JPH05305586A

JPH05305586A - 脚式移動ロボットの歩行制御装置

Info

Publication number: JPH05305586A
Application number: JP13788692A
Authority: JP
Inventors: Toru Takenaka; 透竹中
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: 2016-03-26
Also published as: JP3148830B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【構成】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）目標位置まわりのモーメントを
検出し、モーメントが生じているときは、それが零にな
る様に脚部を駆動する。【効果】ＺＭＰ目標位置まわりにモーメントが発生し
ない様に制御することから、倒立振子で近似できて線形
な制御特性と設計値通りの姿勢を確保することができ
る。

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。

【０００４】従って、この発明の第１の目的は、脚式移
動ロボットにおいて歩行する床に予期しない凹凸、傾斜
があっても、その影響を受けることなく、常に安定した
姿勢を保って歩行することが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。

【０００５】また、この様な脚式移動ロボットが安定に
歩行するためには、所定の力学的な安定条件を満足しな
ければならない。従って、ロボットはリアルタイムにそ
の力学問題を解きながら歩行するか、あるいは予め解い
ておいて歩行することになる。そのときに使用されるロ
ボットのモデルが、実際のロボットを十分に精度良く近
似していれば良いが、実際にはモデル化の困難な要素が
多く含まれていたり、種々の制約、例えば演算処理時間
の短縮やモデル製作労力の軽減などから、近似モデルが
使用されることが多い。

【０００６】従って、この発明の第２の目的は、ロボッ
トの姿勢復元力を可能な限り一定に保たせてロボットを
常にある一定の復元力をもった倒立振子で近似すること
ができる様にして、制御系の線形化を図る様にした脚式
移動ロボットの歩行制御装置を提供することにある。

【０００７】更には、この様な脚式移動ロボットにおい
ては、床から受ける反力とロボット側から床に作用する
重力と慣性力との合力とをバランスさせて歩行すること
になるが、その着地時の衝撃力が大きいと、姿勢を崩す
一因となり、安定した歩行を期待することができない。

【０００８】従って、この発明の第３の目的は、ロボッ
トが受ける着地衝撃を可能な限り低減して安定した姿勢
で歩行することが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。

【０００９】

【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におい
て、歩行時に目標とするＺＭＰ位置まわりの実際の床反
力モーメントを検出する手段、検出した床反力モーメン
トを所定値と比較して偏差を求める手段、を備え、前記
歩行制御装置は、求めた偏差を解消する様に、前記複数
本の脚部のうちの少なくともいずれかの脚部の関節を、
脚部先端の床に対する相対位置を変えずに、仮想的に床
を傾けたときの姿勢をとらせる様に駆動する様に構成し
た。

【００１０】

【作用】ＺＭＰ目標位置まわりにモーメントが生じたと
きは所定値との偏差を求め、その偏差を解消するする様
に脚部を駆動することから、予期せぬ凹凸を踏んだとき
も迅速に姿勢の崩れを極力抑えることができると共に、
偏差に応じて行うことから、ロボットの復元力を一定に
する、即ち、ロボットを常にある一定の復元力をもった
倒立振子で近似することができて、線形な制御特性を得
ることができる。その結果、この安定化制御のみなら
ず、他の種の安定化制御をも容易に採り入れることがで
きる。また常に設計値通りの姿勢を保持することから、
着地衝撃も効果的に減少することができる。

【００１１】

【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。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】続いて、この制御装置の動作を説明する。

【００１６】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Ｓ１
２において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（ＺＭ
Ｐ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。尚、ここで「ＺＭ
Ｐ」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）。次いでＳ１４において足平軌道の特徴を
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、姿勢を算出し、次いでＳ１６において腰
の高さを求め、Ｓ１８において腰の水平加速度、水平位
置を求める。この様に、Ｓ１０からＳ１８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
一歩ごと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、後で述べる如く、この基準歩容から
各関節の目標角度が具体的に算出される。

【００１７】次いで、Ｓ２０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。

【００１８】図４に従って説明を開始する前に、図５を
参照してこの実施例で言うコンプライアンスについて説
明する。

【００１９】先にも述べた様に、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（実測床反力の中心点）が前記
したＺＭＰ目標位置（設計値で想定した床反力の中心
点）に一致していれば、ロボットは設計値通りの姿勢を
保って歩行する。従って、この発明においては最初の実
施例において、両脚に取りつけた６軸力センサ３６か
ら、後側の足にかかる床反力と前側の足にかかる床反力
を測定し、これらの合力である総合の実測床反力を求
め、その作用点であるＺＭＰ実測位置を求めてＺＭＰ目
標位置と比較する。そして、図６に示す様に、ＺＭＰ実
測位置が前側にずれていたら（この場合、ＺＭＰ目標位
置のまわりに図示の如くモーメントが生じてロボットを
後傾させる）、そのずれ量に応じて前側の足平を垂直に
持ち上げる（あるいは、そのずれ量に応じて後側の足平
を垂直に下げるか、前側の足平を垂直に持ち上げつつ後
側の足平を垂直に下げる）。この動作により、前側の足
にかかる床反力が、後側の足にかかる床反力に比べて相
対的に減少するので、ＺＭＰ実測位置は後退してＺＭＰ
目標位置に近づく。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ＺＭＰ実測
位置とのずれを解消する制御を意味する。あるいは、Ｚ
ＭＰ目標位置まわりに発生したモーメントを解消する制
御と言うこともできる。

【００２０】即ち、動力学計算に基づく理想的な歩容に
従ってロボットを歩行させるとき、両脚支持期に予期せ
ぬ凹凸に遭遇するなどしてロボットがわずかに前傾した
とする。この明細書で言う脚コンプライアンス制御を行
わないとすると、ロボットは後側の足平が浮き上がり、
全荷重が前側の足にかかり、その結果、床反力作用点
（ＺＭＰ実測位置）は、前側の足裏に移る。つまり、ロ
ボットの傾斜に対してほとんど２値的にＺＭＰが変化す
る（図７）。これに対し、脚コンプライアンス制御を行
った場合には、実測床反力中心（ＺＭＰ実測位置）が設
計床反力中心（ＺＭＰ目標位置）よりも前にずれたと
き、前側の足平を持ち上げることにより、上体が前傾し
たまま両脚が接地した姿勢になる。このときのＺＭＰ実
測位置とＺＭＰ目標位置のずれは足平の持ち上げ高さに
比例し、足平の持ち上げ高さは上体の傾斜角に比例する
ので、ＺＭＰ実測位置とＺＭＰ目標位置のずれと、上体
の傾斜角も比例する。尚、後で述べる様に、比例勾配は
脚コンプライアンスの大きさに反比例し、脚コンプライ
アンスの量が大きいほどロボットの傾斜角に対する比例
領域が拡大する（図８）。

【００２１】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。また、脚コンプライアンス制御の発振を防ぎ、か
つ荷重変動の高周波成分を機械的に吸収させるため、図
９に示す様に、足関節１８，２０Ｒ（Ｌ）下部にばねや
ゴムなどの衝撃吸収機構を挿入しておくのが望ましい。

【００２２】以上を前提として図４を参照して脚コンプ
ライアンス制御値の演算について説明すると、先ずＳ１
００で６軸力センサ３６の検出値を取り込む。次いで、
Ｓ１０２においてＺＭＰ実測位置を求める。図１０を参
照してその手法を説明すると、任意の原点まわりのモー
メントＭ→を求め、次いで力Ｆ→を求め、次いでＭ→＝
Ｆ→×Ｌ→となる距離ベクトルＬ→を求めて、その距離
Ｌだけ平行移動させて床との交点を求めて終わる。

【００２３】次いで、Ｓ１０４に進んでＺＭＰ実測位置
とＺＭＰ目標位置とを比較し、ずれ方向、即ち、ＺＭＰ
実測位置がＺＭＰ目標位置よりずれているときは、前側
にずれているか、後側にずれているかを判別すると共
に、その差（ずれ量）ｘを距離で算出する。続いてＳ１
０６に進んで算出された差ｘに所定のゲインＫｆと実測
床反力Ｆ（ないしはその上下方向（ｚ方向）成分Ｆｚ）
を乗じて足平の姿勢補正量を求める（床反力に乗じない
手法でも良い）。即ち、先に述べた様に、ＺＭＰ実測位
置がＺＭＰ目標位置より前にずれていれば、図６に示す
様に設計床反力中心（ＺＭＰ目標位置）まわりに発生し
たモーメントがロボットを後傾させるが、前側の足の足
平を垂直に上げるか、後側の足の足平を垂直に下げる
か、あるいは前側の足の足平を垂直に上げると共に、後
側の足平を垂直に下げる様に足平の姿勢補正量を求めて
Ｓ１０８で姿勢補正量に応じて足平の位置補正を行うこ
とにより、逆方向のモーメントを生じさせる、即ち、Ｚ
ＭＰ実測位置をＺＭＰ目標位置に近づけることができて
姿勢のバランスを回復させることができ、ロボットを設
計値通りの姿勢で歩行させることができる。尚、このと
き姿勢修正量（足平の持ち上げ高さ）は図８に示す様
に、ずれ量ｘに応じて決定され、ずれ量ｘは上体の傾斜
角に比例することから姿勢修正量は上体の傾斜角に比例
する。即ち、ロボットの姿勢復元力と上体の傾斜角との
比をロボットの姿勢復元力係数とすると、上体の傾斜角
に応じて姿勢修正量を決定することにより、ロボットの
姿勢復元力係数を可能な限り一定の値とすることができ
る。即ち、ロボットを常にある一定の復元力係数を持っ
た倒立振子で近似することができ、線形な制御特性を得
ることができる。尚、姿勢の修正方向は、実測ＺＭＰが
設計ＺＭＰより後側にずれてロボットに前方向のモーメ
ントが作用しているときは足平の駆動方向を逆にし、後
側の足の足平を上げるか、前側の足の足平を下げるか、
ないしはその両方を行う様に足平の姿勢補正量を求める
ことになる。

【００２４】再び図３フロー・チャートに戻り、続いて
Ｓ２２に進んで足平の位置・姿勢と腰の位置・姿勢とか
ら全１２個の関節についてその目標角度を求める。尚、
Ｓ２０の脚コンプライアンス制御値演算において図４フ
ロー・チャートによって足平の姿勢が補正されたとき
は、補正された姿勢に基づいて目標角度を求める。続い
てＳ２４に進んで前記した傾斜センサ４０の出力からロ
ボットの傾きを検出し、傾いているときは姿勢を回復す
る様に目標姿勢を修正する。尚、この修正はこの制御と
は直接関係を有しないので、詳細な説明は省略する。続
いてＳ２６に進んで関節を目標角度に追従制御する。こ
れは、図２に示した第２の演算装置６２において制御す
るものであるが、この制御もこの発明の要旨には関係し
ないので、詳細な説明は省略する。

【００２５】この実施例は上記の如く構成したので、床
に予期しない凹凸があってＺＭＰ実測位置がＺＭＰ目標
位置からずれることがあっても、その差を効果的に解消
し、ＺＭＰ目標位置まわりにロボットを転倒させようと
するモーメントが生じても、それを打ち消す様に構成し
た。即ち、ロボットを常にある一定の復元力を持った倒
立振子で近似することができる様にしたので、制御特性
を線形にすることができて制御系の設計が容易となり、
他の姿勢安定化制御などの組み合わせが容易となると共
に、床に予期しない凹凸があっても安定して歩行するこ
とができる。またＺＭＰ実測位置をＺＭＰ目標位置に一
致させる様に制御することから、着地衝撃も低減する
（ここで着地衝撃は、床反力のうちの大きなものを言
う）。

【００２６】図１１はこの発明の第２の実施例を示す、
図４と同様の脚コンプライアンス制御値演算サブルーチ
ン・フロー・チャートである。第１実施例と相違する点
に焦点をおいて説明すると、ずれ方向とずれ量ｘを求め
た後（Ｓ２００〜Ｓ２０４）、Ｓ２０６に進んで図６末
尾に示す様に、床と足平の関係を一定に保ったまま床を
傾斜させたと仮想したときの座標回転角を図示の如く求
め、Ｓ２０８に進んで両足平の位置・姿勢をＺＭＰ目標
位置まわりに上記回転角だけ回転させる様に、姿勢を修
正する。ここで、床の傾斜角θは、θ＝ずれ量ｘ・ゲイ
ンＫｆ、で決定する。

【００２７】この実施例の場合、図６末尾に示す様に実
測ＺＭＰ位置が前にずれている場合には、後側の足平が
実際の床（実線で示す）を強く蹴ることとなって床反力
を生じさせ、ＺＭＰ実測位置をＺＭＰ目標位置に近づけ
ることができる。即ち、この場合も図６上部に示したモ
ーメントと逆方向のモーメントを生じさせることができ
て、姿勢の崩れを防ぐことができる。また、この実施例
においても、ずれ量に比例した復元力を与えることがで
きる。即ち、復元力係数を一定にして線形な制御特性を
得ることができる。

【００２８】図１２はこの発明の第３実施例を示す、先
の図３と同様のフロー・チャートである。第１実施例
（ないしは第２実施例）と相違する点に焦点をおいて説
明すると、この実施例においてはＳ３００〜Ｓ３０６で
脚コンプライアンス制御値を演算した後、Ｓ３０８に進
んで無理な姿勢にならない腰の上下方向（ｚ方向）高さ
を求め、次いでＳ３１０に進んで脚コンプライアンス制
御を行って足平位置・姿勢を修正してもＺＭＰが目標位
置になる様に、腰の水平加速度と水平位置とを求め、Ｓ
３１２に進んで足平位置・姿勢および腰の位置・姿勢
（Ｓ３０６のサブルーチンにおいて修正されたときはそ
の修正値）に基づいて目標関節角度を求める。尚、以後
のＳ３１４，Ｓ３１６を含む残余の構成は第１実施例
（ないしは第２実施例）と異ならない。

【００２９】即ち、脚コンプライアンス制御は、床の凹
凸や傾斜などによる外乱があっても、ＺＭＰ実測位置が
ＺＭＰ目標位置からずれない様にすることが主目的であ
るので、脚コンプライアンス制御を行ってもＺＭＰ目標
位置自体は、ずれないことが望ましい。即ち、脚コンプ
ライアンス制御によって足平の姿勢を修正するのみでＺ
ＭＰ実測位置をＺＭＰ目標位置に戻すことができるが、
その結果、上体の姿勢が変化してＺＭＰ目標位置自体が
所期の位置からずれることも起こり得る。ここで、脚の
質量、特に先端の質量が上体に比べて十分に小さけれ
ば、設計ＺＭＰ位置のずれは無視することができるの
で、上体の水平位置は基準歩容のままで良い。図１に示
した構成において足平２２の質量は上体２４に比して十
分に小さいとは言い難いが、第１実施例（ないしは第２
実施例）の場合には脚コンプライアンス制御を行うこと
による上体への影響は実質的には非常に小さいと考え
て、無視した。それに対して第３実施例では図示した如
く、上体の水平方向の位置、加速度を修正したものであ
る。よって、第１実施例（ないしは第２実施例）の効果
に加えて、姿勢安定化を一層精緻に行うことができる効
果を有する。尚、第３実施例において、Ｓ３０８の腰の
上下方向高さの修正は行わなくても良い。

【００３０】尚、脚コンプライアンス動作が小さけれ
ば、脚コンプライアンス制御値演算サブルーチンを歩容
生成ブロック線図２の途中またはその後に移しても良
い。そうするときは、歩容生成部１と歩容生成部２の演
算を予めオフラインで行っておくことができるので、演
算能力の低いコンピュータを用いるとき好都合である。

【００３１】図１３はこの発明の第４実施例を示す、先
の図４（第１実施例）、図１１（第２実施例）と同様
な、脚コンプライアンス制御値演算に関するサブルーチ
ン・フロー・チャートである。同図を参照して説明する
と、Ｓ４００において６軸力センサ検出値を取り込んだ
後、Ｓ４０２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、Ｓ４０４に進んで実モー
メントとモーメント指令値（通常は零に設定）との差を
求め、Ｓ４０６，Ｓ４０８に進んで第２実施例と同様に
偏差にゲインを乗じて座標回転角を求め、それに応じて
両足平の位置・姿勢修正量を求める様にした。

【００３２】第４実施例は実測の床反力の分解のしかた
において従前の実施例と異なる。即ち、従前の実施例に
おいてはモーメントなしの力だけのベクトルで床反力を
分解したときの作用点位置に着目したのに対し、第４実
施例においてはＺＭＰ目標位置にかかる値を力とモーメ
ントに分解したときのモーメントに着目したものであ
り、その意味では従前の検出手法と本質的には相違な
い。

【００３３】尚、第４実施例において図１３サブルーチ
ン・フロー・チャートに従って脚コンプライアンス制御
値を演算した後、目標関節角度を算出することになる
が、その際には第１実施例の図３に示す様に上体の位置
・姿勢を修正しない様にしても良く、あるいは第３実施
例の図１２に示す様に上体の水平方向の位置・加速度を
修正しても良い。第４実施例の効果としてはＺＭＰ目標
位置まわりにモーメントを直接的に検出して脚コンプラ
イアンス制御値を決定することから、従前の実施例に比
して一層線形で安定した姿勢制御を実現することができ
る。

【００３４】この第４実施例を図１４のブロック線図に
基づいて平地歩容について説明する（基準歩容が勾配θ
１の斜面の歩容なら、下記説明においてΔθおよびΔθ
ｃｏｍｍをθ１＋Δθおよびθ１＋Δθｃｏｍｍに置き
換えれば良い）。図において、設定された位置・姿勢か
ら各関節の変位を求める、いわゆる逆キネマティクス演
算部では、基準歩容において床をΔθｃｏｍｍ傾けたと
きの姿勢を計算する。変位コントローラによって、図１
に示したロボットの関節変位が、逆キネマティクス演算
部から出される姿勢指令に追従する。図１に示したロボ
ットを完全剛体であると想定し、実関節変位から得られ
る姿勢にいて、ロボットと足平接地面接線（図中のＡＡ
ダッシュ線）とがなす相対角度をΔθとする。変位コン
トローラの追従性が十分高ければ、ΔθはΔｃｏｍｍに
一致する。このとき、ロボットと床の相対角度から、Ｚ
ＭＰ目標位置まわりの床反力実モーメントＭまでの伝達
関数Ｇは、数１に示す様になる。

【００３５】

【数１】

【００３６】これは、図１５に示す如く、バネ定数１／
（１／Ｋｌｅｇ＋Ｋｆ）の曲げバネと等価である。

【００３７】この第４実施例においては、ロボットが予
期しない凹凸を踏むなどして目標ＺＭＰ位置まわりにモ
ーメントが生じたとき、それを直接的に検出してそのモ
ーメントの大きさに比例する座標回転角を仮想的に求
め、その仮想的な角度だけ足平の位置・姿勢を目標ＺＭ
Ｐ位置まわりに回転させる様に修正する、即ち、目標Ｚ
ＭＰ位置まわりに生ずるモーメントを直接的に検出し、
それを打ち消す様に同一位置まわりに逆方向のモーメン
トを生じさせる様にしたので、第１ないし第３実施例の
場合に比して、前にも述べた如く、一層制御特性の線形
化と姿勢の安定化制御を実現することができる。更に、
上体についても図１２に示したと同様に水平方向の位置
・加速度を修正するときは、なお一層的確に制御特性の
線形化と姿勢の安定化を図ることができる。

【００３８】尚、ＺＭＰ目標位置は連続的にまたは断続
的に移動することから、急激にＺＭＰ目標位置が移動す
る歩容に対しては、モーメント計算中心や脚コンプライ
アンス動作の回転中心をＺＭＰ目標位置にとると、急激
な挙動変化が発生しやすくなって、跳ねるなどして安定
して歩行することができなくなる恐れがある。従って、
この様な歩容に対してはモーメント計算中心や脚コンプ
ライアンス動作の回転中心を、ＺＭＰ目標位置に近い
が、それよりも穏やかに移動する点、例えばＺＭＰ目標
位置にフィルタをかけてスムーズィングした点において
も良い。

【００３９】図１６はこの発明の第５実施例を示す、第
４実施例の図１３と同様の脚コンプライアンス制御値演
算サブルーチン・フロー・チャートであって、第４実施
例と相違する点は、ＺＭＰ目標位置に代えて、基準点、
例えば支持脚のくるぶし（図１において足関節１８，２
０Ｒ（Ｌ）の交点）の床面への投影点まわりのモーメン
トを求め、その点まわりに回転させるものである（Ｓ５
０２，Ｓ５０８）。他のステップを含む残余の構成は第
４実施例と同様であり、上体の修正の有無も第４実施例
と同様である。床反力モーメントを求めるのが若干容易
となる反面、第４実施例に比して若干制御値が劣るのを
除けば、効果も第４実施例と同様である。尚、基準点は
移動する点であっても良い。

【００４０】図１７は第６実施例を示しており、従前の
実施例と相違する点は、ＺＭＰ目標位置から遠い側の足
平を激しく移動させると脚が発振する恐れがあることか
ら、図１８に示す様に、遠い側の足平の回転座標上の移
動角度θ１を、近い側の足平のそれθ２に比し、小さく
した。尚、足平の駆動手法を第２実施例に従ったが、第
１実施例の上下動についても妥当するものであり、また
上体についても修正してもしなくても良い。

【００４１】図１９はこの発明の第７実施例を示してお
り、進行方向に向かって横への転倒力がかかる場合に対
処するものである。即ち、従前の実施例は進行方向、即
ち、ｙ軸まわりに作用するモーメントＭｙを検出して制
御値を演算するものであったが、この実施例の場合、横
方向（ｘ軸まわり）のモーメントＭｘも検出して制御値
を演算する様にした（Ｓ７００〜Ｓ７０８）。尚、第２
実施例に準処して説明したが、この手法は他の実施例に
も妥当する。またモーメントを用いたが、横方向の力Ｆ
ｙを用いても良い。

【００４２】図２０はこの発明の第８実施例を示してお
り、第４実施例に関して示した図１４のブロック線図に
おいて、ロボット本体と床との間にフィルタ８０を介挿
したものである。例えばこのフィルタの伝達関数を１／
（１＋ＴＳ）（ただし、Ｔは時定数）とする。変位コン
トローラの追従性が十分高いとすると、ΔθはΔθｃｏ
ｍｍに一致する。従って、ロボットと床との間の相対角
度からＺＭＰ目標位置まわりの床反力実モーメントＭま
での伝達関数Ｇは、数２に示す様になる。

【００４３】

【数２】

【００４４】脚剛性Ｋｌｅｇが十分高ければ、１／Ｋｌ
ｅｇは無視することができ、同式は数３の様になる。

【００４５】

【数３】

【００４６】これは、図２１に示す様に、ネジリバネと
ネジリダンパを並列に組んだ機構と等価である。即ち、
ロボット本体と床との間にメカニカルダンパを挿入した
のと等価なダンピング効果を得ることができ、遊脚が着
地したときの跳びはねを防ぐことができる。また、かか
るローパスフィルタをコンプライアンス制御のフィード
バックループに挿入するため、副次的な効果として、高
周波に対するループゲインを下げることができ、コンプ
ライアンス制御系の安定度が高まり、発振を防ぐことが
できる。また６軸力センサ３６から進入する高周波ノイ
ズを除去することもできる。

【００４７】図２２ないし図２８はこの発明の第９実施
例を示す。

【００４８】脚式移動ロボットにおいて、関節を変位制
御で駆動する場合、上に述べた脚コンプライアンス制御
を行わないとき、歩行中の両脚支持期に姿勢が少しでも
前に傾くと、後側の足平が床から離れて全荷重が前側の
足平に乗るため、後ろに戻そうとする極めて大きな復元
力が発生する。即ち、前記した復元力係数が、両脚支持
期では極めて大きくなる。従って、この様な状態でさら
に上体の傾きあるいは重心のずれを両脚の動きにフィー
ドバックする姿勢安定化制御を行うと、復元力係数がさ
らに大きくなり、それに見合った十分なダンピング効果
を与えることができなくなる。この結果、かえって姿勢
を不安定にしてしまう。従って、この実施例では、上に
述べた脚コンプライアンス制御を行いつつ、上体の傾き
に応じて姿勢安定化制御を行う様にした。尚、上に述べ
た脚コンプライアンスを行う代わりに、関節をトルク制
御で駆動することによっても脚にコンプライアンスを与
えることができるが、ロボットと床との相対位置に対応
するコンプライアンス特性は、姿勢によって大きく変化
するため、床の凹凸・傾斜などに対する外乱抑制特性が
一致しない。

【００４９】以下、図２２ないし図２３フロー・チャー
トを参照して第９実施例を説明する。

【００５０】図２２は第３実施例に関して説明した図１
２と同様のメインルーチン・フロー・チャートであっ
て、相違する点は、そのＳ８１０において脚コンプライ
アンス制御値のみならず、安定化制御値も演算する点で
ある。図２３はその演算を示すサブルーチン・フロー・
チャートであり、実モーメントと指令値との差を求めた
後（Ｓ９００〜Ｓ９０４）、Ｓ９０６において図示の如
く、上体の実傾斜角度と傾斜角速度と指令値との偏差に
所定のゲインを乗じて安定化制御値を求め、脚コンプラ
イアンス制御値に合算して座標回転角を求め、Ｓ９０８
においてその値に修正する様にした。この様に、安定化
制御値と脚コンプライアンス制御値で同一の関節を対象
とする様にしたことで、制御を簡易にしている。

【００５１】図２４はそれを示すブロック線図であり、
図示の如く、ＰＤ制御を用いて上体の姿勢安定化制御を
行っている。ここで、前記した様に、ΔθがΔθｃｏｍ
ｍに一致し、ＺＭＰ実測位置がＺＭＰ目標位置に一致す
ると仮定すると、図２４は図２５の様に変形することが
できる。図２５から明らかな様に、ロボットと制御系と
を合わせてトータルなシステムは線形であり、従って、
姿勢傾斜安定化制御には、古典制御理論、最適制御理
論、ロバスト制御理論などの様々な線形制御理論を適用
することができる。図２６に状態フィードバック制御を
用いた例を示す。

【００５２】第９実施例は上記の如く構成したので、関
節部の摩耗や慣性の影響によって実用化が困難な関節ト
ルク制御を導入することなく、姿勢安定化制御を実現す
ることができる。即ち、両足平の変位を設計値から故意
にずらすと、脚コンプライアンス制御により、ずらし量
に応じた姿勢復元力が発生する。従って、上体傾斜フィ
ードバックによる姿勢安定化制御において、復元力を発
生するための操作量には、足平の変位ずらし量を用いる
ことができる。また片脚支持期、両脚支持期の如何にか
かわらずロボットの姿勢復元力係数をほぼ一定に保たせ
ることができるので、ロボットを常にある一定の復元力
を持った倒立振子に近似できる。その結果、制御系が線
形近似でき、姿勢安定化制御則が容易に設計できる。ま
た床に予期しない凹凸・傾斜があっても、その影響をあ
まり受けずに、鉛直方向に対する上体の傾きをほぼ設計
値通りに維持されたまま、歩行させることができる。

【００５３】ここで、図２５に示すフィルタ８００には
後で述べる様に第８実施例で述べたと同じ構成が適用可
能であるが、ここでは別の例としてフィルタの伝達特性
を１にして更に検討を加える。即ち、制御系の動特性に
着目するために、床反力モーメント指令を０とみなして
コンプライアンス制御をまとめると、図２５は図２７の
様に変形することができる。図２７は、図２８に示すバ
ネとアクチュエータとを持つ倒立振子と等価である。こ
の様に単純化すると、様々な線形制御理論の適用が可能
となるだけでなく、単純モデルの挙動からロボットの姿
勢制御を類推することができるので、応答性や各種外乱
に対する抑制特性など種々な特性の最適な組み合わせ
が、実験やシミュレーションを多く重ねなくても、容易
に見つけだすことができる。尚、フィルタ８００には図
２０と同じ様に、メカニカルダンパと等価なダンピング
効果を与えて良いことは言うまでもない。即ち、上体の
傾き角をフィードバックする姿勢制御において、図２３
で示した様に、安定性を高めるために上体の傾き角速度
（または接地点と重心とを結ぶ直線の傾き角速度）もフ
ィードバックするが、リンク系の剛性不足や歩容の滑ら
か不足などで上体が高い周波数で振動すると、傾き角速
度に大きな高周波変動が発生するため、傾き角速度フィ
ードバックゲインを大きくすると、脚が振動または発振
してしまう恐れがある。そこで、第８実施例で用いたの
と同じフィルタを用いると、傾き角速度フィードバック
を補って姿勢制御系の安定度を高めることができるの
で、傾き角速度フィードバックゲインを小さめに設定し
ても、十分な安定性を確保することができる。尚、遊脚
が着地したときの跳びはねを防止するなどの効果は第８
実施例と同様である。

【００５４】尚、上記実施例において種々の例を示した
が、変形例はこれに止まるものではない。即ち、この制
御においては、整理すると、１．検出対象ａ．ＺＭＰ目標位置とＺＭＰ実測位置とのずれ量ｂ．ＺＭＰ目標位置まわりの床反力によって発生する力
のモーメントｃ．基準点まわりの床反力によって発生する力のモーメ
ント２．足平の動作ａ．片足の上下ｂ．両足の上下ｃ．足平の回転ｄ．ＺＭＰ目標位置から遠い側の足平の動作量を他の足
平のそれに対して小さくする３．上体の水平方向の動作ａ．基準歩容保持ｂ．水平方向について位置、加速度を修正４．上体の上下方向の動作ａ．基準歩容保持ｂ．腰高さを再計算５．上体の姿勢安定化制御ａ．行わないｂ．行うとなるが、これらは全て組み合わせ可能であり、実施例
に示したのはその一例に過ぎない。

【００５５】また上記において、歩行データを予め設定
しておく場合に適用する例を示したが、それに限られる
ものではなく、歩行のときリアルタイムに求める様にし
た技術に適用させても良い。

【００５６】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。

【００５７】

【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において、歩行
時に目標とするＺＭＰ位置まわりの実際の床反力モーメ
ントを検出する手段、検出した床反力モーメントを所定
値と比較して偏差を求める手段、を備え、前記歩行制御
装置は、求めた偏差を解消する様に、前記複数本の脚部
のうちの少なくともいずれかの脚部の関節を、脚部の先
端の床に対する相対位置を変えずに、仮想的に床を傾け
たときの姿勢をとらせる様に駆動する様に構成したの
で、予期しない凹凸に遭遇したときも姿勢の崩れを極力
抑えることができると共に、偏差に応じて駆動するとこ
ろから、姿勢の復元力を一定にすることができてロボッ
トを倒立振子で近似することができ、線形な制御特性を
得ることができ、また着地時の衝撃も吸収することがで
きる。

【００５８】請求項２項の装置にあっては、床を傾けた
ときの回転中心を前記基準点またはＺＭＰ目標位置とす
る様に構成したので、回転中心を検出点と一致させるこ
とができ、一層的確に前記した効果を得ることができ
る。

【００５９】請求項３項記載の装置にあっては、前記ロ
ボットの上体をＺＭＰ目標位置の移動に応じて再修正す
る様に構成したので、脚部を駆動した結果ＺＭＰ目標位
置が移動したときも良く修正することができ、一層的確
に前記した効果を得ることができる。

【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】図４の脚コンプライアンス制御を説明するもの
で、脚部の駆動手法を示す説明図である。

【図７】図４の脚コンプライアンス制御のＺＭＰ目標位
置とＺＭＰ実測位置とのずれ量とロボットの傾斜角との
関係を示すグラフ図である。

【図８】図４の脚コンプライアンス制御のＺＭＰ目標位
置とＺＭＰ実測位置のずれ量と脚コンプライアンス制御
値の大小の関係を示すグラフ図である。

【図９】図４の脚コンプライアンス制御に適したロボッ
トの足部構造を示す説明図である。

【図１０】図４の脚コンプライアンス制御のＺＭＰ実測
位置の検出手法を示す説明図である。

【図１１】この発明の第２実施例を示す脚コンプライア
ンス制御値演算の別の例を示すフロー・チャートであ
る。

【図１２】この発明の第３実施例を示す脚コンプライア
ンス制御と併せて上体位置の再修正を行う例を示すフロ
ー・チャートである。

【図１３】この発明の第４実施例を示す脚コンプライア
ンス制御値演算の別の例を示すフロー・チャートであ
る。

【図１４】第４実施例を説明するブロック線図である。

【図１５】図１４に示すロボットを簡略にモデル化した
説明図である。

【図１６】この発明の第５実施例を示す脚コンプライア
ンス制御値演算の別の例を示すフロー・チャートであ
る。

【図１７】この発明の第６実施例を示す脚コンプライア
ンス制御値演算の別の例を示すフロー・チャートであ
る。

【図１８】第６実施例の制御を説明する説明図である。

【図１９】この発明の第７実施例を示す脚コンプライア
ンス制御値演算の別の例を示すフロー・チャートであ
る。

【図２０】この発明の第８実施例を示す制御ループにフ
ィルタを介挿した状態を示すブロック線図である。

【図２１】図２０のフィルタの特性を機械的に説明する
説明図である。

【図２２】この発明の第９実施例を示す脚コンプライア
ンス制御に別の安定化制御を組み合わせた制御を示すフ
ロー・チャートである。

【図２３】図２２フロー・チャートの脚コンプライアン
ス制御と安定化制御の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２４】第９実施例を説明するブロック線図である。

【図２５】図２４のブロック線図を簡略的に変形して示
すブロック線図である。

【図２６】第９実施例を状態フィードバック制御手法で
実現した例を示すブロック線図である。

【図２７】図２５のブロック線図をフィルタの伝達特性
を１にして変形した例を示すブロック線図である。

【図２８】図２７を機械的構成に置き換えて示す説明図
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８０，８００フィルタ

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
の歩行制御装置において、ａ．歩行時に目標とするＺＭＰ位置まわりの実際の床反
力モーメントを検出する手段、ｂ．検出した床反力モーメントを所定値と比較して偏差
を求める手段、を備え、前記歩行制御装置は、求めた偏差を解消する様
に、前記複数本の脚部のうちの少なくともいずれかの脚
部の関節を、脚部先端の床に対する相対位置を変えず
に、仮想的に床を傾けたときの姿勢をとらせる様に駆動
す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。
【請求項２】床を傾けたときの回転中心を前記基準点
またはＺＭＰ目標位置とす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。
【請求項３】前記ロボットの上体をＺＭＰ目標位置の
移動に応じて再修正する様に構成したことを特徴とする
請求項１項または２項記載の脚式移動ロボットの歩行制
御装置。