JPH0248283A - 歩行脚運動軌跡制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は歩行機械の歩行脚運動制御装置に係り、さらに
詳しくは歩行機械を安定に歩行させるに好適な歩行脚運
動軌跡制御装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、建屋内で行われている保守点検作業を、人間に代
って行う移動ロボットのニーズが高まっている。このよ
うな要求に応えるロボットは今まで人間が作業してきた
環境内を自由にかつ高速に移動して作業場所へ行き、効
率良く作業を進めるための機能を必要とするが、建屋内
の障害物のまたぎ越しやくぐりぬけ移動などの機能も必
要である。これらの要求に応えるために、歩行脚によっ
て移動する歩行機械が種々提案されている。この種の歩
行機械としては、例えば、特開昭５９１１０５７５号公
報および特開昭６１−１３４８０５号公報等に示される
ように多数の歩行脚によって歩行を実現するものがある
。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の多数の歩行脚を備える歩行機械では、歩行移動の
ために、例えば一対の歩行脚を交互に移動させている。

そして、歩行のための歩行脚は歩行脚の足部が床面に着
地している立脚状態の区間と、歩行脚を歩行のために振
り出している遊脚の状態の区間とを備えているが、立脚
状態から遊脚状態または遊脚状態から立脚状態に切り換
る時、歩行脚の足部の進行方向への速度および垂直方向
への速度がステップ状に変化し不連続となっている。こ
のステップ状の急激な速度変化は歩行機械への衝撃力と
して作用し、例えば歩行機械の胴体は揺れを生じ、安定
に歩行することができないという問題点があった。

本発明は上述した事柄にもとづいてなされたもので、立
脚状態から遊脚状態に、または遊脚状態から立脚状態に
切り換る時に生じる衝撃力を低減することができる歩行
脚運動軌跡制御装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の上記の目的は、脚部動制御部によつ゛Ｃ歩行脚
の関節部を制御し、この歩行脚によって歩行する歩行機
械において、前記歩行脚の立脚時と遊脚時との切り換え
時の足部の速度が連続する足部の運動軌跡を生成する足
部の運動軌跡生成部と５前記足部の運動軌跡生成部から
の足部の運動軌跡を目標関節角に演算し、これを前記脚
部動制御部に出力する目標関節角演算部とを備えること
により達成される。

〔作用〕

歩行脚は足部の運動軌跡生成部によって生成される歩行
脚の立脚時と遊脚時との切り換え時の足部の連続する速
度にもとづいて、関節部が駆動制御される。このため、
歩行脚はその足部と床面との間に速度差を生じることが
なく、着地時および離脱時の衝撃力を小さく抑えること
・ができる。その結果、歩行機械は安定に歩行すること
ができる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の歩行脚運動軌跡制御装置の一実施例を
備え歩行機械の一例を示すもので、この図において、１
は歩行機械で、この歩行機械１は胴部２とこの胴部２に
設けられた４脚の歩行脚（図示の例では片側の２脚の歩
行脚３，４）とを備えている。こ九らの歩行脚３，４は
胴部２に設けた第１の関節部３Ａ、４Ａと、この第１の
関節部３Ａ、４Ａに連結した第１の脚部３Ｂ、４Ｂと、
この第１の脚部３Ｂ、４Ｂの他端に設けた第２の関節部
３Ｃ，４Ｃと、この第２の関節部３Ｃ。

４Ｃに連結した第２の脚部３Ｄ、４Ｄと、この第２の脚
部３Ｄ、４Ｄの他端に連結した第３の関節部３Ｅ、４Ｅ
と、この第３の関節部３Ｅ、４Ｅに連結した足部３Ｆ、
４Ｆとで構成されている。この歩行脚３，４にはこれを
駆動するための脚部動制御部５が接続されている。この
脚部動制御部５は第１の関節部３Ａ、４Ａおよび第２の
関節部３Ｃ，４Ｃにそれぞれ連結したアクチュエータ５
ｏＡ〜５０Ｄと、第１の関節部３Ａ、４Ａおよび第２の
関節部３Ｃ，４Ｃの関節角を検′出する関節角検出セン
サ５１Ａ〜５１Ｄと、運動軌跡生成部６からの目標関節
角θｌ、θ２．θ８．θ番と関節角検出センサ５１Ａ〜
５１Ｄがらの実際の関節角θ３１．θｓｚ、θ８８．θ
ｓ４とのそれぞれの偏差を演算し、この偏差をそれぞれ
アクチュエータ５０Ａ〜５０Ｄに出力する比較部５２Ａ
〜５２Ｄとで構成されている。

前述した運動軌跡生成部６は、胴部２の運動軌跡生成部
６０と、床面と接する足部３Ｆ、４Ｆの運動軌跡生成部
７ｏと、歩幅や足部立上げ高さ等を指定する歩行パター
ンパラメータ発生部８ｏと。

前述の足部の運動軌跡生成部７０と胴部の運動軌跡生成
部６０とからのデータと、歩行脚の長さ等のデータベー
ス９０がらのデータとにもとづいて歩行脚３，４の第１
の関節部３Ａ、４Ａおよび第２の関節部３Ｃ，４Ｃの目
標関節角を演算する目標関節角演算部１００と、この関
節角演算部１００からの目標関節角を格納する記憶部１
１０と、目標関節角の出力時間間隔を１１１ｍする歩行
周期発生部１２０とで構成されている。

前述した足部の運動軌跡生成部７ｏは、歩行脚の立脚状
態と遊脚状態との切り換え期の歩行脚の運動を制御する
ものであり、第２図に示すように、立脚時の足部の位置
を発生する立脚時足部位置発生部７１と、遊脚時の足部
の位置を発生する遊脚時足部位置発生部７００とで構成
されている。この遊脚時定部位置発生部７００は、遊脚
時の足部運動、水平および垂直方向加速度を時間の関数
で決定する遊脚時の足部運動、水平および垂直方向加速
度決定部７０１と、立脚状態と遊脚状態との切り換え時
における足部の水平および垂直方向の加速度の値を前述
の遊脚時の足部運動、水平および垂直方向加速度決定部
７０１に入力設定する加速度条件設定部７０２と、遊脚
時の足部運動、水平および垂直方向加速度決定部７０１
からの各加速度を時間で積分し速度を求める加速度積分
部７０３と、遊脚時の足部運動、水平および垂直方向速
度を時間の関数で決定する遊脚時の足部運動。

水平および垂直方向速度決定部７０４と、立脚状態と遊
脚状態との切り換え時における足部の水平および垂直方
向の速度の値を前述の遊脚時の足部運動、水平および垂
直方向の速度決定部７０４に入力設定する速度条件設定
部７０５と、遊脚時の足部運動、水平および垂直方向速
度決定部７０４からの各速度を積分し位置を求める速度
積分部７０６と、遊脚時の足部運動、水平および垂直方
向位置を時間の関数で決定する遊脚時の足部運動。

水平および垂直方向位置決定部７０７と、立脚状態と遊
脚状態との切り換え時における足部の水平および垂直方
向の位置を前述の遊脚時の足部運動。

水平および垂直方向位置決定部７０７に入力設定する位
置条件設定部７０８とで構成されている。

次に上述した本発明の一実施例の動作を説明する。

第３図は１つの歩行脚３，４の移動形態を示すもので、
歩行脚３，４は足部３Ｆ、４Ｆが接地している立脚状態
の期間Ｗ１と、足部３Ｆ、４Ｆが地面Ｆから離れた状態
の遊脚状態の期間Ｗ２とで構成されている。この図にお
いて、歩幅は符号Ｈで、足部３Ｆ、４Ｆの足上げ高さは
符号Ｇで示し、この歩幅Ｈ足上げ高さＧをパラメータと
して遊脚時の運動を自由に設定することができる。

次に、遊脚状態における足部の運動軌跡を決定する方法
を説明する。

第４図は遊脚状態における足部の水平方向の加速度変化
を示すもので、この加速度変化は遊脚時の足部運動、水
平および垂直方向加速度決定部７０１で決定される。す
なわち、第３図における胴部２の水平運動を停止した胴
部固定の座標系で足部３Ｆ、４Ｆの運動を記述しており
、この場合の足部の水平方向加速度ａｘは１＝０〜ｔ＝
−において、 ａ　ｘ：　Ａｍ　・５ｉｎ４　π−＝４１）で表わされ
る。ここでＡ、は係数、ｔは時刻、Ｔは１歩の周期であ
る。

次に、加速度条件設定部７０２は歩行脚３，４が立脚状
態から遊脚状態に移るとき、第４図に示す１＝０　（足
部が床面を離脱する時すなわち遊脚時）における足部３
Ｆ、４Ｆの水平方向加速度ａ。

を零に設定して、立脚時の加速度と連続的に接続するよ
うに構成する。また遊脚状態から立脚状態に移るとき、
ｔ＝−（足部が着地する時）における足部３Ｆ、４Ｆの
水平方向加速度ａｘ　を前述と同様に零に設定する。そ
して、その間をサイン曲線で結ぶ加速度変化に設定しで
ある。

次に、加速度積分部２０３は（１）式を積分して、第５
図に示す足部の水平方向速度ｖ８を求める。

この水平速度Ｖｘは ４　π　　　　　　　　　　Ｔ で表わされる。ここでＣは係数である。このとき、速度
条件設定部７０５は立脚と遊脚での境界条件を満たすよ
うに、水平り面速度ｖ０が１＝０で−ｖｓから始まり、
ｔ＝−で−ＶＢで終了するように定める。このとき、速
度ｖｅは胴部２の進行速度に相当する。上述の速度条件
設定部７０５による速度の設定により、遊脚時の足先運
動、水平および垂直方向速度決定部７０４は、次の式に
もとづき演算を行う。すなわち、１＝０で上記（２）式
より ４　寓 となるので、 ４　π となる、よって、水平方向速度Ｖｘは となり、上記（５）式はｔ＝−のときの条件ｖｘ＝−Ｖ
Ｂも満足する。この遊脚期間中の足部の水平方向速度の
変化を大地座標系で示したのが第５図である。

次に上記（５）式は速度積分部７０６において、水平方
向付Ｈｚに変換する。この水平方向付ｆｌａｘは次の（
６）式で表わされる。

次に遊脚時の足部運動、水平および垂直方向位置決定部
７０７は、位置条件設定部７０８からの条件、すなわち
ｔ＝ＱでＸ＝Ｏ，ｔ＝−でＸ＝２Ｓ、ただしＳは歩幅Ｈ
の−と前記（６）式とにもとづいて、次の演算を行う、
すなわち、１＝０でｘ＝ｃ）＝Ｃ よって Ｃ２０ ・・・　（７） ・・・　（８） となり、速度ＶＢは となるので、（１０）式を（９）式に代入し、Ａ、を求
ぬると、 ８πｖＢ Ａ、＝ ・・・（１１） となる。このＡ、を（６）式に代入することにより、水
平方向位置Ｘは となる。参考までに（１１）式を（５）式および（６）
式に代入することにより、加速度ａ８および速度Ｖｘは
それぞれ（１３）式および（工４）式のように表わされ
る。

８　π ａ　ｙ　＝　Ｂ　ｍ−５ｉｎ　−ｔ ・・（１５） ど表わされる。ここでＢ、は係数である。

次に、加速度条件設定部７０２は遊脚時の足部運動、水
平および垂直方向加速度決定部７０１に対し、足部の床
面離脱時（１＝０）と着地時加速度を零に設定すると共
に、遊脚期間の中間へに遊脚期間における足部の垂直方
向の運動について説明する。

遊脚状態における足部３Ｆ、４Ｆの垂直方向の加速度変
化を第６＠に示す。この加速度の変化特性は遊脚時の足
部運動、水平および垂直方向加速度決定部７０１で決定
される。そして、第３図に示す胴部２の水平運動を停止
した胴部の座標系において、足部の運動を記述した場合
、足部の垂直方向加速度ａツは、 も、その垂直方向加速度が零になるように設定する。さ
らにこの遊脚期間はサイン曲線で結んだ特性となってい
る。そして、 ｔ＝Ｑからｔ＝−まで 初期位置と進む方向が逆の運動として把えることができ
るので、ここでは１＝０がらｔ＝−までについて述べる
。

加速度積分部７０３は前記（１５）式を積分して、垂直
方向速度ｖｙを求める。この垂直方向速度ＶＦは となる。

次に遊脚時の足部運動、水平および垂直方向速度決定部
７０４は速度条件設定部７０５がらの速度条件、すなわ
ち足部３Ｆ、４Ｆの床面離脱時ように速度を零にする条
件により、次の演算を行う、すなわち、 となる。この（１８）式はｔ＝−でｖｙ＝ｏを満足して
いる。このときの垂直方向速度の変化を第７図に示す。

次に速度積分部７０６は垂直方向位Ｍｙを次の（１９）
式により求める。

・・・（１９） その次に遊脚時の足部運動、水平および垂直方向位置決
定部７０７は、位置条件設定部７０８からの位置条件、
すなわち、１＝０でＯ＝Ｃ，ｔ＝Ｔでｙ＝ａ、ただし足
上げ高さＧは歩行パターンパラメータ８０から よって垂直方向速度Ｖｙは（１６）式と（１７）式とに
より として与えられる条件により、垂直方向位置は次の式に
より決定する。

参考まで、垂直方向加速度ａｙおよび垂１ｈ、力向速度
Ｖｙはそれぞれ（１８）式および（１９）式にもとづき
、次の式より求められる。

の垂直方向位Ｗ！ｔｙは次の式により求められる。

上述により得られる遊脚期間における足部３Ｆ。

４Ｆの時間に対する水平ノ１向Ｘおよび垂直り向Ｙの位
置変化をそれぞれ第８図および第９図に示す。

これらの図に示される位置変化曲線はＸ軸を時間゛ｒの
変化としＹ軸を水平方向および垂直力向の位置変化とし
た場合に、サイクロイド曲線となっている。

そして、このように決定された遊脚期間における足部の
水平方向と垂直方向との運動を大地座標系の軌跡に置換
えると、第１０図に示すようになり、また胴部の位置を
固定した胴部固定座標系の軌跡に置換えると、第１！図
に示すようになる。この第１４図に示す軌跡は歩行脚３
，４の各関節部を駆動して得られる足部３Ｆ、４Ｆの軌
跡である。

次に、遊脚時の足部運動、水平および垂直方向位置決定
部７０７で得られた足部の運動は、目標関節角演算部１
００に加えられる。これにより、目標関節角演算部１０
０はさらに立脚時定部位置発生部７１からの立脚時の足
先位置と胴部の運動軌跡生成部６０からの例えば胴部の
等遠点線運動と、データベース９０からの歩行脚３，４
の寸法、各関節の位置とにより、各関節部の目標関節角
を求める。この目標関節角は目標関節角記憶部１１０に
記憶され、歩行周期発生部１２０からの歩行周期により
脚間動制御部５に出力される。これにもとづき１脚駆動
制御部５は歩行脚３，４の各関節部を駆動し、歩行脚３
，４を歩行動させる。

上述のように、足部３Ｆ、４Ｆの遊脚時の加速度と速度
を、立脚時との境界条件を満足するように決定すること
で１足部３Ｆ、４Ｆの着地時および地面からの離脱時に
、床面と足部３Ｆ、４Ｆとの相対運動が無く、床面との
衝突による水平および垂直方向の反力の発生を抑えるこ
とができる。

また、足部３Ｆ、４Ｆの加速度の変化を滑らかにするこ
とができるので、足部３Ｆ、４Ｆの振動が抑えられると
共に、各関節部の回転角加速度の変化も滑らかになるた
め、目標軌跡への追従性が良く、各関節部のトルク変化
も滑らかになる。このことはアクチュエータのトルク性
能、加速性能の面から高性能なものを必要とせず、アク
チュエータの重量を軽減し１歩行機械の軽量化にも効果
がある。さらに、着地時および床面からの離脱時に床面
からの反力を小さくすることができることは、歩行機械
への負荷が小さくなるため１歩行機械の軽量化、長寿命
化を図ることができる。さらに着地時および地面からの
離脱時に加わる床反力は、歩行機械の歩行時の姿勢の安
定性に対して外乱として働くため、これを小さくできる
ことは歩行機械を安定に歩行させることができる。また
、歩行機械が歩行時安定性を失ったとき、足部の着地お
よび床面離脱点近くの速度は小さくなっているため、床
面と足部との衝突による衝撃が小さく、その後、胴部を
安定状態に復帰させることができる。

上述の実施例は立脚時における足部の水平および垂直方
向の位置速度、加速度を、遊脚時のそれと合致させるよ
うにしたものであるが、足部の軌跡から足部の運動を決
める方策がある。この方策の１つとしては足部の軌跡を
楕円の円周の一部に沿って移動させるものである。この
実施例においては、前述した第２図に示す実施例におけ
る足部の運動軌跡生成部７０の構成を、第１２図に示す
ようにすることによって可能である。この第１２図にお
いて、第２図と同符号のものは同一部分である。遊脚時
定部位置発生部７００は、遊脚時の足部の運動を設定す
る遊脚時の足部運動、水平および垂直方向位置設定部７
１０と、立脚状態と遊脚状態との切り換え時における足
部の水平および垂直方向の位置の値を、前述の遊脚時の
足部運動。

水平および垂直り同位置決定部７１０に入力設定する位
置条件設定部７１１と、遊脚時の足部運動。

水平および垂直方向位置決定部７１０からの各位置を時
間で微分し速度を求める位置微分部７１２と、遊脚時の
足部運動、水平および垂直方向速度を時間の関数で決定
する遊脚時の足部運動、水平および垂直方向速度決定部
７１３と、立脚状態と遊脚状態との切り換え時における
足部の水平および垂直の速度の値を、前記遊脚時の足部
運動、水平および垂直方向速度決定部７１３に入力設定
する速度設定部７１４と、遊脚時の足部の水平および垂
直り同位置を求める遊脚時の足部水平および垂直方向位
置決定部７１５とで構成されている。

この遊脚時の足部水平および垂直方向位置決定部７１５
には歩行パターンパラメータ発生部８０が接続されてい
る。

次に上述した実施例の動作を説明する。

この実施例における足部３Ｆ、４Ｆの移動軌跡は楕円の
一部を構成しており、その−例を第１３図にボす。胴部
２の運動は前述の実施例と同様に床面と１Ｆ行な等速運
動とする。１歩の歩行周期を１゛秒とし、立脚時および
遊脚時は５０％ずっとする。そして、第１３図に示す楕
円を媒介変数Ｔの式で表示すると、 ｘ　＝　Ｌ　ＣｏＳ’Ｐ　　　　　　　　　　　　　　
・＝　（２５）ｙ　　＝　　Ｒｃｏｓ　Ｙ’　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　−（２６）となる。ここでＬは楕円の
長径を、Ｒは短径を示す。そして、遊脚中のでの変化を
一定として、第１３図に示すように座標軸を設定し、時
刻ｔ、　＝　Ｑで点］０１から足部の床面離脱動作が始
まり、時刻ｔ；−で点１０３で着ｔ（！ｌ！ｌ！ｌＪ作
をする場合の足部の運動を次式に示す。

上記（２７式）および（２８）式の演算は遊脚時の足部
運動、水平および垂直方向位置決定部７１０で行われる
。

次に足部の速度は位置微分部７１２において上記（２７
）式、（２８）式の微分が行われる。その微分結果は次
の式のようになり、遊脚時の足部運動、水平および垂直
方向速度決定部７１３に設定される。

ここで、Ｏは楕円の弧上の点１０３を決める定数である
。

次に、遊脚時の足部運動、水平および垂直方向速度決定
部７１３は、速度条件設定部７１４からの設定条件すな
わち１＝０とｔ＝−でＶ　Ｘ　＝　−Ｖ　Ｂとする条件
により、θの値が次式を満たすように速度を演算する。

ここで　Ｌ　＝　Ｓ　ｌ／　ｃｏｓ　ｆ）　　　　　　
　　　−（３２）Ｒ＝Ｇ／（ｓｉｎｏ＋１　”）　　　
　　　　−（３３）である。Ｓｌは胴部２を固定した時
の足部の歩幅次に、遊脚時の足部水平および垂直方向位
置決定部７１５は、前述した（２７）式、　（２８）式
にもとづいて足部の位置を演算する。この演算結果は前
述した実施例と同様な動作により、脚駆動制御部５に加
えられ、歩行脚３，４は歩行動する。

そして、大地座標系に対する足部の軌跡を第１４図に示
す６足部の水平方向位置の時間に対する変化を第１５図
に、足部の垂直方向位置の時間に対する変化を第１６図
に、足部の水平方向速度の時間に対する変化を第１７図
に示す。この第１７図から分かるように、足部３Ｆ、４
Ｆが床面離脱時と着地時に水平方向の速度が零となり、
立脚運動と接続している。

この実施例では、足部３Ｆ、４Ｆが床面と接する瞬間に
水平方向の床に対する相対速度が零となるため、床面接
触による衝撃力を抑えることができる。また、第１４図
に示すように床面に対する足部３Ｆ、４Ｆの進入角をよ
り大きく構成しているため、胴部２が傾いて着地の時刻
が遅れても水平方向の位置ずれが少なく、足部の引きず
りや、立脚中にある他の足部との間に水平り向の内力の
発生の量を小さく抑えることができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、遊脚と立脚との切
り換え時に、足部の速度成分が連続となるように構成し
たので、足部の着地時または離脱時、これらの間での衝
撃力を小さく抑えることができる。その結果１歩行機械
を安定に歩行させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の一実施例を儂えた歩行機械の全
体構成図、第２図は本発明の装置を構成する足部の運動
軌跡生成部の一例の構成を示す図、第３図は歩行機械に
おける１つの歩行脚の歩行形態を示す図、第４図は第１
図に示す実施例における歩行脚の足部の水平方向加速度
変化を示す図。 第５図は足部の水平方向速度変化を示す図、第６図は足
部の垂直方向加速度変化を示す図、第７図は足部の垂直
方向速度変化を示す図、第８図は足部の水平方向位置変
化を示す図、第９図は足部の垂直方向位置変化を示す図
、第１０図は大地座杼系における足部の移動軌跡図、第
１１図は胴部固定座標系における足部の移動軌跡図、第
１２図は本発明の装置を構成する足部の運動軌跡生成部
の他の例の構成を示す図、第１３図は第１２図に示す実
施例の胴部固定座標系における足部の移動軌跡図、第１
４図は大地座標系における足部の移動軌跡図、第１５図
は足部の水平方向位置変化を示す図、第１６図は足部の
垂直方向位置変化を示す図、第１７図は足部の水平方向
速度変化を示す図である。 １・・・歩行機械、２・・・胴部、３，４・・・歩行脚
、５・・脚暇動制御部、６・・・運動軌跡生成部。 特許出願人　工業技術院長　飯塚幸三 革 ？ 図 ７θ 草 茅 μ 閉 久Ｘ Ｘ 第　５図 拓 閃 革 葛 図 累 区 草 凶

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、脚駆動制御部によつて歩行脚の関節部を制御し、こ
   の歩行脚によつて歩行する歩行機械において、前記歩行
   脚の立脚時と遊脚時との切り換え時の足部の速度が連続
   する足部の運動軌跡を生成する足部の運動軌跡生成部と
   、前記足部の運動軌跡生成部からの足部の運動軌跡を目
   標関節角に演算し、これを前記脚駆動制御部に出力する
   目標関節角演算部とを備えたことを特徴とする歩行脚運
   動軌跡制御装置。 ２、前記足部の運動軌跡生成部は、立脚時と遊脚時との
   切り換え時の足部の速度を零に設定していることを特徴
   とする請求項１記載の歩行脚運動軌跡制御装置。