JPH09131679A

JPH09131679A - 走行ロボットの走行制御装置

Info

Publication number: JPH09131679A
Application number: JP7289966A
Authority: JP
Inventors: Eiji Nakano; 栄二中野; Kazunori Kuromoto; 和憲黒本
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1995-11-08
Filing date: 1995-11-08
Publication date: 1997-05-20

Abstract

(57)【要約】【課題】脚を有した走行ロボットにおいて、信頼性の向
上、コストの低減等を図る。【解決手段】予め設定された所定移動軌跡ｒtrajに基づ
いて脚先６が地面Ｈに接地しているときの脚先６の目標
位置Ｚdを求め、この脚先６の目標位置Ｚdと脚先６の実
際の位置Ｚとの偏差ΔＺを、ばね変位とするとともに、
脚先６に仮想的なばね定数を与え、このばね定数と上記
ばね変位ΔＺとによって定まる所定のばね力に応じた力
が地面接地中の脚先６に付与されるように、脚３を駆動
するアクチュエータに駆動指令を与えるように制御をす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、胴体に回動自在に
脚が配設され、地面に脚を接地させ、地面から脚を離間
させる動作を繰り返し行いながら走行する走行ロボット
を駆動制御する走行ロボットの走行制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】不整
地の走行に適している等の理由から、胴体に回動自在に
複数の脚が配設され、地面に脚を接地、地面から脚を離
間させる動作を繰り返し行いながら走行するという、い
わゆる多脚ロボットの開発が近年すすめられている。

【０００３】こうした多脚ロボットの研究では、不整地
での安定でスムーズな歩行を実現するために、様々な脚
の制御が提案されている。

【０００４】これまで提案されてきた多脚ロボットの制
御は、脚の裏に、接触センサを配設したり、脚の適当な
位置に力センサ（トルクセンサ）を配設したりして、こ
れらセンサによって地面の状況をフィードバック情報と
して取得して、これらフィードバック情報（地面の状
況）に基づいて、脚先の軌道を調整、変更するというも
のである。

【０００５】ところが、この制御方法によると、（１）センサの出力によって脚先の軌道を決定させてい
ることから、信頼性が低下する。

【０００６】（２）脚先の軌道を常時演算によって変更
させていることから、リアルタイムな制御が実現しにく
い。

【０００７】（３）センサおよびこれの関連部品を脚に
配設する必要があるため、部品点数増加、構造の複雑化
等によりコストが上昇する。

【０００８】（４）劣悪な環境下（不整地）においてセ
ンサを使用しているため、安全性に問題がある。

【０００９】本発明は、こうした実状に鑑みてなされた
ものであり、地面の状況を検出するためのセンサを不要
とするとともに、脚先の移動軌跡の変更を不要とするこ
とにより、上記（１）ないし（４）の従来の問題点を一
挙に解決することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段および効果】そこで、この
発明の主たる発明では、胴体と該胴体に回動自在に配設
された脚と駆動指令に応じて前記脚を駆動するアクチュ
エータとからなる走行ロボットの前記アクチュエータに
駆動指令を出力することにより前記脚の先を所定の移動
軌跡に従って移動させて、地面に脚を接地、地面から脚
を離間させる動作を繰り返し行い走行ロボットを走行さ
せる走行ロボットの走行制御装置において、前記脚先が
前記走行ロボットの基準高さに対する所定の相対高さで
地面に接地するように所定の移動軌跡を予め設定する設
定手段と、前記脚先が地面に接地しているときの脚先の
実際の位置を検出する位置検出手段と、前記設定手段で
設定された所定移動軌跡に基づいて前記脚先が地面に接
地しているときの脚先の目標位置を求め、この脚先の目
標位置と前記位置検出手段で検出された脚先の実際の位
置との偏差を、ばね変位とするとともに、前記脚先に仮
想的なばね定数を与え、このばね定数と前記ばね変位と
によって定まる所定のばね力に応じた力が地面接地中の
前記脚先に付与されるように、前記アクチュエータに駆
動指令を与える制御手段とを具えるようにしている。

【００１１】すなわち、地面状況を検出するためのセン
サを配設することなく、走行の制御に通常使用される位
置検出手段（脚の回転角センサ）をそのまま利用するこ
とができる。

【００１２】そして、位置検出手段の出力に基づきばね
変位がわかり、このばね変位と脚先に仮想的な付与され
たばね定数とによってばね力が定まり、仮想的な基準地
面に接地して移動中の脚先に付与すべき力がわかる。

【００１３】そして、上記ばね力に応じた力が基準地面
接地中の脚先に付与されるように、アクチュエータに駆
動指令が与えられ、走行ロボットは走行される。

【００１４】ここで、脚先の移動軌跡は、脚先が地面に
接地しているときの脚先の目標位置が、ばね変位の基準
位置となるように、固定されており、不変である。すな
わち、実際に普通不整地を走行しているときの脚先位置
は、この基準面とは少し異なるが、この相違に伴う反力
の変化分は脚先での仮想ばねによって大部分吸収できる
ため、脚先の移動軌跡及び制御パラメータを変更する必
要は全くない。

【００１５】以上のように、この発明によれば、地面の
状況を検出するためのセンサは不要であり、脚先の移動
軌跡及び制御パラメータの変更も不要となる。このた
め、上記（１）ないし（４）の従来の問題点が一挙に解
決される。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る走行ロボットの走行制御装置の実施の形態について説
明する。

【００１７】図１（ａ）、（ｂ）は、この実施例に適用
される走行ロボットの上面図、側面図をそれぞれ示して
いる。なお、図面では、不整地で伐採作業等するための
作業機は、省略するなど、簡略化して示している。

【００１８】同図に示すように、この走行ロボット１
は、胴体２に４つの脚（前脚の左右脚３ＦＬ、３ＦＲ、
後脚の左右脚３ＲＬ、３ＲＲ）が配設されるとともに、
４つの車輪１３（前輪の左右輪１３ＦＬ、１３ＦＲ、後
輪の左右輪１３ＲＬ、１３ＲＲ）が配設されてなるもの
である。なお、矢印Ａは前進方向を示している。また、
Ｇは走行ロボット１の重心位置を示している。

【００１９】車輪１３は、図１１（ａ）に示すように、
ばね３３を介して胴体２に支持されている。

【００２０】この走行ロボット１は、通常の不整地で
は、安定でスムーズな走行を実現するために、脚３と車
輪１３の両方を駆動して走行する。また、平坦な道路で
は、脚３を地面Ｈから離間させて車輪１３のみで走行す
る。場合によっては、脚３だけで走行することも可能で
ある。

【００２１】したがって、走行ロボットとしては、車輪
１３を最初から配設することなく、脚３のみを胴体２に
配設した構造でもよい。

【００２２】また、脚３の数は、４つに限定されること
なく任意の数でよく、車輪１３の数も任意である。ま
た、車輪の代わりに履帯を使用してもよい。

【００２３】この実施例では、脚３は、操舵のために、
左右１２０°に回動自在に胴体２に配設されている。脚
３は、脚ステアリング用油圧シリンダ１１が駆動される
ことによって操舵される。同様に、車輪１３は、操舵の
ために、左右９０°に回動自在に胴体２に配設されてい
る。車輪１３は、図２に示される車輪ステアリング用油
圧シリンダ１５が駆動されることによって操舵される。

【００２４】脚３は、ブーム４とこのブーム４の先端に
回動自在に配設されたアーム５とこのアーム５の先端に
配設された脚先（部）６とからなり、ブーム４の根元が
胴体２のブラケット７に回動自在に配設されている。ブ
ーム４はブーム用油圧シリンダ１２が駆動されることに
よって回動され、アーム５はアーム用油圧シリンダ１３
が駆動されることによって回動される。

【００２５】したがって、脚３は、上下方向ないしは前
後方向には、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３に示されるような姿勢を
とることができる。

【００２６】すなわち、脚３は、図４に示されるよう
に、左右方向に任意の回転角度ｑ1をもって回動する第
１関節８と、上下方向に任意の回転角度ｑ2をもって回
動する第２関節９と、前後方向に任意の回転角度ｑ3を
もって回動する第３関節１０を有しており、これら各関
節８、９、１０の各回転角度を制御するとともに車輪１
３の回転角度を制御することによって、脚３を地面Ｈに
接地させ、地面Ｈから離間させる動作を繰り返し行わ
せ、走行ロボット１を走行させることができる。図２
は、脚３および車輪１３を駆動させるための油圧回路図
である。

【００２７】すなわち、エンジン等を駆動源とする油圧
ポンプ１７から圧油が吐出され、各流量制御（サーボ）
弁１８（１８´、１８´´）、１９、２０、２１を介し
て、脚および輪ステアリング用油圧シリンダ１１および
１５、ブーム用油圧シリンダ１２、アーム用油圧シリン
ダ１３、車輪用油圧走行モータ１６に圧油が供給され、
脚３および車輪１３が駆動されるようになっている。

【００２８】なお、油圧ポンプ１７は、吐出圧に応じて
斜板角を２段階に切り換えることにより、高速、低速の
２段階に、吐出流量が切り換えられるようになってい
る。

【００２９】つまり、脚３が遊脚状態（地面Ｈから離
間）のときは、負荷が小さいので、高速に切り換えら
れ、脚３が駆動脚状態（地面Ｈに接地）のときは、負荷
が大きいので、低速に切り換えられる。

【００３０】ブーム用シリンダ１２には、その縮退側シ
リンダ室、伸張側シリンダ室の圧力をそれぞれ検出する
圧力センサ２３、２３´が付設されている。

【００３１】同様にして、アーム用シリンダ１３には圧
力センサ２４、２４´が配設されており、脚ステアリン
グ用シリンダ１１には圧力センサ２２、２２´が配設さ
れており、車輪用走行モータ１６には圧力センサ３４、
３４´が配設されている。

【００３２】各（サーボ）弁１８（１８´、１８´
´）、１９、２０、２１のソレノイドには、図７に示す
コントローラ３０から制御電流Ｉが加えられ、これによ
って、サーボ弁の開度位置が所要に変化され、脚３およ
び車輪１３が所要に駆動される。図７に示すコントロー
ラ３０は、図３に示される制御内容を実行する。

【００３３】すなわち、各脚３が交互に動いて走行ロボ
ット１をスムーズに走行させる制御が４脚４輪協調制御
部４０で行われる。

【００３４】また、脚３の脚先６を、車輪１３と協調さ
せて目標軌跡ｒtrajに沿って移動させる制御が、１脚１
輪協調制御部４１で実行される。この１脚１輪協調制御
部４１の制御ブロック図は図８に示される。

【００３５】なお、図７では、煩雑さを避けるため、ブ
ーム用シリンダ１２（脚３の第２関節９）の駆動制御系
のみ示している。

【００３６】すなわち、脚３の第２関節９の回転角度ｑ
2（図４参照）を検出する回転角度センサ２６が当該第
２関節９に付設されており、センサ出力は増幅器２８を
介してコントローラ３０に入力される。なお、脚３の他
の第１関節８、第３関節１０にも、それぞれ回転角ｑ
1、ｑ3を検出する回転角センサ２５、２７が付設されて
おり、同様にコントローラ３０に入力される。

【００３７】また、ブーム用シリンダ１２（第２関節
９）にかかる負荷（トルク）を検出する圧力センサ２３
および２３´の出力が増幅器２９を介してコントローラ
３０に入力される。なお、脚３の他の第１関節８、第３
関節１０にかかるトルクを検出する圧力センサ２２およ
び２２´、２４および２４´の出力も同様にしてコント
ローラ３０に入力される。

【００３８】コントローラ３０では、後述する図８に示
す制御ブロック図に示すように、回転角度センサ２５、
２６、２７の出力ｑ1、ｑ2、ｑ3の出力に基づき関節位
置（関節回転角度）ベクトルｑが求められるとともに、
圧力センサ２２および２２´、２３および２３´、２４
および２４´の出力に基づき関節トルクベクトルＴが求
められ、これらベクトルｑ、Ｔに基づき、脚先６が所定
の目標軌跡ｒtrajに沿って移動されるように、サーボ演
算がなされ、サーボ弁１８、１９、２０に対する出力指
令が生成される。コントローラ３０から出力された出力
指令は、電流増幅器３１を介して制御電流Ｉとして、サ
ーボ弁１９のソレノイド１９ａに出力される（サーボ弁
１８、２０のソレノイドにも同様な電流が出力され
る）。

【００３９】こうして、サーボ弁１９は、入力された制
御電流Ｉに応じて所要にその開度（流量）が変化され、
ブーム用シリンダ１２が所要の速度で駆動され、第２関
節９の回転角ｑ2が脚先目標軌跡ｒtrajに応じた目標回
転角度ｑ2dに一致される。同様にして、第１関節８の回
転角ｑ1、第３関節１０の回転角ｑ3が目標軌跡ｒtrajに
応じた目標回転角度ｑ1d、ｑ3dにそれぞれ一致される。

【００４０】コントローラ３０は、車輪１３の回転角θ
が、脚先目標軌跡ｒtrajに同期した目標軌跡θtrajに応
じた目標回転角度θdになるような制御も、同様にして
行う（図８参照）。

【００４１】すなわち、図１１（ａ）に示すように、車
輪１３に付設された回転角度センサ３２の出力θがコン
トローラ３０に入力されるとともに、車輪用走行モータ
１６にかかる負荷（トルク）を検出する圧力センサ３４
および３４´の出力ｔがコントローラ３０に加えられ、
これら回転角θ、トルクｔに基づき、車輪１３が所定の
目標軌跡θtrajに沿って移動されるように、サーボ演算
がなされ、サーボ弁２１に対する出力指令が生成される
（図８参照）。コントローラ３０から出力された出力指
令は、電流増幅器３１を介して制御電流Ｉとして、サー
ボ弁２１のソレノイドに出力される。

【００４２】こうして、サーボ弁２１は、入力された制
御電流Ｉに応じて所要にその開度（流量）が変化され、
車輪用走行モータ１６が所要の速度で駆動され、車輪１
３の回転角θが目標軌跡θtrajに応じた目標回転角度θ
dに一致される。

【００４３】つぎに、図３に示す１脚１輪制御部４１で
実行される制御内容を、図８の全体制御ブロック図、図
９、図１０の部分的な制御ブロック図を併せ参照して説
明する。

【００４４】その前に、本実施例に適用される制御の概
要について図４、図５、図６を参照して説明する。

【００４５】・目標軌跡の設定コントローラ３０では、図４に示すように、脚先６が走
行ロボット１の基準高さ（ＸーＹーＺ座標系の基準高
さ）に対する所定の相対高さＺで地面Ｈに接地するよう
に所定の目標軌跡ｒtrajを予め設定する処理が行われ
る。

【００４６】ここで、脚先６の目標位置Ｚdは、後述す
る脚先６のばね変位ΔＺ（＝ＺーＺd）の基準位置とな
るものであり、目標位置Ｚdの定め方によって脚３の発
生力（ばね力）が決定される。このように、脚３の発生
力は、脚先６の目標位置Ｚdを増減させることで実現す
る。よって、目標位置Ｚdとしては、地面Ｈが完全に水
平であるとしたときの脚先６の接触点が自重によって整
定する位置にしてもよく、故意にこの位置から外すよう
設定してもよい。

【００４７】・仮想的なコンプライアンスの付与コントローラ３０は、図５ないしは図６に示すように、
脚先６に、仮想的な脚先ばね定数ＫF、具体的にはこの
ばね定数ＫFの逆数であるコンプライアンスＣFを予め設
定する処理を実行する。

【００４８】すなわち、後で明らかになるように、脚先
６にコンプライアンスＣFを機械的要素によって与える
のでなく、仮想的に設定されたコンプライアンスＣFを
用いて関節８、９、１０のサーボ剛性を調整し、脚先６
に見かけの剛性ＫFを生成するのである。概念的には、
図６のように示される。

【００４９】具体的には、図５に示すように脚先６に
は、前後方向であるＸ方向に、所望のコンプライアンス
ＣFXが、左右方向であるＹ方向に、所望のコンプライア
ンスＣFYが、上下方向であるＺ方向に、所望のコンプラ
イアンスＣFZがそれぞれ与えられる。

【００５０】・脚先のコンプライアンスから関節のコン
プライアンスへの変換コントローラ３０は、脚先コンプライアンスＣFを、関
節８、９、１０の関節コンプライアンスＣjに変換する
処理を実行する（図６参照）。

【００５１】なお、以下において、３行からなる行列
を、行数がかさむのを避けるために、右肩に符号ｔを付
けた１行の転置行列で表すものとする。

【００５２】また、以下において、Ｗ-1とあるのは、行
列Ｗの逆行列を意味するものとする。いま、各関節８、
９、１０の関節回転角度を示す関節位置べクトルを、ｑ＝（ｑ1、ｑ2、ｑ3）t、各関節８、９、１０のトルクを示す関節トルクベクトル
を、Ｔ＝（ｔ1、ｔ2、ｔ3）t、走行ロボット１の胴体直交座標系ＸーＹーＺにおける脚
先６の座標位置を示す脚先位置ベクトルを、ｒ＝（Ｘ2、Ｙ2、Ｚ2）t、脚先６にかかる反力を示す脚先反力ベクトルを、Ｆ＝（ＦX、ＦY、ＦZ）t、とする。

【００５３】ここで、一般に、Ｊをヤコビアン行列とす
ると、 δｒ＝Ｊδｑ …（１）Ｔ＝ＪtＦ …（２）という関係が成立する。

【００５４】いま、脚３の関節空間における関節コンプ
ライアンス行列をＣj、胴体直交座標系における脚先６
の所望コンプライアンス行列をＣFとする。

【００５５】すると、一般的に、コンプライアンスＣと
力Ｆと変位ΔＸとの間に、ΔＸ＝ＣＦなる関係が成立す
る（ばね定数（剛性）Ｋと力Ｆと変位ΔＸとの間に、Ｆ
＝ＫΔＸが成立する）ことから、関節空間：δｑ＝ＣjＴ …（３）脚先空間：δｒ＝ＣFＦ …（４）なる関係が成立する。

【００５６】そこで、上記（１）式に、（３）、（４）
式を代入するとともに、さらに（２）式を用いると、ＣFＦ＝ＪＣjＴ＝ＪＣjＪtＦとなり、ＣF＝ＪＣjＪt ないしは、Ｃj＝Ｊ-1ＣF（Ｊt）-1 …（５）を得る。よって、脚先６のコンプライアンスＣFが与え
られると、この（５）式より関節８、９、１０のコンプ
ライアンスＣjを求めることができる。

【００５７】なお、この関係を、脚先６のばね定数（剛
性）行列ＫFと関節８、９、１０のばね定数（剛性）行
列Ｋjとの関係として示すと、Ｋj＝ＪtＫFＪ（＝（Ｃj）-1） …（５）´ となる。

【００５８】よって、関節８、９、１０の目標回転角度
を示す関節目標位置べクトルを、ｑd＝（ｑd1、ｑd2、ｑd3）t、とすると、上記（３）式と（５）´式から、 …（６）（ＪtＫFＪ＝（Ｃj）-1）が成立する。ここで、の項は速度、Ｇ（ｑ）の項は自重をそれぞれ補償するた
めに付加している。なお、Ｋvは速度ゲインのことであ
る。

【００５９】よって、目標軌跡ｒtrajに基づき各関節の
目標回転角度ｑdを求め、回転角度センサ２５、２６、
２７の出力に基づき各関節の実際の回転角度ｑを求め、
上記（５）式から関節コンプライアンスＣjを求めるこ
とができれば、上記（６）式から、各関節８、９、１０
に与えるべきトルクＴを求めることができ、このトルク
Ｔを各関節８、９、１０に与えるよう制御すればよいこ
とがわかる。

【００６０】すなわち、各関節８、９、１０がモータ等
の電気的なアクチュエータによって駆動されるのであれ
ば、電流はトルクに比例するので、上記（６）式で求め
たトルクＴに応じた電流をモータに供給すればよい。

【００６１】ただし、アクチュエータがこの実施例で想
定しているような油圧アクチュエータである場合、この
ような関係が成立しないので、トルクＴを圧力センサ２
３等によって実際に検出して（図７参照）、後述する図
８に示すような態様で制御することとしている。

【００６２】さて、脚３は、図４に示すように、左右方
向に回動する第１関節８と上下方向に回動する第２関節
９と前後方向に回動する第３関節１０を有しているので
あるから、図５に示す左右方向の脚先コンプライアンス
ＣFYに応じて第１関節８の関節コンプライアンスＣj1を
求め、上下方向の脚先コンプライアンスＣFZに応じて第
２関節９の関節コンプライアンスＣj2を求め、前後方向
の脚先コンプライアンスＣFXに応じて第３関節１０の関
節コンプライアンスＣj3を求めることができる。

【００６３】そして、第１関節８の関節コンプライアン
スＣj1と第１関節８の関節変位ｑd1ーｑ1とに基づき第
１関節８に与えるトルクｔ1を、また第２関節９の関節
コンプライアンスＣj2と第２関節９の関節変位ｑd2ーｑ
2とに基づき第２関節９に与えるトルクｔ2を、また第３
関節１０の関節コンプライアンスＣj3と第３関節１０の
関節変位ｑd3ーｑ3とに基づき第３関節１０に与えるト
ルクｔ3を演算するようにすれば、上記（６）式の演算
（とりわけ行列式の演算）を、より簡易に行うことがで
きる。

【００６４】以上のことを前提に、図８に示す制御ブロ
ック図を説明する。

【００６５】同図８に示すように、まず１脚１輪協調制
御の目標値である脚先６の目標軌跡ｒtraj＝（Ｘ2d、Ｙ
2d、Ｚ2d）tが、逐次入力される（図４参照）。

【００６６】・脚内協調制御部４２における処理回転角度センサ２５、２６、２７では、各関節８、９、
１０の実際の回転角度ｑ1、ｑ2、ｑ3が逐次検出されて
おり、座標変換部５４では、これら角度を脚先６の実際
の位置ｒ＝（Ｘ2、Ｙ2、Ｚ2）tに変換する処理が行われ
ている。そこで、この脚先位置ｒをフィードバック量と
して、目標値ｒtrajとの偏差δｒがとられ、この脚先位
置変位δｒが、変換部５０にてインバースヤコビアンＪ
-1を用いて関節位置変位δｑdに変換される。この関節
位置変位δｑdが目標値として図９に示すコンプライア
ンス制御部４３に入力されることになる。

【００６７】ここで、脚３が駆動脚状態の場合には、乗
算部５５における関節コンプライアンスＣjは、上記
（５）式によって取得された値が用いられ、後述するよ
うにコンプライアンス制御部４３にてコンプライアンス
制御が実行される。しかし、脚３が遊脚状態の場合に
は、乗算部５５におけるＣjの値は零とされて、コンプ
ライアンス制御は行われない。

【００６８】脚３が駆動脚状態であるか、遊脚状態であ
るかの判断は、脚３に設けた圧力センサ２２等の出力に
基づき行ってもよく、また脚先６に別途、接地状態を検
出するトルクセンサを設けて、この出力に基づき判断し
てもよい。あるいは、各関節の回転角度センサ２５等の
出力に基づき判断してもよい。

【００６９】このように脚内協調制御部４２では、実際
の脚先位置ｒをフィードバック量とする脚先位置の制御
を行うとともに、駆動脚状態時のみに、コンプライアン
ス制御を行うようにしているので、遊脚から駆動脚へ、
また駆動脚から遊脚へのスムーズが移動がなされる。

【００７０】・コンプライアンス制御部４３における処
理（コンプライアンス制御）図８、図９に示すように、圧力センサ２２等では、各関
節８、９、１０にかかるトルクＴ＝（ｔ1、ｔ2、ｔ3）t
が検出されている。

【００７１】そこで、このトルクＴがフィードバック量
とされて、関節コンプライアンス演算部５５に送られ、
上記（５）式によって取得された関節コンプライアンス
Ｃjを用いて上記（３）式の右辺を求める演算がなされ
て、現在のトルクＴと関節コンプライアンスＣjから、
現在あるべき関節位置変位δｑが定まる。

【００７２】そこで、脚先目標軌跡ｒtrajに応じた目標
関節位置変位δｑdが、上記（３）式によって定まった
現在あるべき関節位置変位δｑに一致するように制御す
るために、この両者の偏差がとられ、この偏差に対して
サーボゲイン演算部５１で、サーボゲインＫが乗算さ
れ、さらにリンクゲイン演算部５２でリンクゲインＬが
乗算されてサーボ弁１８等のソレノイドに対して加える
べき電流Ｉが生成される。

【００７３】こうしてサーボ弁１８等はその開度が所要
に変化され、ブーム用シリンダ１３等の流量が変化され
る。この結果、走行ロボット１の脚３は、所望の脚先コ
ンプライアンスＣFをもって地面Ｈに接地されることに
なる。

【００７４】ここで、図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を
参照して上記リンクゲインＬについて説明する。なお、
この図面では、説明を簡易にするために、脚３の左右方
向（Ｙ方向）の動きは省略することにしている。

【００７５】リンクゲインＬとは、脚６を構成するブー
ム４、アーム５等の幾何的な関係によって定まるゲイン
のことである。

【００７６】いま、図１２（ａ）のように、脚３の各部
の幾何的長さを定めるとすると、脚先６の位置（Ｘ2、
Ｚ2）と関節９、１０の回転角度ｑ2、ｑ3との関係は、 …（７）のようになる。よって、上記（１）式に示す関係は、次
式のごとく求められ、ヤコビアン行列Ｊを取得すること
ができる。

【００７７】 …（８）ブームリンクゲインＬ1（ｑ2）については、図１２
（ｂ）に示す幾何的関係より、が成立するから、この式の両辺を時間微分したものとし
て、 …（９）と求めることができる。

【００７８】一方、アームリンクゲインＬ2（ｑ3）につ
いては、図１２（ｃ）に示す幾何的関係より、が成立するから、この式の両辺を時間微分したものとし
て、 …（１０）と求めることができる。

【００７９】上記（９）、（１０）式のごとくして求め
られたリンクゲインＬが図９のリンクゲイン演算部５２
で使用される。

【００８０】・目標軌跡ｒtrajの再設定さて、図４に実線ｒtrajとして示すように、脚先６の目
標軌跡は、通常の不整地では固定されている。したがっ
て、脚部に設けた接触センサや力センサからの情報によ
って、不整地に応じて脚先軌道を変えるという従来の方
法に比べて、計算量が著しく低減される。

【００８１】しかし、通常の不整地より大きい不整地
（深い溝や高い段差）に対しては、固定したままの目標
軌跡ｒtrajでは対応できない。

【００８２】そこで、実際の地面Ｈの高さＺと最初に設
定した目標軌跡ｒtrajの地面接地中の脚先６の高さＺd
との偏差ΔＺが所定のしきい値以上ないしは以下になっ
たことが検出されると、最初に設定した目標軌跡ｒtraj
を、図４の破線に示すごとく、偏差ΔＺに応じた分だけ
上ないしは下に平行移動させることによって目標軌跡ｒ
´trajを再設定する処理を行うようにする。つまり、目
標軌跡ｒtrajの形状はそのままで、上下にずらすように
する。

【００８３】こうした方法をとることによって、大きい
不整地に遭遇した場合に脚先６の軌道を全く新たな軌道
（形状も変えてしまう）に変更するという従来の方法に
較べて、計算量が著しく低減することになる。

【００８４】また、実際の地面Ｈの高さＺと最初に設定
した目標軌跡ｒtrajの地面接地中の脚先６の高さＺdと
の偏差ΔＺが所定のしきい値以上ないしは以下になった
かどうかは、回転角センサ２５、２６、２７によって検
出された各関節８、９、１０の実際の回転位置ｑ1、ｑ
2、ｑ3と脚先６が地面Ｈに接地中の各関節８、９、１０
の目標回転角度ｑ1d、ｑ2d、ｑ3dとの偏差δｑdが所定
のしきい値以上ないしは以下になったことを検出するこ
とによって、判別することができる。

【００８５】すなわち、運脚中に大きな不整地に遭遇し
たことを知るために、従来のように特別のセンサ（視覚
センサ等）を使用しなくて済み、走行制御用に設けられ
ている既存の回転角度センサ（エンコーダ等）からの情
報のみで、これを知ることができる。

【００８６】このため、大きな不整地に遭遇したことを
知ることのみのために新たなセンサを配設しなければな
らない従来技術と比較して、コストが低減するととも
に、装置としての信頼性が向上することとなる。

【００８７】上記のようにして、再設定された目標軌跡
ｒ´trajは、それまでに使用していた目標軌跡ｒtrajに
代わって、図８の１脚１輪協調制御部４１に、目標値と
して入力されることになる。

【００８８】・輪トルク制御部４４における処理つぎに、図１０および図１１（ａ）、（ｂ）を参照し
て、輪トルク制御部４４で行われる処理について説明す
る。

【００８９】図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示す車輪
１３の回転角θの変位δθと、走行モータ１６の駆動ト
ルクｔとの関係を示しており、同図（ｂ）に示すよう
に、所望の牽引力（たとえば３０度の登坂において４０
０kgf／輪）に相当するモータ駆動トルク±ｔ400を上
限、下限として、トルクｔは、回転角度変位δθに応じ
て下限値ーｔ400と上限値＋ｔ400との間を、傾き１／Ｃ
wをもって変化する。

【００９０】よって、ＣwをコンプラインスＣjに相当す
るもの、θを角度ｑに相当するもの、とみれば、車輪１
３のトルク制御の制御系を、図９に示す脚３のコンプラ
イアンス制御と同等の制御系で、図１０に示すように構
成することができる。

【００９１】すなわち、図８に示すように、目標軌跡ｒ
trajが、輪回転座標変換部５６にて、車輪１３の目標回
転角度θtrajに、逐次変換される。そして、車輪１３の
回転角度センサ３２の出力θをフィードバック量とし
て、目標値θtrajとの偏差がとられ、この偏差δθdが
目標値として図１０に示す輪トルク制御部４４に入力さ
れる。

【００９２】圧力センサ３４および３４´によって、車
輪１３にかかっている実際のトルクｔが検出され、この
トルクｔがフィードバック量として出力される。そし
て、トルクｔは、トルク飽和判断部５９に入力され、図
１１（ｂ）に示すトルク性能カーブに基づき、トルクｔ
が上限、下限を越えた場合には、トルク性能カーブに従
ったフィードバックゲインが乗ぜられる。その信号は、
コンプライアンス演算部６０にて、トルクｔに対応する
コンプライアンスＣWが乗算されて、トルクｔに対応す
るコンプライアンスＣWから現在あるべき回転角変位δ
θが求められる。そして、目標値δθdと、この回転角
変位δθとの偏差がとられる。

【００９３】そして、この偏差に対してサーボゲイン演
算部５７で、サーボゲインＫwが乗算されてサーボ弁２
１のソレノイドに対して加えるべき電流Ｉが生成され
る。

【００９４】こうしてサーボ弁２１はその開度が所要に
変化され、車輪用走行モータ１６の流量が変化される。
この結果、走行ロボット１の車輪１３は、図１１（ｂ）
に示す所望のトルク性能にしたがって駆動されることに
なる。

【００９５】図１３は、実施例の走行ロボット１が、段
差６１を乗越える時の姿勢変化を説明するグラフであ
る。

【００９６】同図に示すように、走行ロボット１の胴体
２のピッチ角は段差６１を乗り越えるときでも平地とほ
とんど変わらず、またロール角は最大でも５度程度まで
しか変化しないので、安定した姿勢で段差６１を乗り越
えることができる。

【００９７】また、実験結果とシミュレーション結果と
は、ほぼ等しいのがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る走行ロボ
ットの走行制御装置の実施例で想定した走行ロボットの
上面図および側面図をそれぞれ示す図である。

【図２】図２は実施例の走行ロボットを駆動するための
油圧回路図である。

【図３】図３は実施例の走行ロボットのコントローラが
行う制御の内容を概念的に示す図である。

【図４】図４は実施例の走行ロボットの脚の構造および
脚先の動きを説明するために用いた図である。

【図５】図５は実施例の走行ロボットの脚の先に仮想的
に付与されるコンプライアンスを説明するために用いた
図である。

【図６】図６は実施例の走行ロボットの脚の先に仮想的
に付与されるコンプライアンスおよび関節のコンプライ
アンスを概念的に示す図である。

【図７】図７は実施例の走行ロボットの脚の駆動制御系
を示すブロック図である。

【図８】図８は図３に示す１脚１輪協調制御の制御ブロ
ック図である。

【図９】図９は図３に示すコンプライアンス制御の制御
ブロック図である。

【図１０】図１０は図３に示す輪のトルク制御の制御ブ
ロック図である。

【図１１】図１１（ａ）は、実施例の走行ロボットの車
輪の構造を示す図であり、同図（ｂ）は、実施例で想定
している車輪のトルク性能カーブを示すグラフである。

【図１２】図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、実施例の
走行ロボットの脚の幾何的関係を示す図である。

【図１３】図１３は、実施例の走行ロボットの段差乗越
え時の姿勢変化を説明するグラフである。

【符号の説明】

１走行ロボット２胴体３脚６脚先３０コントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０５Ｄ 3/12 Ｂ６２Ｄ 57/02 Ｅ (72)発明者黒本和憲神奈川県川崎市川崎区中瀬３ー20ー１株式会社小松製作所建機研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】胴体と該胴体に回動自在に配設され
た脚と駆動指令に応じて前記脚を駆動するアクチュエー
タとからなる走行ロボットの前記アクチュエータに駆動
指令を出力することにより前記脚の先を所定の移動軌跡
に従って移動させて、地面に脚を接地、地面から脚を離
間させる動作を繰り返し行い走行ロボットを走行させる
走行ロボットの走行制御装置において、前記脚先が前記走行ロボットの基準高さに対する所定の
相対高さで地面に接地するように所定の移動軌跡を予め
設定する設定手段と、前記脚先が地面に接地しているときの脚先の実際の位置
を検出する位置検出手段と、前記設定手段で設定された所定移動軌跡に基づいて前記
脚先が地面に接地しているときの脚先の目標位置を求
め、この脚先の目標位置と前記位置検出手段で検出され
た脚先の実際の位置との偏差を、ばね変位とするととも
に、前記脚先に仮想的なばね定数を与え、このばね定数
と前記ばね変位とによって定まる所定のばね力に応じた
力が地面接地中の前記脚先に付与されるように、前記ア
クチュエータに駆動指令を与える制御手段とを具えた走
行ロボットの走行制御装置。
【請求項２】胴体と該胴体に回動自在に配設され
た脚と駆動指令に応じて前記脚の関節を回転駆動するア
クチュエータとからなる走行ロボットの前記アクチュエ
ータに駆動指令を出力することにより前記脚の先を所定
の移動軌跡に従って移動させて、地面に脚を接地、地面
から脚を離間させる動作を繰り返し行い走行ロボットを
走行させる走行ロボットの走行制御装置において、前記脚先が前記走行ロボットの基準高さに対する所定の
相対高さで地面に接地するように所定の移動軌跡を予め
設定する設定手段と、前記関節に配設され、該関節の回転位置を検出する回転
位置検出手段と、前記所定移動軌跡に基づいて前記脚先が地面に接地して
いるときの脚先の目標位置を求め、これを関節の目標回
転位置に変換する第１の変換手段と、前記脚先に仮想的な脚先ばね定数を与え、この脚先ばね
定数を、前記関節の関節ばね定数に変換する第２の変換
手段と、前記第１の変換手段によって変換された関節の目標回転
位置と前記回転位置検出手段で検出される関節の実際の
位置との偏差を、関節ばね変位とし、この関節ばね変位
と前記第２の変換手段によって変換された関節ばね定数
とに基づき、関節に与えるトルクを演算する演算手段
と、前記演算手段で演算されたトルクが前記関節に付与され
るように、前記アクチュエータに駆動指令を出力する手
段とを具えた走行ロボットの走行制御装置。
【請求項３】前記脚は、前記走行ロボットの左右
方向に回動する第１関節と上下方向に回動する第２関節
と前後方向に回動する第３関節を有しており、前記第２の変換手段は、前記脚先の仮想的な脚先ばね定
数を、前記左右方向、上下方向および前後方向にそれぞ
れ所定値だけ与え、左右方向の脚先ばね定数を第１関節
の関節ばね定数に変換し、上下方向の脚先ばね定数を第
２関節の関節ばね定数に変換し、前後方向の脚先ばね定
数を第３関節の関節ばね定数に変換するものであり、前記演算手段は、前記第１関節の関節ばね変位と前記第
１関節の関節ばね定数とに基づき第１関節に与えるトル
クを、また前記第２関節の関節ばね変位と前記第２関節
の関節ばね定数とに基づき第２関節に与えるトルクを、
また前記第３関節の関節ばね変位と前記第３関節の関節
ばね定数とに基づき第３関節に与えるトルクを演算する
ものである請求項２記載の走行ロボットの走行制御装
置。
【請求項４】実際の地面の高さと前記設定手段で
設定された地面接地中の脚先の高さとの偏差が所定のし
きい値以上ないしは以下になったことを検出する地面高
さ検出手段と、前記地面高さ検出手段によって、実際の地面の高さと前
記設定手段で設定された地面接地中の脚先の高さとの偏
差が、所定のしきい値以上ないしは以下になったことが
検出された場合に、前記設定手段で設定された所定移動
軌跡を前記偏差に応じた分だけ上ないしは下に平行移動
させることによって移動軌跡を再設定する再設定手段と
をさらに具えた請求項１記載の走行ロボットの走行制御
装置。
【請求項５】前記回転位置検出手段によって検出
された関節の実際の回転位置と脚先が地面に接地中の関
節の目標回転位置との偏差が所定のしきい値以上ないし
は以下になったことを検出することによって、実際の地
面の高さと前記設定手段で設定された地面接地中の脚先
の高さとの偏差が所定のしきい値以上ないしは以下にな
ったことを検出する地面高さ検出手段と、前記地面高さ検出手段によって、実際の地面の高さと前
記設定手段で設定された地面接地中の脚先の高さとの偏
差が、所定のしきい値以上ないしは以下になったことが
検出された場合に、前記設定手段で設定された所定移動
軌跡を前記偏差に応じた分だけ上ないしは下に平行移動
させることによって移動軌跡を再設定する再設定手段と
をさらに具えた請求項２記載の走行ロボットの走行制御
装置。
【請求項６】前記アクチュエータは、油圧アクチ
ュエータである請求項１または２記載の走行ロボットの
走行制御装置。
【請求項７】前記走行ロボットは、脚以外に、走
行用の車輪ないしは履帯を有しており、前記脚を駆動す
るアクチュエータに駆動指令を出力するとともに、前記
車輪ないしは履帯を駆動するアクチュエータに駆動指令
を出力することによって前記走行ロボットを走行させる
ようにした請求項１または２記載の走行ロボットの走行
制御装置。