JPH1086080A

JPH1086080A - 脚式移動ロボットの歩容生成装置

Info

Publication number: JPH1086080A
Application number: JP9213952A
Authority: JP
Inventors: Toru Takenaka; 透竹中; Takashi Matsumoto; 隆志松本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1996-07-25
Filing date: 1997-07-25
Publication date: 1998-04-07
Anticipated expiration: 2017-07-25
Also published as: JP3663034B2

Abstract

(57)【要約】【課題】２足歩行ロボットにおいて上体高さを除くパ
ラメータが与えられるとき、上体の上下動および関節の
動きが滑らかで変位、速度および加速度の振幅が小さく
なるように鉛直方向の上体高さをリアルタイムに決定す
る。【解決手段】上体の高さについて連続関数からなる等
式を設定し、その解を求めて上体高さを決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、脚式移動ロボッ
トの歩容生成装置、より詳しくは２足（２脚）歩行ロボ
ットなどの脚式移動ロボットの上体の鉛直方向（重力方
向）高さを生成する歩容生成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】脚式移動ロボットは上体（基体）および
それに関節を介して連結される脚（脚部リンク）とから
なるが、従来の脚式移動ロボットの歩容生成において
は、上体の目標高さを、下記の如く、時刻の多項式で表
して上体軌跡を生成していた。Ｚ＝ｆ（時刻）＝ａ_n・ｔⁿ＋ａ_n-1・ｔ^n-1＋・・・ａ₁・ｔ¹＋ａ₀ （上記で、Ｚ：上体の目標高さ、ｔ：時刻）

【０００３】また、別の従来技術手法においては、下記
の如く、上体の目標高さを、上体の目標水平変位の多項
式で表して上体軌跡を生成していた。Ｚ＝ｆ（Ｘ）＝ａ_n・Ｘⁿ＋ａ_n-1・Ｘ^n-1＋・・・ａ₁・Ｘ¹＋ａ₀ （上記で、Ｚ：上体の目標高さ、Ｘ：上体の目標水平変
位）

【０００４】上記した従来技術手法では、脚の先端部の
目標位置・姿勢、上体の目標姿勢も同様の多項式で表現
される。また、上体の目標水平位置は、動力学的条件を
満足するように、例えばＺＭＰが存在可能範囲に入るよ
うに決定され、次いで上体の目標高さ、上体の目標水平
位置、上体の目標姿勢、および脚の先端部の目標位置・
姿勢に基づいて逆キネマティクス演算によって脚の目標
関節角度を求めていた。

【０００５】上記した従来技術手法における上体目標高
さ決定ないし生成には、上体の目標水平位置、上体の目
標姿勢、および脚の先端部の目標位置・姿勢の影響が反
映されていないので、条件を満たす脚の関節角度の組が
存在する保証はない。例えば、ある一瞬でも、脚の先端
部から上体までの距離が脚の全リンクの長さの和よりも
大きいように目標を設定した場合には、脚を真っ直ぐに
伸ばしても、条件を満たす姿勢がとれないことは明らか
である。

【０００６】そのため、従来技術手法にあっては、シミ
ュレーション上の試行錯誤によって上体の目標高さの関
数を決定していた。しかしながら、歩行パターンには平
地、斜面、階段歩行、曲線路歩行などの歩行環境の違
い、さらに発進／停止、高速／低速歩行などの速度、加
減速度の違いなど様々なバリエーションがある。

【０００７】それら全てに対してシミュレーション上の
試行錯誤で予め上体の目標高さを設定しておくことは、
たとえ有限個の固定パターンに限定しても、極めて大変
な作業である。また、脚の関節角度の組が存在する保証
がないため、上記した従来技術ではリアルタイムに自在
な目標歩容を生成して歩行させることができなかった。

【０００８】更に別の従来技術手法においては、上体の
目標水平位置、上体の目標姿勢、および脚の先端部の目
標位置・姿勢を、同様に予め与えると共に、少なくとも
支持脚の中の１本が伸び切った姿勢、即ち、取り得る姿
勢の中で上体が最も高くなる姿勢を条件として上体目標
高さとすることも提案されている。この手法では、すべ
ての脚に対して、脚先端部と上体の脚取り付け部との水
平距離が脚の長さを越えない限り、必ず上記の条件を満
足する姿勢が存在する。

【０００９】しかし、この従来技術手法によるときは、
両脚が共に伸び切ったとき、上体の上下動の加速度が不
連続になる。例えば、２足歩行の場合、上体の高さの軌
跡は伸び切った脚が反対の脚に切り替わるときに折れ曲
がり、過大な上下加速度が発生する不都合があった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】この発明は従来技術の
上記した不都合を解消し、脚式移動ロボットにおいて、
鉛直方向（重力方向）の上体高さを除くパラメータが与
えられるとき、上体の上下動および関節の動きが滑らか
で、かつ変位、速度および加速度の振幅が小さくなるよ
うに、適正に上体高さを決定できるようにした脚式移動
ロボットの歩容生成装置を提供することを目的とする。

【００１１】更に、上体高さを除くパラメータが与えら
れるとき、歩行中にリアルタイムに上体高さを決定して
臨機応変に自在な歩行を実現することを可能とする脚式
移動ロボットの歩容生成装置を提供することを第２の目
的とする。

【００１２】更には、脚式移動ロボットにおいて、上体
高さを除くパラメータが与えられるとき、上体の上下動
および関節の動きが滑らかで、かつ変位、速度および加
速度の振幅が小さくなるように適正に上体高さを決定す
ると共に、決定された上体高さを含む軌跡を実現するよ
うにロボットを関節駆動制御するようにした脚式移動ロ
ボットの歩容生成装置を提供することを付随的な目的と
する。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１項にあっては、少なくとも上体と、前記
上体に第１の関節を介して連結される複数本の脚部リン
クとからなり、前記脚部リンクがその先端部までに少な
くとも１個の第２の関節を有してなる脚式移動ロボット
の歩容生成装置において、前記上体の水平方向目標位置
および姿勢の少なくともいずれかを含み、前記上体の鉛
直方向目標位置を除く、上体軌跡を設定する上体軌跡設
定手段、前記脚部リンク先端部の目標位置および姿勢の
少なくともいずれかを含む脚部リンク軌跡を設定する脚
部リンク軌跡設定手段、および前記設定された上体軌跡
および脚部リンク軌跡に基づいて前記上体の鉛直方向位
置に関する連続関数からなる等式を満足する解を求め、
その解を基に前記上体の鉛直方向目標位置を決定する上
体鉛直方向目標位置決定手段を備える如く構成した。
尚、ここで「上体の鉛直方向位置」は、Ｚ軸上の値に限
らず、ＺＸ平面あるいはＺＹ平面上の値であってもよ
い。

【００１４】請求項２項にあっては、前記上体の鉛直方
向位置に関する連続関数からなる等式が、前記第１およ
び第２の関節の少なくともいずれかの変位に関する滑ら
かな連続関数からなる等式である如く構成した。

【００１５】請求項３項にあっては、前記第１および第
２の関節の少なくともいずれかの変位に関する滑らかな
連続関数からなる等式が、前記第２の関節の変位および
速度の少なくともいずれかに関して対称式となっている
如く構成した。

【００１６】請求項４項にあっては、前記上体の鉛直方
向位置が大きくなるにつれて前記連続関数の値が単調に
変化する如く構成した。

【００１７】請求項５項にあっては、前記上体の水平方
向目標位置あるいは姿勢および前記脚部リンク先端部の
目標位置あるいは姿勢の少なくともいずれかが、仮想的
な値である如く構成した。

【００１８】請求項６項にあっては、前記上体鉛直方向
目標位置決定手段は、前記上体の鉛直方向の目標位置を
ｎ個（ｎ≧１）決定するｎ目標位置決定手段、および前
記解と前記ｎ個の目標位置との平均値を求める平均値算
出手段を備え、求めた平均値に基づいて前記上体の鉛直
方向目標位置を決定する如く構成した。

【００１９】請求項７項にあっては、前記平均値が加重
平均値である如く構成した。

【００２０】請求項８項にあっては、前記上体鉛直方向
目標位置決定手段は、前記解と求めた平均値の少なくと
もいずれかを平滑化する平滑化手段を備える如く構成し
た。

【００２１】請求項９項にあっては、前記上体鉛直方向
目標位置決定手段は、探索法あるいは収束演算の少なく
ともいずれかを用いて前記解を求める如く構成した。

【００２２】請求項１０項にあっては、更に、前記設定
された上体軌跡と、脚部リンク軌跡と、決定された上体
鉛直方向目標位置に基づいて目標関節角を求める目標関
節角算出手段、および前記目標関節角となるように前記
第１および第２の関節を変位制御する変位制御手段を含
む如く構成した。

【００２３】請求項１１項にあっては、前記脚式移動ロ
ボットが２脚を有する歩行ロボットであり、前記第１の
関節が股関節、前記第２の関節が膝関節である如く構成
した。

【００２４】請求項１２項にあっては、前記脚式移動ロ
ボットが３脚以上の脚部を有する多脚歩行ロボットであ
り、前記第１の関節が付け根股関節、前記第２の関節が
膝関節である如く構成した。

【００２５】

【作用】上体の上下動および関節の動きが滑らかで、か
つ変位、速度および加速度の振幅が小さくなるように、
適正に上体高さを決定することができると共に、上体高
さを除くパラメータが与えられるとき、歩行中にリアル
タイムに上体高さを決定して臨機応変に自在な歩行を実
現することができる。

【００２６】更には決定された上体高さを含む軌跡を実
現するようにロボットの関節を変位制御することができ
る。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照してこの発
明に係る脚式移動ロボットの歩容生成装置を説明する。
最初に、脚式移動ロボットとして２足（２脚）歩行ロボ
ットを例にとって説明する。

【００２８】図１はその２足歩行ロボット１を含む装置
全体の説明図であり、図２はその２足歩行ロボット１の
変数の定義に焦点をおいて示すスケルトン図である。

【００２９】図示の如く、２足歩行ロボット１は左右そ
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）。６個の関節は上から順に、股（腰部）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）、股（腰部）のピッチ方向（Ｙ軸まわり。軸
方向は図２に示す）の関節１２Ｒ，１２Ｌ、同ロール方
向（Ｘ軸まわり。同様に図２に示す）の関節１４Ｒ，１
４Ｌ、膝部のピッチ方向の関節１６Ｒ，１６Ｌ（前記し
た第２の関節）、足部のピッチ方向の関節１８Ｒ，１８
Ｌ、同ロール方向の関節２０Ｒ，２０Ｌから構成され
る。

【００３０】足部には足平２２Ｒ，２２Ｌが取着され
る。尚、この明細書では、足（foot)を「足平」とい
う。また、最上位には上体（基体）２４が設けられ、そ
の内部に図３に関して後述するマイクロコンピュータか
らなる制御ユニット２６などが格納される。上記におい
て股関節（腰関節）（前記した第１の関節）は関節１０
Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）から、足首関節
ないし足関節は関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）から構
成される。また股関節と膝関節とは大腿リンク２８Ｒ，
２８Ｌ、膝関節と足関節とは下腿リンク３０Ｒ，３０Ｌ
で連結される。

【００３１】上記の構成により、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個の関節を適宜な角度で駆動する
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次元空間を歩行させることができる。尚、ロボット
１の関節駆動制御において、座標系は図２に示すよう
に、支持脚を基準とする。また、リンク９２，９４，９
６の長さは零とする（図１ではこれらのリンクの図示を
省略する）。

【００３２】尚、この明細書で上体高さは、上体２４の
所定位置を意味し、具体的には上体２４内の左右中心
（図２に符合９８で示す）などの代表点を意味する。

【００３３】図１に示す如く、足関節の下方には公知の
６軸力センサ４４が取着され、力の３方向成分Ｆｘ，Ｆ
ｙ，Ｆｚとモーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚと
を測定し、足部の着地の有無ないしは接地荷重などを検
出する。また、上体２４には傾斜センサ６０が設置さ
れ、Ｚ軸（鉛直方向）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。

【００３４】図３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６０などの出力はＡ／Ｄ変
換器７０でデジタル値に変換され、その出力はバス７２
を介してＲＡＭ７４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７６を介
してＲＡＭ７４内に入力される。

【００３５】制御ユニット内にはＣＰＵからなる第１、
第２の演算装置８０，８２が設けられており、第１の演
算装置８０は後述の如く、生成され、ＲＯＭ８４に格納
されている歩容パラメータを読み出して上体高さを決定
すると共に目標関節角を算出し、ＲＡＭ７４に送出す
る。また第２の演算装置８２はＲＡＭ７４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８６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し、変位制
御する。

【００３６】図４はこの装置の構成を示す機能ブロック
図であり、図５および図６はこの装置の動作を説明する
フロー・チャートであるが、同図の説明に入る前に、図
７を用いてこの発明の基本原理を説明する。図７では理
解を容易にするためロボット１を２次元で示す。

【００３７】図示の２足歩行ロボット１において、支持
脚の膝関節の曲げ角をθsup 、遊脚の膝関節の曲げ角を
θswg と定義する。また膝は人間と同様に後方にしか曲
がらないものとする。即ち、値θsup およびθswg は正
の値とする。足平２２Ｒ（Ｌ）の位置は、具体的には、
足首関節１８，２０Ｒ（Ｌ）の位置（座標）とする。

【００３８】ここで、θsup とθswg に関する滑らかな
連続関数f(θsup,θswg)の例として、次式を設定する。 f(θsup,θswg)＝1/sin(θsup)＋1/sin(θswg)・・・式１

【００３９】幾何学的な関係で言えば、次式のように、
θsup は上体の位置（座標) (Xb, Zb)と支持脚の足平位
置（足首座標) （Xsup，Zsup）の関数であり、θswg は
上体の位置（座標）（Xb，Zb）と遊脚の足平位置（足首
座標）（Xswg，Zswg）の関数である。 θsup ＝H(Xb，Zb，Xsup，Zsup）・・・式２ａ θswg ＝H(Xb，Zb，Xswg，Zswg）・・・式２ｂ

【００４０】ここで、H(Xb, Zb，X, Z）は幾何学計算に
より得られ、次式で定義される。 H(Xb，Zb，X, Z)= acos［｛(Xb ‐X)・（Xb‐X ）＋（Zb‐Z)・（Zb‐Z)｝/( 2・L ・L ）-1］・・・式３

【００４１】ところで、acosの定義域が[-1,1]であるの
で、H (Xb,Zb,X,Z) の定義域は、次式を満たす(Xb,Zb,
X,Z) の組であることに注意しなければならない。（Xb‐X ）・（Xb‐X ）＋（Zb‐Z)・（Zb‐Z)≦4 ・L ・L ・・・式４この式は、股関節と足平位置（足首関節) の距離が、脚
の長さ２Ｌ以下であることを要求する。

【００４２】式２により、 f(θsup,θswg)＝f(H(Xb,Zb,Xsup,Zsup), H(Xb,Zb,Xswg,Zswg)) ・・・式５が導かれる。

【００４３】このことは、両膝の曲げ角の関数f(θsup,
θswg)は、上体の位置（座標）と両足平位置（足首座
標）の関数g(Xb,Zb,Xsup,Zsup,Xb,Zb,Xswg,Zswg ）に置
き換えることができること、即ち、同一関数値を持つこ
とを意味している。

【００４４】但し、g(Xb,Zb,Xsup,Zsup,Xb,Zb,Xswg,Zsw
g)の定義は、f(H(Xb,Zb,Xsup,Zsup),H(Xb,Zb,Xswg,Zsw
g))である。関数ｇの定義域は、以下の式を同時に満足
する(Xb,Zb,Xsup,Zsup,Xb,Zb,Xswg,Zswg）の組である。 (Xb-Xsup) ・(Xb-Xsup) ＋(Zb-Zsup) ・(Zb-Zsup) ≦4 ・L ・L ・・・式６ａ (Xb-Xswg）・(Xb-Xswg) ＋(Zb-Zswg) ・(Zb-Zswg) ≦4 ・L ・L ・・・式６ｂ上記でｇも滑らかな連続関数である。

【００４５】さて、ここで関数g(Xb,Zb,Xsup,Zsup,Xb,Z
b,Xswg,Zswg)において、Xb，Xsup，Zsup，Xswg，Zswgを
既知変数とし、上体高さＺｂだけを未知変数とみなす
と、関数ｇは次の性質を持つ。

【００４６】性質１ある上体の高さに対して（Xb,Zb,Xsup,Zsup,Xswg,Zswg)
が式６で与えられる関数ｇの定義域にあるならば、即
ち、股関節から各足平（足首関節）までの距離がいずれ
も脚の長さ２Ｌ以下であるならば、上体の高さＺｂを高
くするにつれて関数g(Xb,Zb,Xsup,Zsup,Xb,Zb,Xswg,Zsw
g ）の値は徐々に大きくなり、いずれかの膝が伸び切る
高さまで達すると、無限大になる性質を持っている。

【００４７】この性質は、直接、関数ｇを解いてｇの値
とＺｂの関係を求めても分かるが、ｇと同一の値を持つ
関数ｆの性質からも容易に導くことができる。即ち、図
７において上体の高さＺｂを高くしていくと、両膝の曲
げ角θsup およびθswg は零に近づくので、式１の右辺
各項の分母が零に近づき、f(θsup,θswg)の値は徐々に
大きくなる。

【００４８】これは、最終的には、θsup またはθswg
のいずれかが無限小になったところで、言い換えれば、
いずれかの膝が伸び切ったところで式１の右辺のいずれ
かの項が無限大になり、f(θsup,θswg)の値は無限大に
なることからも分かる。

【００４９】g(Xb,Zb,Xsup,Zsup,Xb,Zb,Xswg,Zswg ）あ
るいはf(θsup,θswg)にこのような性質があることを踏
まえて、次の件質が導かれることを説明する。

【００５０】性質２通常の歩行においては、ある値C0が存在し、次式７を満
足する任意の値Ｃに対して、常に式８ａまたは式８ｂを
満足する上体の高さＺｂが存在する。 C ＞ C0 ・・・式７ f(θsup,θswg ）＝C ・・・式８ａ g(Xb,Zb,Xsup,Zsup,Xb,Zb,Xswg,Zswg)＝C ・・・式８ｂ

【００５１】性質２の導出通常の歩行においては、上体高さＺｂを適当に設定すれ
ば、股関節から足平（足首関節）までの距離は、脚の長
さ２Ｌよりもある程度余裕を持って小さい。即ち、上体
高さＺｂを適当に設定すれば、式２ａ、式２ｂ、式３で
求められるθsup とθswg が常に次式を満足するδが存
在する。

【００５２】θsup ＞δかつθswg ＞δ ・・・式９ｇとｆが同一の値を持つこと、および式１と式９から、
上体高さＺｂを適当に設定すれば、式１０が満足され
る。 g(Xb,Zb,Xsup,Zsup,Xb,Zb,Xswg,Zswg)＜ 1/sin (δ) ＋1/sin(δ) ・・式１０

【００５３】このときの上体高さから徐々に上体高さを
高くすれば、g は徐々に大きくなって無限大まで増大す
る。これは、次式を満足する任意のＣに対して、式８ｂ
を満足する上体高さＺｂが存在することを意味する。 1/sin( δ) ＋ 1/sin( δ) ＜C ＜無限大・・・式１１ 1/sin( δ) ＋1/sin(δ) をC0とおけば、性質２が得ら
れる。

【００５４】また、性質１から次の性質が導かれる。

【００５５】性質3 式８ａまたは式８ｂを満足する上体高さＺｂはＣを小さ
くすれば小さくなり（低くなり）、Ｃを大きくすれば大
きく（高くなる）。Ｃを無限大に大きくすると、上体高
さＺｂは第２の従来技術手法の上体高さに収束する。ま
た、Ｃを大きくすると、膝関節角度は平均して小さくな
るが、加減速度は大きくなる。

【００５６】性質4 関数ｆが式１の例のように左右の膝関節角に対して対称
式になっているならば、一方の脚の先端を持ち上げる
と、その膝は屈曲し、反対側の脚が伸張する。即ち、脚
先端の持ち上げ仕事が全脚に分担されるので、脚の屈伸
量が少なくて済む。従って、歩行時の関節角速度絶対値
も小さくなる。

【００５７】上記を前提として、この装置の動作を説明
する。

【００５８】図４に示す如く、この装置は、足平軌跡算
出アルゴリズムおよび上体軌跡算出アルゴリズムを備え
る。図示しないオフラインにおいて、歩幅、歩行周期な
どの歩行の特性量が決められ、それに基づいて足の運び
方（足平軌跡）が決められて足平軌跡パラメータとして
前記した制御ユニット２６のＲＯＭ８４に格納される。

【００５９】また、図示しないオフラインにおいて目標
ＺＭＰの軌跡が決定され、その決定された目標ＺＭＰを
満足するように上体の軌跡パラメータ（あるいは時系列
テーブル）が決定され、同様にＲＯＭ８４内に格納され
る。尚、ＺＭＰ（Zero Moment Point ）は、歩容によっ
て発生する慣性力と重力の合力の作用線が床面と交わる
点であり、慣性力と重力の合力を床面上のある作用点ま
わりの力とモーメントで表現したときＭｚを除くモーメ
ントＭｘ，Ｍｙが零となる作用点である。

【００６０】格納されているパラメータは逐次読み出さ
れて足平軌跡算出アルゴリズムおよび上体軌跡算出アル
ゴリズムに入力され、そこで前記した脚部リンク先端部
の目標位置および姿勢の少なくともいずれかを含む脚部
リンク軌跡、即ち、両脚の足平位置・姿勢（具体的には
足首関節１８，２０Ｒ（Ｌ）の位置・姿勢）および上体
姿勢・水平位置が算出される。

【００６１】より具体的には、図５フロー・チャートに
示す如く、Ｓ１０から開始した後、Ｓ１２に進んで刻み
時間Δｔ（制御周期。例えば１０ｍｓ）ごとのタイマ割
り込みを待機し、割り込みがあるとＳ１４に進んで時刻
ｔをΔｔだけ更新し、Ｓ１６に進んで時刻ｔ（現在時
刻）における目標上体水平位置（Xb,Yb)、目標上体姿勢
(θxb, θyb, θzb）、両脚の目標足平（足首関節）位
置（Xsup,Ysup,Zsup,Xswg,Yswg,Zswg)および姿勢 (θxs
up, θysup, θzsup, θxswg, θyswg, θzswg)を算出
する。これらの値は瞬時値である。

【００６２】次いでＳ１８に進んで目標上体高さＺｂを
算出する。換言すれば、この装置においては上体高さを
リアルタイムに算出する。

【００６３】図６はその目標上体高さ決定アルゴリズム
を示すサブルーチン・フロー・チャートである。

【００６４】尚、図６に示すアルゴリズムは前述の基本
原理を３次元に拡張したものである。前述の基本原理と
の対応を説明すると、まず、関節角に関する連続関数ｆ
として、次式を選んでいる。 f(θsup,θswg)＝1/sin(θsup)＋1/sin(θswg)・・・・・式１２

【００６５】また、上体高さを決定するための等式とし
て以下の式（先の２次元での説明の式８ａに相当）を選
んだ。尚、値Ｃはここでは定数とした。 f(θsup,θswg ）＝C ・・・式１３

【００６６】この実施の形態では、式１２、式１３を満
足する上体高さを目標上体高さとして決定するようにし
た。尚、上体高さを直接的に解くことができないのでニ
ュートン法による収束演算（あるいは探索法）を用いて
求める。

【００６７】以下、図６のフローチャートを説明する
と、先ずＳ１００において目標上体高さＺｂを仮決めす
る。これは、目標上体高さＺｂを収束演算によって求め
るための初期値である。

【００６８】続いてＳ１０２を経てＳ１０４に進み、前
記した目標上体水平位置（Xb, Yb）、仮目標上体高さZ
b、目標上体姿勢（θxb, θyb, θzb）、両脚について
の目標足平（足首関節）位置・姿勢（Xsup, Ysup, Zsu
p, θxsup, θysup, θzsup, Xswg, Yswg, Zswg, θxsw
g, θyswg, θzswg) から、幾何学演算によって支持脚
の目標股関節位置（座標）と遊脚の目標股関節位置（座
標）を求め、さらに支持脚の目標股関節位置（座標）と
目標足平位置（足首関節座標）の差（「△Xsup, △Ysu
p, △Zsup」という）と遊脚の目標股関節位置（座標）
と目標足平位置（足首関節座標）の差（「△Xswg, △Ys
wg, △Zswg」という）を求める。

【００６９】続いてＳ１０６に進み、三角関数の定理に
基づいて図示の式に従って支持脚膝関節角θsup と遊脚
膝関節角θswg を求める。続いてＳ１０８に進み、等式
１３の両辺の値の差Err を求める。具体的には、図示の
如く、式１２の右辺から定数Ｃを減算して差Err を算出
する。

【００７０】続いてＳ１１０に進み、Err の絶対値が収
束演算の許容値以内か、言い換えれば許容できるほどに
十分小さいか否かを判断する。Ｓ１１０で許容値以内、
即ち、十分小さいと判断されるときはＳ１１２に進み、
そのときの上体高さＺｂを目標上体高さに決定してプロ
グラムを終了する。

【００７１】他方、Ｓ１１０で否定されるときはＳ１１
４に進み、図示の感度式によって感度Ｓを求める。尚、
この式は差Err の式をＺｂで偏微分して得たものであ
る。続いてＳ１１６に進み、そのときの目標上体高さに
‐S ・Err を加えた値、即ち、差Err に感度Ｓを乗じた
積をＺｂから減算した値を新たな上体高さ候補値として
Ｚｂに代入し、Ｓ１０４に戻る。

【００７２】尚、関数の非線形性が強い領域では目標上
体高さに−S ・Err を加えた値が関数の定義域を超える
場合があるので、その際には目標上体高さ候補値の変更
量を控えめにするのが望ましい。

【００７３】図５フロー・チャートに戻ると、続いてＳ
２０に進んで目標上体水平位置（Xb,Yb ）、目標上体高
さZb、目標上体姿勢（θxb, θyb, θzb）、両脚の目標
足平（足首関節）位置・姿勢（Xsup, Ysup, Zsup, θxs
up, θysup, θzsup, Xswg,Yswg, Zswg, θxswg, θysw
g, θzswg) から公知の逆キネマティクス演算によって
目標全関節角、即ち、関節１０Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ）
など１２個の関節の目標角度を求める。求めた関節角は
前記したＲＡＭ７４に格納する。

【００７４】次いでＳ２２に進み、求めた目標関節角と
なるように、前記した演算装置２においてロボットの全
関節角が変位制御される。但し、この関節角サーボ制御
は公知であるので、説明を省略する。また、実際にはコ
ンプライアンス制御によって目標足平位置・姿勢などが
修正されてから関節角が求められるが、これもこの発明
の要旨とは直接の関連を有しないので、説明を省略す
る。

【００７５】この実施の形態は上記の如く構成したの
で、鉛直方向（重力方向）の上体高さを除くパラメータ
が与えられるとき、上体の上下動および関節の動きが滑
らかで、かつ変位、速度および加速度の振幅が小さくな
るように、適正に上体高さを決定することができる。

【００７６】更に、前記したように歩行中にリアルタイ
ムに上体高さを決定することができ、それに基づいて関
節駆動制御することができるので、臨機応変に自在な歩
行を実現することができる。

【００７７】更に、等式が膝関節角に対して対称式とな
っていることから、一方の脚先端を持ち上げるとその膝
が屈曲し、他方の脚を伸張させることができ、脚先端の
持ち上げ仕事を両脚に分担させることができ、膝の屈伸
量を低減して歩行時の関節角速度絶対値も小さくするこ
とができ、最適に上体高さを決定ないし生成することが
できる。

【００７８】更に、上体の鉛直方向位置が大きくなるに
つれて連続関数の値は単調に変化（増加）し、前記上体
の鉛直方向位置が最大になったとき無限大となることか
ら、解を必ず求めることができ、これによっても最適に
上体高さを決定ないし生成することができる。尚、無限
大まで増加（増大）しなくても、十分に大きい値まで増
加（増大）するものであれば良い。

【００７９】図８はこの発明の第２の実施の形態に係る
装置の構成を示す機能ブロック図であり、図９はその動
作を示すフロー・チャートである。

【００８０】第２の実施の形態では、図８に示す如く、
第１の実施の形態の上体高さ決定アルゴリズムに与えら
れる足平軌跡の一部に、仮想の足平軌跡を与えるように
した。より具体的には図１０に示すように、足平（遊脚
足平）の目標位置の軌跡を、実ロボットが本来追従すべ
き目標値からややずらした仮想軌跡に置き代えるように
した。

【００８１】図９は第２の実施の形態に係る装置の動
作、即ち、上体高さ決定アルゴリズムを示すフロー・チ
ャートである。尚、歩容生成に関するメインアルゴリズ
ムは第１の実施の形態の図５と同様である。

【００８２】以下説明すると、Ｓ２００において仮想遊
脚足平（足首関節）位置を求める。これは、図８に示す
ように予め設定された仮想（遊脚）足平軌跡パラメータ
に基づいて算出される。続いてＳ２０２に進んで目標上
体高さＺｂを仮決めし、Ｓ２０４を経てＳ２０６に進ん
で第１の実施の形態と同様に座標上の位置の差を求め
る。

【００８３】以下、Ｓ２０８ないし２１８を経て第１の
実施の形態の図６フロー・チャートと同様な処理を行
う。パラメータの一部が仮想値である点を除くと、第２
の実施の形態の処理は、第１の実施の形態のそれと異な
らない。

【００８４】第２の実施の形態は上記の如く構成したの
で、第１の実施の形態と同様に、上体高さを除くパラメ
ータが与えられるとき、上体の上下動および関節の動き
が滑らかで、かつ変位、速度および加速度の振幅が小さ
くなるように上体高さを適正に決定することができると
共に、歩行中にリアルタイムに上体高さを決定して臨機
応変に自在な歩行を実現することができる。

【００８５】尚、第１の実施の形態に較べると、場合に
よっては決定された上体高さを満足する実ロボットの姿
勢（全関節角の組）が存在する可能性が幾分低くなる
が、遊脚足平の仮想軌跡を操作することによって、図１
１に示すように、上体の高さを意図的に変化させること
ができる。

【００８６】例えば、上体の上下運動をやや遅らせたい
場合には、遊脚足平の仮想位置を目標位置よりもやや遅
れ気味に移動させれば良い。これによって例えば、上体
の下方加速度が大きくて足平２２Ｒ（Ｌ）の接地圧が低
くなる時刻を、スピン力モーメントが大きくなる時刻か
らずらしてスピンを防止することも可能となる。尚、遊
脚について仮想的な軌跡を与える例を示したが、支持脚
についても同様であることは言うまでもない。

【００８７】図１２はこの発明の第３の実施の形態に係
る装置の動作を説明する遊脚足平軌跡の説明図であり、
図１３は第３の実施の形態に係る装置で得られる上体軌
跡の説明図である。

【００８８】第３の実施の形態は第２の実施の形態の変
形例であり、仮想遊脚足平軌跡の鉛直方向高さを本来の
軌跡より低く設定した。即ち、図１２において実線はＸ
軸方向についての、歩幅、歩行周期などの歩行の特性量
から決められた本来的な足平軌跡を示すが、それに対し
て想像線で示すように、意図的に鉛直方向高さを小さく
した遊脚足平軌跡を仮想的に与えるようにした。

【００８９】図１３はそれによって決定される上体高さ
を示す。実線は本来的な足平軌跡に基づいて決定された
値であり、想像線が仮想軌跡による値を示す。図示の如
く、遊脚足平軌跡の鉛直方向高さを下げることにより、
上体高さも低くすることができる。

【００９０】即ち、図示の２足歩行ロボット１の歩行制
御において、上体高さを小さくすると、換言すれば重心
軌跡を低くすると、膝関節１６Ｒ（Ｌ）を曲げて歩行す
ることになり、常時大きな保持トルクが必要になる。他
方、重心軌道が高過ぎると、重心の上下動が大きくなっ
て路面反力の上下成分（上下加速度）の変動振幅が増
え、路面との接地性が悪化したり、路面からの衝撃力が
増加する。

【００９１】第３の実施の形態は上記の如く構成したこ
とで、必要に応じて上体高さを低くすることができ、上
下加速度を低減させた歩行を実現することができる。

【００９２】図１４はこの発明の第４の実施の形態に係
る装置の構成を示す機能ブロック図である。

【００９３】第４の実施の形態も、第３の実施の形態と
同様に、第２の実施の形態の変形例であり、図示の如
く、３種の足平軌跡パラメータを与えるようにした。即
ち、仮想足平軌跡パラメータ１、本来の足平軌跡パラメ
ータおよび仮想足平軌跡パラメータ２からなる３種のパ
ラメータを用意すると共に、仮想足平軌跡算出アルゴリ
ズムを３個設け、それぞれに入力するようにした。

【００９４】仮想足平軌跡算出アルゴリズム２で算出さ
れる足平位置・姿勢（前述の如く具体的には足首関節の
位置・姿勢）は、第１の実施の形態で述べた本来的な標
準値である。他方、仮想足平軌跡算出アルゴリズム１で
算出される仮想足平位置・姿勢は標準値よりも時間的に
早めに移動するものであり、仮想足平軌跡算出アルゴリ
ズム３で算出される仮想値は標準値よりも遅めに移動す
る仮想値である。

【００９５】同様に、上体高さ決定アルゴリズムも３個
用意され、上体高さアルゴリズム２で決定される第１の
実施の形態で述べた標準的な値Zb2 に対し、上体高さア
ルゴリズム１，３で決定される値Zb1,3 は、上体高さの
ピーク値が発生する時刻がずれるように決定される。

【００９６】決定された３個の値は次いで平均ブロック
に入力され、そこで単純平均値Zbavが算出される。かく
求められた上体高さおよびその他のパラメータに基づい
て逆キネマティクス演算ブロックでは目標全関節角が算
出される。

【００９７】第４の実施の形態は上記の如く構成したの
で、従前の実施の形態と同様の効果を奏すると共に、図
示の如く、３個の波形の平均値Zbavを求めることで原波
形に対して振幅を小さくすることができ、結果的に上体
高さを小さくすることができる。これによって階段を昇
降するときなど膝の屈伸の大きい歩行を行う際にも、上
下動を低減して路面反力を低減することができる。

【００９８】ここで、第２ないし第４の実施の形態で用
いた仮想遊脚足平軌跡を生成する具体的な手法を以下に
列挙する。 a ）遊脚足平の軌跡を時間の多項式によって生成する場
合には、多項式の係数をずらす。 b ）遊脚足平の軌跡を、本出願人が先に提案したフィル
タ（特開平５−３２４１１５号記載の技術）を用いて生
成する場合には、その時定数をずらす。 c ）遊脚足平の目標軌跡に、所定のずらし量の時間関数
を加える。

【００９９】また、第２ないし第４の実施の形態におい
て、上体の目標姿勢・目標水平位置、足平の目標姿勢の
軌跡を変えても良い。上体の目標水平位置をずらす場合
の例を以下に示す。 a ）目標上体水平軌跡が、予めデータテーブルで記憶さ
れている場合には、データテーブルの先読みをする、即
ち、現在時刻ｔよりもある時間先の目標上体位置を読み
出せば良い。過去の値も考慮して、より一般的にするな
らば、数１に示すようになろう。

【０１００】

【数１】

【０１０１】b ）現在の目標上体水平位置をフィルタに
通す。例えば、フィルタの伝達関数を（TnS ＋l)／（TdS ＋1 ）に設定すると、Tn＞Tdにすれば、フィルタを通した上体
軌跡は元の軌跡よりも時間的に先行する。

【０１０２】図１５はこの発明の第５の実施の形態に係
る装置の構成を示す機能ブロック図であり、図１６はそ
の動作、即ち、上体高さ決定アルゴリズムを示すフロー
・チャートである。

【０１０３】第５の実施の形態では、図１５に示す如
く、第１の実施の形態ないし第４の実施の形態によって
求めた上体高さをフィルタ（ローパスフィルタ）にかけ
て平滑化処理を行うようにした。

【０１０４】以下、第５の実施の形態に係る上体高さ決
定アルゴリズムを図１６フロー・チャートを参照して説
明する。尚、歩容生成に関するメインアルゴリズムは第
１の実施の形態の図５と同様である。

【０１０５】以下説明すると、Ｓ３００において第１の
実施の形態で述べた上体高さ決定ルーチン（図６フロー
・チャート）を実行し、上体高さＺｂを求める。尚、上
体高さは刻み時間Δｔごとに算出されるが、それを歩行
の１周期にわたって示すと、先に図１１に示したような
波形（ここで「原波形」という）として捉えることがで
きる。

【０１０６】続いてＳ３０２に進んで求めた上体高さに
フィルタ演算を行い、目標上体高さを求める。このよう
に、出力（原波形）をローパスフィルタにかけることで
所定値以上の周波数成分を遮断することができ、目標上
体高さ（波形値）を平滑化することができる。

【０１０７】第５の実施の形態は上記の如く構成したこ
とで、従前の実施の形態の効果に加えて平滑化処理によ
り上体の上下加速度振幅を一層小さくすることができ
る。

【０１０８】他方、このような構成によって、関節角の
速度振幅、加速度振幅が大きくなる欠点がある。また、
決定された上体高さを満足する実ロボットの姿勢（全関
節角の組）が存在する可能性が低くなる。例えば、階段
を降りるときには、平滑化によって上体高さがなかなか
下がらないために、適正な姿勢保持が困難となる恐れも
ある。

【０１０９】図１７はこの発明の第６の実施の形態に係
る装置の構成を示す機能ブロック図であり、図１８はそ
の動作、即ち、上体高さ決定アルゴリズムを示すフロー
・チャートである。

【０１１０】第６の実施の形態にあっては、第１の実施
の形態を用いて得た目標上体高さ（第１原波形と言う）
と、上体高さを一定に保つという第１の従来技術手法で
得た目標上体高さ（第２原波形と言う）の加重平均をと
って目標上体高さを得るようにした。

【０１１１】図１８フロー・チャートを参照して第６の
実施の形態に係る装置の上体高さ決定アルゴリズムを説
明する。尚、歩容生成に関するメインアルゴリズムは第
１の実施の形態の図５と同様である。

【０１１２】先ずＳ４００において第１の実施の形態で
図６に関して述べた処理を行って現在時刻での目標上体
高さ（第１原波形）を得る。続いてＳ４０２に進んで先
に第１の従来技術手法として述べた時刻の多項式を用い
て現在時刻での目標上体高さ（第２の原波形）を求め
る。

【０１１３】続いてＳ４０４に進んで現在時刻（時刻
ｔ）での重みＷ１，Ｗ２を決定する。但し、重みＷ１，
Ｗ２は、Ｗ１＋Ｗ２＝１を満足し、Ｗ１，Ｗ２それぞれ
の時間変化が滑らかであるように決定する。続いてＳ４
０６に進んで加重平均値を算出する。即ち、第１、第２
の原波形値に決定した重みＷ１，Ｗ２を乗じて得た積を
合算し、合算値を目標上体高さとする。

【０１１４】第６の実施の形態にあっては上記の如く構
成することで、従前の実施の形態での効果に加えて、目
標上体高さについて、第１原波形に対して例えば第２の
原波形をある一定値ｈ０にすると、上下振幅をＷ１倍に
低減することができる。但し、h 0 を高くし過ぎると、
上体高さが大きくなり過ぎ、上体高さを満足する実ロボ
ットの姿勢（全関節角の組）が存在しなくなる恐れがあ
る。

【０１１５】尚、第６の実施の形態では原波形が２つの
例を示したが、３個以上にも拡張可能である。更に、加
重平均するようにしたが、単純平均などでも良い。

【０１１６】また、第６の実施の形態では、第２原波形
は、従来技術手法、逆に言えば、第１の実施の形態ない
し第５の実施の形態に示した手法以外の手法を用いて得
るようにしたが、第１の実施の形態ないし第５の実施の
形態のいずれかを用いて得ても良い。

【０１１７】例えば、第１の実施の形態、第２の実施の
形態、あるいは第３ないし第５の実施の形態を用いて少
なくとも１個の上体高さ原波形を求め、更にその波形を
含めた複数の上体高さ原波形を生成してそれらの原波形
の加重平均を求め、それを目標上体高さとしても良い。

【０１１８】更に、以下の手法によって原波形を得ても
良い。 a ）一定値（数学的には、多項式に含まれる概念であ
る) b ）多項式などの時間関数（代表例をこの実施の形態で
述べた） c ）フィルタなどの逐次演算によって得られる波形 d ）時系列データテーブルを予め用意しておき順に吐き
出す手法 e ）オフラインで第１の実施の形態を用いて１歩分の原
波形を得、これを第１テーブルに保存し、次に第１テー
ブルの後ろから（後刻側）保存データを逆に読み出し、
フィルタに通して第２テーブルの後ろから（後刻側）格
納し、実歩行時には第２テーブルの始めから吐き出す手
法。（即ち、時間を逆向きにしてフィルタ処理をした原
波形を生成する手法）。

【０１１９】第５の実施の形態と異なり、手法ｅは階段
を降りるときに処理後の目標上体高さが原波形よりも低
くなるので、目標上体高さを満足する実ロボットの姿勢
（全関節角の組）が存在する可能性が高い。従って、上
体の上下加速度を低滅したい場合には有効な手段であ
る。ただし、リアルタイムに自在な歩行を実現するには
不向きである。

【０１２０】図１９はこの発明の第７の実施の形態に係
る装置の構成を示す機能ブロック図であり、図２０はそ
の動作を示すフロー・チャートである。

【０１２１】第７の実施の形態にあっては、第６の実施
の形態＋第５の実施の形態を用いて得た目標上体高さを
さらに平滑化し、より一層滑らかな上体軌跡を得るよう
にした。

【０１２２】図２０フロー・チャートを参照して第７の
実施の形態に係る上体高さ決定アルゴリズムを説明す
る。尚、歩容生成に関するメインアルゴリズムは第１の
実施の形態の図５と同様である。

【０１２３】以下説明すると、Ｓ５００ないしＳ５０６
において第６の実施の形態と同様の処理を行って目標上
体高さを得た後、Ｓ５０８に進んで得た値に第５の実施
の形態と同様のフィルタ演算を行う。

【０１２４】第７の実施の形態は上記の如く構成したの
で、第１の実施の形態の効果に加え、第６あるいは第５
の実施の形態に比較して一層滑らかな上体軌跡を得るこ
とができる。

【０１２５】図２１はこの発明の第８の実施の形態に係
る装置の構成を示す機能ブロック図である。

【０１２６】第８の実施の形態にあっては、図示の如
く、第７の実施の形態の構成を並列させるようにした。
即ち、第１原波形と第２原波形をそれぞれ加重平均して
第５原波形を生成すると共に、第３原波形と第４原波形
を重みＷ３，Ｗ４を用いつつ加重平均して第６原波形を
並列的に生成し、それを重みＷ５，Ｗ６を用いつつ加重
平均して目標上体高さを求めるようにした。ここで、重
みＷ１，Ｗ３，Ｗ５、あるいはＷ２，Ｗ４，Ｗ６は、そ
れぞれ異なる値でも同一な値でも良い。

【０１２７】第８の実施の形態においては上記の如く構
成したことで、構成としては従前の実施の形態に比較し
て複雑になるが、更に一層滑らかな上体軌跡を得ること
ができる。

【０１２８】尚、これ以上に平滑化あるいは加重平均を
繰り返す手法も考えられるが、演算処理量の割には効果
は余り期待することができない。上体の上下加速度は低
滅しても、関節の速度、加速度は、逆に増加する傾向が
あるからである。

【０１２９】図２２はこの発明の第９の実施の形態に係
る装置の構成を示す説明図である。第９の実施の形態に
おいては４足（足）歩行のロボットを対象とし、その歩
容を生成するようにした。

【０１３０】以下説明すると、図示の４足歩行ロボット
１００は、上体（基体）１０２と、それに付け根関節１
０４（前記した第１の関節）を介して連結される４本の
脚部リンク１０６からなる。４本の脚部リンク１０６は
それぞれ、その先端（脚先端）１０８との間に膝関節１
１０（前記した第２の関節）を備える。図示はしない
が、各関節にはアクチュエータが設けられる。

【０１３１】図示の４足歩行ロボット１００においても
従前の実施の形態での２足歩行ロボット１と同様に、上
体１０２の水平位置（Xb, Yb）および姿勢（θxb, θy
b，θzb）を求め、次いで上体の高さＺｂを求めて関節
１０４，１１０を駆動制御し、よって図に矢印で示す方
向に進行させることができる。

【０１３２】上記で、図２３に示す如く上体高さＺｂ
は、上体１０２の底面の中心１０２ａと床面１１２との
鉛直方向（重力方向）距離で示す。また４本の脚部リン
ク１０６の膝関節１１０の角度をθｎ、脚先端１０８の
位置を（Xn, Yn, Zn）（ｎ：１〜４）で示す。

【０１３３】第９の実施の形態に係る装置の動作を図２
４フロー・チャートを参照して説明すると、Ｓ６００か
らＳ６０４まで従前の実施の形態と同様の処理を行った
後、Ｓ６０６に進んで時刻ｔにおける目標上体水平位置
（Xb, Yb）、目標上体姿勢（θxb, θyb，θzb）、およ
び目標脚先端位置（Xn，Ｙn, Zn ）（ｎ：１〜４）を求
め、Ｓ６０８に進んで目標上体高さＺｂを求める。

【０１３４】図２５はその作業を示すサブルーチン・フ
ロー・チャートであり、以下説明すると、Ｓ７００，Ｓ
７０２を経てＳ７０４に進み、目標上体水平位置（Xb,Y
b)、仮目標上体高さＺｂ、上体姿勢（θxb, θyb，θz
b）、および脚先端位置（Xn,Yn, Zn）から、各脚の目標
付け根関節１０４の位置（座標）と目標脚先端１０８の
位置の差（ΔXn，ΔYn，ΔZn）を求める。図２３にこれ
らの値を示す。

【０１３５】次いでＳ７０６に進んで求めた差から図示
の式を用いて膝関節角θｎを求める。次いでＳ７０８に
進んで差Err を図示の如く算出し、Ｓ７１０に進んで差
（絶対値）が許容値以内か否か判断し、肯定されるとき
はＳ７１２に進むと共に、否定されるときはＳ７１４に
進んで感度Ｓを求め、Ｓ７１６において値Ｚｂを補正す
る。ここで、感度Ｓは同図末尾に示すように算出され
る。

【０１３６】第９の実施の形態は上記の如く構成したこ
とから、４足（４脚）歩行ロボットにおいても、２足
（２脚）歩行ロボットと同様に最適に上体高さを求める
ことができる。尚、４足歩行ロボットの例を示したが、
３足あるいは５足以上の脚部を有するロボットであって
も同様である。

【０１３７】上記の如く、少なくとも上体２４と、前記
上体に第１の関節１０，１２，１４Ｒ（Ｌ）を介して連
結される複数本の脚部リンク２とからなり、前記脚部リ
ンクがその先端部までに少なくとも１個の第２の関節１
６Ｒ（Ｌ）を有してなる脚式移動ロボットの歩容生成装
置において、前記上体の水平方向目標位置および姿勢の
少なくともいずれかを含み、前記上体の鉛直方向目標位
置を除く、上体軌跡を設定する上体軌跡設定手段（Ｓ１
６）、前記脚部リンク先端部の目標位置および姿勢の少
なくともいずれかを含む脚部リンク軌跡を設定する脚部
リンク軌跡設定手段（Ｓ１６）、および前記設定された
上体軌跡および脚部リンク軌跡に基づいて前記上体の鉛
直方向位置に関する連続関数からなる等式を満足する解
を求め、その解を基に前記上体の鉛直方向目標位置を決
定する上体鉛直方向目標位置決定手段（Ｓ１８，Ｓ１０
０ないしＳ１１６，Ｓ２００ないしＳ２１８，Ｓ３００
ないしＳ３０２，Ｓ４００ないしＳ４０６，Ｓ５００な
いしＳ５０８，Ｓ６０８，Ｓ７００ないしＳ７１６）を
備える如く構成した。

【０１３８】また、前記上体の鉛直方向位置に関する連
続関数からなる等式が、前記第１および第２の関節、具
体的には第２の関節１６Ｒ（Ｌ）の少なくともいずれか
の変位に関する滑らかな連続関数からなる等式である如
く構成した。

【０１３９】また、前記第１および第２の関節の少なく
ともいずれかの変位に関する滑らかな連続関数からなる
等式が、前記第２の関節１６Ｒ（ｌ）の変位および速度
の少なくともいずれか、具体的には変位に関して対称式
となっている如く構成した。

【０１４０】また、前記上体の鉛直方向位置が大きくな
るにつれて前記連続関数の値が単調に変化する如く構成
した。

【０１４１】また、前記上体の水平方向目標位置あるい
は姿勢および前記脚部リンク先端部の目標位置あるいは
姿勢の少なくともいずれかが、具体的には足平２２Ｒ
（Ｌ）、より具体的には遊脚足首関節１８，２０Ｒ
（Ｌ）などが仮想的な値である如く構成した。

【０１４２】また、前記上体鉛直方向目標位置決定手段
は、前記上体の鉛直方向の目標位置をｎ個（ｎ≧１）決
定するｎ目標位置決定手段（Ｓ４００ないしＳ４０２，
Ｓ５００ないしＳ５０２）、および前記解と前記ｎ個の
目標位置との平均値を求める平均値算出手段（Ｓ４０
４，Ｓ４０６，Ｓ５０４，Ｓ５０６）を備え、求めた平
均値に基づいて前記上体の鉛直方向目標位置を決定する
如く構成した。

【０１４３】また、前記平均値が加重平均値（Ｓ４０
４，Ｓ４０６，Ｓ５０４，Ｓ５０６）である如く構成し
た。

【０１４４】また、前記上体鉛直方向目標位置決定手段
は、前記解と求めた平均値の少なくともいずれかを平滑
化する平滑化手段（フィルタ、Ｓ３０２，Ｓ５０８）を
備える如く構成した。

【０１４５】また、前記上体鉛直方向目標位置決定手段
は、探索法あるいは収束演算の少なくともいずれかを用
いて前記解を求める如く構成した。

【０１４６】また、更に、前記設定された上体軌跡と、
脚部リンク軌跡と、決定された上体鉛直方向目標位置に
基づいて目標関節角を求める目標関節角算出手段（Ｓ２
０）、および前記目標関節角となるように前記第１およ
び第２の関節を変位制御する変位制御手段（Ｓ２２）を
含む如く構成した。

【０１４７】また、前記脚式移動ロボットが２脚を有す
る歩行ロボットであり、前記第１の関節が股関節１０，
１２，１４Ｒ（Ｌ）、前記第２の関節が膝関節１６Ｒ
（Ｌ）である如く構成した。

【０１４８】また、前記脚式移動ロボットが３脚以上の
脚部を有する多脚歩行ロボットであり、前記第１の関節
が付け根股関節１０４、前記第２の関節が膝関節１１０
である如く構成した。

【０１４９】以上、この発明を第１の実施の形態から第
９の実施の形態までを参照して説明してきたが、ここで
第１の実施の形態などで述べた構成について付言する
と、滑らかな連続関数f(θsup,θswg ）としては、式１
以外でも良いが、θsup またはθswg が零またはある小
さい値に近づくとf(θsup,θswg ）の値が極めて大きく
なるように選ぶのが望ましい。

【０１５０】尚、ｆ＝Ｃは、１／ｆ＝１／Ｃや−ｆ＝−
Ｃなどに変形することができるので、上記した実施の形
態で挙げた単調連続関数ｆの代わり、１／ｆや−ｆを新
たな連続関数として置き換えれば、その関数は単調減少
関数となる。従って、関数としては、単調減少関数であ
っても良い。

【０１５１】また、第１の実施の形態では、滑らかな連
続関数ｆとして膝関節に関する関数を選んでいるが、そ
の他の関節に関する関数であったり、全関節に関する関
数であっても良い。そのような場合でも、図示のロボッ
トでは全ての関節角は上体の位置・姿勢と脚先端部の位
置・姿勢から逆キネマティクス演算によって求めること
ができ、関節角に関する関数ｆは上体高さに関する関数
ｇに変換することができるので、第１の実施の形態の手
法で上体高さを決定することができる。

【０１５２】また、連続関数ｆとしては、関節変位だけ
ではなく、関節速度に関する項を含んでいても良い。

【０１５３】また、上体高さを重力方向について求めた
が、絶対的に重力方向に対しての値でなくても良く、例
えば重力方向について傾斜した軸に関する上体高さであ
っても良い。

【０１５４】一方の脚の関節数が６個を超えるロボット
では、上体の位置・姿勢と脚先端部の位置・姿勢を決め
ても、関節角を一義的には決定できない。この場合で
も、関節角に関するある拘束式を与えれば、関節角を一
義的に決定することができる。こうすれば、第１の実施
の形態と同様の手法で上体高さを決定することができ
る。

【０１５５】値Ｃは第１の実施の形態では定数であった
が、時変であっても良い。基本原理の性質２から、Ｃが
ある値以上であれば、等式を満足する上体高さの解が存
在するからである。但し、ロボットの動きを滑らかにす
るためには、Ｃは滑らかに変化させるべきである。関数
ｆおよび関数ｇも時変形であっても良い。

【０１５６】ロボットの構造が図示のように左右対称で
ある場合には、関節角の関数ｆとして、左右関節に対す
る対称式を採用すれば、左右対称の歩行を得ることがで
きる。

【０１５７】また、従前の実施の形態で用いた重みＷ
は、総和が常に１になっていれば、時間によって変化さ
せても良い。但し、滑らかに変化させないと、上体の上
下加速度が過大になる。滑らかに変化させる手法とし
て、先に本出願人が提案したフィルタ（特開平５−３２
４１１５号公報記載の技術）を用いても良い。

【０１５８】また、原波形と複数の異なる原波形との間
の加重平均を行えば、上体の上下加速度振幅を小さくす
ることができる。但し、関節角の速度振幅、加速度振幅
は大きくなる傾向がある。また、目標上体高さを満足す
る実ロボットの姿勢（全関節角の組）が存在する可能性
が低くなる場合がある。

【０１５９】また、この発明を２足歩行ロボットおよび
４足歩行ロボットに関して説明してきたが、それらに限
らず、３足あるいは５足以上の多脚ロボットにも応用す
ることができる。それが壁面移動ロボットであれば、
「上体高さ」は壁面から上体までの垂直距離と置き換え
られよう。

【０１６０】また、歩行状態および／または外界センサ
による環境情報によって各種の実施の形態に挙げた手法
を切り換える、あるいは加重平均の重みを変更するよう
にしても良い。

【０１６１】

【発明の効果】上体の上下動および関節の動きが滑らか
で、かつ変位、速度および加速度の振幅が小さくなるよ
うに、適正に上体高さを決定することができると共に、
上体高さを除くパラメータが与えられるとき、歩行中に
リアルタイムに上体高さを決定して臨機応変に自在な歩
行を実現することができる。

【０１６２】更には決定された上体高さを含む軌跡を実
現するようにロボットの関節を変位制御することができ
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容生成装
置を全体的に示す説明図である。

【図２】図１に示す２足歩行ロボットについてパラメー
タなどを定義するスケルトン図である。

【図３】図１に示す装置の制御ユニットの詳細を示すブ
ロック図である。

【図４】この発明に係る脚式移動ロボットの歩容生成装
置の構成を示す機能ブロック図である。

【図５】図４の装置の動作を示すメイン・フロー・チャ
ートである。

【図６】図５のフロー・チャートの上体高さ決定作業を
示すサブルーチン・フロー・チャートである。

【図７】図１および図２に示す２足歩行ロボットを２次
元モデルとして示した説明図である。

【図８】この発明の第２の実施の形態に係る装置の構成
を示す機能ブロック図である。

【図９】図８の装置の動作の中の上体高さ決定作業を示
すサブルーチン・フロー・チャートである。

【図１０】図９のフローチャートで用いる遊脚足平仮想
軌跡を示すタイミング・チャートである。

【図１１】図１０の仮想遊脚足平軌跡に対する上体の軌
跡を示すタイミング・チャートである。

【図１２】この発明の第３の実施の形態に係る装置の動
作を示す遊脚足平軌跡を示す説明図である。

【図１３】図１２の装置で生成される上体高さを示すタ
イミング・チャートである。

【図１４】この発明の第４の実施の形態に係る装置の構
成を示す機能ブロック図である。

【図１５】この発明の第５の実施の形態に係る装置の構
成を示す機能ブロック図である。

【図１６】図１５の装置の動作の中の上体高さ決定作業
を示すサブルーチン・フロー・チャートである。

【図１７】この発明の第６の実施の形態に係る装置の構
成を示す機能ブロック図である。

【図１８】図１７の装置の動作の中の上体高さ決定作業
を示すサブルーチン・フロー・チャートである。

【図１９】この発明の第７の実施の形態に係る装置の構
成を示す機能ブロック図である。

【図２０】図１９の装置の動作の中の上体高さ決定作業
を示すサブルーチン・フロー・チャートである。

【図２１】この発明の第８の実施の形態に係る装置の構
成を示す機能ブロック図である。

【図２２】この発明の第９の実施の形態に係る装置で、
４足歩行ロボットに適用された例を示す説明図である。

【図２３】図２２の装置の中のパラメータの定義を示す
説明図である。

【図２４】この発明の第９の実施の形態に係る装置の動
作を示すメイン・フロー・チャートである。

【図２５】図２４の装置の動作の中の上体高さ決定作業
を示すサブルーチン・フロー・チャートである。

【符号の説明】

１２足歩行ロボット（脚式移動
ロボット）２脚部リンク１０，１２，１４Ｒ，Ｌ股関節（第１の関節）１６Ｒ，Ｌ膝関節（第２の関節）１８，２０Ｒ，Ｌ足関節２２Ｒ，Ｌ足平（脚部リンク先端部）２４上体２６制御ユニット１００４足歩行ロボット（脚式移動
ロボット）１０２上体１０４付け根関節（第１の関節）１０６脚部リンク１０８脚先端１１０膝関節（第２の関節）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも上体と、前記上体に第１の関
節を介して連結される複数本の脚部リンクとからなり、
前記脚部リンクがその先端部までに少なくとも１個の第
２の関節を有してなる脚式移動ロボットの歩容生成装置
において、ａ．前記上体の水平方向目標位置および姿勢の少なくと
もいずれかを含み、前記上体の鉛直方向目標位置を除
く、上体軌跡を設定する上体軌跡設定手段、ｂ．前記脚部リンク先端部の目標位置および姿勢の少な
くともいずれかを含む脚部リンク軌跡を設定する脚部リ
ンク軌跡設定手段、およびｃ．前記設定された上体軌跡および脚部リンク軌跡に基
づいて前記上体の鉛直方向位置に関する連続関数からな
る等式を満足する解を求め、その解を基に前記上体の鉛
直方向目標位置を決定する上体鉛直方向目標位置決定手
段、を備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの歩容
生成装置。
【請求項２】前記上体の鉛直方向位置に関する連続関
数からなる等式が、前記第１および第２の関節の少なく
ともいずれかの変位に関する滑らかな連続関数からなる
等式であることを特徴とする請求項１項記載の脚式移動
ロボットの歩容生成装置。
【請求項３】前記第１および第２の関節の少なくとも
いずれかの変位に関する滑らかな連続関数からなる等式
が、前記第２の関節の変位および速度の少なくともいず
れかに関して対称式となっている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容生成装置。
【請求項４】前記上体の鉛直方向位置が大きくなるに
つれて前記連続関数の値が単調に変化することを特徴と
する請求項２項または３項記載の脚式移動ロボットの歩
容生成装置。
【請求項５】前記上体の水平方向目標位置あるいは姿
勢および前記脚部リンク先端部の目標位置あるいは姿勢
の少なくともいずれかが、仮想的な値であることを特徴
とする請求項１項ないし４項のいずれかに記載の脚式移
動ロボットの歩容生成装置。
【請求項６】前記上体鉛直方向目標位置決定手段は、ｅ．前記上体の鉛直方向の目標位置をｎ個（ｎ≧１）決
定するｎ目標位置決定手段、およびｆ．前記解と前記ｎ個の目標位置との平均値を求める平
均値算出手段、を備え、求めた平均値に基づいて前記上
体の鉛直方向目標位置を決定することを特徴とする請求
項１項ないし５項のいずれかに記載の脚式移動ロボット
の歩容生成装置。
【請求項７】前記平均値が加重平均値であることを特
徴とする請求項６項記載の脚式移動ロボットの歩容生成
装置。
【請求項８】前記上体鉛直方向目標位置決定手段は、ｇ．前記解と求めた平均値の少なくともいずれかを平滑
化する平滑化手段、を備えることを特徴とする請求項６
項に記載の脚式移動ロボットの歩容生成装置。
【請求項９】前記上体鉛直方向目標位置決定手段は、
探索法あるいは収束演算の少なくともいずれかを用いて
前記解を求めることを特徴とする請求項１項ないし８項
のいずれかに記載の脚式移動ロボットの歩容生成装置。
【請求項１０】更に、ｈ．前記設定された上体軌跡と、脚部リンク軌跡と、決
定された上体鉛直方向目標位置に基づいて目標関節角を
求める目標関節角算出手段、およびｉ．前記目標関節角となるように前記第１および第２の
関節を変位制御する変位制御手段、を含むことを特徴と
する請求項１項ないし９項のいずれかに記載の脚式移動
ロボットの歩容生成装置。
【請求項１１】前記脚式移動ロボットが２脚を有する
歩行ロボットであり、前記第１の関節が股関節、前記第
２の関節が膝関節であることを特徴とする請求項１項な
いし１０項のいずれかに記載の脚式移動ロボットの歩容
生成装置。
【請求項１２】前記脚式移動ロボットが３脚以上の脚
部を有する多脚歩行ロボットであり、前記第１の関節が
付け根股関節、前記第２の関節が膝関節であることを特
徴とする請求項１項ないし９項のいずれかに記載の脚式
移動ロボットの歩容生成装置。