JPH05305583A

JPH05305583A - 脚式移動ロボットの歩行制御装置

Info

Publication number: JPH05305583A
Application number: JP13788092A
Authority: JP
Inventors: Toru Takenaka; 透竹中; Masao Nishikawa; 正雄西川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1992-04-30
Filing date: 1992-04-30
Publication date: 1993-11-19
Anticipated expiration: 2016-05-21
Also published as: JP3167420B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【構成】予め設定された歩行パターンデータを用いる
２足歩行式脚式移動ロボットの歩行制御装置であって、
ＺＭＰ（歩行するとき床反力によるモーメントが零とな
る床面上の点）を目標位置に一致させる様に脚部関節を
駆動すると共に、上体の傾斜を検出し、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。【効果】予期しない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で
きる。またＺＭＰが目標位置に制御できるので、両脚支
持期において吐き出し速度を変更しても支障ない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は脚式移動ロボットの歩
行制御装置に関し、より具体的には予期しない凹凸があ
っても安定に歩行できる様にしたものに関する。

【０００２】

【従来の技術】脚式移動ロボットとしては例えば、特開
昭６２−９７００６号公報記載の２足歩行のものが知ら
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】脚式移動ロボットは、
車輪式、クローラ式などの他の形態のロボットに比較し
て支持多角形の変化が大きいことから、姿勢が不安定に
なりやすく、特に２足歩行ロボットの場合にはそれが顕
著となる。２足歩行ロボットであっても、予め歩行デー
タを設定せずに歩行の途中においてリアルタイムに環境
を認識して移動するものであれば、床に凹凸などがあっ
ても安定した姿勢で歩行することができるが、予め所定
時刻ごとに設定された時系列データに基づいて歩行する
ものにあっては、床に予期しない凹凸があると、姿勢を
崩して不安定になりやすい。

【０００４】その対策として、歩行データの所定時刻、
即ち、歩容関数の吐出速度を姿勢の不安定度に応じて変
えることが考えられる。即ち、図１０に示す様に、２足
歩行ロボットが正常に前進歩行をおこなっているときに
は、腰と支持脚足平とを結んだ直線と上体がなす角度θ
１は、時間に関して単調に増加する関数となっている
（但し、図においてその極性を正と見る）。一方、腰と
支持脚足平を結んだ直線と鉛直線とがなす角度θ２も、
同様にその極性を正とみるとき、時間に関する単調増加
関数となっている。この２つの回転が相殺し合うことに
より、床から見た上体姿勢は、前後どちらにも倒れず
に、ほぼ水平を維持する。即ち、θ２−θ１がほぼ一定
値を保つ。ここで、歩容関数の吐出速度を基準速度より
速くすると、θ１の速度が基準より速くなり、上体が床
から見て後ろに傾く。即ち、この効果を利用すれば、前
に倒れそうになったときには歩容関数の吐出速度を基準
速度より速くし、逆に後ろに倒れそうになったときには
歩容関数の吐出速度を基準速度より遅くすることによ
り、上体の姿勢を安定に保つことができる。この姿勢安
定化効果は、次に着地してから発揮されるものではな
く、即効性がある。勿論、着地タイミングが変わること
による安定化効果も期待できる。

【０００５】しかしながら、この手法によるときは一つ
問題がある。即ち、片脚支持期であれば、支持脚足首に
適宜なコンプライアンス制御、例えば本出願人が本願と
同時に出願した中で提案する様な脚のコンプライアンス
制御を行うことにより、足首と床とがなす角度が多少変
化しても、外力の作用中心であるＺＭＰの位置はほとん
ど変化しない（ここで「ＺＭＰ」は、床反力によるモー
メントが零となる床面上の点を意味する）。従って、ロ
ボット質量の大半を占める上体の重心挙動もほとんど変
化しない。即ち、θ２の挙動は、歩容関数の吐き出し速
度を変えてもほとんど変化しない。それに対し、両脚支
持期にあっては、上体の姿勢を維持しながら歩容関数の
吐き出し速度を基準速度より速くしようとすると、図９
に示される様な力の釣り合いから、ＺＭＰは設計位置よ
りも後方に移動しようとする。換言すれば、片脚支持期
ではＺＭＰが後方に移動できないため、前記の様な姿勢
変化を起こさせることができるが、両脚支持期において
は着地時に提案したコンプライアンス制御を足首に行っ
ていても、足平が上下前後方向に突っ張っているため、
ＺＭＰの位置は後ろの足平まで移動可能である。そのた
め、歩容関数の吐出速度を基準速度より速くしたことに
よる上体の前方方向加速度があまり大きくなければ、重
力と慣性力との合力ベクトルの延長線上に床反力ベクト
ルが移動することができ、上体の姿勢は現状を維持す
る。即ち、歩容関数の吐出速度を変えても、片脚支持期
の様には上体の姿勢を制御することができない。また歩
容関数の吐出速度を基準速度より速くすると、ＺＭＰが
後方に移動してロボットを加速してしまうため、その後
の片脚支持期にかえって倒れやすくなってしまうことが
ある。

【０００６】従って、この発明の目的は、予め所定時刻
ごとに設定した時系列データに基づいて歩行する脚式移
動ロボットにおいて、予期しない床の凹凸に遭遇して
も、片脚支持期であると両脚支持期であるとを問わず歩
行の全局面において常に安定した姿勢を維持できる様に
した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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ためにこの発明は例えば請求項１項に示す如く、複数本
の脚部を備える脚式移動ロボットの歩行制御装置で、予
め設定された歩行パターンデータに基づいて歩行制御す
るものにおいて、該脚部が歩行時に床と接触して生じる
床反力の作用点たるＺＭＰを検出して目標値に一致する
様に脚部関節を駆動すると共に、該ロボットの上体の実
傾斜角度及び／又は実傾斜角速度を検出し、検出値に応
じて前記歩行パターンデータの吐き出し速度を変える様
に構成した。

【０００８】

【作用】傾斜角度及び／又は傾斜角速度を検出して歩行
データの設定時刻を変更することから、即ち、歩容関数
の吐出速度を変更することから、予期しない凹凸などに
遭遇して姿勢が不安定となったときも、先に述べた理由
から安定した姿勢を回復することができる。また併せ
て、ＺＭＰが目標値に一致する様に制御することから、
歩容関数の吐出速度を変更してもＺＭＰ実測位置（実測
床反力の中心点）が常にＺＭＰ目標位置（設定値で想定
した床反力の中心点）の近辺に保持され、両脚支持期に
おいて姿勢がかえって不安定になることはない。

【０００９】

【実施例】以下、脚式移動ロボットとして２足歩行のロ
ボットを例にとってこの発明の実施例を説明する。図１
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リンク２に６個の関節を備える
（理解の便宜のために各関節をそれを駆動する電動モー
タで示す）。該６個の関節は上から順に、腰の脚部回旋
用の関節１０Ｒ，１０Ｌ（右側をＲ、左側をＬとする。
以下同じ）、腰のロール方向（ｘ軸まわり）の関節１２
Ｒ，１２Ｌ、同ピッチ方向（ｙ軸まわり）の関節１４
Ｒ，１４Ｌ、膝部のピッチ方向の関節１６Ｒ，１６Ｌ、
足首部のピッチ方向の関節１８Ｒ，１８Ｌ、同ロール方
向の関節２０Ｒ，２０Ｌとなっており、その下部には足
平２２Ｒ，２２Ｌが取着されると共に、最上位には上体
（筐体）２４が設けられ、その内部には制御ユニット２
６が格納される。

【００１０】上記において腰関節は関節１０Ｒ（Ｌ），
１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）から構成され、また足関節
は、関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）から構成される。
また、腰関節と膝関節との間は大腿リンク３２Ｒ，３２
Ｌで、膝関節と足関節との間は下腿リンク３４Ｒ，３４
Ｌで連結される。ここで、脚部リンク２は左右の足につ
いてそれぞれ６つの自由度を与えられ、歩行中にこれら
の６×２＝１２個の関節（軸）をそれぞれ適宜な角度に
駆動することで、足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様に構成
される。先に述べた様に、上記した関節は電動モータか
らなり、更にはその出力を倍力する減速機などを備える
が、その詳細は先に本出願人が提案した出願（特願平１
−３２４２１８号、特開平３−１８４７８２号）などに
述べられており、それ自体はこの発明の要旨とするとこ
ろではないので、これ以上の説明は省略する。

【００１１】図１に示すロボット１において、足首部に
は公知の６軸力センサ３６が設けられ、足平を介してロ
ボットに伝達されるｘ，ｙ，ｚ方向の力成分Ｆｘ，Ｆ
ｙ，Ｆｚとその方向まわりのモーメント成分Ｍｘ，Ｍ
ｙ，Ｍｚとを測定し、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。また足平２２Ｒ
（Ｌ）の四隅には静電容量型の接地スイッチ３８（図１
で図示省略）が設けられて、足平の接地の有無を検出す
る。更に、上体２４には傾斜センサ４０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。また各関節の電動モータには、その回転量を検出す
るロータリエンコーダが設けられる。更に、図１では省
略するが、ロボット１の適宜な位置には傾斜センサ４０
の出力を補正するための原点スイッチ４２と、フェール
対策用のリミットスイッチ４４が設けられる。これらの
出力は前記した上体２４内の制御ユニット２６に送られ
る。

【００１２】図２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４０などの出力はＡ／Ｄ変
換器５０でデジタル値に変換され、その出力はバス５２
を介してＲＡＭ５４に送られる。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５６を介
してＲＡＭ５４内に入力されると共に、接地スイッチ３
８などの出力は波形整形回路５８を経て同様にＲＡＭ５
４内に格納される。制御ユニット内にはＣＰＵからなる
第１、第２の演算装置６０，６２が設けられており、第
１の演算装置６０は後述の如くＲＯＭ６４に格納されて
いる腰の姿勢の軌跡の特徴などを表すパラメータを読み
だして基準歩容を生成し、次いでそれから目標関節角度
（関節駆動パターン）を算出してＲＡＭ５４に送出す
る。また第２の演算装置６２は後述の如くＲＡＭ５４か
らその目標値と検出された実測値とを読み出し、各関節
の駆動に必要な制御値を算出してＤ／Ａ変換器６６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。

【００１３】続いて、この制御装置の動作を説明する。

【００１４】図３はその動作を示す構造化フロー・チャ
ート（ＰＡＤ図）である。同図を参照して説明すると、
先ずＳ１０においてタイマ割り込み起動が行われる。こ
れは一定時間ごとに行われる。

【００１５】続いて、Ｓ１２に進んで予め設定されてい
る時系列データのうち、時刻τの腰の位置を表すパラメ
ータから腰の姿勢（即ち、腰の傾きと向き）を算出す
る。次いでＳ１４において同一時刻のＺＭＰ軌道の特徴
を表すパラメータから運動方程式により導かれるＺＭＰ
目標位置を算出する（ＺＭＰ軌道が折れ線表現で表され
ているときは、特徴を表すパラメータも折点座標で与え
られる）。次いでＳ１６において同一時刻の足平軌道の
特徴を表すパラメータ、例えば着地位置、片脚支持期時
間から両足平の位置、姿勢を算出する。この様に、Ｓ１
２からＳ１６は基準歩容を作成する作業を示しており、
この実施例の場合には前述の如く、腰の姿勢の軌跡の特
徴などを表すパラメータが歩容の列のデータとして予め
設定されており、それから腰、ＺＭＰ、足平の位置・姿
勢などの軌道を算出して基準歩容とする。尚、ここで時
刻τは図示の式で与えられるが、これについては後述す
る。

【００１６】次いで、Ｓ１８に進んで脚コンプライアン
ス制御値の演算を行う。図４はその作業を示すサブルー
チン・フロー・チャートである。

【００１７】図４に従って説明を開始する前に、図５を
参照して脚コンプライアンス制御について説明する。

【００１８】ロボットは、ロボットから床に作用する力
（ロボットの重力と慣性力の合力）と床からロボットに
作用する床反力とが釣り合っていれば、ロボットは安定
に歩行する。これを集中荷重系におきかえて説明する
と、ＺＭＰ実測位置がＺＭＰ目標位置に一致しており、
ＺＭＰ目標位置まわりにモーメントが生じていなけれ
ば、ロボットは安定に歩行する。従って、この制御にお
いては、両脚に取りつけた６軸力センサ３６から、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
検出されたときは、床と足平の関係を一定に保ったまま
ＺＭＰ目標位置を回転中心として床を仮想的に傾斜させ
た形に足平の姿勢を修正する様にした。この結果、図示
例の如くＺＭＰが前側にずれたときは後ろの足平を床
（実線）を強く蹴ることとなってＺＭＰ目標位置まわり
に逆方向のモーメントを生じさせて検出されたモーメン
トを打ち消し、ＺＭＰ目標位置まわりにモーメントを生
じさせない様にする、即ち、ＺＭＰ実際位置とＺＭＰ目
標位置とを一致させる。かかる制御をこの明細書では
『脚コンプライアンス制御』と呼ぶ。即ち、この明細書
では脚コンプライアンス制御は、ＺＭＰ目標位置とＺＭ
Ｐ実測位置とのずれを解消する制御あるいはＺＭＰ目標
位置まわりに発生したモーメントを解消する制御を意味
する。図６にこの制御のブロック線図を示す。尚、この
脚コンプライアンス制御は両脚支持期に限って行うもの
ではなく、片脚支持期にも行って良い。

【００１９】以上を前提として図４を参照して脚コンプ
ライアンスの演算について説明すると、先ずＳ１００で
６軸力センサ３６の検出値を取り込み、次いでＳ１０２
に進んでＺＭＰ目標位置まわりに実際に発生しているモ
ーメントを求め、続いてＳ１０４に進んで指令値（通常
は０）との差を求め、続いてＳ１０６に進んで偏差にゲ
インを乗じて座標回転角を求め、最後にＳ１０８に進ん
で両足平の目標位置・姿勢をＺＭＰ目標位置まわりに上
記座標回転角だけ回転させる様に足平の姿勢補正量を求
める。

【００２０】再び図３フロー・チャートに戻ると、続い
てＳ２０に進んで無理な姿勢にならない腰の高さを求
め、Ｓ２２に進んで足平の位置・姿勢を補正したことで
ＺＭＰ目標位置が移動したときは、それを修正する様に
腰の水平方向の値を修正し、Ｓ２４に進んで足平と腰の
位置・姿勢（Ｓ１８，Ｓ２２で修正されたときは修正
値）から全１２個の関節についてその目標角度を求め
る。続いてＳ２６に進んで歩容関数の吐出速度補正率を
決定する。

【００２１】図７はその作業を示すサブルーチン・フロ
ー・チャートであり、同図を参照して説明すると、先ず
Ｓ２００において傾斜センサ４０が検出した傾斜角度の
積分値と吐出速度率補正率とについて、それまでの値を
前回値とする読み替え作業を行い、Ｓ２０２に進んで今
回検出した傾斜角に前記Δｔを乗じた値を、Ｓ２００で
読み替えた前回傾斜角積分値に加算して新たな累積値と
し、Ｓ２０４に進んでその累積値にＣ₁を乗じた値と今
回検出した傾斜角にＣ₂を乗じた値とを合算して吐出速
度補正率を求める。ここで、Ｃ_1,Ｃ₂は適宜設定する定
数である。この定数の値を適宜設定し、この様に累積し
た傾斜角度に応じて吐出速度補正率を決定する。即ち、
図８に示す様に、例えばロボットが安定して歩行すると
きは吐出速度補正率を「１」にとり、歩容関数が時間ｔ
に対して所定の、即ち、予め設定した基準速度特性を維
持する様にする。ここで、ロボットが傾斜して姿勢が不
安定になったときは、傾斜角度に応じて吐出速度補正率
を１以外の値にすれば、時間に対する特性が変化する。
具体的には前に述べた通り、ロボットが前傾するときは
基準速度より速く（１より小に）、後傾するときは遅く
（１より大に）する。

【００２２】再び図３フロー・チャートに戻り、続いて
Ｓ２８に進んで１２個の関節が目標角度に追従する様
に、前記した電動モータの指令値を決定する。

【００２３】この実施例は上記の如く、傾斜角度に応じ
て歩容関数の吐出速度を変える様にしたので、ロボット
が予期しない凹凸などに遭遇して姿勢を崩しても、速や
かに安定な姿勢を回復することができる。また図９に示
す様に、同時に、両脚支持期においてＺＭＰが常に目標
位置となる様に制御するので、両脚支持期に吐出速度を
変えても最初に述べた如き転倒を却って助長する様な不
都合が生じることがない。即ち、脚コンプライアンス制
御を導入したことでＺＭＰ目標位置とＺＭＰ実測位置と
の相対関係を自在に操作することができる様になり、意
図的に両者をずれさせることができる様にしたことか
ら、両脚支持期においても吐出速度を変えて姿勢を自在
に操作できる様にした。

【００２４】尚、上記において、歩容の列のデータの時
刻を変える例を示したが、図３フロー・チャートのＳ１
０における割り込み起動間隔を変えても良い。また設定
データとして、一定時間ごとの各関節角度データ列を基
準歩容として用いても良く、腰、足平の位置、姿勢、Ｚ
ＭＰ軌道の一定時間ごとのデータ列を用いても良い。

【００２５】また図７フロー・チャートにおいて傾斜角
度とその積分値を用いたが、その微分値を加味しても良
い。

【００２６】またコンプライアンス動作は、図示したも
の以外でも良い。

【００２７】またこの制御を予期しない凹凸などに遭遇
して姿勢を不安定にした場合について説明したが、例え
ば階段を昇降する、線路の枕木の上を歩行するなど、環
境から歩容が制約されている場合に、その歩容に調和さ
せるために用いても良い。

【００２８】また上記において、２足歩行の脚式移動ロ
ボットを例にとって説明してきたが、それに限られるも
のではなく、３足以上の脚式移動ロボットにも妥当する
ものである。

【００２９】

【発明の効果】請求項１項にあっては、複数本の脚部を
備える脚式移動ロボットの歩行制御装置で、予め設定さ
れた歩行パターンデータに基づいて歩行制御するものに
おいて、該脚部が歩行時に床と接触して生じる床反力の
作用点たるＺＭＰを検出して目標値に一致する様に脚部
関節を駆動すると共に、該ロボットの上体の実傾斜角度
及び／又は実傾斜角速度を検出し、検出値に応じて前記
歩行パターンデータの吐き出し速度を変える様に構成し
たので、床に予期しない凹凸があっても大きく姿勢を崩
すことがなく、両脚支持期を含む歩行の全局面において
常に安定した姿勢で歩行することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この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である。

【図２】図１に示す制御ユニットの説明ブロック図であ
る。

【図３】図２に示す制御ユニットの動作を示すメイン・
フロー・チャートである。

【図４】図３フロー・チャートの中の脚コンプライアン
ス制御値演算サブルーチンを示すフロー・チャートであ
る。

【図５】図４の脚コンプライアンス制御を説明する説明
図である。

【図６】同様に図４の脚コンプライアンス制御を説明す
るブロック線図である。

【図７】図３フロー・チャートの中の歩容関数の吐出速
度補正率演算サブルーチンを示すフロー・チャートであ
る。

【図８】図７フロー・チャートの動作を説明するブロッ
ク線図である。

【図９】両脚支持期に、この制御で用いる脚コンプライ
アンス制御を行う場合と行わない場合とで歩容関数の吐
出速度を変えた場合のロボットの動作の相違を示す説明
図である。

【図１０】この発明で用いる歩容関数の吐出速度の変更
による姿勢安定化制御を説明する説明図である。

【符号の説明】

１脚式移動ロボット（２足歩行ロボ
ット）２脚部リンク１０Ｒ，１０Ｌ脚部回旋用の関節１２Ｒ，１２Ｌ股部のロール方向の関節１４Ｒ，１４Ｌ股部のピッチ方向の関節１６Ｒ，１６Ｌ膝部のピッチ方向の関節１８Ｒ，１８Ｌ足首部のピッチ方向の関節２０Ｒ，２０Ｌ足首部のロール方向の関節２２Ｒ，２２Ｌ足平２４上体２６制御ユニット３６６軸力センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数本の脚部を備える脚式移動ロボット
の歩行制御装置で、予め設定された歩行パターンデータ
に基づいて歩行制御するものにおいて、該脚部が歩行時
に床と接触して生じる床反力の作用点たるＺＭＰを検出
して目標値に一致する様に脚部関節を駆動すると共に、
該ロボットの上体の実傾斜角度及び／又は実傾斜角速度
を検出し、検出値に応じて前記歩行パターンデータの吐
き出し速度を変え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。