JP4744092B2 - 脚式移動ロボットおよびその制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、脚式移動ロボットおよびその制御装置に関し、より詳しくは、足部に屈曲自在な爪先部を備えた脚式移動ロボットとその制御装置に関する。

従来、脚式移動ロボットの足部に屈曲自在な爪先部を設けた技術が提案されている。この種の脚式移動ロボットの例として、例えば特許文献１に記載される技術を挙げることができる。特許文献１に係る技術にあっては、足部の前端に設けられた上下に回動自在な爪先部と、爪先部の屈曲角が零度（ほぼ水平）となる位置で当該爪先部の回動をロックするロック機構とを備え、脚部が着床する以前に爪先部の回動をロックすることによって着床に必要な接地面積を確保すると共に、脚部が離床する以前にロックを解除することによって蹴り出し動作時に爪先部を退避回動（屈曲）させるように構成している。
特開２００３−２３６７７７号公報（段落００１１，００１２、図２、図１０など）

しかしながら、上記した特許文献１に係る従来技術にあっては、脚部の離床時に爪先部がフリー（回動自在）の状態にあることから、離床直後に爪先部が初期位置（屈曲角が零度の位置）に復帰し、爪先部が床面に接触してロボットの姿勢が不安定になるおそれがあった。

また、例えば階段を上るときのように、支持脚後期に爪先立ちの期間が長く発生する場合、爪先部がフリーの状態にあると安定した姿勢制御を行うのが難しいという不具合があった。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決することにあり、離床直後に爪先部が床面に接触して姿勢が不安定になるのを防止すると共に、爪先立ちしているときの安定性を向上させるようにした脚式移動ロボットおよびその制御装置を提供することにある。

上記した課題を解決するために、請求項１に係る脚式移動ロボットにあっては、上体と、上端が前記上体に連結される一方、下端に、床面に接地可能な足底面を備えた足部が連結される脚部とを備え、前記脚部を駆動して移動する脚式移動ロボットにおいて、前記足部が、前記脚部に連結される足部本体と、前記足部本体の前端に設けられ、前記足部本体に対して屈曲自在な爪先部とからなり、前記爪先部の屈曲角を前記爪先部の可動範囲で保持自在な屈曲角保持機構を備え、前記爪先部が、前記足部本体に連続すると共に、撓みつつ屈曲する弾性材からなるように構成した。

また、請求項２に係る脚式移動ロボットにあっては、前記爪先部の屈曲角変化を抑制する屈曲角変化抑制機構を備えるように構成した。

また、請求項３に係る脚式移動ロボットにあっては、前記屈曲角保持機構が、摩擦ブレーキからなるように構成した。

また、請求項４に係る脚式移動ロボットにあっては、前記屈曲角変化抑制機構が、ダンパからなるように構成した。

また、請求項５に係る脚式移動ロボットにあっては、前記屈曲角保持機構および前記屈曲角変化抑制機構が、摩擦力が調節自在な摩擦ブレーキからなるように構成した。

また、請求項６に係る脚式移動ロボットにあっては、前記屈曲角保持機構および前記屈曲角変化抑制機構が、ダンパからなるように構成した。

また、請求項７に係る脚式移動ロボットの制御装置にあっては、上体と、上端が前記上体に連結される一方、下端に、床面に接地可能な足底面を備えた足部が連結される脚部とを備え、前記脚部を駆動して移動すると共に、前記足部が、前記脚部に連結される足部本体と、前記足部本体の前端に設けられ、前記足部本体に対して屈曲自在な爪先部とからなる脚式移動ロボットの制御装置において、前記爪先部の屈曲角を前記爪先部の可動範囲で保持自在な屈曲角保持機構と、前記屈曲角保持機構を動作させて前記爪先部の屈曲角の保持とその解除を制御する屈曲角制御手段とを備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記脚部の離床時と爪先立ち時のうちのいずれかに設定される第１のタイミングで前記爪先部の屈曲角を保持した後、前記脚部の離床後の前記爪先部が前記床面から離れている間のいずれかの時に設定される第２のタイミングで前記爪先部の屈曲角の保持を解除して前記爪先部を初期位置に復帰させるように構成した。

また、請求項８に係る脚式移動ロボットの制御装置にあっては、前記脚式移動ロボットの歩容を生成する歩容生成手段を備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記生成された歩容に基づいて前記第１および第２のタイミングを決定するように構成した。

また、請求項９に係る脚式移動ロボットの制御装置にあっては、前記爪先部の屈曲角を検出する屈曲角検出手段と、前記脚式移動ロボットの歩容を生成する歩容生成手段とを備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記検出された屈曲角に基づいて前記第１のタイミングを決定する一方、前記生成された歩容に基づいて前記第２のタイミングを決定するように構成した。

また、請求項１０に係る脚式移動ロボットの制御装置にあっては、前記屈曲角制御手段は、さらに、前記脚部の離床中であって前記第２のタイミングよりも後の第３のタイミングで前記爪先部の屈曲角を保持した後、前記脚部の着床後であって次回の前記第１のタイミングよりも前の第４のタイミングで前記爪先部の屈曲角の保持を解除するように構成した。

また、請求項１１に係る脚式移動ロボットの制御装置にあっては、前記脚式移動ロボットの歩容を生成する歩容生成手段を備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記生成された歩容に基づいて前記第１から第４のタイミングを決定するように構成した。

また、請求項１２に係る脚式移動ロボットの制御装置にあっては、前記爪先部の屈曲角を検出する屈曲角検出手段と、前記脚式移動ロボットの歩容を生成する歩容生成手段とを備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記検出された屈曲角に基づいて前記第１および第３のタイミングを決定する一方、前記生成された歩容に基づいて前記第２および第４のタイミングを決定するように構成した。

また、請求項１３に係る脚式移動ロボットの制御装置にあっては、前記爪先部の屈曲角変化を抑制する屈曲角変化抑制機構を備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記第２のタイミングで前記爪先部の屈曲角の保持を解除すると同時に、前記屈曲角変化抑制機構を動作させて前記屈曲角を漸減させ、前記爪先部を徐々に初期位置に復帰させるように構成した。

また、請求項１４に係る脚式移動ロボットの制御装置にあっては、前記爪先部の屈曲角変化を抑制する屈曲角変化抑制機構を備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記第４のタイミングから次回の前記第１のタイミングまでの間、前記屈曲角変化抑制機構を動作させて前記足部を通じて作用する床反力を制御するように構成した。

また、請求項１５に係る脚式移動ロボットの制御装置にあっては、前記爪先部の屈曲角変化を、その屈曲角速度に対して設定された所定の抵抗特性に従って抑制する屈曲角変化抑制機構を備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記第４のタイミングから次回の前記第１のタイミングまでの間、前記足部の位置姿勢を操作して前記屈曲角速度を調節し、よって前記屈曲角変化抑制機構が発生する抵抗の大きさを変化させて前記足部を通じて作用する床反力を制御するように構成した。

また、請求項１６に係る脚式移動ロボットの制御装置にあっては、前記爪先部の屈曲角変化を抑制する屈曲角変化抑制機構と、前記爪先部の屈曲角を検出する屈曲角検出手段と、少なくとも前記検出された屈曲角に基づいて前記脚部が接地する床の形状を推定する床形状推定手段とを備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記第４のタイミングから次回の前記第１のタイミングまでの間、少なくとも前記推定された床形状に基づいて前記屈曲角変化抑制機構を動作させ、よって前記足部を通じて作用する床反力を制御するように構成した。

請求項１に係る脚式移動ロボットにあっては、足部が、脚部に連結される足部本体と、足部本体の前端に設けられ、足部本体に対して屈曲自在な爪先部とからなり、爪先部の屈曲角をその可動範囲で保持自在な屈曲角保持機構を備え、爪先部が、足部本体に連続すると共に、撓みつつ屈曲する弾性材からなるように構成したので、脚部の離床後も離床時の屈曲角を保持し続けることができ、よって離床直後に爪先部が床面に接触して姿勢が不安定になるのを防止することができる。また、爪先立ちしているときも爪先部の屈曲角を保持する（爪先部をロックする）ことができるため、爪先立ち期間の安定性を向上させることができる。

また、請求項２に係る脚式移動ロボットにあっては、爪先部の屈曲角変化を抑制する屈曲角変化抑制機構を備えるように構成したので、上記した効果に加え、爪先部を初期位置に復帰させたときにオーバーシュートや振動が生じるのを防止することができる。

また、請求項１に係る脚式移動ロボットにあっては、上記した効果に加え、足部の構造を簡素化することができる。

また、請求項３に係る脚式移動ロボットにあっては、屈曲角保持機構が、摩擦ブレーキからなるように構成したので、上記したのと同様の効果を得ることができる。

また、請求項４に係る脚式移動ロボットにあっては、屈曲角変化抑制機構が、ダンパからなるように構成したので、上記したのと同様の効果を得ることができる。

また、請求項５に係る脚式移動ロボットにあっては、屈曲角保持機構および屈曲角変化抑制機構が、摩擦力が調節自在な摩擦ブレーキからなるように構成したので、上記した効果に加え、足部の構造をより簡素化することができる。

また、請求項６に係る脚式移動ロボットにあっては、屈曲角保持機構および屈曲角変化抑制機構が、ダンパからなるように構成したので、上記した効果に加え、足部の構造をより簡素化することができる。

また、請求項７に係る脚式移動ロボットの制御装置にあっては、爪先部の屈曲角をその可動範囲で保持自在な屈曲角保持機構と、屈曲角保持機構を動作させて爪先部の屈曲角の保持とその解除を制御する屈曲角制御手段を備えると共に、屈曲角制御手段は、脚部の離床時と爪先立ち時のうちのいずれかに設定される第１のタイミングで爪先部の屈曲角を保持した後、脚部が離床した後の爪先部が床面から離れている間のいずれかの時に設定される第２のタイミングでその保持を解除して爪先部を初期位置に復帰させるように構成したので、脚部の離床後も離床時の屈曲角を保持し続けることができ、よって離床直後に爪先部が床面に接触して姿勢が不安定になるのを防止することができる。また、前記第１のタイミングを離床時よりも前のタイミングに設定することで、爪先立ちしているときも爪先部の屈曲角を保持する（爪先部をロックする）ことができるため、爪先立ち期間の安定性を向上させることができる。

また、請求項８に係る脚式移動ロボットの制御装置にあっては、脚式移動ロボットの歩容を生成する歩容生成手段を備えると共に、屈曲角制御手段は、生成された歩容に基づいて第１および第２のタイミングを決定するように構成したので、上記した効果に加え、爪先部の屈曲角の保持およびその解除を適切なタイミングで実行することができる。

また、請求項９に係る脚式移動ロボットの制御装置にあっては、爪先部の屈曲角を検出する屈曲角検出手段と、脚式移動ロボットの歩容を生成する歩容生成手段とを備えると共に、屈曲角制御手段は、検出された屈曲角に基づいて第１のタイミングを決定する一方、生成された歩容に基づいて第２のタイミングを決定するように構成したので、上記した効果に加え、爪先部の屈曲角の保持およびその解除をより適切なタイミングで実行することができる。

また、請求項１０に係る脚式移動ロボットの制御装置にあっては、屈曲角制御手段は、さらに、脚部の離床中であって第２のタイミングよりも後の第３のタイミングで爪先部の屈曲角を保持した後、脚部の着床後であって次回の第１のタイミングよりも前の第４のタイミングでその保持を解除するように構成したので、上記した効果に加え、脚部の着床時に十分な接地面積を確保することができる。

また、請求項１１に係る脚式移動ロボットの制御装置にあっては、脚式移動ロボットの歩容を生成する歩容生成手段を備えると共に、屈曲角制御手段は、生成された歩容に基づいて第１から第４のタイミングを決定するように構成したので、上記した効果に加え、爪先部の屈曲角の保持およびその解除を適切なタイミングで実行することができる。

また、請求項１２に係る脚式移動ロボットの制御装置にあっては、爪先部の屈曲角を検出する屈曲角検出手段と、脚式移動ロボットの歩容を生成する歩容生成手段とを備えると共に、屈曲角制御手段は、検出された屈曲角に基づいて第１および第３のタイミングを決定する一方、生成された歩容に基づいて前記第２および第４のタイミングを決定するように構成したので、上記した効果に加え、爪先部の屈曲角の保持およびその解除をより適切なタイミングで実行することができる。

また、請求項１３に係る脚式移動ロボットの制御装置にあっては、爪先部の屈曲角変化を抑制する屈曲角変化抑制機構を備えると共に、屈曲角制御手段は、第２のタイミングで爪先部の屈曲角の保持を解除すると同時に、屈曲角変化抑制機構を動作させて屈曲角を漸減させ、爪先部を徐々に初期位置に復帰させるように構成したので、上記した効果に加え、爪先部を初期位置に復帰させたときにオーバーシュートや振動が生じるのを防止することができる。

また、請求項１４に係る脚式移動ロボットの制御装置にあっては、爪先部の屈曲角変化を抑制する屈曲角変化抑制機構を備えると共に、屈曲角制御手段は、第４のタイミングから次回の第１のタイミングまでの間、屈曲角変化抑制機構を動作させて足部を通じて作用する床反力を制御するように構成したので、上記した効果に加え、爪先立ち期間の安定性をより向上させることができる。

また、請求項１５に係る脚式移動ロボットの制御装置にあっては、爪先部の屈曲角変化を、その屈曲角速度に対して設定された所定の抵抗特性に従って抑制する屈曲角変化抑制機構を備えると共に、屈曲角制御手段は、第４のタイミングから次回の第１のタイミングまでの間、足部の位置姿勢を操作して屈曲角速度を調節し、よって屈曲角変化抑制機構が発生する抵抗の大きさを変化させて足部を通じて作用する床反力を制御するように構成したので、上記した効果に加え、爪先立ち期間の安定性をより向上させることができる。

また、請求項１６に係る脚式移動ロボットの制御装置にあっては、爪先部の屈曲角変化を抑制する屈曲角変化抑制機構と、爪先部の屈曲角を検出する屈曲角検出手段と、少なくとも検出された屈曲角に基づいて脚部が接地する床の形状を推定する床形状推定手段とを備えると共に、屈曲角制御手段は、第４のタイミングから次回の第１のタイミングまでの間、少なくとも推定された床形状に基づいて屈曲角変化抑制機構を動作させ、よって足部を通じて作用する床反力を制御するように構成したので、上記した効果に加え、爪先立ち期間の安定性をより一層向上させることができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係る脚式移動ロボットおよびその制御装置を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、この実施例に係る脚式移動ロボットを示す概略図である。

図示の如く、脚式移動ロボット１（以下「ロボット」という）は、左右の脚部（脚部リンク）２Ｒ，２Ｌ（前進方向右側をＲ、左側をＬとする。以下同じ）を備える２足歩行ロボットである。左右それぞれの脚部２Ｒ（Ｌ）には、６個の回転軸（自由度）が設けられる。６個の回転軸は上から順に、股（腰部）の脚部回旋用（Ｚ軸回り）の回転軸１０Ｒ，１０Ｌ、股のロール軸回り（Ｘ軸回り）の回転軸１２Ｒ，１２Ｌ、股のピッチ軸回り（Ｙ軸回り）の回転軸１４Ｒ，１４Ｌ、膝部のピッチ軸回りの回転軸１６Ｒ，１６Ｌ、足首のピッチ軸回りの回転軸１８Ｒ，１８Ｌ、同ロール軸回りの回転軸２０Ｒ，２０Ｌから構成される。

脚部２Ｒ（Ｌ）の下端には足部（足平）２２Ｒ，２２Ｌが連結される。また、脚部２Ｒ（Ｌ）の上端には上体２４が連結される。上体２４の内部には、マイクロコンピュータからなる制御ユニット２６などが格納される。上記において股関節（あるいは腰関節）は回転軸１０Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）から、膝関節は回転軸１６Ｒ（Ｌ）から、足首関節は回転軸１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）から構成される。また股関節と膝関節とは大腿リンク２８Ｒ，２８Ｌ、膝関節と足首関節とは下腿リンク３０Ｒ，３０Ｌで連結される。

このように、ロボット１の脚部２Ｒ（Ｌ）には６＊２＝１２個の回転軸が与えられる。そして、各回転軸を電動モータ（図示せず）で適宜な角度に駆動することにより、脚部全体に所望の動きを与えることができ、よってロボット１を任意に歩行させることができる。尚、ロボット１は、上体２４に腕部や頭部を備えるが、それらは本願の特徴と直接の関係を有しないため、図示および説明を省略する。

足首関節の下方には公知の６軸力センサ３４Ｒ，３４Ｌが取着され、力の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚとモーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとを測定し、足部２２Ｒ（Ｌ）の接地の有無および足部２２Ｒ（Ｌ）を通じてロボット１に作用する床反力（接地荷重）などを検出する。また、上体２４には傾斜センサ３６が設置され、Ｚ軸（鉛直方向（重力方向））に対する傾きとその角速度を検出する。また、各回転軸を駆動する電動モータには、その回転量を検出するロータリエンコーダが隣接して配置される。

さらに、足部２２Ｒ（Ｌ）の接地端と６軸力センサ３４Ｒ（Ｌ）の間には、バネ機構体３８Ｒ，３８Ｌが配置されると共に、足底には弾性体からなる（具体的にはゴム製の）ソール４０Ｒ，４０Ｌが貼られてコンプライアンス機構４２Ｒ，４２Ｌを構成する。

図２から図５は、足部２２の拡大断面図である。尚、左右の足部２２Ｒ（Ｌ）は左右対称であるため、図２以降の説明ではＲ，Ｌを付すのを省略する。

図２に示すように、ソール４０は上下に重ねて配置された２枚のゴム材（床に接するソールを符号４０ａで示す、その上部に配置されたソールを符号４０ｂで示す）からなり、その上部には足部プレート４６が配置される。足部プレート４６は、弾性変形自在な金属材料から形成される。即ち、足部２２の足底は、弾性変形自在に構成される。

足部プレート４６の上部には、前記したバネ機構体３８が配置される。バネ機構体３８は、高剛性の金属材料から形成されたバネ機構体フレーム３８１と、バネ機構体フレーム３８１によって規定される空間内に収容された複数個のゴムブッシュ（弾性体）３８２と、ゴムブッシュ３８２の上面に取り付けられたバネ機構体プレート３８３とからなる。

バネ機構体プレート３８３は、バネ機構体フレーム３８１と同様に高剛性の金属材料から形成される。また、バネ機構体プレート３８３の上部には６軸力センサ３４が取り付けられると共に、６軸力センサ３４の上部には足首関節１８，２０を介して脚部２の下腿リンク３０が連結される。

ロボット１が床反力を受けると、コンプライアンス機構４２においてバネ機構体３８とソール４０ａ，４０ｂが撓み、足部２２の位置姿勢が変化する。この構造は、着床時の衝撃を緩和するためだけでなく、制御性を高めるためにも重要なものである。尚、その詳細は本出願人が先に提案した特開平５−３０５５８４号に記載されているので、ここでの説明は省略する。

また、足部２２は、ダンパ５０を備える。ダンパ５０は、流体（例えばオイル）が封入されたシリンダ５０ａと、シリンダ５０ａの内部に摺動自在に配置されたピストン５０ｂと、ピストン５０ｂを挟んで対峙するシリンダ５０ａ内の空間同士を連通する連通路５０ｃと、連通路５０ｃの途中に設けられたオリフィス５０ｄと、オリフィス５０ｄの開口面積を零および所定値（零以外）のいずれかに調節する（換言すれば、オリフィス５０ｄを閉鎖あるいは開口させる）電磁ソレノイド５０ｅと、ピストン５０ｂに接続されたピストンロッド５０ｆとから構成される。即ち、ダンパ５０は、オリフィス５０ｄを通過する流体の流動抵抗を利用するものである。尚、図２は、オリフィス５０ｄの開口面積が所定値に調節された状態を示す。また、電磁ソレノイド５０ｅは、通電されているときにオリフィス５０ｄの開口面積を所定値に調節し、非通電のときに零に調節する。

ダンパ５０の一端（シリンダボトム）は、バネ機構体フレーム３８１の前端（進行方向における前端）にピッチ軸回りに回動自在に接続される。一方、ダンパ５０の他端（ロッドヘッド）は、足部プレート４６の前端にピッチ軸回りに回動自在に接続される。

ここで、オリフィス５０ｄの開口面積が所定値に調節されているとき（即ち、シリンダ５０ａの内部をピストン５０ｂが移動自在であってダンパ５０の伸縮が可能であるとき）に足部２２のかかとが床面から離床すると、図３に示すように、弾性変形自在な足部２２の中、高剛性部材からなるバネ機構体フレーム３８１が取り付けられた部位よりも前の部位が撓みつつ屈曲する。以下、足部２２において、この屈曲する部位を「爪先部」といい、符号２２ｔで示す。また、足部２２において爪先部２２ｔ以外の残余の部位を「足部本体」といい、符号２２ｍで示す。

このように、足部２２は、バネ機構体３８などを介して脚部２に連結された足部本体２２ｍと、その前端に設けられた爪先部２２ｔとからなる。また、爪先部２２ｔは、足部本体２２ｍに連続する弾性体からなり、足部本体２２ｍに対して屈曲自在とされる。

一方、図４に示すように、爪先部２２ｔが屈曲しているときにオリフィス５０ｄの開口面積を零に調節すると、ピストン５０ｂの移動（ダンパ５０の伸縮）が不可となってそのときの爪先部２２ｔの屈曲角（図４にθｔで示す）が保持される。また、ロボット１が爪先立ちの状態にないときにオリフィス５０ｄの開口面積を所定値に戻してピストン５０ｂの移動を可能とすると、ソール４０ａ，４０ｂおよび足部プレート４６の復元力によって爪先部２２ｔが初期位置（屈曲角が零度の位置）に復帰する。さらに、図５に示すように、爪先部２２ｔが屈曲していないときにオリフィス５０ｄの開口面積を零に調節することで、爪先部２２ｔを初期位置に保持することも可能である。

即ち、ダンパ５０の一端を足部本体２２ｍ側に接続し、他端を爪先部２２ｔ側に接続すると共に、ダンパ５０の絞り量を調節してその伸縮を禁止する、具体的には、ダンパ５０に設けられた電磁ソレノイド５０ｅを駆動してオリフィス５０ｄの開口面積を零に調節することで、爪先部２２ｔの屈曲角をそのときの角度のまま保持するようにした。換言すれば、足部本体２２ｍと爪先部２２ｔの間にダンパ５０を設け、そのオリフィス５０ｄの開口面積を零から所定値の間で調整自在に構成することで、爪先部２２ｔの屈曲角を、爪先部２２ｔの可動範囲の全域で保持自在とした。別言すれば、爪先部２２ｔの屈曲角を、爪先部２２ｔの可動範囲の中の任意の角度（さらに別言すれば、可動範囲において連続する全ての角度）に保持できるようにした。

また、ダンパ５０は、前述したようにオリフィス５０ｄを通過する流体の流動抵抗を利用するものである。従って、爪先部２２ｔの屈曲角が保持されていないときも、屈曲角の増減の抵抗となり、その変化が抑制される。

即ち、ダンパ５０は、爪先部２２ｔの屈曲角をその可動範囲で保持自在な機構（以下「屈曲角保持機構」という）として機能すると同時に、屈曲角変化を抑制する機構（以下「屈曲角変化抑制機構」という）としても機能する。

このように、足部２２は、脚部２に連結される足部本体２２ｍと、足部本体２２ｍの前端に設けられ、足部本体２２に対して屈曲自在な爪先部２２ｔとからなると共に、爪先部２２ｔの屈曲角をその可動範囲で保持自在な屈曲角保持機構ならびに屈曲角変化を抑制する屈曲角変化抑制機構として、ダンパ５０を備えるようにした。

図６は制御ユニット２６の詳細を示すブロック図である。６軸力センサ３４Ｒ（Ｌ）や傾斜センサ３６などの出力は、制御ユニット２６においてＡ／Ｄ変換器６０でデジタル値に変換された後、バス６２を介してＲＡＭ６４に入力される。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６６を介してＲＡＭ６４に入力される。

制御ユニット２６の内部にはＣＰＵからなる第１、第２の演算装置７０，７２が設けられており、第１の演算装置７０は後述の如く、ＲＯＭ７４に格納されている歩容に基づいて各回転軸や爪先部の変位指令を算出し、ＲＡＭ６４に送出する。また、第２の演算装置７２はＲＡＭ６４からその指令と検出された実測値とを読み出し、各回転軸の駆動や爪先部の屈曲角の調節に必要な制御値を算出してＤ／Ａ変換器７６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。さらに、制御ユニット２６には、有線あるいは無線でジョイスティック８０が接続され、ロボット１に対して直進や旋回などの歩容に対する要求を外部から入力できるように構成される。

次いで、この実施例に係る脚式移動ロボットの制御装置について詳説する。この実施例に係る制御装置は、概説すると、本出願人が先に提案した特開平１０−２７７９６９号公報に記載される技術（足部の姿勢傾きを操作してロボットに作用する床反力を適切に制御する技術。以下「複合コンプライアンス制御」という）に、上記した屈曲自在な爪先部に関連する制御を追加したものである。

尚、以下の説明で使用する用語の意味は、上記特開平１０−２７７９６９号公報（およびその中で引用した文献）での定義に従うものとする。また、以下の説明において、本願の特徴部以外の構成についてはその動作の概要のみを説明するが、具体的には、先に提案した上記文献に詳説される条件や数式などに従って行われる。

図７は、この実施例に係る脚式移動ロボットの制御装置の構成および動作を機能的に示すブロック図である。

図７に示す如く、制御装置は歩容生成器１００を備え、歩容生成器１００は目標歩容を生成して出力する。目標歩容は、目標運動パターンと目標床反力パターン、より具体的には目標上体位置姿勢軌道、目標足部位置姿勢軌道、目標全床反力中心点（目標ＺＭＰ）軌道および目標全床反力軌道（あるいはパターン）からなる。

歩容生成器１００が出力する目標全床反力は、目標運動パターンに対して動力学的に平衡する全床反力である。従って、目標全床反力中心点は、目標ＺＭＰに一致する。

目標床反力分配器１０２は、上記した目標全床反力中心点（目標ＺＭＰ）と目標足部位置姿勢を主な入力とし、目標各足部床反力中心点を決定して出力する。実際には、歩容生成器１００から歩容のパラメータ（例えば、両脚支持期の時間や遊脚足部の目標着地位置など）や、歩容の時期・時刻（例えば、現在時刻が両脚支持期の初めから０．１[sec]であるなど）などの情報も必要に応じて取り込む。

また、目標床反力分配器１０２は、目標各足部床反力も決定して出力する。目標各足部床反力は、コンプライアンス機構４２の撓み補償のために必要である。

姿勢安定化制御演算部１０４は、センサ情報に基づいてロボット１の状態を推定し、補償全床反力を算出する。

また、実各足部床反力検出器１０８は、６軸力センサ３４の出力に従って実各足部床反力（その合力が実全床反力）を検出する。さらに、関節のエンコーダによって検出される実変位（および／または変位指令）に基づき、上体２４に固定された座標系に対する各足部２２Ｒ（Ｌ）の相対位置姿勢を算出し、それによって６軸力センサ３４の検出値を座標変換し、上体に固定された座標系で表現された実各足部床反力を算出した後、支持脚座標系に変換する。

ロボット幾何学モデル（逆キネマティクス演算部）１１０は、上体位置姿勢と足部位置姿勢を入力されると、それらを満足する各関節変位を算出する。ここでは逆キネマティクスの解の式を直接的に求めておき、式に上体位置姿勢と足部位置姿勢を代入するだけで各関節変位を得るようにした。即ち、ロボット幾何学モデル１１０は、目標上体位置姿勢と後述する複合コンプライアンス動作決定部で修正された修正目標足部位置姿勢軌道（機構変形補償付き修正目標足部位置姿勢軌道）を入力し、それらから１２個の回転軸（１０Ｒ（Ｌ）など）の変位指令（値）を算出する。

変位コントローラ１１２（前記した第２の演算装置７２に同じ）は、ロボット幾何学モデル（逆キネマティクス演算部）１１０で算出された関節変位指令（値）を目標値としてロボット１の１２個の回転軸の変位を追従制御する。

また、複合コンプライアンス動作決定部１１４は、目標全床反力と補償全床反力の合力に実全床反力を一致させるように、目標足部位置姿勢軌道を修正する。尚、上記した「全床反力」や「足部床反力」は、具体的には作用点とそこにかかる力と力のモーメントによって表現され、実際の演算には、下記の如くその力成分やモーメント成分が使用される。

上記を前提とし、図８フロー・チャート（構造化フロー・チャート）を参照してこの装置の動作を説明する。尚、図の左端に該当する処理を行う図７ブロック図の構成要素を示す。

先ずＳ１０において装置を初期化し、Ｓ１２を経てＳ１４に進み、タイマ割り込みを待機する。タイマ割り込みは５０[msec]ごとになされる。即ち、この装置の制御周期は５０[msec]である。

続いてＳ１６に進んで歩容の切り変わり目、具体的には支持脚の切り変わり目か否か判断し、否定されるときはＳ２２に進むと共に、肯定されるときはＳ１８に進んでタイマｔをイニシャライズし、Ｓ２０に進んで目標歩容パラメータを設定する。前記の如く、歩容パラメータは、運動パラメータと床反力パラメータ（ＺＭＰ軌道パラメータ）から構成される。

続いてＳ２２に進み、目標歩容の瞬時値を決定する。ここで『瞬時値』は制御周期ごとの値を意味し、目標歩容瞬時値は、目標上体位置姿勢、目標各足部位置姿勢、および目標ＺＭＰ位置から構成される。尚、ここで『姿勢』とは、Ｘ，Ｙ，Ｚ空間における『向き』を意味する。

続いてＳ２４に進んで目標各足部床反力中心点を求め、さらにＳ２６に進んで目標各足部床反力を求める。

続いてＳ２８に進み、前記した傾斜センサ３６などの出力から上体２４の傾斜などロボット１の状態を検出する。

続いてＳ３０に進み、ロボット１の状態などから姿勢を安定化するための（目標全床反力中心点（目標ＺＭＰ）回りの）補償全床反力モーメントＭｄｍｄｘ，Ｍｄｍｄｙを求める。

続いてＳ３２に進んで実各足部床反力を検出する。これは前記の如く、６軸力センサ３４の出力から検出する。

続いてＳ３４に進み、両脚補償角θｄｂｖおよび各足部補償角θｎｘ（ｙ）を決定する。これは、前記した複合コンプライアンス動作決定部１１４が行う作業である。

尚、この明細書で「ｎ」とは脚部の通し番号（ｎ：１または２）であり、ある歩容の期間に床面に接触したままの脚部を「１」、もう一方を「２」と表現する。

図９は複合コンプライアンス動作決定部１１４の演算処理を示すブロック図であり、同図を参照してその処理を説明する。

補償全床反力モーメント分配器１１４ａは、補償全床反力モーメントＭｄｍｄを、両脚補償モーメントＭｄｍｄｄｂ、各足部補償モーメントＭｄｍｄ１ｘ，Ｍｄｍｄ１ｙ，Ｍｄｍｄ２ｘ，Ｍｄｍｄ２ｙに分配する。両脚補償モーメントＭｄｍｄｄｂ（そのＶ方向回りの成分をＭｄｍｄｄｂｖと記述する）は、両脚補償角（足部上下量）θｄｂｖを操作することによって目標全床反力中心点（目標ＺＭＰ）回りに各足部床反力の力成分が作るモーメントの目標値である。尚、上記で「Ｖ」とは、目標各足部床反力中心点を含み、かつ水平面と垂直な平面の法線ベクトルであり、その大きさは１とする。

分配は、具体的には、図１０に示すブロック図に従って行われる。図１０において、Ｗｄｂｘ，Ｗｄｂｙ，Ｗ１ｘ，Ｗ１ｙ，Ｗ２ｘ，Ｗ２ｙおよびＷｄｂｉｎｔは分配用重み変数である。ＶｘはベクトルＶのＸ成分の値、ＶｙはベクトルＶのＹ成分の値である。この中で、Ｗｄｂｉｎｔは、両脚補償角を操作することによって発生した全床反力モーメントを、各足部補償角を操作することによって打ち消すためのものである。

図９の説明に戻ると、次に、実各足部床反力と分配された補償全床反力モーメントなどから、両脚補償角決定部１１４ｂおよび第ｎ足部Ｘ（Ｙ）補償角決定部１１４ｃ，１１４ｄ，１１４ｅ，１１４ｆにおいて前述の補償角θｄｂｖおよびθｎｘ（ｙ）を決定する。

図１１は、両脚補償角決定部１１４ｂの演算処理のブロック図であり、両脚補償角θｄｂｖは図示の如く演算される。

図１１を参照して説明すると、目標第１足部床反力中心点Ｑ１に作用する実床反力の力成分Ｆ１ａｃｔと目標第２足部床反力中心点Ｑ２に作用する実床反力の力成分Ｆ２ａｃｔに基づき、目標全床反力中心点Ｐの回りに発生させるモーメントＭｆ１ｆ２ａｃｔを求める。

次に、Ｍｆ１ｆ２ａｃｔのベクトルＶ方向成分Ｍｆ１ｆ２ａｃｔｖを抽出する。次に、Ｍｆ１ｆ２ａｃｔｖをローパスフィルタ１１４ｉに通し、Ｍｆ１ｆ２ａｃｔｖｆｉｌｔを得る。

次に、両脚補償モーメントＶ方向成分Ｍｄｍｄｄｂｖを補償フィルタ１１４ｊに通し、それを、Ｍｆ１ｆ２ａｃｔｖｆｉｌｔから減じ、偏差モーメントＶ方向成分Ｍｄｉｆｆｖを得る。

尚、補償フィルタ１１４ｊは、両脚補償モーメントＶ方向成分Ｍｄｍｄｄｂｖから実全床反力モーメントまでの伝達関数の周波数応答特性を改善するものである。

次に、コンプライアンス機構４２の変形による両脚補償モーメントＶ方向成分Ｍｄｍｄｄｂｖへの影響を打ち消すための両脚機構変形補償角θｆｆｄｂｖを求める。これは、いわゆるフィードフォワード補償である。

最後に、偏差モーメントＶ方向成分Ｍｄｉｆｆｖと制御ゲインＫｄｂの積に両脚機構変形補償角θｆｆｄｂｖを加算して両脚補償角θｄｂｖを得る。

次いで、第ｎ足部補償角決定部について説明する。図１２はその中の第１足部Ｘ補償角決定部１１４ｃの演算処理を示すブロック図であり、第１足部Ｘ補償角決定部１１４ｃは第１足部Ｘ補償角θ１ｘを図示の如く演算する。説明は省略するが、第１足部Ｙ補償角θ１ｙ、第２足部Ｘ補償角θ２ｘ、第２足部Ｙ補償角θ２ｙも同様に求める。ここでは第１足部Ｘ補償角θ１ｘを求めるアルゴリズムだけを説明する。

実第１足部床反力モーメントＸ成分Ｍ１ａｃｔｘをローパスフィルタ１１４ｋに通してＭ１ａｃｔｆｉｌｔｘを得る。第１足部補償モーメントＸ成分Ｍｄｍｄ１ｘを補償フィルタ１１４ｍに通し、それを、Ｍ１ａｃｔｆｉｌｔｘから減じ、偏差モーメントＭｄｉｆｆ１ｘを得る。両脚補償角決定と同様、補償フィルタ１１４ｍは、Ｍｄｍｄ１ｘから実全床反力までの伝達関数の周波数応答特性を改善するものである。

次に、両脚補償角決定と同様、コンプライアンス機構４２の変形による第１足部補償モーメントＸ成分への影響を打ち消すための第１足部Ｘ機構変形補償角θｆｆ１ｘを求める。これは、いわゆるフィードフォワード補償である。

最後に、偏差モーメントＭｄｉｆｆ１ｘと制御ゲインＫ１ｘの積に第１足部Ｘ機構変形補償角θｆｆ１ｘを加算して第１足部Ｘ補償角θ１ｘを得る。

図９の説明に戻ると、次に、修正目標足部位置姿勢算出部１１４ｇは、両脚補償角θｄｂｖ、第１足部Ｘ補償角θ１ｘ、第１足部Ｙ補償角θ１ｙ、第２足部Ｘ補償角θ２ｘ、第２足部Ｙ補償角θ２ｙに基づいて目標足部位置姿勢を修正し、修正目標足部位置姿勢を得る。

機構変形量算出部１１４ｈは、目標各足部床反力によって発生が予想されるコンプライアンス機構４２の変形量を求める。

機構変形補償付き修正目標足部位置姿勢算出部１１４ｎは、算出された機構変形量を打ち消すように、修正目標足部位置姿勢をさらに修正し、機構変形補償付き修正目標足部位置姿勢を得る。

上記を前提として図８フロー・チャートの説明に戻ると、前記の如く、Ｓ３４において上記した補償角を決定する。

次いでＳ３６に進み、目標各足部床反力に基づいて機構変形補償量を算出し、Ｓ３８に進んで目標足部位置姿勢を補償角θｄｂｖ，θｎｘ（ｙ）に応じて修正し、さらにこれを機構変形補償量に応じて修正し、機構変形補償付き修正目標足部位置姿勢を得る。

次いでＳ４０に進み、上体位置姿勢と機構変形補償入り修正足部位置姿勢から関節変位指令（値）を算出し、Ｓ４２に進んで実関節変位を算出された関節変位指令（値）に追従させるようサーボ制御し、Ｓ４４に進んで時刻をΔｔだけ更新し、Ｓ１４に戻って上記の処理を繰り返す。

次いで、図１３から図１５を参照し、この実施例に係る脚式移動ロボットの制御装置の動作の中、爪先部２２ｔの屈曲角の保持およびその解除動作について説明する。

図１３は、ダンパ５０の絞り量制御の処理を示すブロック図である。

図示の如く、制御装置はセレクトスイッチ１１８を備える。セレクトスイッチ１１８には、「ＣＬＯＳＥ」および「ＯＰＥＮ」の２種からなるダンパ５０の制御モードに対応したＲｄ_ｃｌｏｓｅ（オリフィス５０ｄの閉鎖指令。即ち、屈曲角の保持指令）およびＲｄ_ｏｐｅｎ（オリフィス５０ｄの開口指令。即ち、屈曲角保持の解除指令）の２つの信号が入力される。そして、そのうちのいずれかを後述する所定のタイミングで選択し、ダンパ絞り量指令Ｒ_ｄ（具体的には、電磁ソレノイド５０ｅへの通電指令値）としてダンパ５０に出力する。

図１４は、ロボット１が平地を移動するときのダンパ５０の制御モードなどの遷移を示すタイム・チャートである。尚、図１４において目標足部姿勢角とは、足部２２が水平であるときに零、足部２２の前端が後端よりも下方に位置するときに正値、足部２２の前端が後端よりも上方に位置するときに負値を示す。従って、例えば脚部２が着床しており、かつ目標足部姿勢角が正値であるときは、ロボット１が爪先立ちしていることを示す。また、目標足部床反力並進力鉛直成分とは、目標とする床反力の並進成分の中、Ｚ軸方向の力成分を意味する。

図１４タイム・チャートについて概説すると、脚部２の離床時たる第１のタイミングｔ１から離床後の第２のタイミングｔ２までは「ＣＬＯＳＥ」が選択され、第２のタイミングｔ２から脚部２が着床する前の第３のタイミングｔ３までは「ＯＰＥＮ」が選択される。また、第３のタイミングｔ３から脚部２が着床して爪先立ちが開始される第４のタイミングｔ４までは再度「ＣＬＯＳＥ」が選択され、第４のタイミングｔ４から次回の第１のタイミングｔ１までは「ＯＰＥＮ」が選択される。

即ち、脚部２の離床時たる第１のタイミングｔ１で爪先部２２ｔの屈曲角を保持した後、脚部２が離床した後の第２のタイミングｔ２で屈曲角の保持を解除する。さらに、第２のタイミングｔ２よりも時間的に後で、かつ脚部２の着床前の第３のタイミングｔ３で爪先部２２ｔの屈曲角を再度保持し、脚部２の着床後であって次回の第１のタイミングｔ１よりも時間的に前の第４のタイミングｔ４でその保持を解除する。

以下具体的に説明すると、爪先立ちが開始される第４のタイミングｔ４から離床時たる第１のタイミングｔ１までの間（即ち、爪先立ちの期間）、屈曲角の保持を解除して爪先部２２ｔを屈曲自在とすることで、足部姿勢角の変化に応じて爪先部２２ｔを屈曲させ、よって蹴り出しに必要な接地面積を確保する。

次いで、離床する瞬間の屈曲角を、離床した後の第２のタイミングｔ２まで（具体的には、爪先部２２ｔが床面から十分に離れるまで）保持し続ける。

そして、第２のタイミングｔ２で屈曲角の保持を解除することにより、爪先部２２ｔを初期位置に復帰させる。このとき、ダンパ５０の流動抵抗によって爪先部２２ｔの屈曲角は漸減し、初期位置に徐々に復帰する。

さらに、離床中であって前記第２のタイミングｔ２よりも時間的に後の第３のタイミングｔ３（より詳しくは、爪先部２２ｔが初期位置に復帰した後のタイミング）から爪先立ちが開始する第４のタイミングｔ４（換言すれば、足部２２のべた接地終了時）まで爪先部２２ｔの屈曲角を保持し、爪先部２２ｔを初期位置にロックすることにより、着床時およびべた接地時の接地面積を最大限に確保する。

尚、上記した第１のタイミングｔ１から第４のタイミングｔ４は、いずれも歩容生成器１００が出力するロボット１の目標歩容に基づいて決定される。

図１５は、ロボット１が階段を上るときのダンパ５０の制御モードなどの遷移を示すタイム・チャートである。

一般に、階段を上るときは支持脚後期に爪先立ちの期間が長く発生する。上述したコンプライアンス制御は、足部の姿勢傾きを操作してロボットに作用する床反力を適切に制御する技術であることから、爪先部２２ｔが屈曲自在な期間が長くなると制御性の低下を招くおそれがある。そこで、図１５に示すように、階段を上るときは、爪先部２２ｔの屈曲角を保持する第１のタイミングｔ１を、脚部２の離床時よりも時間的に前のタイミングに設定するようにした。

具体的には、図示の如く、爪先立ち期間の後半は目標足部姿勢角を一定にすると共に、爪先部２２ｔの屈曲角を保持するようにした。これにより、上述したコンプライアンス制御が爪先立ち期間の後半に有効に働くようになり、姿勢を安定化することができる。

このように、第１実施例に係るロボット１にあっては、爪先部２２ｔの屈曲角をその可動範囲で保持自在な屈曲角保持機構としてダンパ５０を備えると共に、脚部２の離床時あるいはそれよりも時間的に前の第１のタイミングｔ１から脚部２が離床した後の第２のタイミングｔ２までの間、爪先部２２ｔの屈曲角を保持するようにしたので、脚部２の離床後も離床時の屈曲角を保持し続けることができ、よって離床直後に爪先部２２ｔが床面に接触してロボット１の姿勢が不安定になるのを防止することができる。さらに、屈曲角の保持を開始する第１のタイミングｔ１を離床時よりも前のタイミングに設定することで、爪先立ちしているときも爪先部２２ｔの屈曲角を保持する（爪先部２２ｔをロックする）ことができるため、爪先立ちしているときの安定性を向上させることができる。

さらに、脚部２離床中であって前記第２のタイミングｔ２よりも後の第３のタイミングｔ３から爪先立ちが開始する第４のタイミングｔ４まで、爪先部２２ｔの屈曲角を保持して爪先部２２ｔを初期位置にロックするようにしたので、着床時およびべた接地時の接地面積を最大限に確保することができる。

また、ダンパ５０が爪先部２２ｔの屈曲角変化を抑制する屈曲角変化抑制機構としても機能することから、爪先部２２ｔが初期位置に復帰する際にオーバーシュートや振動が発生するのを防止することができる。

また、爪先部２２ｔが、足部本体２２ｍに連続すると共に、撓みつつ屈曲する弾性材からなるようにしたので、足部２２の構造を簡素化することができる。

次いで、図１６および図１７を参照し、この発明の第２実施例に係る脚式移動ロボットおよびその制御装置について説明する。

図１６および図１７は、第２実施例に係る脚式移動ロボットの足部を示す拡大断面図である。

以下、第１実施例との相違点に焦点をおいて説明すると、第２実施例に係る足部２２２にあっては、図１６および図１７に示すように、足部本体２２２ｍと爪先部２２２ｔを分割し、ピッチ軸回りに回転自在な回転軸２２２ａを介してそれらを連結するようにした。即ち、回転軸２２２ａを回動させることにより、爪先部２２２ｔを足部本体２２２ｍに対して屈曲させるようにした。

また、回転軸２２２ａを介して足部本体２２２ｍと爪先部２２２ｔを連結するようにしたので、第１実施例のように足部に弾性を与える必要がない。このため、足部本体２２２ｍ側の足部プレート４６ｍを、バネ機構体フレーム３８１と一体的に高剛性の金属材料から形成するようにした。同様に、爪先部２２２ｔ側の足部プレート４６ｔも、高剛性の金属材料から形成される。

一方、足部が弾性を備えないことから、爪先部２２２ｔを初期位置に復帰させる方向に付勢する復元バネ２２２ｂを設け、爪先部２２２ｔの初期位置への復帰をアシストするようにした。復元バネ２２２ｂは、具体的には圧縮コイルバネであり、ピストンロッド５０ｆのロッドヘッドに設けられたフランジ２２２ｃとシリンダ５０ａの間に介挿される。

尚、残余の構成は第１実施例と同様であるので、説明を省略する。

このように、第２実施例にあっては、爪先部２２２ｔと足部本体２２２ｍを分割すると共に、回転軸２２２ａを介してそれらを連結するようにしたので、第１実施例と同様の効果を得ることができる。また、回転軸２２２ａを回動させることによって爪先部２２２ｔを屈曲させるようにしたことから、その屈曲角の多寡に関わらず爪先立ち期間の接地面積を一定に保つことができる。さらに、復元バネ２２２ｂを設けることで、爪先部２２２ｔの初期位置への復帰を迅速に行うことができる。

次いで、図１８から図２１を参照し、この発明の第３実施例に係る脚式移動ロボットおよびその制御装置について説明する。

図１８および図１９は、第３実施例に係る脚式移動ロボットの足部を示す模式図である。

第１実施例との相違点に焦点をおいて説明すると、第３実施例に係る足部２２３にあっては、爪先部２２３ｔの屈曲角をその可動範囲で保持自在な屈曲角保持機構として摩擦ブレーキ６０を備えると共に、屈曲角変化を抑制する屈曲角抑制機構としてダンパ５００を備えるようにした。

摩擦ブレーキ６０は、爪先部２２３ｔの前端にピッチ軸回りに回動自在に取り付けられたシャフト６０ａと、足部本体２２３ｍの適宜位置にピッチ軸回りに回動自在に取り付けられた把持機構６０ｂとからなる。シャフト６０ａは、把持機構６０ｂの内部に移動自在に挿通される。把持機構６０ｂは、図示しない油圧発生ユニットから油圧を供給されると、シャフト６０ａを囲むように配置されたブレーキをシャフト６０ａに押圧し、よってシャフト６０ａを把持する。これにより、シャフト６０ａの移動が不可となって爪先部２２３ｔの屈曲角が保持される。

ダンパ５００は、第１実施例および第２実施例で述べたダンパ５０と同様に、流体の流動抵抗を利用したものであるが、以下の点で異なる。即ち、第３実施例に係る足部２２３にあっては、屈曲角保持機構として摩擦ブレーキ６０を備えることから、ダンパ５００にはかかる機能は要求されない。従って、ダンパ５００は、前述したダンパ５０に設けられていたオリフィスの開口面積を調節する電磁ソレノイドを備えない。

次いで、第３実施例に係る脚式移動ロボットの制御装置の動作の中、爪先部２２３ｔの屈曲角の保持およびその解除動作について説明する。

図２０は、摩擦ブレーキ６０の油圧制御の処理を示すブロック図である。

図示の如く、第３実施例に係る制御装置は、セレクトスイッチ１２０を備える。セレクトスイッチ１２０には、「ＬＯＣＫ」および「ＦＲＥＥ」の２種からなる摩擦ブレーキ６０の制御モードに対応したＰ_ｈｉｇｈ（高圧指令。具体的には、屈曲角の保持指令）およびＰ_ｚｅｒｏ（油圧供給停止指令。具体的には、屈曲角保持の解除指令）の２つの信号が入力される。そして、そのうちのいずれかを上述した所定のタイミングで選択し、油圧指令Ｐ_ｂとして油圧発生ユニットに出力する。

図２１は、ロボット１が平地を移動するときの摩擦ブレーキ６０の制御モードなどの遷移を示すタイム・チャートである。

図２１タイム・チャートに示すように、第３実施例に係る爪先部の屈曲角の保持およびその解除のタイミングは、従前の実施例のそれ（図１４）と同じである。また、図示は省略するが、ロボット１が階段を上るときも従前の実施例（図１５）と同様のタイミングで爪先部の屈曲角の保持およびその解除を行えば良い。

このように、第３実施例にあっては、爪先部２２３ｔの屈曲角をその可動範囲で保持自在な屈曲角保持機構として摩擦ブレーキ６０を備えると共に、屈曲角変化を抑制する屈曲角変化抑制機構としてダンパ５００を備えるようにしたので、従前の実施例と同様の効果を得ることができる。

尚、残余の構成は従前の実施例と同様であるため、説明を省略する。また、上記の説明は、第２実施例で述べた足部２２２において、ダンパ５０に代えて摩擦ブレーキ６０とダンパ５００を設けた場合にも妥当するものである。

次いで、図２２から図２５を参照し、この発明の第４実施例に係る脚式移動ロボットおよびその制御装置について説明する。

図２２および図２３は、第４実施例に係る脚式移動ロボットの足部を示す模式図である。

図２２および図２３に示すように、第４実施例に係る足部２２４にあっては、第１実施例の足部２２に設けられたダンパ５０に代え、摩擦ブレーキ６０を備える。

従前の実施例との相違点について説明すると、第４実施例にあっては、上記した摩擦ブレーキ６０の摩擦力を調節自在とし、よって摩擦ブレーキ６０を、爪先部２２４ｔの屈曲角変化を抑制する屈曲角変化抑制機構としても機能させるようにした。

即ち、摩擦ブレーキ６０の供給油圧を上記Ｐ_ｈｉｇｈとＰ_ｚｅｒｏの間の値に設定することで、シャフト６０ａの移動を抑制し、よって爪先部２２４ｔの屈曲角の変化を抑制するようにした。

以下、第４実施例に係る脚式移動ロボットの制御装置の動作の中、爪先部２２４ｔの屈曲角の保持およびその解除動作について説明する。

図２４は、摩擦ブレーキ６０の油圧制御の処理を示すブロック図である。

図示の如く、第４実施例に係る制御装置は、セレクトスイッチ１２２を備える。セレクトスイッチ１２２には、「ＬＯＣＫ」、「ＳＥＭＩ ＦＲＥＥ」および「ＦＲＥＥ」の３種からなる摩擦ブレーキ６０の制御モードに対応したＰ_ｈｉｇｈ（高圧指令。具体的には、屈曲角の保持指令）、Ｐ_ｌｏｗ（低圧指令。具体的には、屈曲角変化の抑制指令）およびＰ_ｚｅｒｏ（油圧供給停止指令。具体的には、屈曲角保持の解除指令）の３つの信号が入力される。そして、そのうちのいずれかを上述した所定のタイミングで選択し、油圧指令Ｐ_ｂとして油圧発生ユニットに出力する。

図２５は、第４実施例に係る摩擦ブレーキ６０の制御モードなどの遷移を示すタイム・チャートである。

図２５タイム・チャートに示すように、第４実施例にあっては、第２のタイミングｔ２から第３のタイミングｔ３までの間、摩擦ブレーキ６０の制御モードとして「ＳＥＭＩ ＦＲＥＥ」を選択し、爪先部２２４ｔの屈曲角の変化を抑制するようにした。即ち、第２のタイミングｔ２で爪先部２２４ｔの屈曲角の保持を解除すると同時に、摩擦ブレーキ６０の摩擦力を利用して屈曲角を漸減させ、初期位置に徐々に復帰させるようにした。これにより、爪先部２２４ｔが初期位置に復帰する際のオーバーシュートや振動の発生を防止することができる。

尚、図２５はロボット１が平地を移動するときのタイム・チャートであり、階段を上るときは、従前の実施例と同様に第１のタイミングｔ１を脚部の離床時よりも前のタイミングに設定すれば良い。また、残余の構成は従前の実施例と同様であるので、説明を省略する。

また、上記の説明は、第２実施例で述べた足部２２２において、ダンパ５０に代えて摩擦ブレーキ６０を設けた場合にも妥当する。

次いで、図２６から図２９を参照し、この発明の第５実施例に係る脚式移動ロボットおよびその制御装置について説明する。

図２６および図２７は、第５実施例に係る脚式移動ロボットの足部を示す拡大断面図である。

図２６および図２７に示すように、第５実施例にあっては、第１実施例に係る足部２２に設けられたダンパ５０の内部に、ピストンロッド５０ｆの変位（ストローク量）を検出するストロークセンサ２２ｓ（リニアエンコーダやポテンショメータなど）を設けるようにした。尚、ストロークセンサ２２ｓの検出値は、前記した制御ユニット２６のＲＡＭ６４に入力される。

ピストンロッド５０ｆのストローク量は、図示の如く、爪先部２２ｔの屈曲角に応じて変化する。即ち、ピストンロッド５０ｆのストローク量を検出することは、爪先部２２ｔの屈曲角を検出することに相当する。以下、ストロークセンサ２２ｓの検出値を、爪先部２２ｔの屈曲角の検出値として扱う。

次いで、第５実施例に係る脚式移動ロボットの制御装置について説明する。

第５実施例にあっては、前述した第１のタイミングｔ１と第３のタイミングｔ３を、爪先部２２ｔの屈曲角の検出値に基づいて決定するようにした。

具体的には、第４のタイミングｔ４で爪先部２２ｔの屈曲角の保持を解除した後、屈曲角の検出値が所定値に達したときを第１のタイミングｔ１と決定し、屈曲角を保持する。また、第２のタイミングｔ２で爪先部２２ｔの屈曲角の保持を解除した後、屈曲角の検出値が零に達したときを第３のタイミングｔ３と決定し、屈曲角を再度保持する。

尚、残余の構成は従前の実施例と同様であるため、説明を省略する。

このように、第５実施例にあっては、爪先部２２ｔの屈曲角を検出するセンサを設け、検出値に基づいて屈曲角の保持を開始する第１および第３のタイミングｔ１，ｔ３を決定するようにしたので、従前の実施例で述べた効果に加え、爪先部２２ｔの屈曲角の保持動作をより適切なタイミングで実行することができる。

尚、上記の説明は、図２８および図２９に示すように、第２実施例に係る足部２２２に回転軸２２２ａの回転角を検出する回転角センサ２２２ｓ（ロータリエンコーダや回転式ポテンショメータなど）を設け、よって爪先部２２２ｔの屈曲角を検出するようにした場合にも妥当するものである。また、第３実施例および第４実施例で説明した各足部に上記各センサを設けた場合にも、同様に妥当する。

次いで、図３０から図３２を参照し、この発明の第６実施例に係る脚式移動ロボットおよびその制御装置について説明する。尚、以下の説明では、第４実施例で説明した足部２２４を備える脚式移動ロボットを前提とする。

第６実施例にあっては、爪先立ちの期間、摩擦ブレーキ６０を動作させて床反力モーメントを制御するようにした。

従前の実施例との主な相違点は、前述した足部補償角決定部１１４ｃ〜１１４ｆの演算処理と、屈曲角変化抑制機構の動作にあるので、以下、その点に焦点をおいて説明する。

図３０は、第６実施例に係る摩擦ブレーキ６０の制御モードなどの遷移を示すタイム・チャートである。

図３０に示すように、この実施例に係る摩擦ブレーキ６０の制御モードは、「ＬＯＣＫ」、「ＣＮＴＲＬ」および「ＳＥＭＩ ＦＲＥＥ」の３種からなる。また、コンプライアンス制御モード（後述）は、「ＨＯＬＤ」、「ＣＮＴＲＬ」および「ＲＥＴ」の３種からなる。

図３１は、第６実施例に係る脚式移動ロボットの制御装置の中、足部補償角決定部の演算処理を示すブロック図である。尚、第１足部Ｘ補償角θ１ｘ、第１足部Ｙ補償角θ１ｙ、第２足部Ｘ補償角θ２ｘ、第２足部Ｙ補償角θ２ｙのいずれも同様のアルゴリズムで求められることから、下記では脚部の通し番号（ｎ：１，２）やＸ，Ｙの記載は省略する。

図３１に示す処理で特徴的なことは、セレクトスイッチ１３０を備え、コンプライアンス制御モードに応じて積分器１３２の入力が切り換えられることである。

最初に、コンプライアンス制御モードとして「ＣＮＴＲＬ」が選択されているとき（セレクトスイッチ１３０がＣＮＴＲＬ側に接続されているとき）の処理について説明すると、先ず、実足部床反力モーメントＭａｃｔを発振防止用のローパスフィルタ１３４に通してＭａｃｔｆｉｌｔを得る。また、足部補償モーメントＭｄｍｄを補償フィルタ１３６に通し、それをＭａｃｔｆｉｌｔから減じ、偏差モーメントＭｄｉｆｆを得る。補償フィルタ１３６は、図１２に示したそれと同様、足部補償モーメントＭｄｍｄから実全床反力までの伝達関数の周波数応答特性を改善するものである。

そして、偏差モーメントＭｄｉｆｆにＫ_ｃｍｐｌ（制御ゲイン）を乗じることによってコンプライアンス制御補償要求角θｃｍｐｌ_ｄｍｄを求め、それを微分器１３８で微分した後、さらに積分器１３２で積分してコンプライアンス制御補償角θｃｍｐｌを得る。

次に、図１２で示した処理と同様に足部機構変形補償角θｆｆを求め、それをコンプライアンス制御補償角θｃｍｐｌに加算して足部補償角θを得る。

尚、積分器１３２の値は、「ＣＮＴＲＬ」モードとなる前に次に説明する「ＲＥＴ」モードでほぼ零になっているので、コンプライアンス制御補償角θｃｍｐｌはコンプライアンス制御補償要求角θｃｍｐｌ_ｄｍｄにほぼ一致する。

次に、コンプライアンス制御モードとして「ＲＥＴ」が選択されているときの処理について説明する。コンプライアンス制御モードとして「ＲＥＴ」が選択されると、セレクトスイッチ１３０がＲＥＴ側に接続され、積分器１３２にはコンプライアンス制御補償角θｃｍｐｌに−Ｋ_ｒｅｔを乗じた値が入力される。これにより、コンプライアンス制御補償角θｃｍｐｌの変化率が、−Ｋ_ｒｅｔ＊θｃｍｐｌとなる。即ち、コンプライアンス制御補償角θｃｍｐｌは、時定数１／Ｋ_ｒｅｔの１次遅れ系のステップ応答で、徐々に零に戻る。

一方、コンプライアンス制御モードとして「ＨＯＬＤ」が選択されると、セレクトスイッチ１３０がＨＯＬＤ側に接続され、積分器１３２に零が入力される。即ち、コンプライアンス制御補償角θｃｍｐｌとして、それまでの値が保持される。

次いで、第６実施例に係る摩擦ブレーキ６０の油圧制御について説明する。図３２は、その制御の処理を示すブロック図である。

図３２について説明すると、先ず、実足部床反力モーメントＭａｃｔを発振防止用のローパスフィルタ１４０に通してＭａｃｔｆｉｌｔを得る。また、足部補償モーメントＭｄｍｄを周波数応答特性改善用の補償フィルタ１４２に通し、それをＭａｃｔｆｉｌｔから減じ、偏差モーメントＭｄｉｆｆを得る。

次に、偏差モーメントＭｄｉｆｆにＫ_ｂ（制御ゲイン）を乗じることによって要求圧Ｐ_ｄｍｄを求め、それにオフセット圧Ｐ_ｏｆｆｓｅｔを加算して得た値を油圧指令Ｐ_ｂとして油圧発生ユニットに出力する。

尚、上記は摩擦ブレーキ制御モードとして図示の如く「ＣＮＴＲＬ」が選択されていてセレクトスイッチ１４４がＣＮＴＲＬ側に接続されているときの処理であり、「ＬＯＣＫ」または「ＳＥＭＩ ＦＲＥＥ」が選択されているときは、第４実施例と同様に、セレクトスイッチ１４４を介してＰ_ｈｉｇｈ（屈曲角保持指令）またはＰ_ｌｏｗ（屈曲角保持解除指令）が油圧指令Ｐ_ｂとして油圧発生ユニットに出力される。

上記を前提に図３０タイム・チャートについて説明すると、コンプライアンス制御モードは、第４のタイミングｔ４から離床後の第５のタイミングｔ５までの間、「ＨＯＬＤ」が選択される。また、第５のタイミングｔ５から脚部２の着床前の第６のタイミングｔ６までの間（即ち、離床中の一定期間）は、「ＲＥＴ」が選択される。また、第６のタイミングｔ６から次回の第４のタイミングｔ４までの間（即ち、脚部２の着床前からべた接地終了（爪先立ち開始）までの間）は、「ＣＮＴＲＬ」が選択される。

具体的に説明すると、脚部２が着床する前の第６のタイミングｔ６からべた接地が終了する第４のタイミングｔ４までの間は、通常のコンプライアンス制御を行う。一方、ロボット１が爪先立ちを開始する第４のタイミングｔ４から脚部２が離床した後の第５のタイミングｔ５までの間（即ち、少なくとも爪先立ち期間を含む期間）は、べた接地終了時のコンプライアンス制御補償角θｃｍｐｌを保持する。そして、第５のタイミングｔ５から次回の第６のタイミングｔ６までの離床期間中にコンプライアンス制御補償角θｃｍｐｌを零に戻し、次回のコンプライアンス制御に備える。

ここで特徴的なことは、第４のタイミングｔ４から次回の第１のタイミングｔ１までの間（即ち、爪先立ち期間）、摩擦ブレーキ６０の制御モードが「ＣＮＴＲＬ」に設定されることにある。即ち、この期間は、通常のコンプライアンス制御に代え、摩擦ブレーキ６０に供給される油圧を制御することによってその摩擦力を調節し、よって爪先部２２４ｔの屈曲角を調節して床反力モーメントを制御するようにした。これにより、爪先立ち期間の姿勢の安定性をより向上させることができる。

尚、残余の構成は従前の実施例と同様であるので、説明を省略する。但し、第６実施例は、爪先立ち期間に爪先部２２４ｔの屈曲角を調節して床反力モーメントを制御するように構成しているので、従前の実施例のようにロボット１が平地を移動するときと階段を上るときとで第１のタイミングｔ１を相違させる必要は必ずしもない。

また、第６実施例は第４実施例に係る脚式移動ロボットを前提として説明したが、足部に摩擦ブレーキ６０を備えていれば、他の実施例に係る脚式移動ロボットにも適用することができる。

次いで、図３３および図３４を参照し、この発明の第７実施例に係る脚式移動ロボットおよびその制御装置について説明する。尚、以下の説明では、第１実施例で説明した足部２２を備える脚式移動ロボットを前提とする。

ダンパ５０のダンピング特性（即ち、ダンパ５０が発生する抵抗の大きさ。換言すれば、屈曲角変化の抑制力）は、電磁ソレノイド５０ｅを駆動してオリフィス５０ｄの開口面積を変化させることにより、調節自在である。そこで、第７実施例にあっては、爪先立ちの期間、ダンパ５０のダンピング特性を調節することによって爪先部２２ｔの屈曲角を調節し、よって床反力モーメントを制御するようにした。

図３３は、第７実施例に係るダンパ５０の制御モードなどの遷移を示すタイム・チャートである。

図３３に示すように、この実施例に係るダンパ制御モードは、「ＣＬＯＳＥ」、「ＣＮＴＲＬ」および「ＯＰＥＮ」の３種からなる。また、コンプライアンス制御モードは、第６実施例と同様に「ＨＯＬＤ」、「ＣＮＴＲＬ」および「ＲＥＴ」の３種からなる。

以下、第６実施例との相違点について説明する。図３４は、第７実施例に係るダンパ５０の絞り量制御の処理を示すブロック図である。

図３４に示すように、先ず、実足部床反力モーメントＭａｃｔを発振防止用のローパスフィルタ１５０に通してＭａｃｔｆｉｌｔを得る。また、足部補償モーメントＭｄｍｄを周波数応答特性改善用の補償フィルタ１５２に通し、それをＭａｃｔｆｉｌｔから減じ、偏差モーメントＭｄｉｆｆを得る。

次に、偏差モーメントＭｄｉｆｆにＫ_ｄ（制御ゲイン）を乗じることによって要求ダンパ絞り量Ｒｄ_ｄｍｄを求め、それにオフセット絞り量Ｒｄ_ｏｆｆｓｅｔを加算して得た値をダンパ絞り量指令Ｒ_ｄとしてダンパ５０に出力する。

尚、上記はダンパ制御モードとして図示の如く「ＣＮＴＲＬ」が選択されている（セレクトスイッチ１５４がＣＮＴＲＬ側に接続されている）ときの処理であり、「ＣＬＯＳＥ」または「ＯＰＥＮ」が選択されているときは、第１実施例と同様に、セレクトスイッチ１５４を介してＲｄ_ｃｌｏｓｅ（屈曲角保持指令）またはＲｄ_ｏｐｅｎ（屈曲角保持解除指令）がダンパ絞り量指令Ｒ_ｄとしてダンパ５０に出力される。

また、説明は省略するが、第７実施例にあっても前述した第６実施例の図３１と同様な足部補償角決定部の演算処理が行われる。

上記を前提に図３３タイム・チャートについて説明すると、図示の如く、第４のタイミングｔ４から次回の第１のタイミングｔ１までの間（即ち、爪先立ち期間）、ダンパ５０の制御モードが「ＣＮＴＲＬ」に設定される。また、コンプライアンス制御モードは、爪先立ち期間を含む第４のタイミングｔ４から第５のタイミングｔ５までの間、「ＨＯＬＤ」に設定される。即ち、爪先立ち期間は、通常のコンプライアンス制御に代え、電磁ソレノイド５０ｅを駆動することによってオリフィス５０ｄの開口面積を変化させてダンパ５０のダンピング特性を調節し、よって爪先部２２ｔの屈曲角を調節して床反力モーメントを制御するようにした。これにより、第６実施例と同様に、爪先立ち期間の姿勢の安定性をより向上させることができる。

尚、残余の構成は従前の実施例と同様であるので、説明を省略する。但し、第７実施例も第６実施例と同様に爪先立ち期間に爪先部の屈曲角を調節して床反力モーメントを制御するように構成しているので、ロボット１が平地を移動するときと階段を上るときとで第１のタイミングｔ１を相違させる必要は必ずしもない。

また、第７実施例は第１実施例に係る脚式移動ロボットを前提として説明したが、足部にダンパ５０を備えていれば、他の実施例に係る脚式移動ロボットにも適用することができる。

次いで、図３５および図３６を参照し、この発明の第８実施例に係る脚式移動ロボットおよびその制御装置について説明する。尚、以下の説明では、第３実施例で説明した足部２２３を備える脚式移動ロボットを前提とする。

前述したように、ダンパ５００は流体の流動抵抗を利用している。流体の流動抵抗はその流速に依存し、ダンパ５００内の流体の流速は、爪先部２２３ｔの屈曲角速度に依存する。即ち、ダンパ５００は、爪先部２２３ｔの屈曲角速度に対して設定された所定の抵抗特性を有し、その抵抗特性に従って爪先部２２３ｔの屈曲角変化を抑制していると言える。そこで、第８実施例にあっては、足部２２３の位置姿勢を操作して爪先部２２３ｔの屈曲角速度を調節することによってダンパ５００が発生する抵抗の大きさを変化させ、よって床反力モーメントを制御するようにした。

図３５は、第８実施例に係るダンパ５００の制御モードなどの遷移を示すタイム・チャートである。

図３５に示すように、屈曲角速度制御モード（後述）は、「ＨＯＬＤ」、「ＣＮＴＲＬ」および「ＲＥＴ」の３種からなる。

図３６は、第８実施例に係る脚式移動ロボットの制御装置の中、足部補償角決定部の演算処理を示すブロック図である。尚、第６実施例と同様な理由から、下記では脚部の通し番号（ｎ：１，２）やＸ，Ｙの記載は省略する。

図３６に示す如く、第８実施例にあっては、セレクトスイッチ１６０を備え、屈曲角速度制御モードに応じて積分器１６２への入力を切り換えるようにした。

最初に、屈曲角速度制御モードとして「ＣＮＴＲＬ」が選択されているとき（セレクトスイッチ１６０がＣＮＴＲＬ側に接続されているとき）の処理について説明すると、先ず、実足部床反力モーメントＭａｃｔを発振防止用のローパスフィルタ１６４に通してＭａｃｔｆｉｌｔを得る。また、足部補償モーメントＭｄｍｄを周波数応答特性改善用の補償フィルタ１６６に通し、それをＭａｃｔｆｉｌｔから減じ、偏差モーメントＭｄｉｆｆを得る。

そして、偏差モーメントＭｄｉｆｆにＤ_ｃｎｔｒｌ（制御ゲイン）を乗じて得た値を積分器１６２で積分してダンパ制御補償角θｄｃｎｔｒｌを求める。また、偏差モーメントＭｄｉｆｆにＫ_ｃｍｐｌ（制御ゲイン）を乗じて前記したコンプライアンス制御補償角θｃｍｐｌを得る。

最後に、ダンパ制御補償角θｄｃｎｔｒｌとコンプライアンス制御補償角θｃｍｐｌを加算して得た値に、さらに第６実施例と同様にして求めた足部機構変形補償角θｆｆを加算することにより、足部補償角θを得る。この足部補償角θに基づいてロボット１の関節変位を操作して足部２２３の位置姿勢を操作することにより、足部２２３の床に対する角速度、即ち、爪先部２２３ｔの屈曲角速度を調節してダンパ５００が発生する抵抗の大きさを変化させ、よって床反力モーメントを制御する。尚、関節変位の操作に代え、ロボット１の歩容そのものを操作することによって足部２２３の位置姿勢を操作するようにしても良い。

次いで、屈曲角速度制御モードとして「ＲＥＴ」が選択されているときの処理について説明する。屈曲角速度制御モードとして「ＲＥＴ」が選択されると、セレクトスイッチ１６０がＲＥＴ側に接続され、積分器１６２にはダンパ制御補償角θｄｃｎｔｒｌに−Ｋ_ｒｅｔを乗じた値が入力される。これにより、ダンパ制御補償角θｄｃｎｔｒｌの変化率が、−Ｋ_ｒｅｔ＊θｄｃｎｔｒｌとなる。即ち、ダンパ制御補償角θｄｃｎｔｒｌは、時定数１／Ｋ_ｒｅｔの１次遅れ系のステップ応答で、徐々に零に戻る。

一方、屈曲角速度制御モードとして「ＨＯＬＤ」が選択されると、セレクトスイッチ１６０がＨＯＬＤ側に接続され、積分器１６２に零が入力される。即ち、ダンパ制御補償角θｄｃｎｔｒｌとして、それまでの値が保持される。

尚、摩擦ブレーキ６０の油圧制御に関しては、第３実施例のそれ（図２０）と同様であるので、説明を省略する。

上記を前提に図３５タイム・チャートについて説明すると、屈曲角速度制御モードは、第４のタイミングｔ４から次回の第１のタイミングｔ１までの間（即ち、爪先立ち期間）、「ＣＮＴＲＬ」が選択される。また、第１のタイミングｔ１から離床中の第７のタイミングｔ７までの間、「ＨＯＬＤ」が選択される。また、第７のタイミングｔ７から第４のタイミングｔ４までの間（即ち、脚部２の着床前からべた接地終了（爪先立ち開始）までの間）、「ＲＥＴ」が選択される。

屈曲角速度制御モードとして「ＣＮＴＲＬ」が選択される爪先立ちの期間は、摩擦ブレーキ制御モードは「ＦＲＥＥ」が選択されており、爪先部２２３ｔは屈曲自在とされる。即ち、この期間は、足部２２３の位置姿勢を変化させて爪先部２２３ｔの屈曲角速度を調節することにより、ダンパ５００が発生する抵抗の大きさを操作し、よって床反力モーメントが制御するようにした。これにより、爪先立ち期間の姿勢の安定性をより向上させることができる。

尚、残余の構成は従前の実施例と同様であるので、説明を省略する。但し、第８実施例も第６実施例と同様に爪先立ち期間に爪先部の屈曲角を調節して床反力モーメントを制御するように構成しているので、ロボット１が平地を移動するときと階段を上るときとで第１のタイミングｔ１を相違させる必要は必ずしもない。

また、第８実施例は第３実施例に係る脚式移動ロボットを前提として説明したが、足部にダンパ５０（電磁ソレノイド付きのダンパ）を備えた他の実施例に係る脚式移動ロボットにも適用することができる。

次いで、図３７を参照し、この発明の第９実施例に係る脚式移動ロボットおよびその制御装置について説明する。

第９実施例は、爪先部の屈曲角を検出するセンサを備えた第５実施例に係る脚式移動ロボットに、本出願人が先に提案した特開２０００−１４７９４８号公報に記載される技術（床形状を推定する技術）と第６実施例で説明した制御を適用したものである。

図３７は、第９実施例に係る脚式移動ロボットの制御装置の中、足部補償角決定部の演算処理を示すブロック図である。尚、第６実施例と同様な理由から、下記では脚部の通し番号（ｎ：１，２）やＸ，Ｙの記載は省略する。

図３７に示すように、第９実施例にあっては、第６実施例で述べた足部補償角決定部の構成（第６実施例と同一符号を付して示す）に、床形状推定器１７０が付加される。

以下、図３７に示す処理について説明すると、第６実施例と同様の処理によって算出されたコンプライアンス制御補償角θｃｍｐｌと足部機構変形補償角θｆｆの和に、さらに床形状推定器１７０から出力された推定足部床傾斜偏差θｆｅｓｔｍを加算して足部補償角θを求める。

床形状推定器１７０には、上記のようにして求めた足部補償角θの他、実足部床反力Ｆａｃｔ，Ｍａｃｔや上体傾斜角偏差θｅｒｒ、ストロークセンサ２２ｓあるいは回転角センサ２２２ｓで検出した爪先部２２ｔの屈曲角などが入力される。床形状推定器１７０は、それらに基づいて床形状推定値（具体的には、前記推定足部床傾斜偏差θｆｅｓｔｍと、第１実施例で述べた両脚補償角θｄｂｖの算出に用いられるべき推定両脚間床傾斜偏差θｆｄｂｅｓｔｍｖ）を算出して出力する。尚、床形状推定器１７０の動作については、上記した特開２０００−１４７９４８号公報に詳しいので説明を省略する。

このように、第９実施例にあっては、爪先部の屈曲角などに基づいて床形状推定値を算出し、その値を足部補償角θ（および両脚補償角θｄｂｖ）の算出に用いるパラメータとして追加するようにした。より概略的には、ロボット１が歩行する床の形状を推定すると共に、推定された床形状などに基づいて屈曲角変化抑制機構を動作させ、床反力モーメントを制御するようにした。これにより、爪先立ち期間の安定性をより一層向上させることができる。また、通常のコンプライアンス制御もより精度良く行うことができる。

尚、第９実施例では第６実施例で説明した足部補償角決定部に床形状推定器１７０を付加するようにしたが、他の実施例で説明した足部補償角決定部に付加しても良い。

以上の如く、この発明の第１実施例および第３から第９実施例にあっては、上体（２４）と、上端が前記上体に連結される一方、下端に、床面に接地可能な足底面を備えた足部（２２，２２３，２２４）が連結される脚部（２Ｒ，２Ｌ）とを備え、前記脚部を駆動して移動する脚式移動ロボット（１）において、前記足部が、前記脚部に連結される足部本体（２２ｍ，２２３ｍ，２２４ｍ）と、前記足部本体の前端に設けられ、前記足部本体に対して屈曲自在な爪先部（２２ｔ，２２３ｔ，２２４ｔ）とからなり、前記爪先部の屈曲角（θｔ）を前記爪先部の可動範囲で保持自在な屈曲角保持機構（ダンパ５０、摩擦ブレーキ６０）を備え、前記爪先部（２２ｔ，２２３ｔ，２２４ｔ）が、前記足部本体（２２ｍ，２２３ｍ，２２４ｍ）に連続すると共に、撓みつつ屈曲する弾性材からなるように構成した。

また、前記爪先部の屈曲角変化を抑制する屈曲角変化抑制機構（ダンパ５０、ダンパ５００、摩擦ブレーキ６０）を備えるように構成した。

また、第３から第６実施例および第８実施例から第９実施例にあっては、前記屈曲角保持機構が、摩擦ブレーキ（６０）からなるように構成した。

また、第１，３，５，７，８，９実施例にあっては、前記屈曲角変化抑制機構が、ダンパ（５０，５００）からなるように構成した。

また、第４，６，９実施例にあっては、前記屈曲角保持機構および前記屈曲角変化抑制機構が、摩擦力が調節自在な摩擦ブレーキ（６０）からなるように構成した。

また、第１，５，７，９実施例にあっては、前記屈曲角保持機構および前記屈曲角変化抑制機構が、ダンパ（５０）からなるように構成した。

また、第１から第９実施例にあっては、上体（２４）と、上端が前記上体に連結される一方、下端に、床面に接地可能な足底面を備えた足部（２２，２２２，２２３，２２４）が連結される脚部（２Ｒ，２Ｌ）とを備え、前記脚部を駆動して移動すると共に、前記足部が、前記脚部に連結される足部本体と、前記足部本体（２２ｍ，２２２ｍ，２２３ｍ，２２４ｍ）の前端に設けられ、前記足部本体に対して屈曲自在な爪先部（２２ｔ，２２２ｔ，２２３ｔ，２２４ｔ）とからなる脚式移動ロボットの制御装置において、前記爪先部の屈曲角（θｔ）を前記爪先部の可動範囲で保持自在な屈曲角保持機構（ダンパ５０、摩擦ブレーキ６０）と、前記屈曲角保持機構を動作させて前記爪先部の屈曲角の保持とその解除を制御する屈曲角制御手段（制御ユニット２６）を備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記脚部の離床時と爪先立ち時のうちのいずれかに設定される第１のタイミング（ｔ１）で前記爪先部の屈曲角を保持した後、前記脚部が離床した後の前記爪先部が前記床面から離れている間のいずれかの時に設定される第２のタイミング（ｔ２）で前記爪先部の屈曲角の保持を解除して前記爪先部を初期位置に復帰させるように構成した。

また、第１から第４実施例および第６から第９実施例にあっては、前記脚式移動ロボットの歩容を生成する歩容生成手段（歩容生成器１００）備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記生成された歩容に基づいて前記第１および第２のタイミングを決定するように構成した。

また、第５から第９実施例にあっては、前記爪先部（２２ｔ、２２２ｔ）の屈曲角を検出する屈曲角検出手段（ストロークセンサ２２ｓ、回転角センサ２２２ｓ）と、前記脚式移動ロボットの歩容を生成する歩容生成手段（歩容生成器１００）とを備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記検出された屈曲角に基づいて前記第１のタイミングを決定する一方、前記生成された歩容に基づいて前記第２のタイミングを決定するように構成した。

また、第１から第９実施例にあっては、前記屈曲角制御手段は、さらに、前記脚部の離床中であって前記第２のタイミングよりも後の第３のタイミング（ｔ３）で前記爪先部の屈曲角を保持した後、前記脚部の着床後であって次回の前記第１のタイミングよりも前の第４のタイミング（ｔ４）で前記爪先部の屈曲角の保持を解除するように構成した。

また、第１から第４実施例および第６から第９実施例にあっては、前記脚式移動ロボットの歩容を生成する歩容生成手段（歩容生成器１００）を備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記生成された歩容に基づいて前記第１から第４のタイミングを決定するように構成した。

また、第５から第９実施例にあっては、前記爪先部（２２ｔ，２２２ｔ）の屈曲角を検出する屈曲角検出手段（ストロークセンサ２２ｓ、回転角センサ２２２ｓ）と、前記脚式移動ロボットの歩容を生成する歩容生成手段（歩容生成器１００）とを備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記検出された屈曲角に基づいて前記第１および第３のタイミングを決定する一方、前記生成された歩容に基づいて前記第２および第４のタイミングを決定するように構成した。

また、第４実施例にあっては、前記爪先部（２２４ｔ）の屈曲角変化を抑制する屈曲角変化抑制機構（摩擦ブレーキ６０）を備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記第２のタイミングで前記爪先部の屈曲角の保持を解除すると同時に、前記屈曲角変化抑制機構を動作させて前記屈曲角を漸減させ、前記爪先部を徐々に初期位置に復帰させるように構成した。

また、第６，７，９実施例にあっては、前記爪先部の屈曲角変化を抑制する屈曲角変化抑制機構（ダンパ５０、摩擦ブレーキ６０）を備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記第４のタイミングから次回の前記第１のタイミングまでの間、前記屈曲角変化抑制機構を動作させて前記足部を通じて作用する床反力（床反力モーメント）を制御するように構成した。

また、第８実施例にあっては、前記爪先部の屈曲角変化を、その屈曲角速度に対して設定された所定の抵抗特性に従って抑制する屈曲角変化抑制機構（ダンパ５００）を備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記第４のタイミングから次回の前記第１のタイミングまでの間、前記足部（２２Ｒ（Ｌ））の位置姿勢を操作して前記屈曲角速度を調節し、よって前記屈曲角変化抑制機構が発生する抵抗の大きさを変化させて前記足部を通じて作用する床反力（床反力モーメント）を制御するように構成した。

また、第９実施例にあっては、前記爪先部の屈曲角変化を抑制する屈曲角変化抑制機構（ダンパ５０、摩擦ブレーキ６０）と、前記爪先部の屈曲角を検出する屈曲角検出手段（ストロークセンサ２２ｓ、回転角センサ２２２ｓ）と、少なくとも前記検出された屈曲角に基づいて前記脚部が接地する床の形状を推定する床形状推定手段（床形状推定器１７０）とを備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記第４のタイミングから次回の前記第１のタイミングまでの間、少なくとも前記推定された床形状に基づいて前記屈曲角変化抑制機構を動作させ、よって前記足部を通じて作用する床反力（床反力モーメント）を制御するように構成した。

尚、上記において、着床時の衝撃緩和と制御性の向上に必要なコンプライアンス機構４２Ｒ（Ｌ）を、バネ機構体３８Ｒ（Ｌ）とソール４０Ｒ（Ｌ）とから構成したが、例えば足底に板バネを設け、その弾性を利用するようにしても良い。板バネの材質としては、軽量化の観点から、弾性を備えたカーボンなどが好ましい。

また、爪先部の屈曲角を保持する屈曲角保持機構ならびに屈曲角変化を抑制する屈曲角変化抑制機構としてダンパと摩擦ブレーキを例に挙げたが、それらに限られないのは言うまでもない。例えば、屈曲角保持機構としては、ラチェット機構を用いても良い。屈曲角保持機構としてダンパや摩擦ブレーキを用いた場合、屈曲角は、爪先部の可動範囲において連続する全ての角度で保持可能である。これに対し、ラチェット機構の場合、ラチェットのギヤ数に対応した複数の角度の中のいずれかに保持される（即ち、ラチェットの送り角の範囲内には保持できず、保持可能な角度が非連続となる）ことになるが、屈曲角を保持する際の動作が不要となるという利点もある。

この発明の第１実施例に係る脚式移動ロボットである。 図１に示す脚式移動ロボットの足部の拡大断面図である。 同様に、脚式移動ロボットの足部を示す拡大断面図である。 同様に、脚式移動ロボットの足部を示す拡大断面図である。 同様に、脚式移動ロボットの足部を示す拡大断面図である。 図１に示す脚式移動ロボットの制御ユニットの詳細を示すブロック図である。 図１に示す脚式移動ロボットの制御装置の構成および動作を機能的に示すブロック図である。 図１に示す脚式移動ロボットの制御装置の動作を示すフロー・チャートである。 図７の複合コンプライアンス動作決定部の演算処理を示すブロック図である。 図９の補償全床反力モーメント分配器の演算処理を示すブロック図である。 図９の両脚補償角決定部の演算処理を示すブロック図である。 図９の足部補償角決定部の演算処理を示すブロック図である。 図２のダンパの絞り量制御の処理を示すブロック図である。 図２のダンパの制御モードなどの遷移を示すタイム・チャートである。 同様に、ダンパの制御モードなどの遷移を示すタイム・チャートである。 この発明の第２実施例に係る脚式移動ロボットの足部を示す拡大断面図である。 同様に、第２実施例に係る脚式移動ロボットの足部を示す拡大断面図である。 この発明の第３実施例に係る脚式移動ロボットの足部を示す模式図である。 同様に、第３実施例に係る脚式移動ロボットの足部を示す模式図である。 図１８の摩擦ブレーキの油圧制御の処理を示すブロック図である。 図１８の摩擦ブレーキの制御モードなどの遷移を示すタイム・チャートである。 この発明の第４実施例に係る脚式移動ロボットの足部を示す模式図である。 同様に、第４実施例に係る脚式移動ロボットの足部を示す模式図である。 図２２の摩擦ブレーキの油圧制御の処理を示すブロック図である。 図２２の摩擦ブレーキの制御モードなどの遷移を示すタイム・チャートである。 この発明の第５実施例に係る脚式移動ロボットの足部を示す拡大断面図である。 同様に、第５実施例に係る脚式移動ロボットの足部を示す拡大断面図である。 同様に、第５実施例に係る脚式移動ロボットの足部を示す拡大断面図である。 同様に、第５実施例に係る脚式移動ロボットの足部を示す拡大断面図である。 この発明の第６実施例に係る脚式移動ロボットの制御モードなどの遷移を示すタイム・チャートである。 第６実施例に係る脚式移動ロボットの制御装置の中、足部補償角決定部の演算処理を示すブロック図である。 第６実施例に係る摩擦ブレーキの油圧制御の処理を示すブロック図である。 この発明の第７実施例に係る脚式移動ロボットの制御モードなどの遷移を示すタイム・チャートである。 第７実施例に係るダンパの絞り量制御の処理を示すブロック図である。 この発明の第８実施例に係る脚式移動ロボットの制御モードなどの遷移を示すタイム・チャートである。 第８実施例に係る脚式移動ロボットの制御装置の中、足部補償角決定部の演算処理を示すブロック図である。 この発明の第９実施例に係る脚式移動ロボットの制御装置の中、足部補償角決定部の演算処理を示すブロック図である。

符号の説明

１ 脚式移動ロボット
２ 脚部
２２ 足部（第１実施例）
２２ｍ 足部本体（第１実施例）
２２ｔ 爪先部（第１実施例）
２２ｓ ストロークセンサ（屈曲角検出手段）
２２２ 足部（第２実施例）
２２２ｍ 足部本体（第２実施例）
２２２ｔ 爪先部（第２実施例）
２２２ｓ 回転角センサ（屈曲角検出手段）
２２２ａ 回転軸
２２２ｂ 復元バネ（付勢手段）
２２３ 足部（第３実施例）
２２３ｍ 足部本体（第３実施例）
２２３ｔ 爪先部（第３実施例）
２２４ 足部（第４実施例）
２２４ｍ 足部本体（第４実施例）
２２４ｔ 爪先部（第４実施例）
２４ 上体
２６ 制御ユニット（屈曲角制御手段）
５０ ダンパ（屈曲角保持機構、屈曲角変化抑制機構）
５００ ダンパ（屈曲角変化抑制機構）
６０ 摩擦ブレーキ（屈曲角保持機構、屈曲角変化抑制機構）
１００ 歩容生成器（歩容生成手段）
１７０ 床形状推定器（床形状推定手段）

Claims (16)

1. 上体と、上端が前記上体に連結される一方、下端に、床面に接地可能な足底面を備えた足部が連結される脚部とを備え、前記脚部を駆動して移動する脚式移動ロボットにおいて、前記足部が、前記脚部に連結される足部本体と、前記足部本体の前端に設けられ、前記足部本体に対して屈曲自在な爪先部とからなり、前記爪先部の屈曲角を前記爪先部の可動範囲で保持自在な屈曲角保持機構を備え、前記爪先部が、前記足部本体に連続すると共に、撓みつつ屈曲する弾性材からなることを特徴とする脚式移動ロボット。
2. 前記爪先部の屈曲角変化を抑制する屈曲角変化抑制機構を備えることを特徴とする請求項１記載の脚式移動ロボット。
3. 前記屈曲角保持機構が、摩擦ブレーキからなることを特徴とする請求項１または２記載の脚式移動ロボット。
4. 前記屈曲角変化抑制機構が、ダンパからなることを特徴とする請求項２記載の脚式移動ロボット。
5. 前記屈曲角保持機構および前記屈曲角変化抑制機構が、摩擦力が調節自在な摩擦ブレーキからなることを特徴とする請求項２記載の脚式移動ロボット。
6. 前記屈曲角保持機構および前記屈曲角変化抑制機構が、ダンパからなることを特徴とする請求項２記載の脚式移動ロボット。
7. 上体と、上端が前記上体に連結される一方、下端に、床面に接地可能な足底面を備えた足部が連結される脚部とを備え、前記脚部を駆動して移動すると共に、前記足部が、前記脚部に連結される足部本体と、前記足部本体の前端に設けられ、前記足部本体に対して屈曲自在な爪先部とからなる脚式移動ロボットの制御装置において、前記爪先部の屈曲角を前記爪先部の可動範囲で保持自在な屈曲角保持機構と、前記屈曲角保持機構を動作させて前記爪先部の屈曲角の保持とその解除を制御する屈曲角制御手段とを備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記脚部の離床時と爪先立ち時のうちのいずれかに設定される第１のタイミングで前記爪先部の屈曲角を保持した後、前記脚部の離床後の前記爪先部が前記床面から離れている間のいずれかの時に設定される第２のタイミングで前記爪先部の屈曲角の保持を解除して前記爪先部を初期位置に復帰させることを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。
8. 前記脚式移動ロボットの歩容を生成する歩容生成手段を備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記生成された歩容に基づいて前記第１および第２のタイミングを決定することを特徴とする請求項７記載の脚式移動ロボットの制御装置。
9. 前記爪先部の屈曲角を検出する屈曲角検出手段と、前記脚式移動ロボットの歩容を生成する歩容生成手段とを備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記検出された屈曲角に基づいて前記第１のタイミングを決定する一方、前記生成された歩容に基づいて前記第２のタイミングを決定することを特徴とする請求項７記載の脚式移動ロボットの制御装置。
10. 前記屈曲角制御手段は、さらに、前記脚部の離床中であって前記第２のタイミングよりも後の第３のタイミングで前記爪先部の屈曲角を保持した後、前記脚部の着床後であって次回の前記第１のタイミングよりも前の第４のタイミングで前記爪先部の屈曲角の保持を解除することを特徴とする請求項７記載の脚式移動ロボットの制御装置。
11. 前記脚式移動ロボットの歩容を生成する歩容生成手段を備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記生成された歩容に基づいて前記第１から第４のタイミングを決定することを特徴とする請求項１０記載の脚式移動ロボットの制御装置。
12. 前記爪先部の屈曲角を検出する屈曲角検出手段と、前記脚式移動ロボットの歩容を生成する歩容生成手段とを備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記検出された屈曲角に基づいて前記第１および第３のタイミングを決定する一方、前記生成された歩容に基づいて前記第２および第４のタイミングを決定することを特徴とする請求項１０記載の脚式移動ロボットの制御装置。
13. 前記爪先部の屈曲角変化を抑制する屈曲角変化抑制機構を備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記第２のタイミングで前記爪先部の屈曲角の保持を解除すると同時に、前記屈曲角変化抑制機構を動作させて前記屈曲角を漸減させ、前記爪先部を徐々に初期位置に復帰させることを特徴とする請求項７から１２のいずれかに記載の脚式移動ロボットの制御装置。
14. 前記爪先部の屈曲角変化を抑制する屈曲角変化抑制機構を備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記第４のタイミングから次回の前記第１のタイミングまでの間、前記屈曲角変化抑制機構を動作させて前記足部を通じて作用する床反力を制御することを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載の脚式移動ロボットの制御装置。
15. 前記爪先部の屈曲角変化を、その屈曲角速度に対して設定された所定の抵抗特性に従って抑制する屈曲角変化抑制機構を備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記第４のタイミングから次回の前記第１のタイミングまでの間、前記足部の位置姿勢を操作して前記屈曲角速度を調節し、よって前記屈曲角変化抑制機構が発生する抵抗の大きさを変化させて前記足部を通じて作用する床反力を制御することを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載の脚式移動ロボットの制御装置。
16. 前記爪先部の屈曲角変化を抑制する屈曲角変化抑制機構と、前記爪先部の屈曲角を検出する屈曲角検出手段と、少なくとも前記検出された屈曲角に基づいて前記足部が接地する床の形状を推定する床形状推定手段とを備えると共に、前記屈曲角制御手段は、前記第４のタイミングから次回の前記第１のタイミングまでの間、少なくとも前記推定された床形状に基づいて前記屈曲角変化抑制機構を動作させ、よって前記足部を通じて作用する床反力を制御することを特徴とする請求項１０から１５のいずれかに記載の脚式移動ロボットの制御装置。

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