JPH0671578A - 脚式移動ロボットの歩行制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 ２足歩行脚式移動ロボットにおいて、階段を
昇るときにバランスを崩して階段と干渉したとき、位置
・力のハイブリット制御を行って階段面をならいつつ歩
行する。力のフィードバックループを位置のそれの内側
に設ける。 【効果】 破綻することなく歩行を継続できると共に、
制御応答性に優れ、またコンピュータで実現するとき制
御プログラムの作成が容易。

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、特に２足歩行の移動ロボットにおい
て、階段などを昇るときなどに外乱からバランスを崩し
ても階段の表面形状をならいつつ安定に歩行させる様に
したものに関する。

【０００２】

【従来の技術】脚式移動ロボットが階段などを昇る際、
外乱などからバランスを崩すと足先が階段と干渉して歩
行が破綻しやすい。そこで、図１６に示す様に脚式移動
ロボットの足元に接触センサ（脚先センサ）を搭載して
階段を検出し、歩容を変更して階段を昇降する技術が提
案されている（ロボット工学ハンドブック（日本ロボッ
ト学会編、コロナ社刊）、３３７頁）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来技術
は以下の様な問題点があった。即ち、接触センサ（脚先
センサ）は出力信号がオン・オフであってアナログ値で
ないため、連続の制御に用いるには不適であり、特に高
い応答性をロボットに持たせるには問題が多かった。例
えば、接触センサで階段面を検出しながらロボット脚部
を駆動する場合を例にとり、目標の基準足平軌道をエン
コーダなどを用いて位置制御し、それに接触センサから
の足平位置を別ループで補正量として加算して階段面を
ならいながら脚部を駆動する場合を考える。単純な比例
制御でこれを実現しようとすると、図１７に示す様な制
御系が考えられる。

【０００４】この場合、前述の様に接触センサの信号は
オン・オフの２値であるため、このままでは制御系が発
振してしまう。このため、足平軌道の制御は簡単なもの
にはならず、冗長で複雑なものになりがちである。例え
ば、接触センサが階段面を検知したら、センサがオン・
オフする可動範囲で足平を周期的に動かさないと階段面
を連続して検出し続けることができないから動作が冗長
になり、高い応答性を得ることができない。また、コン
ピュータを用いて制御するとき、この動作も制御プログ
ラム上で操作量の周波数について制限を設けておかない
と制御系が発振し、あるいは機構を破壊する恐れがある
ため、明らかに制御プログラムは複雑となる。

【０００５】従って、この発明はその不都合を解消し、
階段などを昇降するときも歩行が破綻することがないと
共に、制御の応答性を向上させ、更には制御をコンピュ
ータで行うときも制御プログラムの開発を容易とした脚
式移動ロボットの歩行制御装置を提供することにある。

【０００６】

【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項に示す様に、基体
と、それに連結される複数本の脚部とからなり、該脚部
で交互に自重を支持しつつ歩行する脚式移動ロボットの
歩行制御装置において、前記脚部の目標位置を予め設定
する設定手段、前記脚部の実位置を検出する手段、検出
された実位置と目標位置との偏差が減少する様に前記ロ
ボットの関節を駆動制御する位置フィードバックルー
プ、前記脚部の目標荷重を予め設定する手段、前記脚部
に作用する外力の大きさを検出する手段、および検出さ
れた外力と目標荷重との偏差が減少する様に前記ロボッ
トの関節を駆動制御する力フィードバックループ、とを
備え、外力が検出されるまでは位置制御を行い、外力が
検出されたときは位置と力のハイブリッド制御に切り換
えると共に、その力フィードバックループを位置フィー
ドバックループの内側に設ける如く構成した。

【０００７】

【作用】階段などに干渉したとき、その表面形状になら
う様に遊脚軌道を補正するので、転倒することなく直ち
に姿勢を回復して安定な歩行を継続することができる。
また、位置・力制御を行うと共に、力制御のフィードバ
ックループを位置のそれの内側に設けたので、制御の応
答性が向上する。更に、外力の大きさを検出して目標値
にフィードバック制御する様にしたので、通常のＰＩＤ
制御を用いることができ、コンピュータを用いて制御を
実現するときも、制御プログラムの開発が容易となる。

【０００８】

【実施例】以下、この発明の実施例を説明する。図１は
２足歩行の脚式移動ロボット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（軸）を備える（理解の便宜のために各関節（軸）
をそれを駆動する電動モータで例示する）。該６個の関
節（軸）は上から順に、腰の脚部回旋用の関節（軸）１
０Ｒ，１０Ｌ（右側をＲ、左側をＬとする。以下同
じ）、腰のピッチ方向（Ｘ方向）の関節（軸）１２Ｒ，
１２Ｌ、同ロール方向（Ｙ方向）の関節（軸）１４Ｒ，
１４Ｌ、膝部のピッチ方向の関節（軸）１６Ｒ，１６
Ｌ、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）２０Ｒ，２０Ｌとなってお
り、その下部には足平（足部）２２Ｒ，２２Ｌ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）１０Ｒ（Ｌ），１２Ｒ
（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）から構成され、また足関節は、関
節（軸）１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）から構成される。
また、股関節と膝関節との間は大腿リンク２８Ｒ，２８
Ｌで、膝関節と足関節との間は下腿リンク３０Ｒ，３０
Ｌで連結される。

【０００９】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、図２に示す様
に階段なども昇降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。

【００１０】ここで、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Ｆ
ｘ，Ｆｙ，Ｆｚとその方向回りのモーメント成分Ｍｘ，
Ｍｙ，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（図３に力成分Ｆｘ
のみ示す）。また、胴体部２４の上部には、一対の傾斜
センサ４０，４２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（図１において足関節の電動モータ用のも
ののみを示す）。これらセンサ３６などの出力は前記し
た胴体部２４内の制御ユニット２６に送られる。

【００１１】図４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４０，４２などの出力はフ
ィルタ４６，４８を介してＡ／Ｄ変換器５０に送られて
デジタル値に変換され、その出力はバス５２を介してＲ
ＡＭ５４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可逆カウンタ５６を介してＲ
ＡＭ５４内に入力される。制御ユニット内には演算装置
６４が設けられており、ＲＯＭ６６に格納されている歩
行パターンを読み込んで可逆カウンタ５６から送出され
る実測値との偏差から電動モータの速度指令値を算出
し、Ｄ／Ａ変換器６８を介してサーボアンプに送出す
る。また図示の如く、エンコーダ出力はＦ／Ｖ変換回路
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バック制御が実現されている。
更に、力フィードバック制御も行われるが、その点につ
いては後述する。

【００１２】続いて、図５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。

【００１３】同図の説明に入る前に、この制御を簡単に
説明しておくと、先ず、足先の軌道を事前にｘ，ｙ，ｚ
方向について設定しておき、ここでは図６に示す様にｘ
方向のみ制御するものとする。尚、この軌道制御につい
て説明を補足すると、足先軌道の他に重心軌道なども予
め設定しておき、歩行時にそれらから逆運動学的に各関
節の目標角度を求め、実角度が目標角度となる様に制御
する。また、階段の存在は既知であるが、その表面形状
は明確に認識できていないものとし、遊脚軌道は図７に
示す様に、階段の表面からかなり離間させ、階段面に粗
く近似できる程度に設定しておく。図８はこの制御によ
り修正される状態を示す。

【００１４】本制御のブロック図を図９に示す。足先位
置指令ｘref ＝ｘ（ｔ）（図６）に足先軌道が保たれる
様に、関節１２，１６，１８Ｒ（Ｌ）などが位置制御さ
れる。また、力指令Ｆxrefはロボットが反力で転倒しな
いレベルの大きさ、即ち、階段面を軽くなぞる程度の大
きさに設定されていて、トルクフィードバックループに
より、足平荷重が一定の力Ｆxrefになる様に関節が制御
される。

【００１５】以上を前提として図５フロー・チャートに
戻ると、Ｓ１０で階段面干渉があるか、即ち、外力Ｆｘ
が検出されたか否かを６軸力センサ３６の出力から判断
し、否定されるときはＳ１２に進んで位置のフィードバ
ック制御のみ行うと共に、肯定されるときはＳ１４に進
んで位置と力（トルク）のハイブリッド制御を行う。即
ち、ロボット脚部が階段面に干渉せずに動いているとき
は、事前にプログラミングしてある軌道に沿う様に位置
制御が行われ、ロボットは歩行する。しかし、外乱など
によりロボットの姿勢が崩れて脚部が階段面に干渉する
と、ならい制御（位置とトルク（力）のハイブリッド制
御）に切り換えられ、足平２２Ｒ（Ｌ）の先端で階段面
を一定圧力で押しながら遊脚を駆動する、即ち、階段の
垂直壁面にならいつつ上の段に到達する。即ち、図７の
軌道を図８の様に修正しつつ階段を昇る。そして、ハイ
ブリッド制御中に外力Ｆｘが零になったら、階段面を通
過したとみなして本来の位置制御に戻る。

【００１６】ここで、図９に示す位置、速度、およびト
ルク（力）の比例ゲインＫ１，Ｋ２，Ｋ３の値は、図１
０に示す様に制御モードにより可変とする（フィルタな
どを用いてより滑らかに連続的に切り換えると、更にロ
ボットの動作は安定する）。位置とトルクのハイブリッ
ト制御でＫ１，Ｋ2 ＝０のときは完全なトルク制御とな
り、Ｋ１，Ｋ２が０以外のときは位置とトルクの中間的
なものとなる。これは特に、前述の制御モード切り換え
時に、瞬時に制御ループを切り換えると遊脚動作が不連
続になるので、それを避けるためと、また切り換え後も
弱い位置制御を残しながらトルク制御を行う方が動作の
連続性から、ロボットの歩行自体が安定するためであ
る。

【００１７】この実施例は上記の如く、階段を昇るとき
に姿勢を崩して階段の垂直壁面と干渉しても遊脚を階段
の垂直壁面にならわせつつ昇る様に構成したので、結果
的に速やかに姿勢の安定を回復することができ、転倒す
ることなく、歩行を継続することができる。尚、ｘ方向
の制御についてのみ示したが、ｙ方向ないしはｚ方向に
ついても同様の手法で制御できることは言うまでもな
い。

【００１８】更に、アナログ量で力を計測するため、直
接、トルク制御を行うことができ、故に、高い制御応答
性、換言すれば高速な制御を行うことができる。即ち、
図９ブロック図に示す様に、ロボットのフィードバック
ループの最も内側に力フィードバックループを入れるこ
とができて、高い応答性を確保することができる。別言
すれば、接触センサなどの位置センサを用いたときは、
そのセンサ出力に基づくフィードバックループは最も外
側の位置ループになるため、高い応答性を得ることは困
難であるが、この制御の様に力センサを用いることによ
り最も内側の高速なトルクループを操作することがで
き、結果として高速な制御を実現することができる。

【００１９】また、この制御は通常のＰＩＤ制御で対応
できるため、制御プログラムの開発が容易である。それ
に対し、接触センサを用いるときは、先に述べた如く、
オン・オフ信号のセンサ出力に基づいて制御するため、
通常のＰＩＤ制御は、そのまま使用することができな
い。その際には、センサ信号に合わせた足先軌道を事前
にプログラミングしてシーケンスに制御することになろ
うが、プログラム開発では明らかに労力が多い。また、
接触センサのオン・オフ間でプログラム的に足先を駆動
することは無駄な動作となりやすく、高速な制御が困難
である。一方、この制御ではＰＩＤ制御で対応すること
ができると共に、事前にセンサ信号に合わせて足先軌道
をプログラミングする必要もないため、制御プログラム
開発が容易となる。

【００２０】図１１はこの発明の第２の実施例を示して
おり、遊脚軌道の別の設定例を示す。即ち、対象物の形
状について事前に明確な情報を持たないときは、図７に
示した様な軌道となる様に歩行パターンを設定すること
になるが、図７の軌道は無駄が多い点で必ずしも十分で
はない。他方、事前に対象物の形状を正確に認識してい
ないので、干渉は当然予期される。そこで図１１に示す
様に、積極的に階段と干渉する様に設定した。特に、遊
脚の駆動速度が比較的遅く、かつ遊脚の応答が速い（外
界検出手段の検出値の処理速度が速い）ときなどはロボ
ットが模索的に階段を昇ることができるので、未知環境
に対する順応性が飛躍的に増大する。

【００２１】図１２はこの発明の第３の実施例を示して
おり、遊脚軌道の更に別の設定例を示す。事前に対象物
の形状が明瞭に認識されているときは、この様に軌道を
設定しておくと、ロボットが歩行中にバランスを崩した
際に遊脚と階段の垂直壁面とは直ちに干渉することにな
る。即ち、ロボットのバランスが大きく崩れる前になら
い制御が開始することとなり、結果的にロボットの歩行
が破綻する確率を非常に小さくすることができる。

【００２２】図１３はこの発明の第４の実施例を示して
おり、軌道を進路誘導のガイドに応用した場合を示す。
即ち、同図はロボット１の歩行を上方から見た場合の上
面図であるが、ロボットの移動環境が垂直の壁に沿うと
ころであったり、溝の中を進む様なときは、外界検出手
段の情報を進行軌道の誘導に利用することができる。

【００２３】図１４はこの発明の第５の実施例を示して
おり、オーバーハングする階段を昇る例を示す。ロボッ
ト１がこの様な形状の階段を昇る際にバランスを崩して
足平２２Ｒ（Ｌ）がオーバーハング部の下に入ると、初
期の軌道に復帰するのが困難である。この様な場合でも
外界検出手段によって外力Ｆｘ，Ｆｚ（または距離Ｌ
ｘ，Ｌｚ）を測定し、図９に示した位置とトルクのハイ
ブリッド制御を行うことで、予定された軌道に速やかに
復帰させることができる。

【００２４】図１５はこの発明の第６の実施例を示して
おり、ロボット１が跨いで越えることができる程度の障
害物を通過する例を示す。この様なときでも第５実施例
と同様に制御するとき、遊脚軌道を障害物に倣わせつつ
越えることができる。これにより、予め障害物の寸法、
形状や位置の明確な情報を得ていない場合でも安定した
姿勢で通過することができることになり、正確な環境認
識のために要求される技術的な負担を大幅に軽減するこ
とができる。

【００２５】尚、上記した実施例においては外界検出手
段の例として外力を検出する６軸力センサを示したが、
これに限られるものではない。

【００２６】更には、この発明を２足歩行の脚式移動ロ
ボットについて説明したが、それに限られるものではな
く、１足ないしは３足以上の脚式移動ロボットにも妥当
するものである。

【００２７】

【発明の効果】請求項１項の装置にあっては、基体と、
それに連結される複数本の脚部とからなり、該脚部で交
互に自重を支持しつつ歩行する脚式移動ロボットの歩行
制御装置において、前記脚部の目標位置を予め設定する
設定手段、前記脚部の実位置を検出する手段、検出され
た実位置と目標位置との偏差が減少する様に前記ロボッ
トの関節を駆動制御する位置フィードバックループ、前
記脚部の目標荷重を予め設定する手段、前記脚部に作用
する外力の大きさを検出する手段、および検出された外
力と目標荷重との偏差が減少する様に前記ロボットの関
節を駆動制御する力フィードバックループ、とを備え、
外力が検出されるまでは位置制御を行い、外力が検出さ
れたときは位置と力のハイブリッド制御に切り換えると
共に、その力フィードバックループを位置フィードバッ
クループの内側に設ける様に構成したので、遊脚脚部が
外乱などにより本来の軌道から逸脱したときも接触面を
なぞりつつ通過することができて歩行が破綻することが
ないと共に、制御の応答性も向上する。また制御をコン
ピュータで実現するときも、制御プログラムの作成が容
易となる。

【００２８】請求項２項の装置にあっては、前記目標位
置が階段を昇るときのものであり、前記外力が脚部と階
段の干渉によって生じるものである様に構成したので、
階段を昇るときに脚部が階段と干渉しても、階段面をな
ぞりつつ昇ることができて歩行が破綻することがない。

【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に示すロボットが階段を昇る状態を示す説
明図である。

【図３】図１に示すロボットに装着した外界検出手段た
る６軸力センサの検出出力のうち、力成分Ｆｘを示す説
明図である。

【図４】図１に示す制御ユニットの説明ブロック図であ
る。

【図５】図４の制御ユニットの動作を示すフロー・チャ
ートである。

【図６】この制御で用いる足先軌道の時間特性を示す説
明図である。

【図７】図６の足先軌道で階段を昇るときのものを示す
説明図である。

【図８】階段と干渉したとき、この制御により補正され
た状態を示す説明図である。

【図９】図５フロー・チャートに示す制御を説明するブ
ロック線図である。

【図１０】図９ブロック図に示す比例ゲインの特性を示
す説明図である。

【図１１】この発明の第２の実施例を示すもので、遊脚
軌道の別の設定例を示す説明図である。

【図１２】この発明の第３の実施例を示すもので、遊脚
軌道の更に別の設定例を示す説明図である。

【図１３】この発明の第４の実施例を示すもので、遊脚
軌道の更に別の設定例を示す説明図である。

【図１４】この発明の第５の実施例を示すもので、オー
バーハング部を備えた階段を昇るときの制御手法を示す
説明図である。

【図１５】この発明の第６の実施例を示すもので、障害
物を跨いで通過するときの制御手法を示す説明図であ
る。

【図１６】脚先センサ（位置センサ）を使用する従来技
術を示す説明図である。

【図１７】図１６に示した従来技術の制御を説明する制
御ブロック図である。

【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 ２２Ｒ，２２Ｌ 足平（足部） ２４ 胴体部 ２６ 制御ユニット ３６ ６軸力センサ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体と、それに連結される複数本の脚部
   とからなり、該脚部で交互に自重を支持しつつ歩行する
   脚式移動ロボットの歩行制御装置において、 ａ．前記脚部の目標位置を予め設定する設定手段、 ｂ．前記脚部の実位置を検出する手段、 ｃ．検出された実位置と目標位置との偏差が減少する様
   に前記ロボットの関節を駆動制御する位置フィードバッ
   クループ、 ｄ．前記脚部の目標荷重を予め設定する手段、 ｅ．前記脚部に作用する外力の大きさを検出する手段、
   および ｆ．検出された外力と目標荷重との偏差が減少する様に
   前記ロボットの関節を駆動制御する力フィードバックル
   ープ、とを備え、外力が検出されるまでは位置制御を行
   い、外力が検出されたときは位置と力のハイブリッド制
   御に切り換えると共に、その力フィードバックループを
   位置フィードバックループの内側に設けたことを特徴と
   する脚式移動ロボットの歩行制御装置。
2. 【請求項２】 前記目標位置が階段を登るときのもので
   あり、前記外力が脚部と階段との干渉によって生じるも
   のである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。