JPH04201185A - 脚式移動ロボットの歩行制御装置 - 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） 本発明は脚式移動ロボットの歩行制御装置に関し、より
具体的には２足歩行等の脚式移動ロボットにおいて、脚
部リンクの着地時にコンプライアンス制御を行って路面
に良（倣わせつつ接地させる様にした脚式移動ロボット
の歩行制御装置に関する。

（従来の技術及び発明が解決しようとする課題脚式移動
ロボットが歩行する場合、遊脚が着地する際には相当な
衝撃力が路面から加わり、歩行の安定性を損なうことに
なる。そこで本出願人は先に特願平１−２９７１９９号
において、着地衝撃の緩和手法として、脚部リンク内に
路面からの衝撃による足首モーメントを検出する手段を
備え、足関節駆動モータにそのモーメントの大きさに比
例した速度指令を与えて倣い動作をさせるものを提案し
ている。これはインピーダンス制御を速度分解制御で実
現した仮想コンプライアンス制御の考えを利用するもの
であったが（「多自由度ロボットの仮想コンプライアン
ス制御」（計測自動制御学会論文集、ＶＯＬ、２２．　
ＮＯ，３，昭和６１年３月）、この提案した技術によれ
ば、着地時の衝撃は満足のいくレベルまで吸収され、ロ
ボットの歩行の安定化に大いに寄与しているが、それで
も尚、次の様な問題があった。

即ち、歩行速度を上げる乃至はロボットに重量物を搭載
して歩行させると着地時の衝撃が大きくなり、倣いの動
作速度が早い場合には着地の瞬間の衝撃吸収は良く行わ
れるものの、足裏部が地面に衝突する速度も早まり、あ
たかも地面を叩く様な現象を生じ、総合的に見た場合の
衝撃吸収効果は却って悪化する。逆に倣い動作が遅いと
、着地の瞬間の衝撃吸収が円滑に行われないことになり
、やはり衝撃の吸収は不十分となる。即ち、倣い速度が
一定のまま着地させる限り、どの様に倣い速度を調節し
ても上記の高速歩行の場合乃至：よ重量物搭載の場合等
には衝撃の吸収が不十分となる。

従って、本発明の第１の目的は上記倣い動作を行わせる
制御装置において、低速から高速まであらゆる速度領域
をカバーすることができ、重量物を搭載する場合である
と否と、いずれにも対応することができて衝撃吸収が一
層良く行われる脚式移動ロボットの歩行制御装置を提供
することにある。

更に、着地衝撃の吸収緩和のために倣い動作を行う制御
から倣い動作を行わない次の位置制御に移行する際に、
先行出願に係る制御装置においては不連続に切り替えて
いたので、その不連続性のために滑らかな歩行の実現が
損なわれていた。

これは例えば切り替え時に爪先相当部位が浮いていた場
合、切り替えと同時に爪先相当部位が路面を叩くことに
なり、反対に踵相当部位が浮いていた際にはそれが路面
を叩くことになって、自ら衝撃を発生させるという欠点
があった。

従って、本発明の第２の目的は、衝撃吸収制御から次の
位置制御への切り替えに際しても滑らかに移行させるこ
とができる脚式移動ロボットの歩行制御装置を提供する
ことにある。

更にまた、上記した出願に係る制御装置においては、衝
撃吸収制御は着地信号が入力されて初めて行われる様に
構成されていた。そのため、この制御装置においては、
遊脚期における脚部リンクが地面の突起に触れた様な場
合には、位置制御が行われている間であるため、所謂「
ｌＩＩに風」の様な柔軟な足関節の動きを期待すること
ができなかった。もし足関節がこのとき外力に対して従
順に倣うことができれば、その場合にロボットが受ける
衝撃は相当に緩和され、転倒する恐れを未然に回避する
ことができる。

従って、本発明の第３の目的は、遊脚期にも足関節の倣
い制御を可能としておき、上記の予想される事態にも対
応することができる脚式移動ロボットの歩行制御装置を
提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記した目的を達成するために、本発明は例えば請求項
１項において、ロボットの関節を目標位置に追従制御す
るサーボ機構を備え、該ロボ。

トに作用する外力に応じてその操作量を変えて倣い動作
させる制御装置において、前記ロボットが少なくとも１
個の関節を備えた脚部リンクを有してなるものであって
、該脚部リンクに作用する外力を検出してゲインを乗じ
て外力に倣わせると共に、該ゲインを経時的に変化させ
る如く構成した（作用） ゲインを経時的に変化させる様にしたので、その初期値
を比較的大きく設定することができ、低速歩行から高速
歩行に至るあらゆる歩行速度において、また搭載物の重
量の多寡を問わず、効果的に衝撃を吸収することができ
る。

（実施例） 以下、脚弐移動ロボットとして２足歩行ロボットを例に
とって本発明の詳細な説明する。第１回はそのロボット
１を全体的に示す説明スケルトン図であり、左右それぞ
れの脚部に６個の関節（軸）を備える。該６個の関節（
軸）は上から順に、腰の脚部回旋用の関節（軸）ＩＯＲ
，ｌ０Ｌ（右側をＲ１左側をＬとする。以下同じ）、腰
のピンチ方向の関節（軸）１２Ｒ，１２Ｌ、同ロール方
向の関節（軸）１４Ｒ，１４Ｌ、膝部のピッチ方向の関
節（軸）１６Ｒ，１６Ｌ、足首部のピッチ方向の関節（
軸）１８Ｒ，１８Ｌ、同ロール方向の関節（軸）２ＯＲ
，２ＯＬとなっており、その下部には足部２２Ｒ，２２
Ｌが取着されると共に、最上位には胴体部（基体）２４
が設けられ、その内部には制御ユニット２６が格納され
る。

上記において股関節は、関節（軸）ＩＯＲ（Ｌ）、１２
Ｒ（Ｌ）、１４Ｒ（Ｌ）から構成され、それらの軸線は
全て１点で交差する様に構成される。また関節（軸）１
８Ｒ（Ｌ）、２０Ｒ（Ｌ）から構成される足関節も軸線
が互いに直交する様にされており、さらに前記した３本
のピッチ方向の関節（軸）１２Ｒ（Ｌ）、１６Ｒ（Ｌ）
、１８Ｒ（Ｌ）は相互に平行に配置され、その相対位置
関係は他の関節（軸）の挙動に関わらず、常に変わらな
い構成となっている。図示の如く、片側の脚について６
つの自由度を与えられ、胴体部２４を固定しても足部２
２Ｒ（Ｌ）を任意の位置で任意の方向に置くことができ
る構成とされる。即ち、歩行中にこれらの６Ｘ２＝１２
個の関節（軸）をそれぞれ適宜な角度に駆動することで
、脚全体に所望の動きを与えることができ、任意に３次
元空間を歩行することができる。尚、股関節と膝関節と
の間は大腿リンク２７Ｒ，２７Ｌで、膝関節と足首関節
との間は下腿リンク２８Ｒ，２８Ｌで連結される。

これらの関節は主として電動モータとその出力を倍力す
る減速機とから構成される。以下に第２図及び第３図を
参照して膝関節以下の部位についてその詳細を説明する
が、腰関節も類似した構造である。尚、左右対象である
ため、以下の説明では右脚側について行う。第２図にお
いて大腿リンク２７Ｒの中途位置に取着された電動モー
タ（図示せず）の出力が、ヘルド８２を介して膝関節（
軸）１６Ｒに装着されたハーモニック減速機８４の入力
軸に入力される。また下腿リンク２８Ｒの上端側にも凹
部８７が形成され、そこに電動モータ８８が収納され、
その出力は・ベルト９０を介して足首部に配置されたハ
ーモニック減速機９２に入力され、足部２２Ｒを前記し
た軸線１８Ｒを中心としてピッチ方向に駆動する。また
軸線１８Ｒと直交する前記した軸線２ＯＲを中心として
足部２２はロール方向に揺動自在に構成されており、そ
のためにハーモニック減速機９４と、それに動力を供給
する電動モータ９６とが直結されて設けられる。各電動
モータにはロータリエンコーダが設けられ、モータ軸の
回転角度を検出する（図には電動モータ８８用のロータ
リエンコーダ８９のみ示す）。

而して足首部には６軸カセンサ９８が設けられ、足部を
介してロボットに伝達されるｘ、ｙ。

Ｚの３方向成分とモーメントの３方向成分とを分離して
別々に測定し、足部の着地の有無と支持脚に加わる力の
大きさと方向とを検出する。また略平坦に形成され、着
地時の衝撃を吸収するためにゴム等の弾性材２２０を備
えた足底部の四隅には公知の接地スイッチ９９が設けら
れて、接地の有無を検出する（第２図乃至第３図で図示
省略）。

更に、第１図に示す如く、胴体部２４の適宜位置には、
一対の傾斜センサ１００．１０２が設置され、ｘ−ｚ平
面内のＺ軸に対する傾きとその角速度、同様にｙ−ｚ平
面内のＺ軸に対する傾きとその角速度を検出する。これ
らの出力は前記した胴体部２４内の制御ユニット２６に
送られる。

第４図は制御ユニット２６の詳細を示すブロック図であ
り、マイクロ・コンピュータから構成される。そこにお
いて傾斜センサ１００，１０２等の出力はＡ／Ｄ変換回
路１０４でデジタル値に変換され、その出力はハス１０
６を介してＲＡＭ１０８に送られる。またエンコーダ８
９等の出力、はカウンタ１１０を介してＲＡＭ　１．０
８内に入力されると共に、接地スイッチ９９等の出力は
波形整形回路１１２を経て同様にＲＡＭ１０８内に格納
される。制御ユニット内ムこはＣＰＵ１１４が設けられ
ており、ＣＰＵ１１４は後述の如く、格納されている歩
行データを読み込んでカウンタ１１０から送出される実
測値との偏差から速度指令値を算出し、Ｄ／Ａ変換回路
１１８を介してサーボアンプ１２０に送出する。また図
示の如く、エンコーダ出力はＦ／Ｖ変換回路１２２を介
してサーボアンプに送出されており、マイナーループと
しての速度フィードパ・ンク制御が実現されている。

尚、符号１２８は進路、歩幅等の歩容変更指令用のジョ
イスティックを、符号１３０は原点（直立）姿勢決定用
の原点スイッチを、符号１３２はオーバラン防止用のリ
ミットスイッチを示す。

以下、第５図フロー・チャートを参照して本制御装置の
動作を説明する。尚、同図に示す制御ニオイては目標関
節角度を予めオフラインで設定しておくと共に、前記し
た如く仮想コンプライアンス制御手法を用いることを前
提とする。

先ずＳＩＯで装置各部をイニシャライズした後、Ｓ１２
で歩行パターンｉ　θｔを検索する。これはロボットが
理想的に平坦でかつ硬さも均一な路面を歩行するときの
各関節角の目標値を示す。

ここで添字ｉは関節の番号を示し、添字は時刻むのとき
の角度を示す。関節の番号は下から順に、２０Ｒ＝１．
２０Ｌ＝２．、、　　とする。これらの時系列データは
予め大型コンピュータで算出巳でおき、前記した制御ユ
ニット内のマイクロ・コンピュータのＲＯＭ１１６に格
納しておく。

続いてＳ１４でパラメータＫｐ、　Ｋｖ、、、を入力す
る。これらはフィードパンク・ゲインであり、詳細は後
述する。続いてＳ１６でタイマ値ｔ、カウンタ値Ｃ０Ｕ
ＮＴ及び関節番号（カウンタ）値を零にリセットし、８
１８で歩行を開始し、Ｓ２０で関節番号ｉをカウントす
るカウンタ値を１にセットする。次いでＳ２２でセット
した関節番号に該当する関節角度ｉ　θｔ　　（ｉ−１
）等のパラメータをメモリから読み出す。ここでｉ　θ
ｔ　＋１は現在の時刻りの次の時刻、即ち次回のプログ
ラム起動時の目標関節角度を示す。ωＤｔは目標角速度
（後述）を示す。Ｆｔ　　（ω−）は両足支持期、Ｆｔ
　　（ωＳ）は片足支持期、Ｆｔ（Ｃ）は衝撃吸収制御
期を示すフラグであり、前記したマイクロ・コンピュー
タにおいて６軸カセンサ等の出力から判定され、当ａ亥
期間にあるときそのビットが１にセットされる。

次いで、Ｓ２４において傾斜センサ等の検出値を読み込
む。ここでｉ　θＲはｉ番目（この例では回路２２Ｒ）
の関節の実際の関節角度を、ωＲは実際の傾斜角速度を
、Ｍは足部に加わる実際のモーメントを示す。次いで３
２６において位置フィードバンク制御値ｉＶ１を算出し
、Ｓ２８において速度フィードバック（フォワード）制
御値ｉＶ２を算出する。即ち、第６図に示す如く、本制
御においては関節角度の指令値ｉθｔと実際の関節角度
ｉθＲとの偏差へ〇に比例ゲインｋｐを乗じた位置フィ
ードバック値と、時刻ｔのときの関節角度指令値ｉθｔ
と時刻ｔ’＋１のときの関節角度指令値ｌθｔ　＋１と
の偏差にゲインを乗じたフィードフォワード値を加えた
速度指令値をサーボアンプ１２０に出力する。尚、第６
図は足関節を除く関節についてのブロック線図であり、
足関節は第７図ブロック線図に示す様に倣い制御に基づ
く制御値等もフィードバックされるが、それについては
後述する。

続いてＳ３０において関節番号ｉが４以内か否か、即ち
足関節の制御値を算出中か否か判断し、この場合には当
然に肯定されてＳ３２以陣に進んで先ず傾斜角速度フィ
ードバック等を実施する。具体的には、先ずＳ３２乃至
はＳ３４でフラグＦｔ　　（ω−）又はＦｔ　　（ωＳ
）のビット・オン、即ち両足支持期か片足支持期かを判
断し、判断結果に基づいて３３６又は３３８で第７図に
示す様に、目標傾斜角速度ωＤｔと実際の傾斜角速度ω
Ｒとの偏差Δωにゲインにωを乗して第３の速度フィー
ドバック制御値ｉＶ３を算出する。

これについて簡単に説明すると、本制御においてはコン
プライアンス制御と併せて、傾斜角速度が目標値から逸
脱したときはロボットが転倒する可能性がある、乃至は
外部から足関節にモーメントが加えられたと判断し、そ
の偏差に応して着地している側の脚の足関節を駆動して
接地反力を生ぜしめ、ロボットの姿勢の崩れを修正する
様にした。このゲインにωは、第８図（ａ）に示す両足
支持期と同図（ｂ）に示す片足支持期において、それぞ
れ図示の様に約束するものとする。即ち、第８図（ａ）
にはロボットを前後から見たときにロボットに働く傾斜
角速度偏差Δωの方向が例示されるが、斯る場合には傾
斜角速度偏差Δωの作用によって荷重が加わる方の足関
節２０Ｌのゲインの方向を図示の様にとるものと約束す
る。また同図（ｂ）には片足支持期のロボットを前後方
向から見た状態が示されており、このときには着地して
いる方の足関節２ＯＬが図示の方向に調節駆動される様
にゲインにωの符号を決める。尚、第５図フロー・チャ
ートにおいて両足支持期にも片足支持期にもないと判断
されるときは、Ｓ４０で制御値を零とする。

続いて３４２以下で仮想コンプライアンス制御値を決定
する。即ち、第９図に示す様に、ロボットの遊脚が離床
して着床するまでの所定時間ＴＣＯＭＰを衝撃吸収制御
期とし、３４２でその期間にあると判断されるときはＳ
４４に進み、そこでゲインｋｃをｋｃ　＝ｋｃｏｍｐＸ
　ｆ　（ｃｏｕｎｔ　）と算出し、Ｓ４６で検出したモ
ーメントＭに乗して第４の速度フィードバック値ｉＶ４
を算出しく第７図）、Ｓ４８で着地が検出されると３５
０でカウンタ値をインクリメントする。即ち、衝撃吸収
のゲインはカウンタ値Ｃ０ＵＮＴの関数として設定され
、第９図に示す様に着地と同時に経時的に逓減され、つ
いには零となる様に設定する。尚、Ｓ４２で衝撃吸収制
御期にないと判断されるときはＳ５２で制御値ｉＶ４を
零とし、Ｓ５４でカウンタ値を零にリセットする。

続いてＳ５６で算出した全ての制御値を加算して総和ｉ
ＶｃＯＭＭを求めてサーボアンプ１２０に出力し、３５
Ｂで関節番号カウンタをインクリメントし、Ｓ６０で最
終関節か否か判断し、否定されるときはＳ６２に進んで
次の目標関節角度１　θｔを検索するためにタイマ値り
をインクリメントし、Ｓ６４で歩行終了と判断されない
限り、各関節について連続的に制御値を決定する。

本実施例は上記の如く、仮想コンプライアンス（倣い制
御）において、ゲインｋｃを離床が検出されると同時に
設定し、着床が検出されると経時的に減衰する様に設定
した。即ち、先行出願においてはこのゲイン（ｋｐｌと
称した）を第９図に想像線で示す様に一定値に設定して
いたと共に、制御期間を着地から起算して所定期間ＴＯ
に限定していたのに対し、本発明においては経時的に減
衰する様に設定したことから、ゲインｋｃの初期値を大
きくとることが可能となり、高速歩行から低速歩行に至
るまでのあらゆる歩行速度において、また搭載する重量
物の多寡に関わらず、効果的に衝撃を吸収することがで
きる。

またこのゲインｋｃは離床と同時に設定され（即ち倣い
制御が開始され）、その比較的大きく設定された初期値
は着床するまで減衰しないので、遊脚期に脚部リンクが
予期しない障害物に接触しても、その時の衝撃を相当な
程度まで緩和することができる。

また着地の瞬間は未だこの大きなゲインのままであるの
で、着地の衝撃を効率良く吸収することができ、またそ
の後は急激にゲインを低下させていることから、結果的
に必要十分な吸収効果を奏すると共に、制御ハンチング
等が生しることがない。

また衝撃吸収制御期の終わりにはゲインｋｃを実質的に
零としているので、次の位置制御に円滑に移行させるこ
とができる。

尚、本発明を傾斜角速度フィードバンク制御と併せて用
いる例を示したが、本制御は基本的に独立した概念であ
り、それと別に実施することができる。但し、共に歩行
安定化を向上させる手段として有効であるので、併用す
るとき一層その効果を上げる。

また本発明をオフラインで目標関節角度（及び目標角速
度）を算出しておく場合を例にとって説明したが、これ
に限られるものではなく、リアルタイムに目標歩容デー
タを算出する場合にも妥当する。

更には本発明を２足歩行の脚穴移動ロボフトについて説
明したが、それに限られるものではなく、３足以上の脚
穴移動ロボフトにも妥当するものである。

（発明の効果） 請求項１項記載の脚穴移動ロボフトの歩行制御装置は、
ロボットの関節を目標位置に追従制御するサーボ機構を
備え、該ロボフトに作用する外力に応じてその操作量を
変えて倣い動作をさせる制御装置において、前記ロポ・
ノドが少なくとも１個の関節を備えた脚部リンクを有し
てなるものであって、該脚部リンクに作用する外力を検
出してゲインを乗じて外力に倣わせると共に、該ゲイン
を経時的に変化させる様に構成したので、衝撃吸収のゲ
インを比較的大きく設定することができ、高速歩行から
低速歩行に至るあらゆる速度領域において、また搭載す
る重量物の多寡に関わらず、効果的に衝撃を緩和するこ
とができる。

請求項２項記載の脚穴移動ロボフトの歩行制御装置は、
前記脚部リンクの着地の有無を検出する着地検出手段を
備えると共に、前記ゲインを着地が検出されたときから
変化させる様に構成したので、着地の瞬間は比較的大き
なゲインであることから、着地の瞬間の衝撃を効率良く
吸収することができる。またその後は経時的に変化する
ことから、結果的に必要にして十分な吸収効果を奏する
ことができ、制御ハンチングを生じることがない。

請求項３項記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置は、
前記ゲインを離床が検出されたときから所定の値に設定
すると共に、着地が検出されたときから変化させる様に
構成したので、前記した効果に加えて、遊脚期に予期し
ない障害物に接触したときも、それによって生しる衝撃
を効果的に緩和することができる。

請求項４項記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置は、
前記ゲインを倣い制御時期の終了と同時に実質的に零と
する様に構成したので、次の位置制御に円滑に移行させ
ることができ、滑らかな歩行を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る脚式移動ロボットの歩行制御装置
を全体的に示す概略図、第２図は第１図の膝関節以下の
部位を示す説明側面図、第３図はその■−■線部分断面
図、第４図は制御ユニットの説明ブロック図、第５図は
本制御装置の動作を示すフロー・チャート、第６図は足
関節を除く関節について第５図フロー・チャートに示さ
れる制御アルゴリズムを説明するブロック線図、第７図
は同様に足関節についての制御アルゴリズムを　２説明
するブロック線図、第８図（ａ）（ｂ）は第５図フロー
・チャートで使用される傾斜角フィードバック制御での
ゲインを説明する説明図及び第９図は第５図フロー・チ
ャートでの仮想コンプライアンス制御期とそこで使用さ
れるゲインの設定特性を示す説明図である。 １・・・脚式移動ロボット（２足歩行ロボット）、ＩＯ
Ｒ，ＩＯＬ・・・脚部回旋用の関節（軸）、１２Ｒ，１
２Ｌ・・・股部のピッチ方向の関節（軸）、１４Ｒ，１
４Ｌ・・・股部のロール方向の関節（軸）、１６Ｒ，１
６Ｌ・・・膝部のピ・ンチ方向の関ｗＪ（軸）、１８Ｒ
，１８Ｌ−・−足首部のピンチ方向の関節（軸）、２Ｏ
Ｒ，２ＯＬ・・・足首部のロール方向の関節（軸）、２
２Ｒ。 ２２Ｌ・・・足部、２４・・・胴体部、２６・・・制御
ユニット、２７Ｒ，２７Ｌ・・・大腿リンク、２８Ｒ，
２８Ｌ・・・下腿リンク、８４，９２．９４・・・ハー
モニンク減速機、８２．９０・・・ヘルド、８８．９６
・・・電動モータ、８９・・・ロークリエンコーダ、８
７・・・凹部、９８・・・６軸カセンサ、９９・・・接
地スイッチ、１００，１０２・・・１頃斜センサ、１０
４・・・Ａ／Ｄ変換回路、１０６・・・バス、１０８・
・・ＲＡＭ、１１０・・・カウンタ、１１２・・・波形
整形回路、１１４・・・ＣＰＵ、１１６・・・ＲＯＭ、
１１８・・・Ｄ／Ａ変換回路、１２０・・・サーボアン
プ、１２２・・・Ｆ／Ｖ変換回路、１２８・・・ジョイ
スティ、り、１３０・・・原点スイッチ、１３２・・・
リミソトスインチ、

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ロボットの関節を目標位置に追従制御するサーボ
   機構を備え、該ロボットに作用する外力に応じてその操
   作量を変えて倣い動作させる制御装置において、前記ロ
   ボットが少なくとも１個の関節を備えた脚部リンクを有
   してなるものであって、該脚部リンクに作用する外力に
   ゲインを乗じて外力に倣わせると共に、該ゲインを経時
   的に変化させる様に構成したことを特徴とする脚式移動
   ロボットの歩行制御装置。
2. （２）前記脚部リンクの着地の有無を検出する着地検出
   手段を備えると共に、前記ゲインを着地が検出されたと
   きから変化させる様に構成したことを特徴とする請求項
   １項記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置。
3. （３）前記ゲインを前記脚部リンクの離床が検出された
   ときから所定の値に設定すると共に、着地が検出された
   ときから変化させる様に構成したことを特徴とする請求
   項２項記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置。
4. （４）前記ゲインを倣い制御時期の終了と同時に実質的
   に零にすることを特徴とする請求項１項乃至３項のいず
   れかに記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置。