８を本発明における特定関節とし、前記膝関節電動モータ１０による回転力と併せて膝関節８に補助的に作用させる回転力（補助駆動力）を必要に応じて発生するアシスト装置１２が各脚体３毎に設けられている。このアシスト装置１２は、気体の圧縮または膨張によって補助駆動力を弾性的に発生する気体ばねをばね手段１３として備えている。

このばね手段１３は、シリンダ構造のものであり、シリンダ（外筒）１４と、このシリンダ１４にその軸心方向に摺動自在に内挿されたピストン１５と、シリンダ１４内でピストン１５の両側（図では上下）に形成された気室１６，１７とを備え、各気室１６，１７に空気などの気体が充填されている。シリンダ１４は、各脚体３の大腿部４の背面側で概略上下方向（大腿部４の長手方向に概略沿う方向）に延在して設けられ、その下端部（底部）に固設された連結部材１８が下腿部５にフリージョイント１９を介して連結されている。また、ピストン１５から上側の気室１６を貫通してシリンダ１４の上方に延設されたピストンロッド２０の先端部（上端部）がフリージョイント２１を介して大腿部４に連結されている。

このような構成のばね手段１３にあっては、膝関節８における大腿部４と下腿部５との間の相対的変位運動としての屈伸運動（以下、膝屈伸運動という）に連動して、シリンダ１４が傾動しつつ、ピストン１５がシリンダ１４内をその軸心方向に摺動し、これに伴い各気室１６，１７の体積が変化するようになっている。この場合、気室１６，１７の一方の体積の増加に伴い、他方の体積は減少する。

アシスト装置１２は、さらに、両気室１６，１７の間での気体の流通を適宜行なうためにこれらの気室１６，１７に連通してシリンダ１４に接続された気体流通路としての連通管２２と、該連通管２２を開閉すべく該連通管２２に介装された電磁開閉弁２３とを備えている。電磁開閉弁２３は、気室１６，１７内の気体に対する前記膝屈伸運動の伝達を継断する手段としての機能を持つものであり、該電磁開閉弁２３の開閉によって、気室１６，１７内の気体に前記膝屈伸運動が伝達される状態（気室１６，１７内の気体が膝屈伸運動に伴い弾性エネルギーを蓄積する状態）と、気室１６，１７の気体への膝屈伸運動の伝達が遮断させる状態（気室１６，１７内の気体が弾性エネルギーを放出する状態）とが切り替るようになっている。

すなわち、電磁開閉弁２３を開弁したときには、両気室１６，１７は連通管２２を介して連通し、両気室１６，１７内の気体が相互に流通自在となる。このため、膝屈伸運動によって両気室１６，１７の体積が変化しても、両気室１６，１７内の気体は、ほぼ一定の圧力に維持されて、該気体の圧縮または膨張がほとんど生じない。つまり、電磁開閉弁２３の開弁状態では、両気室１６，１７内の気体には膝屈伸運動が実質的に伝達されず、該気体が弾性エネルギーを放出した状態（固体ばねの自然状態に相当する状態）になる。従って、電磁開閉弁２３の開弁状態では、各気室１６，１７内の気体は、弾性力（膝関節８に対する補助的な回転力）を発生しない状態（弾性力がほぼ０の状態）となる。換言すれば、電磁開閉弁２３の開弁状態では、ばね手段１３は、ばねとしての機能を持たないものとなる。補足すると、気室１６に対しては、気室１７は外部であり、気室１７に対しては、気室１６は外部である。

また、電磁開閉弁２３を閉弁することにより、両気室１６，１７が密封状態となり、各気室１６，１７内の気体が外部に流出できない状態となる。この密封状態では、前記膝屈伸運動による両気室１６，１７の体積変化に伴い、両気室１６，１７内の気体の圧縮または膨張が発生し、該気体が弾性エネルギーを蓄積する。つまり、電磁開閉弁２３の閉弁状態では、膝屈伸運動が両気室１６，１７内の気体に実質的に伝達されて（膝屈伸運動が両気室１６，１７内の気体の圧縮または膨張を発生させるように該気体に伝達される）、該気体が弾性エネルギーを蓄積し、それにより弾性力を発生する。換言すれば、電磁開閉弁２３の閉弁状態では、ばね手段１３がばねとしての本来の機能を膝屈伸運動に応じて発揮しつつ弾性力を発生することとなる。そして、その発生した弾性力は、前記膝関節電動モータ１０による膝関節８の回転力と並列に、該膝関節８の補助的な回転力（補助駆動力。以降、膝回転補助力という）として膝関節８に作用する。

この場合、電磁開閉弁２３の閉弁状態でばね手段１３が発生する膝回転補助力は、電磁開閉弁２３の閉弁状態の開始時点（開弁状態から閉弁状態への切替時）からの、膝関節８における脚体３の曲げ角θ（以下、膝曲げ角θという。図１参照）の変化量に応じたものとなる。この膝回転補助力と、膝曲げ角θとの関係を例示するグラフを図２に示す。なお、本明細書の実施形態では、膝曲げ角θは、より詳しくは、図１に示す如く、脚体３の大腿部４の軸心に対する下腿部５の軸心の傾斜角度として定義されたものであり、そのθの値は、膝関節８における脚体３の曲げ度合いが増加するに伴い、大きくなる。また、本明細書の実施形態では、膝関節８における脚体３の曲げ方向の回転力を正の値とし、脚体３の伸ばし方向の回転力を負の値とする。

図２を参照して、電磁開閉弁２３の閉弁状態の開始時点における膝曲げ角θ（以下、閉弁開始膝曲げ角という）が「θ1」であるとすると、ばね手段１３が発生する膝回転補助力は、例えばグラフａで示すような特性で膝曲げ角θに対して変化する。また、閉弁開始膝曲げ角θが「θ2」（θ1＞θ2）であるとすると、ばね手段１３が発生する膝回転補助力は、例えばグラフｂで示すような特性で膝曲げ角θに対して変化する。

いずれの場合でも、膝曲げ角θが閉弁開始膝曲げ角から増加するに伴い、ばね手段１３のピストン１５が下方に摺動して、上側の気室１６の気体が膨張しつつ下側の気室１７の気体が圧縮され、下側の気室１７の気体の圧力が上側の気室１６の気体よりも高くなっていく。従って、膝曲げ角θが閉弁開始膝曲げ角から増加するに伴い、膝回転補助力が脚体３の伸ばし方向に増加していく。また、これと逆に、膝曲げ角θがロック開始膝曲げ角から減少するに伴い、膝回転補助力が脚体３の曲げ方向に増加していく。なお、閉弁開始膝曲げ角では、膝回転補助力はほぼ０である。

補足すると、閉弁開始膝曲げ角によらずに、膝曲げ角θの変化に対する膝回転補助力の変化の特性（図２の各グラフａ，ｂの形状）はほぼ一定である。また、電磁開閉弁２３の開弁状態では、膝屈伸運動によらずに両気室１６，１７の気体の圧力が互いにほぼ等しい一定の圧力に維持されるので、膝回転補助力は、膝曲げ角θによらずに定常的にほぼ０になる。

ここで、前記電磁開閉弁２３のより詳細な構成を図３を参照して説明する。図３は本実施形態での電磁開閉弁２３の断面図を示している。この電磁開閉弁２３は、前記連通管２２のうち、気室１６側の連通管２２ａに通じる流通路３０と、気室１７側の連通管２２ｂに通じる流通路３１とが形成された弁体ケース３２内に弁体３３を備えている。弁体３３は、図示の如く両流通路３０，３１を連通させる位置（図示の位置。以下、開弁位置という）と、該弁体３３が弁座３４に当接して両流通路３０，３１を遮断する位置（以下、閉弁位置という）との間で矢印Ｙ1の方向（図の左右方向）に移動自在に設けられている。この弁体３３には、その可動方向に延在するプランジャ３５が連結されており、このプランジャ３５が弁ケース３２に固設された駆動部ケース３６内の挿入孔３７に挿入されて、該挿入孔３７内を弁体３３の可動方向と同方向に摺動自在に設けられている。駆動部ケース３６内のプランジャ３５の周囲には、永久磁石３８と、ソレノイド３９とがプランジャ３５の軸方向（弁体３３の可動方向）に間隔を存して設けられている。永久磁石３８は、弁体３３が開弁位置にあるときに、弁体３３を開弁位置に保持する磁力をプランジャ３５に作用させるものである。

このような構造の本実施形態の電磁開閉弁２３では、弁体３３の開弁位置から閉弁位置への移動動作（電磁開閉弁２３の閉弁動作）と、弁体３３の閉弁位置から開弁位置への移動動作（電磁開閉弁２３の開弁動作）とは、ソレノイド３９に互いに逆方向の電流を一時的に通電することで行なわれるようになっている。すなわち、電磁開閉弁２３の閉弁動作を行なうときには、ソレノイド３９に所定方向の電流（以下、閉電流という）を一時的に通電することで、ソレノイド３９が発生する電磁力によりプランジャ３５が弁体ケース３２側から後退して、弁体３３が開弁位置から閉弁位置に移動する（電磁開閉弁２３が開弁状態から閉弁する）。また、電磁開閉弁２３の開弁動作を行なうときには、ソレノイド３９に前記閉電流と逆方向の電流（以下、開電流という）を一時的に通電することで、ソレノイド３９が発生する電磁力によりプランジャ３５が弁体ケース３２側に前進して、弁体３３が閉弁位置から開弁位置に移動する（電磁開閉弁２３が閉弁状態から開弁する）。

そして、本実施形態の電磁開閉弁２３では、その開弁動作後にソレノイド３９への開電流の通電を停止しても永久磁石３８の磁力によってプランジャ３５が弁体３３の開弁位置に対応する位置（図に示す位置）に保持され、電磁開閉弁２３の開弁状態が保持されるようになっている。さらに、本実施形態では、電磁開閉弁２３の閉弁は、後述するように、その閉弁動作後に、前記ばね手段１３の気室１６，１７の圧力差が前記流通路３０，３１を介して弁体３３の閉弁方向（弁体３３を閉弁位置に付勢する方向）に作用する期間（気室１７の圧力が気室１６の圧力よりも高くなる期間）で行なわれるようになっている。換言すれば、電磁開閉弁２３は、それを閉弁状態とすべき期間において、弁体３３の閉弁方向に気室１６，１７間の圧力差が作用するように連通管２２に介装されている。従って、電磁開閉弁２３の閉弁状態では、その圧力差（以下、差圧という）によって、ソレノイド３９への閉電流の通電を停止しても弁体３３が閉弁位置に保持されるようになっている。このように電磁開閉弁２３は、ソレノイド３９への閉電流、開電流の通電を停止した後も、弁体３３の閉弁状態、開弁状態を保持する自己保持機能を有している。この場合、閉弁状態への保持機能は、上記差圧により実現される。

図１の説明に戻って、ロボット１の上体２には、各脚体３の各関節７，８，９の動作制御などを行なう制御ユニット４０と、各関節７，８，９の電動モータや電磁開閉弁２３などの電源としての蓄電装置４１と、上体２の姿勢（鉛直方向に対する傾斜角や鉛直方向の軸回りの回転角）を検出する姿勢センサ４２と、各電動モータの通電を制御するためのモータドライバ回路４３とが搭載されている。姿勢センサ４２は、ジャイロセンサ、加速度センサ等から構成されたものである。また、蓄電装置４１は、バッテリ（二次電池）やコンデンサなどから構成されたものである。

制御ユニット４０は、マイクロコンピュータなどを含む電子回路により構成されたものであり、図４のブロック図に示すように、その主な機能的構成として、歩容生成器５１、モータ制御器５２、および電磁開閉弁制御器５３を備えている。

歩容生成器５１は、ロボット１の目標歩容を規定する歩容パラメータ（歩幅、歩容周期、運動モードなど）を外部からの指令、あるいはあらかじめ設定されたティーチングデータ（移動計画データ）などに応じてロボット１の移動時の１歩毎（支持脚が切り替る毎）に決定し、さらにこれを基に所定の制御サイクル毎の目標歩容（瞬時目標歩容）を逐次生成するものである。ここで、本実施形態で歩容生成器５１が決定する歩容パラメータは、ロボット１に通常的な歩行動作を行わせる目標歩容や、ロボット１に人間と同様な走行動作を行わせる目標歩容などを規定するパラメータである。そして、該目標歩容は、例えばロボット１の上体２の位置および姿勢の目標値（以下、目標上体位置姿勢という）と、ロボット１の各足平部６の位置および姿勢の目標値（以下、目標足平位置姿勢という）と、両足平部６，６に作用する床反力（並進力およびモーメント）の合力（全床反力）の目標値（以下、目標全床反力という）と、該全床反力の作用点としてのＺＭＰ（Zero Moment Point）の目標位置（以下、目標ＺＭＰという）とから構成されるものである。なお、目標歩容の構成要素のより具体的な内容については、例えば本願出願人が特開平１１−３００６６０号公報にて詳細に説明している通りであるので、ここでは詳細な説明を省略する。また、目標歩容の内容は、必ずしも上記公報に開示されているものに限られるものではなく、基本的には、ロボット１の目標とする運動形態を表現できるものであればよい。

電磁開閉弁制御器５３は、アシスト装置１２の電磁開閉弁２３の動作制御を行なう機能を担うものである。この電磁開閉弁制御器５３は、歩容生成器５１により生成された目標歩容あるいはこれを規定する歩容パラメータに応じて、後述するように電磁開閉弁２３を閉弁状態とすべき期間（以下、ロック期間という）と、電磁開閉弁２３を開弁状態とすべき期間（以下、フリー期間という）とを決定する。そして、電磁開閉弁制御器５３は、ロック期間では、電磁開閉弁２３を閉弁状態にするように電磁開閉弁２３を通電制御し、フリー期間では、電磁開閉弁２３を開弁状態にするように電磁開閉弁２３を通電制御する。なお、ロック期間以外の期間はフリー期間、フリー期間以外の期間はロック期間であるので、いずれか一方の期間を決定すれば、他方の期間は従属的に決定される。従って、実際上は、ロック期間およびフリー期間のいずれか一方のみを決定すればよく、本実施形態では、ロック期間を決定するようにしている。

モータ制御器５２は、前記膝関節電動モータ１０を含めて、各関節７，８，９の電動モータを逐次制御する（詳しくは該電動モータの回転角を逐次制御する）ものである。このモータ制御器５２は、歩容生成器５１により生成された目標歩容や、前記姿勢センサ４２により検出される上体２の実傾斜角（鉛直方向に対する実際の傾斜角）、図示しないエンコーダを用いて検出される脚体３の各関節７，８，９の実回転角、前記６軸力センサ１１により検出される各足平部６の実床反力、前記電磁開閉弁制御器５３により決定される前記ロック期間（もしくはフリー期間）のデータ等に基づいて、後述するように、各電動モータに発生させるべきトルクを規定するトルク指令（具体的には電動モータの通電電流の指令値）を逐次生成する。そして、該モータ制御器５２は、生成したトルク指令をモータドライバ回路４３に出力し、該モータドライバ回路４３を介してトルク指令に応じたトルクを各電動モータに発生させる。

次に、本実施形態のシステムの作動を図５のフローチャートを参照して説明する。前記制御ユニット４０は、時刻計時を行なうタイマの初期化等の所定の初期化処理を行った後、あらかじめ定められた所定の制御サイクル（例えば５０ms）毎に、図５のフローチャートの処理を実行する。すなわち、制御ユニット４０は、まず、ロボット１の歩容の切替わりタイミングであるか否かを判断する（ＳＴＥＰ１）。ここで、歩容の切替わりタイミングは、詳しくは、ロボット１の移動時の支持脚が一方の脚体３から他方の脚体３に切替わるタイミングである。そして、ＳＴＥＰ１で歩容の切替わりタイミングでない場合には、制御ユニット４０の処理は後述のＳＴＥＰ３の処理に進む。

また、ＳＴＥＰ１で歩容の切替わりタイミングである場合には、制御ユニット４０は、外部から与えられるロボット１の動作指令や、あらかじめ設定された移動計画データに基づいて、ロボット１の目標歩容を規定する歩容パラメータを前記歩容生成器５１により生成（更新）する（ＳＴＥＰ２）。ここで、該歩容生成器５１が生成する歩容パラメータにより規定される目標歩容は、例えば次回の歩容の切替わりタイミング、もしくは、それよりも若干先のタイミングまでの目標歩容である。また、この場合、例えばロボット１の走行動作を行うべき旨の動作指令が外部から与えられている場合や、ロボット１の移動計画データによってロボット１の走行動作を行うべき状況である場合には、歩容生成器５１が生成する歩容パラメータにより規定される目標歩容は、ロボット１の走行動作の目標歩容（人間の走行時の足運びと同じような足運びで脚体３，３の運動を行うような目標歩容）である。

次いで、制御ユニット４０は、ＳＴＥＰ３〜５の処理をモータ制御器５２により実行する。このＳＴＥＰ３〜５の処理は、ばね手段１３から膝関節８に膝回転補助力が作用しない場合（アシスト装置１２の電磁開閉弁２３が開弁状態であるとした場合）に、前記目標歩容にロボット１の運動を追従させるために要する各関節７，８，９の電動モータのトルク指令（以下、基本トルク指令という）を求めるための処理である。尚、このＳＴＥＰ３〜５の処理は、本願出願人による特開平１１−３００６６０号公報にて詳細に説明されているので、以下にＳＴＥＰ３〜５の処理の概要を説明する。

ＳＴＥＰ３では、制御ユニット４０は、歩容生成器５１により現在生成されている歩容パラメータに基づいて瞬時目標歩容を求める。この瞬時目標歩容は、制御ユニット４０の処理の制御サイクル毎の目標歩容である。該瞬時目標歩容は、先にも述べたように、より具体的には、制御サイクル毎の、目標上体位置姿勢、目標足平位置姿勢、目標全床反力、目標ＺＭＰとから成る。尚、ＳＴＥＰ３の処理では、さらに、上記目標足平位置姿勢、目標全床反力、目標ＺＭＰ等に基づいて、制御サイクル毎の各脚体３の目標床反力及びその目標床反力の作用点も求められる。

ＳＴＥＰ４では、制御ユニット４０は、複合コンプライアンス動作処理により、上記瞬時目標歩容のうちの目標足平位置姿勢を修正する。この複合コンプライアンス動作処理では、より詳しくは、ロボット１の上体２の実傾斜角（これは前記姿勢センサ４２により検出される）を、前記目標上体位置姿勢により定まる目標傾斜角に復元させる（上体２の実傾斜角と目標傾斜角との偏差を０に収束させる）ためにロボット１に作用させるべき床反力（モーメント）が求められる。そして、この床反力（モーメント）と上記目標全床反力との合力を、ロボット１に実際に作用させるべきトータルの床反力の目標値とし、この目標値に、各足平部６の６軸力センサ１１により検出される各足平部６の実床反力の合力を追従させるように、制御サイクル毎の目標足平位置姿勢が修正される。このような複合コンプライアンス動作処理は、ロボット１の姿勢の自律的な安定性を確保するためのものである。

そして、ＳＴＥＰ５では、制御ユニット４０は、ロボット１の各脚体３の関節７，８，９の各電動モータに対する基本トルク指令を求める。この処理では、より具体的には、瞬時目標歩容における目標上体位置姿勢、上述のようにＳＴＥＰ４で修正された目標足平位置姿勢等から、ロボット１のモデル（剛体リンクモデル）に基づく逆キネマティスク演算処理によって、ロボット１の各脚体３の各関節７，８，９の目標回転角が求められる。そして、この目標回転角に、各関節７，８，９の実回転角（これは、各関節７，８，９に備えた図示しないエンコーダにより検出される）を追従させるように、各関節７，８，９の電動モータのトルク指令が求められる。

この場合、例えば各脚体３の膝関節電動モータ１０のトルク指令は、膝関節８の目標回転角（膝曲げ角θの目標値）と該膝関節８の実回転角（膝曲げ角θの検出値）との偏差Δθと、該脚体３に対する前記目標床反力を発生させるために必要な電動モータ１０のトルクＴff（以下、基準トルクＴffという）とから、次式（１）により求められる。

基本トルク指令＝Ｋp・Δθ＋Ｋv・（dΔθ／dt）＋Ｔff ……（１）

尚、式（１）の演算に用いる基準トルクＴffは、目標上体位置姿勢、目標足平位置姿勢、脚体３に対する目標床反力や、各関節７，８，９の目標回転角加速度等から、ロボット１のモデルに基づく逆動力学演算処理によって求められる。また、式（１）中のＫp、Ｋvは、あらかじめ定められたゲイン係数であり、dΔθ／dtは、偏差Δθの時間微分値である。

ここで、式（１）の右辺第１項及び第２項は、上記偏差Δθに応じたフィードバック制御項であり、右辺第３項は、脚体３に作用する床反力や慣性力の影響を補償するためのフィードフォワード制御項である。そして、特に、右辺第２項は、膝曲げ角θの目標値に対する振動を速やかに減衰させる緩衝機能（ダンピング機能）を有する項である。

膝関節８以外の他の関節７，９の各電動モータについても上記と同様に基本トルク指令が求められる。このようにして求められる基本トルク指令は、先にも説明したように、アシスト装置１２のばね手段１３による膝回転補助力が膝関節８に作用しない状態で、前記目標歩容にロボット１の運動を追従させるために要する各関節７，８，９の電動モータのトルク指令である。

制御ユニット４０は、次に、ＳＴＥＰ６において、アシスト装置１２の電磁開閉弁２３の通電制御処理を前記電磁開閉弁制御器５３により実行する。この処理は、図６のフローチャートに示すサブルーチン処理により実行される。すなわち、電磁開閉弁制御器５３は、まず、歩容生成器５１により現在設定されている歩容パラメータに基づいて、電磁開閉弁２３を閉弁状態とすべきロック期間を設定する（ＳＴＥＰ６−１）。この場合、本実施形態では、歩容パラメータが例えばロボット１の通常的な歩行動作を行わしめる歩容パラメータである場合には、電磁開閉弁制御器５３は、その歩行動作の全期間にわたって、電磁開閉弁２３を開弁状態とする（ばね手段１３による膝回転補助力を膝関節８に作用させない）。従って、この場合には、ロック期間は設定されない。

一方、歩容パラメータが例えばロボット１の走行動作（人間の走行動作と同様の走行動作）を行わしめる歩容パラメータである場合には、以下に説明するように、ロボット１の歩容の所定の期間において、電磁開閉弁２３を閉弁状態とするようにロック期間が設定される。

ここで、このロック期間の設定について具体的に説明する前に、本実施形態におけるロボット１の走行動作における目標歩容によって定まる目標膝曲げ角と、この目標膝曲げ角に対応して膝関節８に作用させるべき回転力（以下、必要膝回転力という）とについて図７を参照して説明する。図７（ａ）は、ロボット１の走行動作時（人間の通常的な走行動作と同じような足運び形態での走行動作）において、脚体３，３のいずれか一方側の脚体３の膝関節８の目標膝曲げ角の経時的変化を例示しており、図７（ｂ）は、図７（ａ）の目標膝曲げ角に対応する必要膝回転力の経時的変化を例示している。なお、図７（ｃ）は、電磁開閉弁２３の要求動作モードのタイミングチャート、図７（ｄ）は、開閉電磁弁２３の通電状態のタイミングチャート、図７（ｅ）は、ばね手段１３の両気室１６，１７間の差圧の経時的変化を例示している。

人間の通常的な走行動作と同様の形態でロボット１の走行動作を行う場合、目標膝曲げ角は、図７（ａ）に示すように、脚体３が着床状態となる支持脚期の前半では増加する（膝関節８における脚体３の曲げ度合いが大きくなる）。そして、支持脚期の後半では、該支持脚期の終了直前まで目標膝曲げ角は減少する（膝関節８における脚体３の曲げ度合いが小さくなる）。さらに、該支持脚期の終了直前から、遊脚期（脚体３の足平部６が離床状態となる期間）の前半にかけて、目標膝曲げ角は増加していき、その後、遊脚期の後半では、該遊脚期の終了直前まで、目標膝曲げ角は減少していく。尚、遊脚期の終了直前では、目標膝曲げ角は若干増加する。従って、走行動作時の目標膝曲げ角は、支持脚期の中間時点と、遊脚期の中間時点で極大値を採り、また、支持脚期の終了直前で極小値を採る。

また、図７（ｂ）に示すように、必要膝回転力（脚体３の曲げ方向の回転力を正の値、伸ばし方向の回転力を負の値とする）は、支持脚期の前半（概ね目標膝曲げ角が増加する期間）では、正の回転力から負の回転力に大きく減少し（脚体３の伸ばし方向に回転力が大きく増加する）、支持脚期の後半では、該支持脚期の終了直前まで（概ね目標膝曲げ角が減少する期間）、ほぼ「０」の回転力まで増加する。そして、支持脚期の終了直前から遊脚期の前半かけては、必要膝回転力は、若干負の値に緩やかに減少し、その後、遊脚期の後半では、必要膝回転力は、負の値から正の値に緩やかに増加していく。従って、走行動作時の必要膝回転力は、特に、支持脚期において、脚体３の伸ばし方向に大きくなり、また、その伸ばし方向の必要膝回転力は、該支持脚期のほぼ中間時点（この時点は、概ね、膝曲げ角が極大値となる時点と一致する）で最大となる。

本実施形態では、ロボット１の走行動作時のこのような目標膝曲げ角と、必要膝回転力との特性を考慮し、基本的には、脚体３の支持脚期のうち、必要膝回転力が脚体３の伸ばし側に大きくなる期間（例えば図７の時刻T1から時刻T2の期間）をロック期間として設定する。そのロック期間は、より詳しく言えば、支持脚期のうち、必要膝回転力が脚体３の伸ばし方向に凸となる期間、あるいは、膝曲げ角がその増加方向に凸となる期間である。そして、このロック期間において、図７（ｃ）のタイミングチャートに示す如く開閉電磁弁２３を閉弁状態にするように制御することで、前記アシスト装置１２のばね手段１３による膝回転補助力を膝関節８に作用させる。

一方、上記のようにロック期間を設定して、このロック期間で開閉電磁弁２３を閉弁状態にするようにしたとき、ばね手段１３の両気室１６，１７間の差圧（気室１７の圧力−気室１６の圧力）は、図７（ｅ）に示すように、ロック期間の開始時（時刻T1）から膝曲げ角の増加に伴い増加し、これに続く膝曲げ角の減少に伴いロック期間の終了時（時刻T2）まで減少する。そして、本実施形態では、前述したように気室１６，１７はそれぞれ電磁開閉弁２３の流通路２２ａ，２２ｂに連通しているため、この差圧は、電磁開閉弁２３の弁体３３に対してその閉弁方向に作用する。従って、ロック期間の終了時に電磁開閉弁２３の開弁動作（閉弁状態から開弁状態への切替）を確実に行なうためには、上記差圧がある差圧値P2以下に低下していることが必要である。その差圧値P2は、電磁開閉弁２３のソレノイド３９に開電流を通電したときにプランジャ３５に作用する弁体３３の開弁方向への駆動力が、差圧値P2の差圧による弁体３３の閉弁方向への駆動力に打ち勝つような差圧値のうちの最大値（以下、開弁可能許容差圧値P2という）である。

これらのことを考慮し、前記ＳＴＥＰ６−１では、例えば次のようにロック期間が設定される。

すなわち、歩容生成器５１により現在設定されている歩容パラメータがロボット１の走行動作に対応する歩容パラメータである場合には、電磁開閉弁制御器５３は、まず、その歩容パラメータに基づいて、脚体３の支持脚期における目標膝曲げ角（詳しくは目標膝曲げ角の支持脚期における経時変化の時系列）を求める。そして、電磁開閉弁制御器５３は、ロック期間の開始時における目標膝曲げ角θoffmin、すなわち閉弁開始膝曲げ角の目標値θoffmin（以下、閉弁開始目標膝曲げ角θoffminという）を決定し、支持脚期において、目標膝曲げ角がθoffmin以上となる期間（図７の時刻T1から時刻T2までの期間）をロック期間として設定する。なお、ロック期間の終了時刻T2は、目標膝曲げ角が閉弁開始目標膝曲げ角θoffminから増加した後、θffminに復帰する時刻となる。

ここで、θoffminは、支持脚期における目標膝曲げ角の最小値に近い値であって、支持脚期の開始後、必要膝回転力が曲げ方向の値（正の値）から伸ばし方向の値（負の値）に変化する直後における膝曲げ角の値の近傍の値になり、且つ、ロック期間の終了時に目標膝曲げ角がθoffminまで減少した時における差圧が前記開弁可能許容差圧値P2以下になるように決定される。気室１６，１７間の差圧は、膝曲げ角に応じたものとなるので、例えば膝曲げ角と差圧との相関関係をあらかじめ求めておけば、その相関関係に基づいてθoffminを決定できる。なお、本実施形態では、ロック期間の開始時と終了時との目標膝曲げ角が同じ値（＝開弁開始目標膝曲げ角θoffmin）になるようにしたが、必ずしもそれらが同じ値になるようにロック期間を設定する必要はない。ロック期間の終了時における目標膝曲げ角θは、差圧が開弁可能上限差圧値P2以下であれば、ロック期間の開始時の目標膝曲げ角θと多少異なっていてもよい。

次いで、ＳＴＥＰ６−２において、電磁開閉弁制御器５３は、ロック期間の開始時に電磁開閉弁２３の閉弁動作（開弁状態から閉弁状態への切替）を行なうために電磁開閉弁２３のソレノイド３９に閉電流を通電すべき時間である閉電流通電時間ΔTclose（図７（ｄ）を参照）と、ロック期間の終了時に電磁開閉弁２３の開弁動作（閉弁状態から開弁状態への切替）を行なうために電磁開閉弁２３のソレノイド３９に開電流を通電すべき時間である開電流通電時間ΔTopen（図７（ｄ）を参照）とを決定する。これらの閉電流通電時間ΔTcloseおよび開電流通電時間ΔTopenは、例えば電磁開閉弁２３の閉弁動作、開弁動作を確実に行なうことができるようにあらかじめ定められた所定時間に決定される。なお、本実施形態では、電磁開閉弁２３の閉弁動作後の閉弁状態は、気室１６，１７間の差圧によって保持する。従って、閉電流通電時間ΔTcloseは、その差圧がソレノイド３９への閉電流の通電停止時に、電磁開閉弁２３を確実に閉弁状態に保持し得るような差圧（図７（ｅ）の差圧値P1）に上昇しているような時間に設定することが望ましい。この場合、例えば目標膝曲げ角を基に、差圧が電磁開閉弁２３を確実に閉弁状態に保持し得る差圧値P1まで上昇するタイミングを判断し、ロック期間の開始時からそのタイミングまでの時間を閉電流通電時間として決定すればよい。

次いで、現在時刻ｔがT1≦ｔ＜T1＋ΔTcloseであるか、T2≦ｔ＜T2＋ΔTopenであるか、あるいはそれ以外の時刻であるかがＳＴＥＰ６−３で判断される。そして、T1≦ｔ＜T1＋ΔTcloseであるときには、電磁開閉弁制御器５３は、電磁開閉弁２３のソレノイド３９に閉電流を通電する（ＳＴＥＰ６−４）。これにより、ロック期間の開始時刻T1からΔTcloseの時間だけソレノイド３９に閉電流が通電され、電磁開閉弁２３の閉弁動作が行なわれる。また、T2≦ｔ＜T2＋ΔTopenであるときには、電磁開閉弁制御器５３は、電磁開閉弁２３のソレノイド３９に開電流を通電する（ＳＴＥＰ６−５）。これにより、ロック期間の終了時刻T2からΔTopenの時間だけソレノイド３９に開電流が通電され、電磁開閉弁２３の開弁動作が行なわれる。そして、現在時刻ｔがT1≦ｔ＜T1＋ΔTcloseでなく、且つ、T2≦ｔ＜T2＋ΔTopenでないときには、電磁開閉弁制御器５３は、電磁開閉弁２３のソレノイド３９への閉電流および開電流の通電を遮断する（ＳＴＥＰ６−６）。

以上が、ＳＴＥＰ６の処理の詳細である。このように本実施形態では、ロック期間の開始時に電磁開閉弁２３に閉電流を一時的に通電することで、電磁開閉弁２３の閉弁動作が行なわれ、その閉電流の通電停止後は前記差圧によって、電磁開閉弁２３が閉弁状態に保持される。そして、ロック期間の終了時に電磁開閉弁２３に開電流を一時的に通電することで、電磁開閉弁２３の開弁動作が行なわれる。なお、開電流の通電停止後は、前記永久磁石３８の磁力によって、電磁開閉弁２３が開弁状態に保持される。

図６のフローチャートの説明に戻って、制御ユニット４０は、上述のようにＳＴＥＰ６の処理を実行した後、アシスト装置１２のばね手段１３による膝回転補助力（詳しくは制御周期毎の膝回転補助力）を推定する（ＳＴＥＰ７）。この膝回転補助力の推定値は、モータ制御器５２が、膝関節電動モータ１０に対する最終的なトルク指令を決定するために用いるものであり、該モータ制御器５２により例えば次のように求められる。すなわち、モータ制御器５２は、ロック期間の開始時における目標膝曲げ角（＝θoffmin）、あるいは、ロック期間の開始時において図示しないエンコーダにより検出される膝曲げ角θを閉弁開始膝曲げ角として記憶保持する。なお、閉弁開始膝曲げ角として記憶保持する膝曲げ角は、前記複合コンプライアンス動作処理により修正された目標足平位置姿勢に対応して定まる膝曲げ角を用いるようにしてもよい。

次いで、モータ制御器５２は、ばね手段１３による膝回転補助力を推定する。この場合、本実施形態では、図２の実線ａ，ｂで示したようなばね手段１５の膝回転補助力の特性を表すデータ（データテーブルや演算式など）があらかじめ図示しないメモリに記憶保持されている。そして、電磁開閉弁２３を閉弁状態とするロック期間であるときには、前述のように記憶保持した閉弁開始膝曲げ角と、現在の膝曲げ角θの検出値（あるいは目標値）と、膝回転補助力の上記の特性データとから、ばね手段１３による膝回転補助力が推定される。例えば図２を参照して、閉弁開始膝曲げ角が「θ2」で、現在の膝曲げ角がθkである場合には、膝回転補助力の推定値は「Mk」となる。尚、フリー期間での膝回転補助力は「０」である。また、膝回転補助力は、力センサ等を用いて直接的に検出するようにすることも可能である。

上述のようにしてＳＴＥＰ７で膝回転補助力を推定した後、制御ユニット４０は、モータ制御器５２により、脚体３の各関節７，８，９の電動モータの制御サイクル毎の最終的なトルク指令としての最終トルク指令を決定する（ＳＴＥＰ８）。この場合、膝関節電動モータ１０に対する最終トルク指令は、前記ＳＴＥＰ５で式（１）により求めた基本トルク指令（膝回転補助力が「０」であると仮定した場合に目標歩容に応じて膝関節８に発生させるべきトルク）から、前記ＳＴＥＰ７で求めた膝回転補助力を減算することで、膝関節電動モータ１０に対する実トルク指令を決定する。すなわち、膝関節電動モータ１０に対する最終トルク指令（膝関節電動モータ１０に実際に発生させるべきトルクの指令値）と膝回転補助力との和が基本トルク指令となるように膝関節電動モータ１０に対する最終トルク指令を生成する。尚、本実施形態では膝関節８以外の関節７，９の電動モータに対する最終トルク指令は、前記基本トルク指令がそのまま用いられる。

次いで、制御ユニット４０は、上述のように決定した最終トルク指令をモータドライバ回路４３に出力し（ＳＴＥＰ９）、これにより制御サイクル毎の処理を終了する。この最終トルク指令の出力に応じて、各関節７，８，９の電動モータに通電され、該電動モータの回転角、すなわち、各関節７，８，９の回転角が前記目標上体位置姿勢や目標足平位置姿勢（前記複合コンプライアンス動作処理による修正を施したもの）により定まる所要の回転角に追従するように制御される。従って、歩容パラメータにより規定される目標歩容に従って、ロボット１の移動が行われる。

かかる本実施形態のシステムでは、図８（ａ）に示す如く、各脚体３の支持脚期において、目標膝曲げ角が閉弁開始目標膝曲げ角θoffmin以上となる期間がロック期間として決定され、このロック期間において、電磁開閉弁２３が閉弁状態とされる。なお、図８（ａ）は、図７（ａ）と同じであり、ロボット１の走行動作時の目標膝曲げ角の経時的変化を例示している。また、図８（ｂ）は、図８（ａ）の目標膝曲げ角の変化（あるいはその目標膝曲げ角に追従する実際の膝曲げ角の変化）に対応して、ばね手段１３が発生する膝回転補助力の経時的変化を例示している。さらに、図８（ｃ）は、図８（ａ）の目標膝曲げ角の変化（あるいはその目標膝曲げ角に追従する実際の膝曲げ角の変化）に対応して、膝関節電動モータ１０に発生させるトルクの経時的変化を実線で例示している。この場合、図８（ｃ）には、前記必要膝回転力の経時的変化（これは図７（ｂ）のものと同じである）を破線で併記している。

上記のようにロック期間で電磁開閉弁２３を閉弁させたとき、ばね手段１３が発生する膝回転補助力は、図８（ｂ）に示すように、ロック期間において膝曲げ角が閉弁開始目標膝曲げ角θoffminから増加するに伴い脚体３の伸ばし方向に増加し、続いて膝曲げ角が閉弁開始目標膝曲げ角θoffminまで減少するに伴い、脚体３の伸ばし方向で減少する。なお、ロック期間の開始時および終了時と、ロック期間以外の期間では、ばね手段１３が発生する膝回転補助力はほぼ０である。従って、図８（ｃ）に示す如く、必要膝回転力が脚体３の伸ばし方向に大きなものとなる期間（ロック期間）において、膝関節電動モータ１０に発生させるトルクは必要膝回転力から膝回転補助力を差し引いた、比較的小さなトルクで済む。その結果、ロボット１の走行動作時の全期間にわたって、膝関節電動モータ１０の発生トルクが比較的小さなもので済み、膝関節電動モータ１０の電力消費や容量を小さくすることができる。

また、前記図７（ｄ）に示すようにロック期間の開始時と終了時とで、それぞれ閉電流通電時間ΔTclose、開電流通電時間ΔTopenだけ一時的に通電することで、電磁開閉弁２３の閉弁動作、開弁動作が行なわれる。そして、ロック期間における電磁開閉弁２３の閉弁動作後には、電磁開閉弁２３のソレノイド３９への閉電流の通電を遮断した後は、ばね手段１３の気室１６，１７間の差圧によって、電磁開閉弁２３が閉弁状態に保持される。また、電磁開閉弁２３の開弁動作後には、電磁開閉弁２３のソレノイド３９への開電流の通電を遮断した後は、前記永久磁石３８の磁力によって、電磁開閉弁２３が開弁状態に保持される。従って、電磁開閉弁２３の構成を小型で簡易なものとしつつ、電磁開閉弁２３の電力消費を少なくできる。その結果、ロボット１の電力消費を低減することができる。

また、本実施形態では、ロボット１の走行動作時におけるロック期間の開始時と終了時における膝曲げ角が等しいため、次のような効果がある。すなわち、ロック期間の開始時と終了時における膝曲げ角が等しいため、ロック期間の開始時はもちろん、終了時においても、ばね手段１３の膝回転補助力はほぼ「０」になる。このため、電磁開閉弁２３を閉弁状態から開弁状態に切り替える時に、ばね手段１３の膝回転補助力が不連続に変化することが回避される。この結果、電磁開閉弁２３を閉弁状態から開弁状態に切り替える時に、ロボット１の挙動がぎくしゃくしたりすることがなく、該ロボット１の動作を円滑に行うことができる。また、特に、ばね手段１３が弾性エネルギーを十分に放出した状態で、電磁開閉弁２３を閉弁状態から開弁状態に切り替えることとなるため、ばね手段１３に蓄積した弾性エネルギーが、無駄に熱エネルギーに変換されて消耗してしまうことが防止され、ロボット１のエネルギーの利用効率を高めることができる。

次に、本発明に関連する参考例としての第２実施形態を図９を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態のものと電磁開閉弁の一部の構成のみが相違するものである。従って、本実施形態の説明では、第１実施形態と同一構成部分については第１実施形態と同一の参照符号を用い詳細な説明を省略する。

図８は本実施形態における電磁開閉弁６０の断面図である。この電磁開閉弁６０は、第１実施形態の電磁開閉弁２３と駆動部ケース３６内の一部の構成のみが相違するものであり、電磁開閉弁２３の永久磁石３８の代わりに、弁体３３の開弁位置（図８に示す位置）と閉弁位置（弁体３３が弁座３４に当接した状態）とでプランジャ３５を係止する係止機構６１を駆動部ケース３６内に備えたものである。この係止機構６１は、電磁開閉弁６０の自己保持機能を実現する手段であり、プランジャ３５の軸方向（可動方向）と直交する方向で挿入孔３７内のプランジャ３５の外周面に向かって進退自在（挿入孔３７内に出没自在）に設けられた球体６２と、この球体６２を前進方向（プランジャ３５に近づく方向）に付勢するバネ６３（この例ではコイルバネ）とを備えている。

挿入孔３７内のプランジャ３５の外周面には、球体６２の半部を嵌合可能な一対の半球面状の凹部３５ａ，３５ｂがプランジャ３５の軸方向に間隔を存して形成されている。これらの凹部３５ａ，３５ｂのうち、凹部３５ａは、プランジャ３５が弁体３３の開弁位置に対応する位置（図９に示す位置）に在るときに、球体６２の半部がバネ６３の付勢力により嵌合するように設けられ、その嵌合によりプランジャ３５が係止されて、弁体３３が開弁位置に保持されるようになっている。また、凹部３５ｂは、弁体３３が閉弁位置に対応する位置に在るときに、球体６２の半部がバネ６３の付勢力により嵌合するように設けられ、その嵌合によりプランジャ３５が係止されて、弁体３３が開弁位置に保持されるようになっている。このように電磁開閉弁６０は、係止機構６１によって、弁体３３を開弁位置と閉弁位置とに保持する自己保持機能を有している。なお、係止機構６１のバネ６３の付勢力は、弁体３３の開弁位置または閉弁位置でソレノイド３９に閉電流または開電流を通電したときに、該ソレノイド３９が発生する電磁力により、球体６２が凹部３５ａまたは３５ｂから脱離しつつ、プランジャ３５が軸方向に移動し得るように設定されている。

以上説明した以外の構成は、第１実施形態と同一である。

かかる本実施形態では、制御ユニット４０は、第１実施形態と同じ処理（図５および図６）の処理を実行し、ロボット１の走行動作を行なうときに、各脚体３の支持脚期内にロック期間を設定する。そして、このロック期間において、電磁開閉弁６０を閉弁することで、ばね手段１３により膝回転補助力を発生する。

かかる本実施形態では、前記第１実施形態と同様の効果を奏する。この場合、本実施形態では、係止機構６１によって、ソレノイド３９への開電流または閉電流の通電を停止した後も、開弁状態または閉弁状態に保持される。このため、特に、ロック期間の開始時における閉電流通電時間ΔTcloseを前記第１実施形態のものよりも短くでき、電磁開閉弁２３の電力消費をより一層抑制できる。

次に、本発明の一実施形態としての第３実施形態を図１０〜図１２を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態のものと電磁開閉弁の一部の構成と、制御ユニットによる電磁開閉弁の通電制御処理のみが相違するものである。従って、本実施形態の説明では、第１実施形態と同一構成部分については、第１実施形態と同一の参照符号を用い詳細な説明を省略する。

図１０は本実施形態における電磁開閉弁７０の断面図である。この電磁開閉弁７０は、第１実施形態の電磁開閉弁２３と駆動部ケース３６内の一部の構成のみが相違するものであり、電磁開閉弁２３の永久磁石３８を備えずに、プランジャ３５を弁体３３の開弁位置側に付勢する付勢手段であるバネ７１（この例ではコイルバネ）を備えたものである。この場合、バネ７１は、駆動部ケース３６の挿入孔３７内で、その底部とプランジャ３５の端面（弁体３３と反対側の端面）との間に介装され、プランジャ３５を弁体３３の開弁位置側（図１０の左方向）に付勢している。以上説明した以外の構成は、第１実施形態と同一である。

ここで、かかる構成の電磁開閉弁７０では、ソレノイド３９に閉電流を通電することで、ソレノイド３９が発生する電磁力によって、バネ７１の付勢力に抗してプランジャ３５が弁体ケース３２から離反する側に後退し、弁体３３の閉弁動作が行なわれる。この場合、前記ばね手段１３の気室１６，１７間の差圧が０もしくはそれに近い状態であるときには、弁体３３を閉弁位置に保持するためには、ソレノイド３９に閉電流を通電し続ける必要があるが、該差圧が弁体３３の閉弁方向に増加して、ある差圧値P3を超えると、ソレノイド３９への閉電流の通電を遮断しても、その差圧によって、バネ７１の付勢力に抗して弁体３３を閉弁位置に保持することが可能となっている。また、その差圧が上記差圧値P3以下に低下すれば、ソレノイド３９への通電を遮断したまま、バネ７１の付勢力によって自動的に弁体３３が開弁位置に復帰するようになっている。以下、差圧値P3を開弁復帰差圧値P3という。

次に、本実施形態のシステムの作動を説明する。本実施形態では、制御ユニット４０は、第１実施形態と同様に、図５のフローチャートに示す制御処理を実行する。この場合、本実施形態では、ＳＴＥＰ６のサブルーチン処理（電磁開閉弁７０の通電制御処理）のみが、第１実施形態と相違している。このサブルーチン処理は、図１１のフローチャートに示すように実行される。

すなわち、電磁開閉弁制御器５３は、まず、第１実施形態と同様に、歩容生成器５１により現在設定されている歩容パラメータに基づいて、電磁開閉弁２３を閉弁状態とすべきロック期間を設定する（ＳＴＥＰ６−１１）。すなわち、歩容生成器５１により現在設定されている歩容パラメータがロボット１の走行動作に対応する歩容パラメータである場合には、第１実施形態と同様に、図１２（ａ）に示す如くロック期間の開始時における目標膝曲げ角である閉弁開始目標膝曲げ角θoffminを決定し、支持脚期において、目標膝曲げ角がθoffmin以上となる期間（図１２の時刻T1から時刻T2までの期間）をロック期間として設定する。この場合、θoffminは、支持脚期における目標膝曲げ角の最小値に近い値であって、支持脚期の開始後、必要膝回転力が曲げ方向の値（正の値）から伸ばし方向の値（負の値）に変化する直後における膝曲げ角の値の近傍の値になり、且つ、ロック期間の終了時に目標膝曲げ角がθoffminまで減少した時における差圧が前記開弁復帰差圧値P3以下になるように決定される。

なお、図１２（ａ）は図７（ａ）と同じであり、ロボット１の走行動作時の目標膝曲げ角の経時的変化を例示している。また、図１２（ｂ）は、図７（ｂ）と同じで、図１２（ａ）の目標膝曲げ角の変化に対応する必要膝回転補助力の経時的変化を例示している。また、図１２（ｃ）は、電磁開閉弁７０の要求動作モードのタイミングチャート、図１２（ｄ）は、開閉電磁弁７０の通電状態のタイミングチャート、図１２（ｅ）は、ばね手段１３の両気室１６，１７間の差圧の経時的変化を例示している。

次いで、電磁開閉弁制御器５３は、ロック期間の開始時に電磁開閉弁２３の閉弁動作（開弁状態から閉弁状態への切替）を行なうために電磁開閉弁２３のソレノイド３９に閉電流を通電すべき時間である閉電流通電時間ΔTclose（図１２（ｄ）を参照）を決定する。

この場合、例えば目標膝曲げ角を基に、ばね手段１３の気室１６，１７間の差圧が前記開弁復帰差圧値P3を確実に超えるタイミングを判断し、ロック期間の開始時からそのタイミングまでの時間を閉電流通電時間ΔTcloseとして決定する。

次いで、現在時刻ｔがT1≦ｔ＜T1＋ΔTcloseであるか否かがＳＴＥＰ６−３で判断される。そして、T1≦ｔ＜T1＋ΔTcloseであるときには、電磁開閉弁制御器５３は、電磁開閉弁７０のソレノイド３９に閉電流を通電する（ＳＴＥＰ６−１４）。これにより、ロック期間の開始時刻T1からΔTcloseの時間だけソレノイド３９に閉電流が通電され、電磁開閉弁２３の閉弁動作が行なわれる。そして、現在時刻ｔがT1≦ｔ＜T1＋ΔTcloseでないときには、電磁開閉弁制御器５３は、電磁開閉弁７０のソレノイド３９への閉電流の通電を遮断する（ＳＴＥＰ６−１５）。本実施形態では、電磁開閉弁７０を開弁させるための通電は行なわれない。

以上が、本実施形態でのＳＴＥＰ６の処理の詳細である。このように本実施形態では、ロック期間の開始時に電磁開閉弁７０に閉電流を閉電流通電時間ΔTcloseだけ一時的に通電することで、電磁開閉弁７０の閉弁動作が行なわれ、その閉電流の通電停止後は前記差圧によって、電磁開閉弁７０が前記バネ７１の付勢力に抗して閉弁状態に保持される。そして、ロック期間の終了時刻T2近傍で、前記差圧が開弁復帰差圧値P3以下に低下することで、電磁開閉弁７０が前記バネ７１の付勢力により自動的に開弁し、開弁状態に保持される。

かかる本実施形態においても第１実施形態と同様の効果を奏することはもちろんである。加えて、本実施形態では、ロック期間の開始時にだけ一時的に電磁開閉弁７０のソレノイド３９に閉電流を通電すればよいので、電磁開閉弁７０の電力消費をより一層低減することができる。

次に、以上説明した第１〜第３実施形態の変形態様をいくつか説明する。前記第１および第２実施形態では、電磁開閉弁２３，６０への閉電流または開電流の通電開始タイミングを時刻ｔに基づいて判断するようにしたが、瞬時目標歩容の膝曲げ角あるいは膝曲げ角の検出値に基づいて判断するようにしてもよい。あるいは、ロック期間の開始タイミングと終了タイミングとで膝関節８に発生させるべきトルクの値（前記必要膝回転力の値）を決定し、ロック期間の開始タイミングと終了タイミングとを前記基本トルクあるいは膝関節８に作用する実トルクの検出値に基づいて判断するようにしてもよい。また、電磁開閉弁２３，６０への閉電流の通電終了タイミングの判断にあっても、その通電終了タイミングにおける膝曲げ角の値を決定しておき、瞬時目標歩容の膝曲げ角あるいは膝曲げ角の検出値に基づいて閉電流の通電終了タイミングを判断するようにしてもよい。あるいは、閉電流の通電終了タイミングにおける前記差圧の値を決定し（例えば図７（ｅ）のP1を決定する）、目標膝曲げ角などから推定される差圧の推定値、もしくは、適宜の圧力センサにより差圧の検出値に基づいて閉電流の通電終了タイミングを判断するようにしてもよい。

また、前記第３実施形態では、ロック期間を設定したが、電磁開閉弁７０への閉電流の通電開始タイミングおよび通電終了タイミングのみを決定するようにしてもよい。そして、第１及び第２実施形態に係る変形態様と同様に、閉電流の通電開始タイミング（ロック期間の開始タイミング）を、瞬時目標歩容の膝曲げ角や膝曲げ角の検出値に基づいて判断したり、前記基本トルクもしくは、膝関節８に作用する実トルクの検出値に基づいて判断するようにしてもよい。また、電磁開閉弁７０への閉電流の通電終了タイミングの判断にあっても、第１及び第２実施形態に係る変形態様と同様に、瞬時目標歩容の膝曲げ角あるいは膝曲げ角の検出値に基づいて判断したり、前記差圧の推定値もしくは検出値に基づいて判断するようにしてもよい。

いずれの場合であっても、電磁開閉弁２３，６０，７０を閉弁状態とすべきロック期間は、支持脚期のうち、必要膝回転力が脚体３の伸ばし方向に凸となる期間、あるいは、膝曲げ角がその増加方向に凸となり、また、その期間の開始時と終了時とで膝曲げ角が同一もしくはほぼ同一になる期間に設定することが望ましい。また、電磁開閉弁２３，６０，７０への閉電流の通電時間は、該電磁開閉弁の閉弁動作が確実に行い得る範囲で、できるだけ短い時間にすることが望ましい。換言すれば、前記差圧が該電磁開閉弁を閉弁状態に保持し得る状態では、閉電流の通電を遮断することが望ましい。

また、前記第１〜第３実施形態では、電磁開閉弁２３，６０，７０の閉弁状態で、ばね手段１３の気室１６，１７の両者が密封されるようにしたが、一方の気室１６または１７を大気に開放しておくと共に、他方の気室１７または１６をその外側の大気に連通させる連通管（気体流通路）に電磁開閉弁を介装しておき、電磁開閉弁の閉弁状態で、他方の気室１７または１６のみが密封されるようにしてもよい。さらには、前記特開２００３−１０３４８０号公報の図２２に見られるように、上記他方の気室１７または１６を、その外側の適宜の箇所（ロボット１の大腿部４など）に備えたアキュムレータ（該アキュムレータには加圧された気体が充填される）に連通させる連通管（気体流通路）に電磁開閉弁を介装するようにしてもよい。このようにした場合には、電磁開閉弁の閉弁状態でばね手段が発生する膝回転補助力を高めることができる。なお、このようにアキュムレータを備えた場合には、電磁開閉弁の開弁状態（ロック期間以外の期間）で、膝屈伸運動に伴うばね手段の気室の体積変化に応じて０でない膝回転補助力が発生することとなるが、その膝回転補助力の最大値は、電磁開閉弁を閉弁状態とするロック期間でばね手段が発生する膝回転補助力よりも十分に小さなものとなる。

また、前記第１〜第３実施形態では、シリンダ１４およびピストン１５によって気室１６，１７を形成するようにしたが、膝屈伸運動に応じて体積が変化するものであれば、適宜の袋部材によって気室を形成するようにしてもよい。

また、前記第３実施形態は、本発明を２足移動ロボットに適用した例を示したが、本発明は、２本以上の脚体を有するロボットについても適用できることはもちろんである。

本発明に関連する参考例としての第１実施形態のアシスト装置を含む脚式移動ロボット（２足移動ロボット）の概略構成を模式化して示す図。 図１のロボットに備えたアシスト装置のばね手段（気体ばね）が発生する補助力と膝関節の曲げ角との関係を示すグラフ。 図１のロボットのアシスト装置に備えた電磁開閉弁の構成を示す断面図。 図１のロボットに備えた制御ユニットの機能的構成を示すブロック図。 図４の制御ユニットの処理を示すフローチャート。 図５のフローチャートのサブルーチン処理を示すフローチャート。 図７（ａ）は、図１のロボットの走行動作時における脚体の膝関節の曲げ角の経時的変化を例示するグラフ、図７（ｂ）は、膝関節の必要回転力の経時的変化を例示するグラフ、図７（ｃ）は、第１実施形態における電磁開閉弁の要求動作モードのタイミングチャート、図７（ｄ）は、第１実施形態における開閉電磁弁の通電状態のタイミングチャート、図７（ｅ）は、第１実施形態における気室間の圧力差（差圧）の経時的変化を例示するグラフ。 図８（ａ）は、図１のロボットの走行動作時の膝関節の曲げ角の経時的変化を例示するグラフ、図８（ｂ）は、第１実施形態のアシスト装置で発生する膝関節の補助駆動力の経時的変化を例示するグラフ、図８（ｃ）は、第１実施形態で膝関節の電動モータに発生させるトルクの経時的変化を実線で例示するグラフ。 本発明に関連する参考例としての第２実施形態におけるアシスト装置に備えた電磁開閉弁の構成を示す断面図。 本発明の一実施形態としての第３実施形態におけるアシスト装置に備えた電磁開閉弁の構成を示す断面図。 第３実施形態における制御ユニットの制御処理のサブルーチン処理を示すフローチャート。 図１２（ａ）は、図１のロボットの走行動作時における脚体の膝関節の曲げ角の経時的変化を例示するグラフ、図１２（ｂ）は、膝関節の必要回転力の経時的変化を例示するグラフ、図１２（ｃ）は、第３実施形態における電磁開閉弁の要求動作モードのタイミングチャート、図１２（ｄ）は、第３実施形態における開閉電磁弁の通電状態のタイミングチャート、図１２（ｅ）は、第１実施形態における気室間の圧力差（差圧）の経時的変化を例示するグラフ。

符号の説明

１…脚式移動ロボット（２足移動ロボット）、２…上体、３…脚体、４…大腿部（リンク部材）、５…下腿部（リンク部材）、６…足平部（リンク部材）、７…股関節、８…膝関節（特定関節）、９…足首関節、１０…電動モータ（関節アクチュエータ）、１２…アシスト装置、１６，１７…気室、２２…気体流通路、２３，６０，７０…電磁開閉弁、３３…弁体、３９…ソレノイド、７１…バネ（付勢手段）。

Claims (1)

1. 上体から複数のリンク部材を複数の関節を介して連接してなる脚体を複数備えた脚式移動ロボットにおいて、各脚体の複数の関節のうちの少なくとも１つの関節を特定関節とし、該特定関節により連結された一対のリンク部材間の相対的変位運動に連動して体積が変化するように設けられた気室と、該気室とその外部との間の気体の流通を行なうべく該気室に連通して設けられた気体流通路と、該気体流通路に開閉自在に設けられた電磁開閉弁とを備え、前記ロボットの移動時の所定期間において該電磁開閉弁を閉弁させることにより前記気室を密封して、その密封状態の気室の体積変化に伴う該気室内の気体の圧縮または膨張により該気体が発生する弾性力を前記特定関節に対する補助駆動力とし、該補助駆動力を前記特定関節を駆動する関節アクチュエータの駆動力と併せて該特定関節に作用させると共に、前記所定期間以外の期間では前記電磁開閉弁を開弁させて前記気室を非密封状態にすることにより、該気室の体積変化に伴い該気室内の気体が発生する弾性力の最大値が少なくとも前記所定期間よりも小さくなるようにした脚体関節アシスト装置であって、
   前記所定期間は、前記気室と外部との圧力差が該所定期間の開始時から増加した後、その開始時の圧力差にほぼ等しい圧力差まで減少するように前記一対のリンク部材の相対的変位運動に連動して前記気室の体積が変化する期間であり、
   前記電磁開閉弁は、前記所定期間において前記圧力差が該電磁開閉弁の弁体にその閉弁方向に作用するように前記気体流通路に介装されていると共に、前記圧力差が所定値以下に減少したときに該電磁開閉弁の弁体を閉弁状態から開弁状態に作動させるべく該弁体を開弁方向に付勢する付勢手段を備え、さらに該弁体の開弁状態で該電磁開閉弁のソレノイドに通電することにより該弁体が前記付勢手段の付勢力に抗して開弁状態から閉弁状態に作動するように構成されており、
   前記所定期間のうち、その開始時から前記圧力差が前記付勢手段の付勢力に抗して前記弁体を閉弁状態に保持し得る圧力差に増加するまでの期間だけ、前記電磁開閉弁のソレノイドに通電するようにしたことを特徴とする脚式移動ロボットの脚体関節アシスト装置。

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