KR20070102469A - 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치 - Google Patents

Abstract

어시스트 장치(12)는 기체실(16, 17)로 통하는 기체류 통로(22)의 전자 개폐밸브(23)를 밸브폐쇄한 상태에서 기체의 압축 또는 팽창에 의해, 다리체(3)의 무릎관절(특정 관절)(8)에서의 굴신운동에 따라 보조 구동력을 발생하여, 무릎관절(8)에 작용시킨다. 전자 개폐밸브(23)의 밸브 개방상태에서는, 보조 구동력은 발생하지 않는다. 전자 개폐밸브(23)는, 자기유지 기능을 갖는 전자 개폐밸브로 구성되고, 전자 개폐밸브(23)를 밸브 폐쇄상태로 하는 소정 기간에서, 기체실(16, 17) 간의 압력차가 밸브체의 밸브 폐쇄방향으로 작용하도록 기체류 통로(22)에 개재된다. 이것에 의해, 간단한 구성으로 전자 개폐밸브의 전력소비를 효과적으로 저감한다.

다리식 이동 로봇, 관절 어시스트 장치, 전자 개폐밸브, 관절 액추에이터, 기체류 통로, 솔레노이드, 보조 구동력, 자기 유지 기능

Description

다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치{LEG JOINT ASSIST DEVICE OF LEGGED MOBILE ROBOT}

본 발명은 2족이동 로봇 등의 다리식 이동 로봇의 다리체의 관절에, 이 관절을 구동하기 위한 관절 액추에이터를 보조하는 보조 구동력을 발생하는 다리체 관절 어시스트 장치에 관한 것이다.

종래, 이 종류의 어시스트 장치로서는, 예를 들면 본원 출원인이 앞서 제안한 일본 특개2003-103480호 공보(이하, 특허문헌 1이라고 함)의 도 21에 도시되는 것이 알려져 있다.

이 특허문헌 1의 도 21의 것은, 2족이동 로봇의 각 다리체의 무릎관절에 의해 연결된 2개의 링크 부재(대퇴부 및 하퇴부) 사이에, 실린더 내 피스톤에 의해 구획된 2개의 기체실을 갖는 기체 스프링을 개재하고, 이 기체 스프링에 의해, 무릎관절 액추에이터(무릎관절을 구동하는 전동모터)의 구동력과 병렬로 무릎관절에 작용하는 보조 구동력을 발생시키고, 무릎관절 액추에이터의 부담을 경감하도록 한 것이다. 이 경우, 실린더 내의 양 기체실의 체적이 무릎관절에서의 다리체의 굴신운동에 따라 변화되도록 실린더 및 피스톤이 대퇴부 및 하퇴부에 연결되고, 이 굴신운동에 따라 양 기체실 내의 기체의 압축 또는 팽창을 발생시킴으로써, 탄성적으 로 보조 구동력을 발생시키도록 하고 있다. 또, 양 기체실은, 전자 개폐밸브를 갖는 기체류 통로를 통하여 접속되어 있고, 전자 개폐밸브를 밸브 개방시킨 상태에서만, 기체 스프링이 보조 구동력을 발생하도록 하여, 전자 개폐밸브를 통전 제어함으로써, 로봇의 이동 시의 원하는 기간에서만, 보조 구동력을 발생하도록 하고 있다.

그런데, 통상의 전자 개폐밸브는, 그 밸브체를 밸브 개방위치 또는 밸브 폐쇄위치로 가압하는 스프링을 구비하는 상시 개방형 또는 상시 폐쇄형의 것이며, 이 전자 개폐밸브의 솔레노이드의 통전 차단상태에서는, 스프링의 가압력에 의해, 밸브 개방상태 또는 밸브 폐쇄상태로 유지되게 되어 있다. 그리고, 통상의 전자 개폐밸브는, 그 솔레노이드에 통전하여, 스프링의 가압력과 역방향의 구동력(전자력)을 발생시키고, 또, 그 통전 상태를 유지함으로써, 전자 개폐밸브의 밸브체가 스프링의 가압력에 저항하여 밸브 폐쇄위치 또는 밸브 개방위치에 유지되게 되어 있다.

이 때문에, 이러한 통상의 전자 개폐밸브를 특허문헌 1의 것에서 사용하면, 전자 개폐밸브의 밸브 폐쇄상태 또는 밸브 개방상태에서의 전력소비가 큰 것으로 되어, 로봇의 이동 시의 전력소비를 저감하는 방해가 되고 있었다.

또, 특허문헌 1의 것에서는, 전자 개폐밸브의 밸브 폐쇄상태에서, 이 전자 개폐밸브의 밸브체에 상기 양 기체실의 압력차가 작용한다. 이 때문에, 특히 상시 개방형의 전자 개폐밸브를 사용한 경우에, 상기 압력차가 상기 스프링의 가압력과 동일한 방향(밸브체의 밸브 개방방향)으로 작용하는 기간에서 상기 보조 구동력을 발생시키기 위해 전자 개폐밸브를 밸브 폐쇄상태로 하면, 솔레노이드에 통전해야 할 전류가 커져, 전자 개폐밸브의 전력소비가 증대한다. 이것을 회피하기 위해서, 상시 폐쇄형의 전자 개폐밸브를 사용하는 것도 생각되지만, 이 경우에는, 보조 구동력을 발생하지 않는 전자 개폐밸브의 밸브 개방상태에서 상시, 전자 개폐밸브의 솔레노이드에 통전해 놓아야 한다. 그러나, 일반적으로, 보조 구동력을 필요로 하는 기간(전자 개폐밸브를 밸브 폐쇄해야 하는 기간)은, 로봇의 고속이동 시 등, 특정한 운동 시의 일부의 기간이기 때문, 그 이외의 기간에서 항상 전자 개폐밸브에 통전해 두는 것은, 오히려, 전자 개폐밸브의 전력소비가 증대해버린다.

본 발명은 이러한 배경을 감안하여 이루어진 것으로서, 기체실에 통하는 기체류 통로의 전자 개폐밸브를 밸브폐쇄한 상태에서의 다리체의 운동에 따르는 기체의 압축 또는 팽창에 의해 보조 구동력을 발생하는 다리체 관절 어시스트 장치에 있어서, 간단한 구성으로 어시스트 장치의 전자 개폐밸브의 전력소비를 효과적으로 저감할 수 있는 다리체 관절 어시스트 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치의 제 1 발명은, 이러한 목적을 달성하기 위해, 상체로부터 복수의 링크 부재를 복수의 관절을 통하여 연이어 접속하여 이루어지는 다리체를 복수 구비한 다리식 이동 로봇에 있어서, 각 다리체의 복수의 관절 중 적어도 1개의 관절을 특정 관절로 하고, 이 특정 관절에 의해 연결된 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위운동에 연동하여 체적이 변화되도록 설치된 기체실과, 이 기체실과 그 외부 사이의 기체의 유통을 행하기 위해 이 기체실에 연통하여 설치된 기체류 통로와, 이 기체류 통로에 개폐 자유롭게 설치된 전자 개폐밸브를 구비하고, 상기 로봇의 이동 시의 소정 기간에 있어서 이 전자 개폐밸브를 밸브폐쇄 시킴으로써 상기 기체실을 밀봉하고, 그 밀봉상태의 기체실의 체적 변화에 따르는 이 기체실 내의 기체의 압축 또는 팽창에 의해 이 기체가 발생하는 탄성력을 상기 특정 관절에 대한 보조 구동력으로 하여, 이 보조 구동력을 상기 특정 관절을 구동하는 관절 액추에이터의 구동력과 함께 이 특정 관절에 작용시킴과 동시에, 상기 소정 기간 이외의 기간에서는 상기 전자 개폐밸브를 밸브개방시켜서 상기 기체실을 비밀봉상태로 함으로써, 이 기체실의 체적 변화에 따라 이 기체실 내의 기체가 발생하는 탄성력의 최대값이 적어도 상기 소정 기간 보다도 작아지(예를 들면 이 탄성력이 거의 0이 되)도록 한 다리체 관절 어시스트 장치로서, 상기 전자 개폐밸브는, 그 솔레노이드에의 일시적인 통전에 의해 이 전자 개폐밸브의 밸브체의 개폐 상태가 전환되고, 또한, 그 전환 후의 밸브체의 개폐 상태를 솔레노이드에의 통전 정지상태에서 유지하는 자기 유지기능을 갖는 전자 밸브에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이러한 제 1 발명에 의하면, 상기 전자 개폐밸브를 자기 유지기능을 갖는 전자 밸브에 의해 구성했으므로, 전자 개폐밸브의 개폐를 솔레노이드에 일시적으로 통전함으로써 행할 수 있다. 그 결과, 전자 개폐밸브의 전력소비를 저감할 수 있다.

또한, 전자 개폐밸브의 자기유지 기능은, 여러 공지의 수단에 의해 실현할 수 있다. 그 수단으로서는, 예를 들면, 밸브체에 연결한 플런저를 밸브체의 개방위치나 폐쇄위치에서 각각 영구자석 등의 자력에 의해 유지하는 수단, 또는, 이 플런저에 형성한 오목부에 밸브체의 개방위치나 폐쇄위치에서 이 플런저를 거는 수단 등을 들 수 있다.

이러한 제 1 발명에서는, 상기 소정 기간은, 상기 기체실과 외부 사이의 압력차가 이 소정 기간의 개시 시로부터 증가한 후, 그 개시 시의 압력차와 거의 동일한 압력차까지 감소하도록 상기 한쌍의 링크 부재의 상대적 변위운동에 연동하여 상기 기체실의 체적이 변화되는 기간으로, 상기 전자 개폐밸브는 상기 소정 기간에서 상기 압력차가 이 전자 개폐밸브의 밸브체에 그 밸브 폐쇄방향으로 작용하도록 상기 기체류 통로에 개재되어 있는 것이 바람직하다(제 2 발명).

이 제 2 발명에 의하면, 전자 개폐밸브의 밸브 폐쇄상태에서 상기 압력차가 상기 전자 개폐밸브의 밸브체에 그 밸브 폐쇄방향으로 작용하므로, 이 밸브체를 밸브 폐쇄상태로 유지하기 위한 기구를 생략하거나, 또는 이 기구를 소형인 것으로 할 수 있다. 그 결과, 전자 개폐밸브의 구성을 소형이고 간략한 것으로 할 수 있다. 또, 전자 개폐밸브의 밸브 폐쇄동작 시에 솔레노이드에 일시적으로 통전해야 할 전류를 작게 할 수 있어, 전자 개폐밸브의 전력소비를 효과적으로 저감할 수 있다. 또한, 전자 개폐밸브의 밸브 개방상태에서는, 밸브체에 압력차가 작용하지 않으므로, 이 전자 개폐밸브를 밸브 개방상태에 유지하기 위한 기구 등은 소형이고 간략한 것이어도 된다.

이 경우, 상기 전자 개폐밸브를 밸브 폐쇄상태에 유지하는 자기유지 기능은, 상기 소정 기간에서 이 전자 개폐밸브의 밸브체에 작용하는 상기 압력차에 의해 실현되고 있는 것이 바람직하다(제 3 발명). 이것에 의하면, 밸브체를 밸브 폐쇄상태에 유지하기 위한 기구를 생략할 수 있으므로, 전자 개폐밸브를 효과적으로 소형화 할 수 있다.

또, 본 발명의 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치의 제 4 발명은, 상체로부터 복수의 링크 부재를 복수의 관절을 통하여 연이어 접속하여 이루어지는 다리체를 복수 구비한 다리식 이동 로봇에 있어서, 각 다리체의 복수의 관절 중 적어도 하나의 관절을 특정 관절로 하고, 이 특정 관절에 의해 연결된 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위운동에 연동하여 체적이 변화되도록 설치된 기체실과, 이 기체실과 그 외부 사이의 기체의 유통을 행하기 위해 이 기체실에 연통하여 설치된 기체류 통로와, 이 기체류 통로에 개폐 자유롭게 설치된 전자 개폐밸브를 구비하고, 상기 로봇의 이동 시의 소정 기간에 있어서 이 전자 개폐밸브를 밸브폐쇄 시킴으로써 상기 기체실을 밀봉하고, 그 밀봉상태의 기체실의 체적 변화에 따르는 이 기체실 내의 기체의 압축 또는 팽창에 의해 이 기체가 발생하는 탄성력을 상기 특정 관절에 대한 보조 구동력으로 하여, 이 보조 구동력을 상기 특정 관절을 구동하는 관절 액추에이터의 구동력과 함께 이 특정 관절에 작용시킴과 동시에, 상기 소정 기간 이외의 기간에서는 상기 전자 개폐밸브를 밸브개방시켜서 상기 기체실을 비밀봉상태로 함으로써, 이 기체실의 체적 변화에 따라 이 기체실 내의 기체가 발생하는 탄성력의 최대값이 적어도 상기 소정 기간보다도 작아지(예를 들면 이 탄성력이 거의 0이 되)도록 한 다리체 관절 어시스트 장치로서,

상기 소정 기간은, 상기 기체실과 외부의 압력차가 이 소정 기간의 개시 시로부터 증가한 후, 그 개시 시의 압력차와 거의 동일한 압력차까지 감소하도록 상기 한쌍의 링크 부재의 상대적 변위운동에 연동하여 상기 기체실의 체적이 변화되는 기간이며,

상기 전자 개폐밸브는 상기 소정 기간에서 상기 압력차가 이 전자 개폐밸브의 밸브체에 그 밸브 폐쇄방향으로 작용하도록 상기 기체류 통로에 개재되어 있음과 동시에, 상기 압력차가 소정값 이하로 감소했을 때에 이 전자 개폐밸브의 밸브체를 밸브 폐쇄상태로부터 밸브 개방상태로 작동시키기 위해 이 밸브체를 밸브 개방방향으로 가압하는 가압수단을 구비하고, 또한 이 밸브체의 밸브 개방상태에서 이 전자 개폐밸브의 솔레노이드에 통전함으로써 이 밸브체가 상기 가압수단의 가압력에 저항하여 밸브 개방상태로부터 밸브 폐쇄상태로 작동하도록 구성되어 있고,

상기 소정 기간 중, 그 개시 시로부터 상기 압력차가 상기 가압수단의 가압력에 저항하여 상기 밸브체를 밸브 폐쇄상태로 유지할 수 있는 압력차로 증가할 때까지의 기간만, 상기 전자 개폐밸브의 솔레노이드에 통전하도록 한 것을 특징으로 한다.

이 제 4 발명에서는, 상기 전자 개폐밸브는, 그 밸브체가 상기 가압수단에 의해 밸브 개방방향으로 가압되어 있으므로, 상시 개방형의 전자 개폐밸브이다. 단, 이 전자 개폐밸브의 밸브체에는, 상기 소정 기간(전자 개폐밸브를 밸브폐쇄하는 기간)에 있어서, 상기 압력차가 이 밸브체의 밸브 폐쇄방향으로 작용하므로, 이 전자 개폐밸브의 솔레노이드에 상기 소정 기간의 전체에 걸쳐 통전해서 둘 필요는 없고, 상기 소정 기간의 개시 시로부터 상기 압력차가 상기 가압수단의 가압력에 저항하여 상기 밸브체를 밸브 폐쇄상태로 유지할 수 있는 압력차로 증가할 때까지의 기간만, 일시적으로 솔레노이드에 통전하면 충분하다. 또, 상기 전자 개폐밸브가 상기 가압수단을 구비함으로써, 상기 압력차가 감소하여, 상기 소정값 이하로 저하되면, 이 가압수단의 가압력에 의해, 자동적으로 전자 개폐밸브는, 밸브 폐쇄상태로 밸브 개방상태로 전환되고, 그 밸브 개방상태에 유지된다. 따라서, 상기 소정 기간의 개시 초기에 일시적으로 전자 개폐밸브의 솔레노이드에 통전하는 것만으로, 이 소정 기간에서 전자 개폐밸브를 밸브 폐쇄상태로 유지할 수 있어, 상기 소정 기간의 개시 초기 이외의 기간에서는, 전자 개폐밸브의 솔레노이드에 통전할 필요가 없다. 이 때문에, 전자 개폐밸브의 전력소비를 효과적으로 저감할 수 있다.

이상 설명한 제 1∼제 4 발명에서는, 상기 한쌍의 링크 부재 중 일방의 링크 부재에 연결된 실린더와, 상기 한쌍의 링크 부재 중 타방의 링크 부재에 연결되고, 이 한쌍의 링크 부재 사이의 상대적 변위운동에 연동하여 상기 실린더 내를 슬라이딩 하도록 이 실린더에 내측에 삽입된 피스톤을 구비하고, 상기 기체실은, 상기 실린더 내에서 상기 피스톤의 양측에 형성된 한쌍의 기체실로 구성되고, 상기 기체류 통로는, 상기 실린더 내의 한쌍의 기체실을 서로 연통하는 통로인 것이 바람직하다(제 5 발명).

이 제 5 발명에 의하면, 상기 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위운동에 의해, 상기 실린더 내의 일방의 기체실의 체적이 감소하면, 타방의 기체실의 체적이 증가하게 된다. 이 때문에, 상기 전자 개폐밸브를 밸브 폐쇄상태로 했을 때, 상기 실린더 내의 일방의 기체실의 기체가 압축됨과 동시에 타방의 기체실의 기체가 팽창하고, 양 기체실 내의 기체가 동시에 탄성력(상기 보조 구동력)을 발생하게 된다. 따라서, 소형인 실린더를 사용하여 상기 기체실을 구성하면서, 상기 소정 기간에서 큰 보조 구동력을 발생시킬 수 있다. 또한, 이 제 5 발명에서는, 상기 전자 개폐밸브를 밸브 개방상태로 했을 때에는, 상기 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위운동에 연동하여 상기 피스톤이 실린더 내에서 슬라이딩 해도, 실린더 내의 양 기체실의 압력이 서로 거의 동일한 상태로 유지되므로, 상기 보조 구동력은 거의 0에 유지되게 된다. 또, 제 5 발명에서는, 실린더 내의 한쌍의 기체실 중 임의의 일방의 기체실에 대하여, 타방의 기체실은 상기 「외부」로서의 의미를 갖게 된다.

또, 이상에서 설명한 제 1∼제 5 발명에서는, 상기 소정 기간은, 다리식 이동 로봇의 고속이동 시 등, 이 다리식 이동 로봇의 소정의 보용형태에서의 이동 시에 있어서 각 다리체의 착상 상태에서의 기간인 것이 바람직하다(제 6 발명). 이것에 의하면, 각 다리체의 관절에 비교적 큰 구동력을 작용시킬 필요가 있고, 이 다리체의 착상 상태에서, 상기 보조 구동력을 발생시켜, 상기 특정 관절의 관절 액추에이터의 부담을 효과적으로 경감할 수 있다.

또, 상기 다리식 이동 로봇이, 2개의 상기 다리체를 구비하는 2족이동 로봇임과 동시에, 각 다리체에는, 그 선단부와 상기 상체측의 단부 사이의 중간부에 이 다리체의 굴신운동을 가능하게 하는 무릎관절이 설치되어 있는 경우에는, 상기 특정 관절은 이 무릎관절인 것이 바람직하다(제 7 발명). 즉, 2족이동 로봇에서는, 일반적으로, 그 이동 시에 무릎관절에 필요한 구동력(회전력)이 커지므로, 그 구동력의 일부를 상기 보조 구동력으로 부담함으로써 상기 특정 관절의 관절 액추에이터의 부담을 효과적으로 경감할 수 있다.

이 경우, 상기 소정의 기간은, 상기 2족이동 로봇의 주행동작 시에 각 다리체가 착상 상태로 되는 기간 중, 상기 무릎관절에서의 이 다리체의 굽힘 정도의 경시 변화의 패턴이 이 굽힘 정도의 증가방향에서 볼록하게 되는 기간인 것이 바람직하다(제 8 발명). 또는, 상기 소정의 기간은, 상기 2족이동 로봇의 주행동작 시에 각 다리체가 착상 상태가 되는 기간 중, 상기 무릎관절에 발생시켜야 할 회전력의 경시 변화의 패턴이 이 다리체의 펴기 방향에서 볼록하게 되는 기간인 것이 바람직하다(제 9 발명). 즉, 2족이동 로봇의 주행동작 시에는, 상기 무릎관절에서의 이 다리체의 굽힘 정도의 경시 변화의 패턴이 이 굽힘 정도의 증가 방향에서 볼록하게 되는 기간(굽힘 정도가 증가하고, 이어서 감소하는 기간)에서, 이 무릎관절에 발생시켜야 할 회전력의 경시 변화의 패턴은 이 이 다리체의 펴기 방향에서 볼록하게 된다(다리체의 펴기 방향의 회전력이 증가하고, 이어서 감소함). 그리고, 이 기간에서 필요한 무릎관절의 회전력의 피크값(다리체의 펴기 방향의 회전력)이 특히 큰 것으로 되기 쉽다. 또, 이 때, 상기 무릎관절에 의해 연결된 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위운동(이 경우에는, 굴신운동)에 연동하여, 상기 보조 구동력을 무릎관절에 발생시켜야 할 회전력의 경시 변화의 패턴과 같은 패턴으로 변화시킬 수 있다. 따라서, 상기 소정의 기간을 상기 제 8 발명 또는 제 9 발명과 같이 설정함으로써 상기 무릎관절(특정 관절)의 관절 액추에이터의 부담을 효과적으로 경감할 수 있다.

또, 상기 제 1∼제 9 발명에서는, 상기 다리식 이동 로봇을 이 로봇의 목표 보용에 추종시키기 위한 상기 특정 관절의 목표 구동력을 결정하는 수단과, 상기 소정 기간에서의 상기 특정 관절의 관절 액추에이터의 구동력을, 이 관절 엑추에이터의 구동력과 상기 보조 구동력의 합이 상기 결정한 목표 구동력이 되도록 제어하는 수단을 구비하는 것이 바람직하다(제 10 발명). 이것에 의하면, 다리식 이동 로봇을 목표 보용에 적절하게 추종시키면서, 상기 특정 관절의 관절 액추에이터의 부담(이 관절 액추에이터에 발생시키는 구동력)을 필요 최저한에 머물도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태의 어시스트 장치를 포함하는 다리식 이동 로봇(2족이동 로봇)의 개략적인 구성을 모식화 하여 도시하는 도면,

도 2는 도 1의 로봇에 구비한 어시스트 장치의 스프링 수단(기체 스프링)이 발생하는 보조력과 무릎관절의 굽힘각과의 관계를 도시하는 그래프,

도 3은 도 1의 로봇의 어시스트 장치에 구비한 전자 개폐밸브의 구성을 도시하는 단면도,

도 4는 도 1의 로봇에 구비한 제어 유닛의 기능적 구성을 도시하는 블럭도,

도 5는 도 4의 제어 유닛의 처리를 도시하는 플로우차트,

도 6은 도 5의 플로우차트의 서브루틴 처리를 도시하는 플로우차트,

도 7은, 도 7(a)는 도 1의 로봇의 주행동작 시에 있어서의 다리체의 무릎관절의 굽힘각의 경시적 변화를 예시하는 그래프, 도 7(b)는 무릎관절의 필요 회전력의 경시적 변화를 예시하는 그래프, 도 7(c)는 제 1 실시형태에서의 전자 개폐밸브 의 요구 동작 모드의 타이밍 차트, 도 7(d)는 제 1 실시형태에서의 개폐 전자 밸브의 통전 상태의 타이밍 차트, 도 7(e)는 제 1 실시형태에서의 기체실 간의 압력차(차압)의 경시적 변화를 도시하는 그래프,

도 8은, 도 8(a)는 도 1의 로봇의 주행동작 시의 무릎관절의 굽힘각의 경시적 변화를 예시하는 그래프, 도 8(b)는 제 1 실시형태의 어시스트 장치에서 발생하는 무릎관절의 보조 구동력의 경시적 변화를 예시하는 그래프, 도 8(c)는 제 1 실시형태에서 무릎관절의 전동모터에 발생시키는 토크의 경시적 변화를 실선으로 예시하는 그래프,

도 9는 본 발명의 제 2 실시형태에서의 어시스트 장치에 구비한 전자 개폐밸브의 구성을 도시하는 단면도,

도 10은 본 발명의 제 3 실시형태에서의 어시스트 장치에 구비한 전자 개폐밸브의 구성을 도시하는 단면도,

도 11은 제 3 실시형태에서의 제어 유닛의 제어처리의 서브루틴 처리를 도시하는 플로우차트,

도 12는, 도 12(a)는 도 1의 로봇의 주행동작 시에 있어서의 다리체의 무릎관절의 굽힘각의 경시적 변화를 예시하는 그래프, 도 12(b)는 무릎관절의 필요 회전력의 경시적 변화를 예시하는 그래프, 도 12(c)는 제 3 실시형태에서의 전자 개폐밸브의 요구 동작 모드의 타이밍 차트, 도 12(d)는 제 3 실시형태에서의 개폐 전자 밸브의 통전 상태의 타이밍 차트, 도 12(e)는 제 1 실시형태에서의 기체실 간의 압력차(차압)의 경시적 변화를 예시하는 그래프이다.

본 발명의 제 1 실시형태를 도 1∼도 8을 참조하여 설명한다. 이 제 1 실시형태는, 상기 제 1∼제 3 발명의 실시형태이다. 도 1은 본 실시형태에서의 다리식 이동 로봇으로서의 2족이동 로봇의 구성을 모식화 하여 도시한 도면이다. 동 도시와 같이, 로봇(1)은 그 기본몸체인 상체(2)로부터 하방으로 연장하여 설치된 2개의 다리체(3, 3)를 구비하고 있다. 또한, 이들 다리체(3, 3)는 후술의 어시스트 장치를 포함하여 동일구조이기 때문에, 일방의 다리체(3)(도면에서는 로봇(1)의 전방을 향해서 좌측의 다리체(3))에 대해서는, 그 일부만을 도시하고 있다.

각 다리체(3)는, 인간의 다리와 마찬가지로 대퇴부(4), 하퇴부(5) 및 족평부(足平部)(6)를 상체(2)로부터 고관절(7), 무릎관절(8), 발목관절(9)을 통하여 차례로 연이어 접속하여 구성되어 있다. 보다 상세하게 말하면, 각 다리체(3)의 대퇴부(4)는, 상체(2)로부터 고관절(7)을 통하여 연장하여 설치되고, 하퇴부(5)는 무릎관절(8)을 통하여 대퇴부(4)에 연이어 접속되고, 족평부(6)는 발목관절(9)을 통하여 하퇴부(5)에 연이어 접속되어 있다. 또한, 대퇴부(4), 하퇴부(5) 및 족평부(6)는 각각 본 발명에 있어서의 링크 부재에 상당하는 것이다.

이 경우, 고관절(7)은 로봇(1)의 전후, 좌우, 상하방향의 3축 주위의 회전동작이 가능하게 되고, 무릎관절(8)은, 좌우 방향의 1축 주위의 회전동작이 가능하게 되고, 발목관절(9)은, 전후, 좌우 방향의 2축 주위의 회전동작이 가능하게 되어 있다. 이들 각 관절(7, 8, 9)의 회전동작에 의해, 각 다리체(3)는 인간의 다리와 거의 동일한 운동이 가능하게 되어 있다. 그리고, 예를 들면 무릎관절(8)에는, 그 좌우 방향의 1축 주위의 회전동작을 행하기 위해서, 관절 액추에이터로서의 전동모터(10)(이하, 무릎관절 전동모터(10)라고 함)가 설치되어 있다. 또, 도시는 생략하지만, 고관절(7)에는, 그 3축 주위의 회전동작을 행하기 위한 3개의 전동모터가 설치되고, 발목관절(9)에는, 그 2축 주위의 회전동작을 행하기 위한 2개의 전동모터가 설치되어 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 각 족평부(6)에 작용하는 상반력(로봇(1)의 전후, 좌우, 상하의 3축방향의 병진력 및 3축 주위의 모멘트)을 검출하기 위해서, 각 족평부(6)는 6축력 센서(11)를 통하여 발목관절(9)에 연이어 접속되어 있다. 또, 각 관절(7, 8, 9)에는, 그 회전위치(상세하게는, 각 관절(7∼9)의 전동모터의 회전각)를 검출하기 위한 인코더(도시하지 않음)가 구비되어 있다.

본 실시형태에서는, 각 다리체(3)의 무릎관절(8)을 본 발명에서의 특정 관절로 하고, 상기 무릎관절 전동모터(10)에 의한 회전력과 함께 무릎관절(8)에 보조적으로 작용시키는 회전력(보조 구동력)을 필요에 따라서 발생하는 어시스트 장치(12)가 각 다리체(3)마다 설치되어 있다. 이 어시스트 장치(12)는, 기체의 압축 또는 팽창에 의해 보조 구동력을 탄성적으로 발생하는 기체 스프링을 스프링 수단(13)으로서 구비하고 있다.

이 스프링 수단(13)은, 실린더 구조의 것이고, 실린더(외통)(14)와, 이 실린더(14)에 그 축심방향으로 슬라이딩 자유롭게 내측에 삽입된 피스톤(15)과, 실린더(14) 내에서 피스톤(15)의 양측(도면에서는 상하)에 형성된 기체실(16, 17)을 구비하고, 각 기체실(16, 17)에 공기 등의 기체가 충전되어 있다. 실린더(14)는, 각 다리체(3)의 대퇴부(4)의 배면측에서 개략적으로 상하 방향(대퇴부(4)의 길이 방향을 개략적으로 따르는 방향)으로 연장하여 설치되고, 그 하단부(밑바닥부)에 고정 설치된 연결부재(18)가 하퇴부(5)에 프리 조인트(19)를 통하여 연결되어 있다. 또, 피스톤(15)으로부터 상측의 기체실(16)을 관통하여 실린더(14)의 상방에 연장하여 설치된 피스톤 로드(20)의 선단부(상단부)가 프리 조인트(21)를 통하여 대퇴부(4)에 연결되어 있다.

이러한 구성의 스프링 수단(13)에서는, 무릎관절(8)에서의 대퇴부(4)와 하퇴부(5) 사이의 상대적 변위운동으로서의 굴신운동(이하, 무릎 굴신운동이라고 함)에 연동하여, 실린더(14)가 경동(傾動)하면서, 피스톤(15)이 실린더(14)내를 그 축심방향으로 슬라이딩 하고, 이것에 따라 각 기체실(16, 17)의 체적이 변화되게 되어 있다. 이 경우, 기체실(16, 17)의 일방의 체적의 증가에 따라, 타방의 체적은 감소한다.

어시스트 장치(12)는, 또한, 양 기체실(16, 17) 사이에서의 기체의 유통을 적당하게 행하기 위해서 이들 기체실(16, 17)에 연통하여 실린더(14)에 접속된 기체류 통로로서의 연통관(22)과, 이 연통관(22)을 개폐하기 위해 이 연통관(22)에 개재된 전자 개폐밸브(23)를 구비하고 있다. 전자 개폐밸브(23)는, 기체실(16, 17) 내의 기체에 대한 상기 무릎 굴신운동의 전달을 연결하고 차단하는 수단으로서의 기능을 갖는 것으로, 이 전자 개폐밸브(23)의 개폐에 의해, 기체실(16, 17) 내의 기체에 상기 무릎 굴신운동이 전달되는 상태(기체실(16, 17) 내의 기체가 무릎 굴신운동에 따라 탄성에너지를 축적하는 상태)와, 기체실(16, 17)의 기체에의 무릎 굴신운동의 전달이 차단되는 상태(기체실(16, 17) 내의 기체가 탄성에너지를 방출하는 상태)가 전환되게 되어 있다.

즉, 전자 개폐밸브(23)를 밸브개방 했을 때에는, 양 기체실(16, 17)은 연통관(22)을 통하여 연통하고, 양 기체실(16, 17) 내의 기체가 서로 유통 자유롭게 된다. 이 때문에, 무릎 굴신운동에 의해 양 기체실(16, 17)의 체적이 변화되어도, 양 기체실(16, 17) 내의 기체는, 거의 일정한 압력으로 유지되어, 이 기체의 압축 또는 팽창이 거의 발생하지 않는다. 즉, 전자 개폐밸브(23) 밸브 개방상태에서는, 양 기체실(16, 17) 내의 기체에는 무릎 굴신운동이 실질적으로 전달되지 않아, 이 기체가 탄성에너지를 방출한 상태(고체 스프링의 자연상태에 상당하는 상태)로 된다. 따라서, 전자 개폐밸브(23) 밸브 개방상태에서는, 각 기체실(16, 17)내의 기체는, 탄성력(무릎관절(8)에 대한 보조적인 회전력)을 발생하지 않은 상태(탄성력이 거의 0인 상태)로 된다. 바꾸어 말하면, 전자 개폐밸브(23) 밸브 개방상태에서는, 스프링 수단(13)은 스프링으로서의 기능을 갖지 않게 된다. 보충하면, 본 실시형태에서는, 기체실(16)에 대해서는, 기체실(17)은 외부이고, 기체실(17)에 대해서는, 기체실(16)은 외부이다.

또, 전자 개폐밸브(23)을 밸브폐쇄 함으로써, 양 기체실(16, 17)이 밀봉상태가 되어, 각 기체실(16, 17) 내의 기체를 외부로 유출할 수 없는 상태가 된다. 이 밀봉상태에서는, 상기 무릎 굴신운동에 의한 양 기체실(16, 17)의 체적 변화에 따라, 양 기체실(16, 17) 내의 기체의 압축 또는 팽창이 발생하여, 이 기체가 탄성에너지를 축적한다. 즉, 전자 개폐밸브(23)의 밸브 폐쇄상태에서는, 무릎 굴신운동 이 양 기체실(16, 17)내 기체에 실질적으로 전달되고(무릎 굴신운동이 양 기체실(16, 17) 내의 기체의 압축 또는 팽창을 발생시키도록 이 기체에 전달됨), 이 기체가 탄성에너지를 축적하여, 그것에 의해 탄성력을 발생한다. 바꾸어 말하면, 전자 개폐밸브(23)의 밸브 폐쇄상태에서는, 스프링 수단(13)이 스프링으로서의 본래의 기능을 무릎 굴신운동에 따라 발휘하면서 탄성력을 발생하게 된다. 그리고, 그 발생한 탄성력은, 상기 무릎관절 전동모터(10)에 의한 무릎관절(8)의 회전력과 병렬로, 이 무릎관절(8)의 보조적인 회전력(보조 구동력. 이후, 무릎회전 보조력이라고 함)으로서 무릎관절(8)에 작용한다.

이 경우, 전자 개폐밸브(23)의 밸브 폐쇄상태에서 스프링 수단(13)이 발생하는 무릎회전 보조력은, 전자 개폐밸브(23)의 밸브 폐쇄상태의 개시 시점(밸브 개방상태로부터 밸브 폐쇄상태에의 전환 시)으로부터의, 무릎관절(8)에서의 다리체(3)의 굽힘각(θ)(이하, 무릎굽힘각(θ)이라고 한다. 도 1참조)의 변화량에 따른 것으로 된다. 이 무릎회전 보조력과, 무릎굽힘각(θ)과의 관계를 예시하는 그래프를 도 2에 도시한다. 또한, 본 명세서의 실시형태에서는, 무릎굽힘각(θ)은, 보다 상세하게는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 다리체(3)의 대퇴부(4)의 축심에 대한 하퇴부(5)의 축심의 경사각도로서 정의된 것이며, 그 θ의 값은, 무릎관절(8)에서의 다리체(3)의 굽힘 정도가 증가함에 따라, 커진다. 또, 본 명세서의 실시형태에서는, 무릎관절(8)에서의 다리체(3)의 굽힘 방향의 회전력을 정의 값으로 하고, 다리체(3)의 펴기 방향의 회전력을 부의 값으로 한다.

도 2를 참조하여, 전자 개폐밸브(23)의 밸브 폐쇄상태의 개시 시점에서의 무 릎굽힘각(θ)(이하, 밸브폐쇄 개시 무릎굽힘각이라고 함)이 「θ1」이라고 하면, 스프링 수단(13)이 발생하는 무릎회전 보조력은, 예를 들면 그래프 a로 나타내는 바와 같은 특성에서 무릎굽힘각(θ)에 대해 변화된다. 또, 밸브폐쇄 개시 무릎굽힘각(θ)이 「θ2」(θ1>θ2)이라고 하면, 스프링 수단(13)이 발생하는 무릎회전 보조력은, 예를 들면 그래프 b로 나타내는 바와 같은 특성에서 무릎굽힘각(θ)에 대해 변화된다.

어느 경우에도, 무릎굽힘각(θ)이 밸브폐쇄개 시 무릎굽힘각으로부터 증가함에 따라, 스프링 수단(13)의 피스톤(15)이 하방으로 슬라이딩 하여, 상측의 기체실(16)의 기체가 팽창하면서 하측의 기체실(17)의 기체가 압축되고, 하측의 기체실(17)의 기체의 압력이 상측의 기체실(16)의 기체보다도 높아져 간다. 따라서, 무릎굽힘각(θ)이 밸브폐쇄 개시 무릎굽힘각으로부터 증가함에 따라, 무릎회전 보조력이 다리체(3)의 펴기 방향으로 증가해 간다. 또, 이것과 반대로, 무릎굽힘각(θ)이 밸브폐쇄 개시 무릎굽힘각으로 감소함에 따라, 무릎회전 보조력이 다리체(3)의 굽힘 방향으로 증가해 간다. 또한, 밸브폐쇄 개시 무릎굽힘각에서는, 무릎회전 보조력은 거의 0이다.

보충하면, 밸브폐쇄 개시 무릎굽힘각에 의하지 않고, 무릎굽힘각(θ)의 변화 에 대한 무릎회전 보조력의 변화의 특성(도 2의 각 그래프 a, b의 형상)은 거의 일정하다. 또, 전자 개폐밸브(23)의 밸브 개방상태에서는, 무릎 굴신운동에 의하지 않고 양 기체실(16, 17)의 기체의 압력이 서로 거의 동일한 일정한 압력에 유지되므로, 무릎회전 보조력은 무릎굽힘각(θ)에 의하지 않고 정상적으로 거의 0이 된 다.

여기에서, 상기 전자 개폐밸브(23)의 보다 상세한 구성을 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 본 실시형태에서의 전자 개폐밸브(23)의 단면도를 도시하고 있다. 이 전자 개폐밸브(23)는, 상기 연통관(22) 중, 기체실(16)측의 연통관(22a)에 통하는 유통로(30)와, 기체실(17)측의 연통관(22b)에 통하는 유통로(31)가 형성된 밸브체 케이스(32) 내에 밸브체(33)를 구비하고 있다. 밸브체(33)는, 도시하는 바와 같이 양 유통로(30, 31)를 연통시키는 위치(도시의 위치. 이하, 밸브 개방위치라고 함)와, 이 밸브체(33)가 밸브시트(34)에 맞닿아서 양 유통로(30, 31)를 차단하는 위치(이하, 밸브 폐쇄위치라고 함) 사이에서 화살표 Y1의 방향(도면의 좌우 방향)으로 이동 자유롭게 설치되어 있다. 이 밸브체(33)에는, 그 가동방향으로 연장되는 플런저(35)가 연결되어 있고, 이 플런저(35)가 밸브체 케이스(32)에 고정 설치된 구동부 케이스(36) 내의 삽입구멍(37)에 삽입되고, 이 삽입구멍(37) 내를 밸브체(33)의 가동방향과 동일 방향으로 슬라이딩 자유롭게 설치되어 있다. 구동부 케이스(36) 내의 플런저(35)의 주위에는, 영구자석(38)과, 솔레노이드(39)가 플런저(35)의 축방향(밸브체(33)의 가동방향)에 간격을 두고 설치되어 있다. 영구자석(38)은, 밸브체(33)가 밸브 개방위치에 있을 때에, 밸브체(33)를 밸브 개방위치에 유지하는 자력을 플런저(35)에 작용시키는 것이다.

이러한 구조의 본 실시형태의 전자 개폐밸브(23)에서는, 밸브체(33)의 밸브 개방위치로부터 밸브 폐쇄위치에의 이동동작(전자 개폐밸브(23)의 밸브 폐쇄동작)과, 밸브체(33)의 밸브 폐쇄위치로부터 밸브 개방위치에의 이동동작(전자 개폐밸 브(23)의 밸브 개방동작)은, 솔레노이드(39)에 서로 역방향의 전류를 일시적으로 통전함으로써 행해지게 되어 있다. 즉, 전자 개폐밸브(23)의 밸브 폐쇄동작을 행할 때에는, 솔레노이드(39)에 소정 방향의 전류(이하, 폐쇄전류라고 함)를 일시적으로 통전함으로써 솔레노이드(39)가 발생하는 전자력에 의해 플런저(35)가 밸브체 케이스(32)측으로부터 후퇴하고, 밸브체(33)가 밸브 개방위치로부터 밸브 폐쇄위치로 이동한다(전자 개폐밸브(23)가 밸브 개방상태로부터 밸브폐쇄됨). 또, 전자 개폐밸브(23)의 밸브 개방동작을 행할 때에는, 솔레노이드(39)에 상기 폐쇄전류와 역방향의 전류(이하, 개방전류라고 함)을 일시적으로 통전함으로써 솔레노이드(39)가 발생하는 전자력에 의해 플런저(35)가 밸브체 케이스(32)측으로 전진하고, 밸브체(33)가 밸브 폐쇄위치로부터 밸브 개방위치로 이동한다(전자 개폐밸브(23)가 밸브 폐쇄상태로부터 밸브 개방됨).

그리고, 본 실시형태의 전자 개폐밸브(23)에서는, 그 밸브 개방동작 후에 솔레노이드(39)에의 개방전류의 통전을 정지해도 영구자석(38)의 자력에 의해 플런저(35)가 밸브체(33)의 밸브 개방위치에 대응하는 위치(도면에 도시하는 위치)에 유지되고, 전자 개폐밸브(23)의 밸브 개방상태가 유지되게 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 전자 개폐밸브(23)의 밸브폐쇄는, 후술하는 바와 같이, 그 밸브 폐쇄동작 후에, 상기 스프링 수단(13)의 기체실(16, 17)의 압력차가 상기 유통로(30, 31)를 통하여 밸브체(33)의 밸브 폐쇄방향(밸브체(33)를 밸브 폐쇄위치로 가압하는 방향)으로 작용하는 기간(기체실(17)의 압력이 기체실(16)의 압력보다도 높게 되는 기간)에서 행해지게 되어 있다. 바꾸어 말하면, 전자 개폐밸브(23)는, 그것을 밸브 폐쇄상태로 해야 할 기간에 있어서, 밸브체(33)의 밸브 폐쇄방향에 기체실(16, 17) 간의 압력차가 작용하도록 연통관(22)에 개재되어 있다. 따라서, 전자 개폐밸브(23)의 밸브 폐쇄상태에서는, 그 압력차(이하, 차압이라고 함)에 의해, 솔레노이드(39)에의 폐쇄전류의 통전을 정지해도 밸브체(33)가 밸브 폐쇄위치에 보유되게 되어 있다. 이렇게 전자 개폐밸브(23)는, 솔레노이드(39)에의 폐쇄전류, 개방전류의 통전을 정지한 후에도, 밸브체(33)의 밸브 폐쇄상태, 밸브 개방상태를 유지하는 자기유지 기능을 갖고 있다. 이 경우, 밸브 폐쇄상태에의 유지기능은 상기 차압에 의해 실현된다. 또, 밸브 개방상태에의 유지기능은 영구자석(38)의 자력에 의해 실현된다.

도 1의 설명으로 되돌아와, 로봇(1)의 상체(2)에는, 각 다리체(3)의 각 관절(7, 8, 9)의 동작 제어 등을 행하는 제어 유닛(40)과, 각 관절(7, 8, 9)의 전동모터나 전자 개폐밸브(23) 등의 전원으로서의 축전장치(41)와, 상체(2)의 자세(연직방향 에 대한 경사각이나 연직방향의 축 주위의 회전각)을 검출하는 자세 센서(42)와, 각 전동모터의 통전을 제어하기 위한 모터 드라이버 회로(43)가 탑재되어 있다. 자세 센서(42)는 자이로 센서, 가속도 센서 등으로 구성된 것이다. 또, 축전장치(41)는 배터리(이차전지)나 컨덴서 등으로 구성된 것이다.

제어 유닛(40)은 마이크로컴퓨터 등을 포함하는 전자회로에 의해 구성된 것으로, 도 4의 블럭도에 나타내는 바와 같이, 그 주 기능적 구성으로서, 보용생성기(51), 모터 제어기(52), 및 전자 개폐밸브 제어기(53)를 구비하고 있다.

보용생성기(51)는, 로봇(1)의 목표 보용을 규정하는 보용 패러미터(보폭, 보 용주기, 운동 모드 등)를 외부로부터의 지령, 또는 미리 설정된 티칭 데이터(이동계획 데이터) 등에 따라 로봇(1)의 이동 시의 1보마다(지지다리가 전환될 때마다) 결정하고, 또한 이 보용 패러미터를 기초로 소정의 제어사이클 마다의 목표 보용(순시 목표 보용)을 차례차례 생성하는 것이다. 여기에서, 본 실시형태에서 보용생성기(51)가 결정하는 보용 패러미터는, 로봇(1)에 통상적인 보행동작을 행하게 하는 목표 보용이나, 로봇(1)에 인간의 주행동작과 동일한 주행동작을 행하게 하는 목표 보용 등을 규정하는 패러미터이다. 그리고, 이 목표 보용은, 예를 들면 로봇(1)의 상체(2)의 위치 및 자세의 목표값(이하, 목표 상체위치 자세라고 함)과, 로봇(1)의 각 족평부(6)의 위치 및 자세의 목표값(이하, 목표 족평위치 자세라고 함)과, 양 족평부(6, 6)에 작용하는 상반력(병진력 및 모멘트)의 합력(전체 상반력)의 목표값(이하, 목표 전체 상반력이라고 함)과, 이 전체 상반력의 작용점으로서의 ZMP(Zero Moment Point)의 목표 위치(이하, 목표 ZMP라고 함)로 구성되는 것이다. 또한, 목표 보용의 구성요소의 보다 구체적인 내용에 대해서는, 예를 들면 본원 출원인이 일본 특개평11-300660호 공보에서 상세하게 설명하고 있는 바와 같으므로, 여기에서는 상세한 설명을 생략한다. 또, 목표 보용의 내용은, 반드시 상기 공보에 개시되어 있는 것에 한정되는 것은 아니고, 기본적으로는, 로봇(1)의 목표로 하는 운동형태를 표현할 수 있는 것이면 된다.

전자 개폐밸브 제어기(53)는 어시스트 장치(12)의 전자 개폐밸브(23)의 동작 제어를 행하는 기능을 담당하는 것이다. 이 전자 개폐밸브 제어기(53)는 보용생성기(51)에 의해 생성된 목표 보용 또는 이것을 규정하는 보용 패러미터에 따라, 후 술하는 바와 같이 전자 개폐밸브(23)를 밸브 폐쇄상태로 해야 할 기간(이하, 로킹 기간이라고 함)과, 전자 개폐밸브(23)을 밸브 개방상태로 해야 할 기간(이하, 프리 기간이라고 함)을 결정한다. 그리고, 전자 개폐밸브 제어기(53)는, 로킹 기간에서는, 전자 개폐밸브(23)를 밸브 폐쇄상태로 하도록 전자 개폐밸브(23)를 통전 제어하고, 프리 기간에서는, 전자 개폐밸브(23)를 밸브 개방상태로 하도록 전자 개폐밸브(23)를 통전 제어한다. 또한, 로킹 기간 이외의 기간은 프리 기간, 프리 기간 이외의 기간은 로킹 기간이므로, 어느 일방의 기간을 결정하면, 타방의 기간은 종속적으로 결정된다. 따라서, 실제상은, 로킹 기간 및 프리 기간의 어느 일방만을 결정하면 되고, 본 실시형태에서는, 로킹 기간을 결정하도록 하고 있다.

모터 제어기(52)는, 상기 무릎관절 전동모터(10)를 포함하여, 각 관절(7, 8, 9)의 전동모터를 차례차례 제어하는(상세하게는 이 전동모터의 회전각을 차례차례 제어하는) 것이다. 이 모터 제어기(52)는, 보용생성기(51)에 의해 생성된 목표 보용이나, 상기 자세 센서(42)에 의해 검출되는 상체(2)의 실경사각(연직방향에 대한 실제의 경사각), 도시하지 않은 인코더를 사용하여 검출되는 다리체(3)의 각 관절(7, 8, 9)의 실회전각, 상기 6축력 센서(11)에 의해 검출되는 각 족평부(6)의 실상반력, 상기 전자 개폐밸브 제어기(53)에 의해 결정되는 상기 로킹 기간(혹은 프리 기간)의 데이터 등에 기초하여 후술하는 바와 같이, 각 전동모터에 발생시켜야 할 토크를 규정하는 토크 지령(구체적으로는 전동모터의 통전 전류의 지령값)을 차례차례 생성한다. 그리고, 이 모터 제어기(52)는, 생성한 토크 지령을 모터 드라이버 회로(43)에 출력하고, 이 모터 드라이버 회로(43)를 통하여 토크 지령에 따른 토크를 각 전동모터에 발생시킨다.

다음에 본 실시형태의 시스템의 작동을 도 5의 플로우차트를 참조하여 설명한다. 상기 제어 유닛(40)은, 시각 계측을 행하는 타이머의 초기화 등의 소정의 초기화 처리를 행한 후, 미리 정해진 소정의 제어사이클(예를 들면 50ms) 마다, 도 5의 플로우차트의 처리를 실행한다. 즉, 제어 유닛(40)은, 우선, 로봇(1)의 보용의 전환 타이밍인지의 여부를 판단한다(STEP1). 여기에서, 보용의 전환 타이밍은, 상세하게는, 로봇(1)의 이동 시의 지지다리가 일방의 다리체(3)로부터 타방의 다리체(3)로 전환되는 타이밍이다. 그리고, STEP1에서 보용의 전환 타이밍이 아닌 경우에는, 제어 유닛(40)의 처리는 후술의 STEP3의 처리로 진행된다.

또, STEP1에서 보용의 전환 타이밍일 경우에는, 제어 유닛(40)은, 외부로부터 주어지는 로봇(1)의 동작 지령이나, 미리 설정된 이동계획 데이터에 기초하여 로봇(1)의 목표 보용을 규정하는 보용 패러미터를 상기 보용생성기(51)에 의해 생성(갱신)한다(STEP2). 여기에서, 이 보용생성기(51)이 생성하는 보용 패러미터에 의해 규정되는 목표 보용은, 예를 들면 다음회의 보용의 전환 타이밍, 혹은, 그것보다도 약간 앞의 타이밍까지의 목표 보용이다. 또, 이 경우, 예를 들면 로봇(1)의 주행동작을 행해야 할 내용의 동작 지령이 외부로부터 주어져 있는 경우나, 로봇(1)의 이동계획 데이터에 의해 로봇(1)의 주행동작을 행해야 할 상황인 경우에는, 보용생성기(51)가 생성하는 보용 패러미터에 의해 규정되는 목표 보용은, 로봇(1)의 주행동작의 목표 보용(인간의 주행시의 발걸음과 같은 것 발걸음으로 다리체(3, 3)의 운동을 행하는 목표 보용)이다.

이어서, 제어 유닛(40)은, STEP3∼5의 처리를 모터 제어기(52)에 의해 실행한다. 이 STEP3∼5의 처리는, 스프링 수단(13)으로부터 무릎관절(8)에 무릎회전 보조력이 작용하지 않을 경우(어시스트 장치(12)의 전자 개폐밸브(23)가 밸브 개방상태라고 한 경우)에, 상기 목표 보용에 로봇(1)의 운동을 추종시키기 위해서 요하는 각 관절(7, 8, 9)의 전동모터의 토크 지령(이하, 기본 토크 지령이라고 함)을 요구하기 위한 처리이다. 또한, 이 STEP3∼5의 처리는, 본원 출원인에 의한 일본 특개평11-300660호 공보에서 상세하게 설명되어 있으므로, 이하에 STEP3∼5의 처리의 개요를 설명한다.

STEP3에서는, 제어 유닛(40)은 보용생성기(51)에 의해 현재 생성되고 있는 보용 패러미터에 기초하여 순시 목표 보용을 구한다. 이 순시 목표 보용은 제어 유닛(40)의 처리의 제어사이클 마다의 목표 보용이다. 이 순시 목표 보용은, 앞에서도 기술한 바와 같이, 보다 구체적으로는, 제어사이클 마다의, 목표 상체위치 자세, 목표 족평위치 자세, 목표 전체 상반력, 목표 ZMP로 이루어진다. 한편, STEP3의 처리에서는, 또한, 상기 목표 족평위치 자세, 목표 전체 상반력, 목표 ZMP 등에 기초하여 제어사이클 마다의 각 다리체(3)의 목표 상반력 및 그 목표 상반력의 작용점도 구해진다.

STEP4에서는, 제어 유닛(40)은, 복합 컴플라이언스 동작 처리에 의해, 상기 순시 목표 보용 중 목표 족평위치 자세를 수정한다. 이 복합 컴플라이언스 동작 처리에서는, 보다 상세하게는, 로봇(1)의 상체(2)의 실경사각(이것은 상기 자세 센서(42)에 의해 검출됨)을, 상기 목표 상체위치 자세에 의해 정해지는 목표 경사각 으로 복원시키기(상체(2)의 실경사각과 목표 경사각과의 편차를 0에 수렴시키기) 위해서 로봇(1)에 작용시켜야 할 상반력(모멘트)가 구해진다. 그리고, 이 상반력(모멘트)과 상기 목표 전체 상반력의 합력을, 로봇(1)에 실제로 작용시켜야 할 토털 상반력의 목표값으로 하고, 이 목표값에, 각 족평부(6)의 6축력 센서(11)에 의해 검출되는 각 족평부(6)의 실상반력의 합력을 추종시키도록, 제어사이클 마다의 목표 족평위치 자세가 수정된다. 이러한 복합 컴플라이언스 동작 처리는 로봇(1)의 자세의 자율적인 안정성을 확보하기 위한 것인다.

그리고, STEP5에서는, 제어 유닛(40)은 로봇(1)의 각 다리체(3)의 관절(7, 8, 9)의 각 전동모터에 대한 기본 토크 지령을 구한다. 이 처리에서는, 보다 구체적으로는, 순시 목표 보용에서의 목표 상체위치 자세, 전술한 바와 같이 STEP4에서 수정된 목표 족평위치 자세 등으로부터, 로봇(1)의 모델(강체 링크 모델)에 기초하는 역 키네마틱스 연산처리에 의해, 로봇(1)의 각 다리체(3)의 각 관절(7, 8, 9)의 목표 회전각이 구해진다. 그리고, 이 목표 회전각에, 각 관절(7, 8, 9)의 실회전각(이것은, 각 관절(7, 8, 9)에 구비한 도시하지 않은 인코더에 의해 검출됨)을 추종시키도록, 각 관절(7, 8, 9)의 전동모터의 토크 지령이 구해진다.

이 경우, 예를 들면 각 다리체(3)의 무릎관절 전동모터(10)의 토크 지령은 무릎관절(8)의 목표 회전각(무릎굽힘각(θ)의 목표값)과 이 무릎관절(8)의 실회전각(무릎굽힘각(θ)의 검출값)의 편차(Δθ)와, 이 다리체(3)에 대한 상기 목표 상반력을 발생시키기 위해서 필요한 전동모터(10)의 토크(Tff)(이하, 기준 토크(Tff)라고 함)로부터, 다음 식 (1)에 의해 구해진다.

기본 토크 지령=Kp·Δθ+Kv·(dΔθ/dt)+Tff ……(1)

또한, 식 (1)의 연산에 사용하는 기준 토크(Tff)는, 목표 상체위치 자세, 목표 족평위치 자세, 다리체(3)에 대한 목표 상반력이나, 각 관절(7, 8, 9)의 목표 회전각가속도 등으로부터, 로봇(1)의 모델(동역학 모델)에 기초하는 역동역학 연산처리에 의해 구해진다. 또, 식 (1) 중의 Kp, Kv는, 미리 정해진 게인 계수이며, dΔθ/dt는 편차(Δθ)의 시간미분값이다.

여기에서, 식 (1)의 우변 제 1 항 및 제 2 항은, 상기 편차(Δθ)에 따른 피드백 제어항이며, 우변 제 3 항은, 다리체(3)에 작용하는 상반력이나 관성력의 영향을 보상하기 위한 피드포워드 제어항이다. 그리고, 특히, 우변 제 2 항은, 무릎굽힘각(θ)의 목표값에 대한 진동을 신속하게 감쇠시키는 완충기능(댐핑 기능)을 갖는 항이다.

무릎관절(8) 이외의 다른 관절(7, 9)의 각 전동모터에 대해서도 상기와 같이 기본 토크 지령이 구해진다. 이렇게 하여 구해지는 기본 토크 지령은, 앞에서도 설명한 바와 같이, 어시스트 장치(12)의 스프링 수단(13)에 의한 무릎회전 보조력이 무릎관절(8)에 작용하지 않는 상태에서, 상기 목표 보용에 로봇(1)의 운동을 추종시키기 위해서 요하는 각 관절(7, 8, 9)의 전동모터의 토크 지령이다.

제어 유닛(40)은, 다음에 STEP6에서, 어시스트 장치(12)의 전자 개폐밸브(23)의 통전제어 처리를 상기 전자 개폐밸브 제어기(53)에 의해 실행한다. 이 처리는, 도 6의 플로우차트에 나타내는 서브루틴 처리에 의해 실행된다. 즉, 전자 개폐밸브 제어기(53)는, 우선, 보용생성기(51)에 의해 현재 설정되어 있는 보용 패 러미터에 기초하여 전자 개폐밸브(23)를 밸브 폐쇄상태로 해야 할 로킹 기간을 설정한다(STEP6-1). 이 경우, 본 실시형태에서는, 보용 패러미터가 예를 들면 로봇(1)의 통상적인 보행동작을 행하게 하는 보용 패러미터일 경우에는, 전자 개폐밸브 제어기(53)는 그 보행동작의 전체 기간에 걸쳐, 전자 개폐밸브(23)를 밸브 개방상태로 한다(스프링 수단(13)에 의한 무릎회전 보조력을 무릎관절(8)에 작용시키지 않음). 따라서, 이 경우에는, 로킹 기간은 설정되지 않는다.

한편, 보용 패러미터가 예를 들면 로봇(1)의 주행동작(인간의 주행동작과 동일한 주행동작)을 행하게 하는 보용 패러미터일 경우에는, 이하에 설명한 바와 같이, 로봇(1)의 보용의 소정의 기간에서, 전자 개폐밸브(23)를 밸브 폐쇄상태로 하도록 로킹 기간이 설정된다.

여기에서, 이 로킹 기간의 설정에 대해 구체적으로 설명하기 전에, 본 실시형태에서의 로봇(1)의 주행동작에서의 목표 보용에 의해 정해지는 목표 무릎굽힘각과, 이 목표 무릎굽힘각에 대응하여 무릎관절(8)에 작용시켜야 할 회전력(이하, 필요 무릎회전력이라고 함)에 대해서 도 7을 참조하여 설명한다. 도 7(a)는, 로봇(1)의 주행동작 시(인간의 통상적인 주행동작과 같은 발걸음 형태에서의 주행동작)에 있어서, 다리체(3, 3)의 어느 일방의 다리체(3)의 무릎관절(8)의 목표 무릎굽힘각의 경시적 변화를 예시하고 있고, 도 7(b)는, 도 7(a)의 목표 무릎굽힘각에 대응하는 필요 무릎회전력의 경시적 변화를 예시하고 있다. 또한, 도 7(c)는, 전자 개폐밸브(23)의 요구 동작 모드의 타이밍 차트, 도 7(d)는, 개폐 전자 밸브(23)의 통전 상태의 타이밍 차트, 도 7(e)는 스프링 수단(13)의 양 기체실(16, 17) 간 의 차압의 경시적 변화를 예시하고 있다.

인간의 통상적인 주행동작과 동일한 형태로 로봇(1)의 주행동작을 행하는 경우, 목표 무릎굽힘각은, 도 7(a)에 도시하는 바와 같이, 다리체(3)가 착상 상태로 되는 지지다리기의 전반에서는 증가한다(무릎관절(8)에서의 다리체(3)의 굽힘 정도가 커짐). 그리고, 지지다리기의 후반에서는, 이 지지다리기의 종료 직전까지 목표 무릎굽힘각은 감소한다(무릎관절(8)에서의 다리체(3)의 굽힘 정도가 작아짐). 또한, 이 지지다리기의 종료 직전부터, 미착지 다리기(다리체(3)의 족평부(6)가 이상(離床) 상태가 되는 기간)의 전반에 걸쳐서, 목표 무릎굽힘각은 증가해 가고, 그 후에 미착지 다리기의 후반에서는, 이 미착지 다리기의 종료 직전까지, 목표 무릎굽힘각은 감소해 간다. 또한, 미착지 다리기의 종료 직전에서는, 목표 무릎굽힘각은 약간 증가한다. 따라서, 주행동작 시의 목표 무릎굽힘각은 지지다리기의 중간 시점과, 미착지 다리기의 중간 시점에서 극대값을 취하고, 또, 지지다리기의 종료 직전에서 극소값을 취한다.

또, 도 7(b)에 도시하는 바와 같이, 필요 무릎회전력(다리체(3)의 굽힘 방향의 회전력을 정의 값, 펴기 방향의 회전력을 부의 값이라고 함)은, 지지다리기의 전반(대략 목표 무릎굽힘각이 증가하는 기간)에서는, 정의 회전력으로부터 부의 회전력으로 크게 감소하고(다리체(3)의 펴기 방향으로 회전력이 크게 증가함), 지지다리기의 후반에서는, 이 지지다리기의 종료 직전까지(대략 목표 무릎굽힘각이 감소하는 기간), 거의 「0」의 회전력까지 증가한다. 그리고, 지지다리기의 종료 직전부터 미착지 다리기의 전반에 걸쳐서는, 필요 무릎회전력은, 약간 부의 값으로 완만하게 감소하고, 그 후에 미착지 다리기의 후반에서는, 필요 무릎회전력은 부의 값으로부터 정의 값으로 완만하게 증가해 간다. 따라서, 주행동작 시의 필요 무릎회전력은, 특히, 지지다리기에 있어서, 다리체(3)의 펴기 방향으로 커지고, 또한 그 펴기 방향의 필요 무릎회전력은 이 지지다리기의 거의 중간 시점(이 시점은, 대략, 무릎굽힘각이 극대값이 되는 시점과 일치함)에서 최대가 된다.

본 실시형태에서는, 로봇(1)의 주행동작 시의 이러한 목표 무릎굽힘각과, 필요 무릎회전력과의 특성을 고려하여, 기본적으로는, 다리체(3)의 지지다리기 중, 필요 무릎회전력이 다리체(3)가 펴지는 쪽으로 커지는 기간(예를 들면 도 7의 시각(T1)으로부터 시각(T2)의 기간)을 로킹 기간으로서 설정한다. 그 로킹 기간은, 보다 상세하게 말하면, 지지다리기 중, 필요 무릎회전력이 다리체(3)의 펴기 방향으로 볼록하게 되는 기간, 또는, 무릎굽힘각이 그 증가 방향으로 볼록하게 되는 기간이다. 그리고, 이 로킹 기간에서, 도 7(c)의 타이밍 차트에 도시하는 바와 같이 개폐 전자 밸브(23)를 밸브 폐쇄상태로 하도록 제어함으로써 상기 어시스트 장치(12)의 스프링 수단(13)에 의한 무릎회전 보조력을 무릎관절(8)에 작용시킨다.

한편, 상기한 바와 같이 로킹 기간을 설정하고, 이 로킹 기간에서 개폐 전자 밸브(23)를 밸브 폐쇄상태로 하도록 했을 때, 스프링 수단(13)의 양 기체실(16, 17)간의 차압(기체실(17)의 압력-기체실(16)의 압력)은, 도 7(e)에 도시하는 바와 같이, 로킹 기간의 개시 시(시각(T1))로부터 무릎굽힘각의 증가에 따라 증가하고, 이것에 이어지는 무릎굽힘각의 감소에 따라 로킹 기간의 종료 시(시각(T2))까지 감소한다. 그리고, 본 실시형태에서는, 전술한 바와 같이 기체실(16, 17)은 각각 전 자 개폐밸브(23)의 유통로(30, 31)에 연통하여 있기 때문에, 이 차압은 전자 개폐밸브(23)의 밸브체(33)에 대해 그 밸브 폐쇄방향으로 작용한다. 따라서, 로킹 기간의 종료 시에 전자 개폐밸브(23)의 밸브 개방동작(밸브 폐쇄상태에서 밸브 개방상태에의 전환)을 확실하게 행하기 위해서는, 상기 차압이 어떤 차압값(P2) 이하로 저하해 있는 것이 필요하다. 그 차압값(P2)은, 전자 개폐밸브(23)의 솔레노이드(39)에 개방전류를 통전했을 때에 플런저(35)에 작용하는 밸브체(33)의 밸브 개방방향으로의 구동력이, 차압값(P2)의 차압에 의한 밸브체(33)의 밸브 폐쇄방향으로의 구동력을 뛰어넘는 차압값 중 최대값(이하, 밸브 개방가능 허용차압값(P2)이라고 함)이다.

이것들을 고려하여, 상기 STEP6-1에서는, 예를 들면 다음과 같이 로킹 기간이 설정된다.

즉, 보용생성기(51)에 의해 현재 설정되어 있는 보용 패러미터가 로봇(1)의 주행동작에 대응하는 보용 패러미터인 경우에는, 전자 개폐밸브 제어기(53)는, 우선, 그 보용 패러미터에 기초하여 다리체(3)의 지지다리기에서의 목표 무릎굽힘각(상세하게는 목표 무릎굽힘각의 지지다리기에서의 경시 변화의 시계열)을 구한다. 그리고, 전자 개폐밸브 제어기(53)는, 로킹 기간의 개시 시에 있어서의 목표 무릎굽힘각(θoffmin), 즉 밸브폐쇄 개시 무릎굽힘각의 목표값(θoffmin)(이하, 밸브폐쇄 개시 목표 무릎굽힘각(θoffmin)이라고 함)을 결정하고, 지지다리기에서, 목표 무릎굽힘각이 θoffmin 이상이 되는 기간(도 7의 시각(T1)으로부터 시각(T2)까지의 기간)을 로킹 기간으로서 설정한다. 또한, 로킹 기간의 종료 시각(T2)는, 목표 무 릎굽힘각이 밸브폐쇄 개시 목표 무릎굽힘각(θoffmin)으로부터 증가한 후, θoffmin으로 복귀하는 시각이 된다.

여기에서, θoffmin은 지지다리기에서의 목표 무릎굽힘각의 최소값에 가까운 값이며, 지지다리기의 개시 후, 필요 무릎회전력이 굽힘방향의 값(정의 값)으로부터 펴기 방향의 값(부의 값)으로 변화되는 직후에서의 무릎굽힘각의 값의 근방의 값이 되고, 또한, 로킹 기간의 종료 시에 목표 무릎굽힘각이 θoffmin까지 감소했을 때에 있어서의 차압이 상기 밸브 개방가능 허용 차압값(P2) 이하가 되도록 결정된다. 기체실(16, 17) 간의 차압은, 무릎굽힘각에 따른 것이 되므로, 예를 들면 무릎굽힘각과 차압의 상관관계를 미리 구해 두면, 그 상관관계에 기초하여 θoffmin을 결정할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 로킹 기간의 개시 시 종료 시와의 목표 무릎굽힘각이 동일한 값(=밸브폐쇄 개시 목표 무릎굽힘각(θoffmin))이 되도록 했지만, 반드시 그것들이 동일한 값이 되도록 로킹 기간을 설정할 필요는 없다. 로킹 기간의 종료 시에 있어서의 목표 무릎굽힘각(θ)은 차압이 밸브개방가능 상한 차압값(P2) 이하이면, 로킹 기간의 개시 시의 목표 무릎굽힘각(θ)과 다소 상이해도 된다.

이어서, STEP6-2에서, 전자 개폐밸브 제어기(53)는, 로킹 기간의 개시 시에 전자 개폐밸브(23)의 밸브 폐쇄동작(밸브 개방상태로부터 밸브 폐쇄상태에의 전환)을 행하기 위해서 전자 개폐밸브(23)의 솔레노이드(39)에 폐쇄전류를 통전해야 할 시간인 폐쇄전류 통전 시간(ΔTclose)(도 7(d)를 참조)과, 로킹 기간의 종료 시에 전자 개폐밸브(23)의 밸브 개방동작(밸브 폐쇄상태로부터 밸브 개방상태로의 전환) 을 행하기 위해서 전자 개폐밸브(23)의 솔레노이드(39)에 개방전류를 통전해야 할 시간인 개방전류 통전시간(ΔTopen)(도 7(d)를 참조)을 결정한다. 이들 폐쇄전류 통전시간(ΔTclose) 및 개방전류 통전시간(ΔTopen)은, 예를 들면 전자 개폐밸브(23)의 밸브폐쇄동작, 밸브 개방동작을 확실하게 행할 수 있게 미리 정해진 소정 시간으로 결정된다. 또한, 본 실시형태에서는, 전자 개폐밸브(23)의 밸브 폐쇄동작 후의 밸브 폐쇄상태는, 기체실(16, 17) 간의 차압에 의해 유지한다. 따라서, 폐쇄전류 통전시간(ΔTclose)은, 그 차압이 솔레노이드(39)에의 폐쇄전류의 통전 정지 시에, 전자 개폐밸브(23)를 확실하게 밸브 폐쇄상태로 유지할 수 있는 차압(도 7(e)의 차압값(P1))으로 상승해 있는 시간으로 설정하는 것이 바람직하다. 이 경우, 예를 들면 목표 무릎굽힘각을 기초로, 차압이 전자 개폐밸브(23)를 확실하게 밸브 폐쇄상태로 유지할 수 있는 차압값(P1)까지 상승하는 타이밍을 판단하고, 로킹 기간의 개시 시로부터 그 타이밍까지의 시간을 폐쇄전류 통전시간으로서 결정하면 된다.

이어서, 현재 시각(t)가 T1≤t<T1+ΔTclose인지, T2≤t<T2+ΔTopen인지, 또는 그 이외의 시각인지가 STEP6-3에서 판단된다. 그리고, T1≤t<T1+ΔTclose일 때에는, 전자 개폐밸브 제어기(53)는 전자 개폐밸브(23)의 솔레노이드(39)에 폐쇄전류를 통전한다(STEP6-4). 이것에 의해, 로킹 기간의 개시 시각(T1)으로부터 ΔTclose의 시간만큼 솔레노이드(39)에 폐쇄전류가 통전되어, 전자 개폐밸브(23)의 밸브 폐쇄동작이 행해진다. 또, T2≤t<T2+ΔTopen일 때에는, 전자 개폐밸브 제어기(53)는, 전자 개폐밸브(23)의 솔레노이드(39)에 개방전류를 통전한다(STEP6-5). 이것에 의해, 로킹 기간의 종료 시각(T2)으로부터 ΔTopen의 시간만큼 솔레노이드(39)에 개방전류가 통전되고, 전자 개폐밸브(23)의 밸브 개방동작이 행해진다. 그리고, 현재 시각(t)이 T1≤t<T1+ΔTclose가 아니고, 또한, T2≤t<T2+ΔTopen이 아닐 때에는, 전자 개폐밸브 제어기(53)는, 전자 개폐밸브(23)의 솔레노이드(39)에의 폐쇄전류 및 개방전류의 통전을 차단한다(STEP6-6).

이상이, STEP6의 처리의 상세이다. 이와 같이 본 실시형태에서는, 로킹 기간의 개시 시에 전자 개폐밸브(23)에 폐쇄전류를 일시적으로 통전함으로써 전자 개폐밸브(23)의 밸브 폐쇄동작이 행해지고, 그 폐쇄전류의 통전 정지 후는 상기 차압에 의해, 전자 개폐밸브(23)가 밸브 폐쇄상태로 유지된다. 그리고, 로킹 기간의 종료 시에 전자 개폐밸브(23)에 개방전류를 일시적으로 통전함으로써 전자 개폐밸브(23)의 밸브 개방동작이 행해진다. 또한, 개방전류의 통전 정지 후는, 상기 영구자석(38)의 자력에 의해, 전자 개폐밸브(23)가 밸브 개방상태로 유지된다.

도 6의 플로우차트의 설명으로 되돌아와, 제어 유닛(40)은, 전술한 바와 같이 STEP6의 처리를 실행한 후, 어시스트 장치(12)의 스프링 수단(13)에 의한 무릎회전 보조력(상세하게는 제어주기 마다의 무릎회전 보조력)을 추정한다(STEP7). 이 무릎회전 보조력의 추정값은, 모터 제어기(52)가, 무릎관절 전동모터(10)에 대한 최종적인 토크 지령을 결정하기 위해서 사용하는 것으로, 이 모터 제어기(52)에 의해 예를 들면 다음과 같이 구해진다. 즉, 모터 제어기(52)는, 로킹 기간의 개시 시에 있어서의 목표 무릎굽힘각(=θoffmin), 또는, 로킹 기간의 개시 시에 있어서 도시하지 않은 인코더에 의해 검출되는 무릎굽힘각(θ)을 밸브폐쇄 개시 무릎굽힘 각으로서 기억 유지한다. 또한, 밸브폐쇄 개시 무릎굽힘각으로서 기억 유지하는 무릎굽힘각은, 상기 복합 컴플라이언스 동작 처리에 의해 수정된 목표 족평위치 자세에 대응하여 정해지는 무릎굽힘각을 사용하도록 해도 된다.

이어서, 모터 제어기(52)는 스프링 수단(13)에 의한 무릎회전 보조력을 추정한다. 이 경우, 본 실시형태에서는, 도 2의 실선 a, b로 나타낸 바와 같은 스프링 수단(15)의 무릎회전 보조력의 특성을 의미하는 데이터(데이터 테이블이나 연산식 등)가 미리 도시하지 않은 메모리에 기억 유지되어 있다. 그리고, 전자 개폐밸브(23)를 밸브 폐쇄상태로 하는 로킹 기간일 때에는, 상기한 바와 같이 기억 유지한 밸브폐쇄 개시 무릎굽힘각과, 현재의 무릎굽힘각(θ)의 검출값(또는 목표값)과, 무릎회전 보조력의 상기의 특성 데이터로부터, 스프링 수단(13)에 의한 무릎회전 보조력이 추정된다. 예를 들면 도 2를 참조하여, 밸브폐쇄 개시 무릎굽힘각이 「θ2」이고, 현재의 무릎굽힘각이 θk일 경우에는, 무릎회전 보조력의 추정값은 「Mk」로 된다. 또한, 프리 기간에서의 무릎회전 보조력은 「0」이다. 또, 무릎회전 보조력은 힘 센서 등을 사용하여 직접적으로 검출하도록 하는 것도 가능하다.

전술한 바와 같이 하여 STEP7에서 무릎회전 보조력을 추정한 후, 제어 유닛(40)은, 모터 제어기(52)에 의해, 다리체(3)의 각 관절(7, 8, 9)의 전동모터의 제어사이클 마다의 최종적인 토크 지령으로서의 최종 토크 지령을 결정한다(STEP8). 이 경우, 무릎관절 전동모터(10)에 대한 최종 토크 지령은, 상기 STEP5에서 식 (1)에 의해 구한 기본 토크 지령(무릎회전 보조력이 「0」이라고 가정한 경우에 목표 보용에 따라 무릎관절(8)에 발생시켜야 할 토크)으로부터, 상기 STEP7에서 구한 무릎회전 보조력을 감산함으로써 결정된다. 즉, 무릎관절 전동모터(10)에 대한 최종 토크 지령(무릎관절 전동모터(10)에 실제로 발생시켜야 할 토크의 지령값)과 무릎회전 보조력과의 합이 기본 토크 지령이 되도록 무릎관절 전동모터(10)에 대한 최종 토크 지령을 생성한다. 또한, 본 실시형태에서는 무릎관절(8) 이외의 관절(7, 9)의 전동모터에 대한 최종 토크 지령은 상기 기본 토크 지령이 그대로 사용된다.

이어서, 제어 유닛(40)은, 전술한 바와 같이 결정한 최종 토크 지령을 모터 드라이버 회로(43)에 출력하고(STEP9), 이것에 의해 제어사이클 마다의 처리를 종료한다. 이 최종 토크 지령의 출력에 따라, 각 관절(7, 8, 9)의 전동모터에 통전되고, 이 전동모터의 회전각, 즉, 각 관절(7, 8, 9)의 회전각이 상기 목표 상체위치 자세나 목표 족평위치 자세(상기 복합 컴플라이언스 동작 처리에 의한 수정을 시행한 것)에 의해 정해지는 소요의 회전각에 추종하도록 제어된다. 따라서, 보용 패러미터에 의해 규정되는 목표 보용에 따라서, 로봇(1)의 이동이 행해진다.

이러한 본 실시형태의 시스템에서는, 도 8(a)에 도시하는 바와 같이, 각 다리체(3)의 지지다리기에 있어서, 목표 무릎굽힘각이 밸브폐쇄 개시 목표 무릎굽힘각(θoffmin) 이상이 되는 기간이 로킹 기간으로서 결정되고, 이 로킹 기간에서, 전자 개폐밸브(23)가 밸브 폐쇄상태로 된다. 또한, 도 8(a)는, 도 7(a)와 동일하고, 로봇(1)의 주행동작 시의 목표 무릎굽힘각의 경시적 변화를 예시하고 있다. 또, 도 8(b)는, 도 8(a)의 목표 무릎굽힘각의 변화(또는 그 목표 무릎굽힘각에 추종하는 실제의 무릎굽힘각의 변화)에 대응하여, 스프링 수단(13)이 발생하는 무릎 회전 보조력의 경시적 변화를 예시하고 있다. 또한, 도 8(c)는, 도 8(a)의 목표 무릎굽힘각의 변화(또는 그 목표 무릎굽힘각에 추종하는 실제의 무릎굽힘각의 변화)에 대응하여, 무릎관절 전동모터(10)에 발생시키는 토크의 경시적 변화를 실선으로 예시하고 있다. 이 경우, 도 8(c)에는, 상기 필요 무릎회전력의 경시적 변화(이것은 도 7(b)의 것과 동일함)를 파선으로 병기하고 있다.

상기한 바와 같이 로킹 기간에서 전자 개폐밸브(23)를 밸브폐쇄 시켰을 때, 스프링 수단(13)이 발생하는 무릎회전 보조력은, 도 8(b)에 도시하는 바와 같이, 로킹 기간에 있어서 무릎굽힘각이 밸브폐쇄 개시 목표 무릎굽힘각(θoffmin)으로부터 증가함에 따라 다리체(3)의 펴기 방향으로 증가하고, 계속해서 무릎굽힘각이 밸브폐쇄 개시 목표 무릎굽힘각(θoffmin)까지 감소함에 따라, 다리체(3)의 펴기 방향으로 감소한다. 또한, 로킹 기간의 개시 시 및 종료 시와, 로킹 기간 이외의 기간에서는, 스프링 수단(13)이 발생하는 무릎회전 보조력은 거의 0이다. 따라서, 도 8(c)에 도시하는 바와 같이, 필요 무릎회전력이 다리체(3)의 펴기 방향으로 큰 것이 되는 기간(로킹 기간)에서, 무릎관절 전동모터(10)에 발생시키는 토크는 필요 무릎회전력으로부터 무릎회전 보조력을 뺀, 비교적 작은 토크이어도 된다. 그 결과, 로봇(1)의 주행동작 시의 전체기간에 걸쳐, 무릎관절 전동모터(10)의 발생 토크가 비교적 작은 것이어도 되어, 무릎관절 전동모터(10)의 전력소비나 용량을 작게 할 수 있다.

또, 상기 도 7(d)에 도시하는 바와 같이 로킹 기간의 개시 시 종료 시에서, 각각 폐쇄전류 통전시간(ΔTclose), 개방전류 통전시간(ΔTopen)만 일시적으로 통 전함으로써 전자 개폐밸브(23)의 밸브 폐쇄동작, 밸브 개방동작이 행해진다. 그리고, 로킹 기간에서의 전자 개폐밸브(23)의 밸브폐쇄 동작 후에는, 전자 개폐밸브(23)의 솔레노이드(39)에의 폐쇄전류의 통전을 차단한 후는, 스프링 수단(13)의 기체실(16, 17) 간의 차압에 의해, 전자 개폐밸브(23)가 밸브 폐쇄상태로 유지된다. 또, 전자 개폐밸브(23)의 밸브 개방동작 후에는, 전자 개폐밸브(23)의 솔레노이드(39)에의 개방전류의 통전을 차단한 후는, 상기 영구자석(38)의 자력에 의해, 전자 개폐밸브(23)가 밸브 개방상태로 유지된다. 따라서, 전자 개폐밸브(23)의 구성을 소형이고 간이한 것으로 하면서, 전자 개폐밸브(23)의 전력소비를 적게 할 수 있다. 그 결과, 로봇(1)의 전력소비를 저감할 수 있다.

또, 본 실시형태에서는, 로봇(1)의 주행동작 시에 있어서의 로킹 기간의 개시 시 종료 시에서의 무릎굽힘각이 동일하기 때문에, 다음과 같은 효과가 있다. 즉, 로킹 기간의 개시 시 종료 시에서의 무릎굽힘각이 동일하기 때문에, 로킹 기간의 개시 시는 물론, 종료 시에도, 스프링 수단(13)의 무릎회전 보조력은 거의 「0」이 된다. 이 때문에, 전자 개폐밸브(23)를 밸브 폐쇄상태로부터 밸브 개방상태로 전환할 때에, 스프링 수단(13)의 무릎회전 보조력이 불연속으로 변화되는 것이 회피된다. 이 결과, 전자 개폐밸브(23)를 밸브 폐쇄상태로부터 밸브 개방상태로 전환할 때에, 로봇(1)의 거동이 부자유스럽거나 하지 않고, 이 로봇(1)의 동작을 원활하게 행할 수 있다. 또, 특히, 스프링 수단(13)이 탄성에너지를 충분히 방출한 상태에서, 전자 개폐밸브(23)를 밸브 폐쇄상태로 밸브 개방상태로 전환하게 되기 때문에, 스프링 수단(13)에 축적된 탄성에너지가, 불필요하게 열에너지로 변환 되어 소모되어 버리는 것이 방지되어, 로봇(1)의 에너지의 이용 효율을 높일 수 있다.

다음에 본 발명의 제 2 실시형태를 도 9를 참조하여 설명한다. 이 제 2 실시형태는, 상기 제 1 및 제 2 발명의 실시형태이다. 본 실시형태는, 제 1 실시형태의 것과 전자 개폐밸브의 일부의 구성만이 상위한 것이다. 따라서, 본 실시형태의 설명에서는, 제 1 실시형태와 동일 구성부분에 대해서는 제 1 실시형태와 동일한 참조부호를 사용하고 상세한 설명을 생략한다.

도 9는 본 실시형태에서의 전자 개폐밸브(60)의 단면도이다. 이 전자 개폐밸브(60)는, 제 1 실시형태의 전자 개폐밸브(23)와 구동부 케이스(36) 내의 일부의 구성만이 상위한 것이며, 전자 개폐밸브(23)의 영구자석(38) 대신에, 밸브체(33)의 밸브 개방위치(도 9에 도시하는 위치)와 밸브 폐쇄위치(밸브체(33)가 벨브시트(34)에 맞닿은 상태)에서 플런저(35)를 거는 걸음 기구(61)를 구동부 케이스(36) 내에 구비한 것이다. 이 걸음 기구(61)는, 전자 개폐밸브(60)의 자기유지 기능을 실현하는 수단이며, 플런저(35)의 축방향(가동방향)과 직교하는 방향에서 삽입구멍(37) 내의 플런저(35)의 외주면을 향해서 진퇴 자유롭게(삽입구멍(37) 내에 출몰 자유롭게) 설치된 구(球)체(62)와, 이 구체(62)를 전진 방향(플런저(35)에 근접시키는 방향)으로 가압하는 스프링(63)(이 예에서는 코일스프링)을 구비하고 있다.

삽입구멍(37) 내의 플런저(35)의 외주면에는, 구체(62)의 절반부를 끼워맞출 수 있는 한쌍의 반구면 형상의 오목부(35a, 35b)가 플런저(35)의 축방향으로 간격을 두고 형성되어 있다. 이들 오목부(35a, 35b) 중, 오목부(35a)는, 플런저(35)가 밸브체(33)의 밸브 개방위치에 대응하는 위치(도 9에 도시하는 위치)에 있을 때에, 구체(62)의 절반부가 스프링(63)의 가압력에 의해 끼워맞추어지도록 설치되고, 그 끼워맞춤에 의해 플런저(35)가 걸어져서, 밸브체(33)가 밸브 개방위치에 유지되게 되어 있다. 또, 오목부(35b)는 밸브체(33)가 밸브 폐쇄위치에 대응하는 위치에 있을 때에, 구체(62)의 절반부가 스프링(63)의 가압력에 의해 끼워맞추어지도록 설치되고, 그 끼워맞춤에 의해 플런저(35)가 걸어져서, 밸브체(33)가 밸브 폐쇄위치에 유지되게 되어 있다. 이와 같이, 전자 개폐밸브(60)는, 걸음 기구(61)에 의해, 밸브체(33)를 밸브 개방위치와 밸브 폐쇄위치에 유지하는 자기유지 기능을 갖고 있다. 또한, 걸음 기구(61)의 스프링(63) 가압력은, 밸브체(33)의 밸브 개방위치 또는 밸브 폐쇄위치에서 솔레노이드(39)에 폐쇄전류 또는 개방전류를 통전했을 때에, 이 솔레노이드(39)가 발생하는 전자력에 의해, 구체(62)가 오목부(35a 또는 35b)로부터 탈리하면서, 플런저(35)가 축방향으로 이동할 수 있도록 설정되어 있다.

이상에서 설명한 이외의 구성은, 제 1 실시형태와 동일하다.

이러한 본 실시형태에서는, 제어 유닛(40)은, 제 1 실시형태와 동일한 처리(도 5 및 도 6)의 처리를 실행하고, 로봇(1)의 주행동작을 행할 때에, 각 다리체(3)의 지지다리기 내에 로킹 기간을 설정한다. 그리고, 이 로킹 기간에서, 전자 개폐밸브(60)를 밸브폐쇄 함으로써 스프링 수단(13)에 의해 무릎회전 보조력을 발생한다.

이러한 본 실시형태에서는, 상기 제 1 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이 경우, 본 실시형태에서는, 전자 개폐밸브(60)는, 걸음 기구(61)에 의해, 솔레노이드(39)에의 개방전류 또는 폐쇄전류의 통전을 정지한 후에도, 밸브 개방상태 또는 밸브 폐쇄상태로 유지된다. 이 때문에, 특히, 로킹 기간의 개시 시에 있어서의 폐쇄전류 통전시간(ΔTclose)을 상기 제 1 실시형태의 것보다도 짧게 할 수 있어, 전자 개폐밸브(23)의 전력소비를 더한층 억제할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 전자 개폐밸브(60)의 밸브 폐쇄상태 및 밸브 개방상태의 각각에 있어서, 밸브체(33)를 걸음 기구(61)에 의해 밸브 폐쇄위치, 밸브 개방위치에 유지하도록 했지만, 예를 들면 걸음 기구(61)의 오목부(35a)를 생략하고, 전자 개폐밸브(60)의 밸브 개방상태에서만, 밸브체(33)를 걸음 기구에 의해 밸브 개방위치에 유지하도록 해도 된다. 그리고, 밸브체(33)의 밸브 폐쇄위치에의 유지는, 상기 제 1 실시형태와 동일하게 기체실(16, 17) 사이의 차압에 의해 행해지도록 해도 된다. 이렇게 함으로써 상기 제 3 발명의 다른 실시형태를 구성할 수 있다.

다음에 본 발명의 제 3 실시형태를 도 10∼도 12를 참조하여 설명한다. 이 제 3 실시형태는, 상기 제 4 발명의 실시형태이다. 본 실시형태는, 제 1 실시형태의 것과 전자 개폐밸브의 일부의 구성과, 제어 유닛에 의한 전자 개폐밸브의 통전 제어처리만이 상위한 것이다. 따라서, 본 실시형태의 설명에서는, 제 1 실시형태와 동일구성 부분에 대해서는, 제 1 실시형태와 동일한 참조부호를 사용하고 상세한 설명을 생략한다.

도 10은 본 실시형태에서의 전자 개폐밸브(70)의 단면도이다. 이 전자 개폐밸브(70)는, 제 1 실시형태의 전자 개폐밸브(23)와 구동부 케이스(36) 내의 일부의 구성만이 상위한 것으로, 전자 개폐밸브(23)의 영구자석(38)을 구비하지 않고, 플런저(35)를 밸브체(33)의 밸브 개방위치측으로 가압하는 가압수단인 스프링(71)(이 예에서는 코일스프링)을 구비한 것이다. 이 경우, 스프링(71)은, 구동부 케이스(36)의 삽입구멍(37) 내에서, 그 밑바닥부와 플런저(35)의 단면(밸브체(33)와 반대측의 단면) 사이에 개재되어, 플런저(35)를 밸브체(33)의 밸브 개방위치측(도 10의 좌측 방향)으로 가압하고 있다. 이상에서 설명한 이외의 구성은, 제 1 실시형태와 동일하다.

여기에서, 상기 구성의 전자 개폐밸브(70)에서는, 솔레노이드(39)에 폐쇄전류를 통전함으로써 솔레노이드(39)가 발생하는 전자력에 의해, 스프링(71)의 가압력에 저항하여 플런저(35)가 밸브체 케이스(32)로부터 멀어지는 쪽으로 후퇴하고, 밸브체(33)의 밸브폐쇄 동작이 행해진다. 이 경우, 상기 스프링 수단(13)의 기체실(16, 17) 사이의 차압이 0 혹은 그것에 가까운 상태일 때에는, 밸브체(33)를 밸브 폐쇄위치에 유지하기 위해서는, 솔레노이드(39)에 폐쇄전류를 계속해서 통전할 필요가 있지만, 이 차압이 밸브체(33)의 밸브 폐쇄방향으로 증가하여, 어떤 차압값(P3)(도 12(e)을 참조)을 초과하면, 솔레노이드(39)에의 폐쇄전류의 통전을 차단해도, 그 차압에 의해, 스프링(71)의 가압력에 저항하여 밸브체(33)를 밸브 폐쇄위치에 유지하는 것이 가능하게 되어 있다. 또, 그 차압이 상기 차압값(P3) 이하로 저하되면, 솔레노이드(39)에의 통전을 차단한 채, 스프링(71)의 가압력에 의해 자동적으로 밸브체(33)가 밸브 개방위치로 복귀하게 되어 있다. 이하, 차압값(P3)을 밸브 개방복귀 차압값(P3)이라고 한다.

다음에, 본 실시형태의 시스템의 작동을 설명한다. 본 실시형태에서는, 제어 유닛(40)은, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 도 5의 플로우차트에 나타내는 제어처리를 실행한다. 이 경우, 본 실시형태에서는, STEP6의 서브루틴 처리(전자 개폐밸브(70)의 통전 제어처리)만이, 제 1 실시형태와 상위하고 있다. 이 서브루틴 처리는 도 11의 플로우차트에 나타나 있는 바와 같이 실행된다.

즉, 전자 개폐밸브 제어기(53)는, 우선, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 보용생성기(51)에 의해 현재 설정되어 있는 보용 패러미터에 기초하여 전자 개폐밸브(70)를 밸브 폐쇄상태로 해야 할 로킹 기간을 설정하는 (STEP6-11). 즉, 보용생성기(51)에 의해 현재 설정되어 있는 보용 패러미터가 로봇(1)의 주행동작에 대응하는 보용 패러미터일 경우에는, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 도 12(a)에 도시하는 바와 같이 로킹 기간의 개시 시에 있어서의 목표 무릎굽힘각인 밸브폐쇄 개시 목표 무릎굽힘각(θoffmin)을 결정하고, 지지다리기에서, 목표 무릎굽힘각이 θoffmin 이상이 되는 기간(도 12의 시각(T1)으로부터 시각(T2)까지의 기간)을 로킹 기간으로서 설정한다. 이 경우, θoffmin은, 지지다리기에서의 목표 무릎굽힘각의 최소값에 가까운 값이며, 지지다리기의 개시 후, 필요 무릎회전력이 구부림 방향의 값(정의 값)으로부터 펴기 방향의 값(부의 값)으로 변화되는 직후에서의 무릎굽힘각의 값의 근방의 값이 되고, 또한, 로킹 기간의 종료 시에 목표 무릎굽힘각이 θoffmin까지 감소했을 때에 있어서의 기체실(16, 17) 간의 차압이 상기 밸브개방 복귀 차압값(P3) 이하가 되도록(본 실시형태에서는, 이 차압이 P3보다 약간 작아지도록) 결정된다.

또한, 도 12(a)는 도 7(a)와 동일하고, 로봇(1)의 주행동작 시의 목표 무릎굽힘각의 경시적 변화를 예시하고 있다. 또, 도 12(b)는, 도 7(b)와 동일하고, 도 12(a)의 목표 무릎굽힘각의 변화에 대응할 필요 무릎회전 보조력의 경시적 변화를 예시하고 있다. 또, 도 12(c)는, 전자 개폐밸브(70)의 요구 동작 모드의 타이밍 차트, 도 12(d)는, 전자 개폐밸브(70)의 통전 상태의 타이밍 차트, 도 12(e)는 스프링 수단(13)의 양 기체실(16, 17) 간의 차압의 경시적 변화를 예시하고 있다.

이어서, 전자 개폐밸브 제어기(53)는, 로킹 기간의 개시 시에 전자 개폐밸브(70)의 밸브 폐쇄동작(밸브 개방상태로부터 밸브 폐쇄상태로의 전환)을 행하기 위해서 전자 개폐밸브(70)의 솔레노이드(39)에 폐쇄전류를 통전해야 할 시간인 폐쇄전류 통전시간(ΔTclose)(도 12(d)을 참조)을 결정한다.

이 경우, 예를 들면 목표 무릎굽힘각을 기초로, 스프링 수단(13)의 기체실(16, 17) 간의 차압이 상기 밸브 개방복귀 차압값(P3)을 확실하게 초과하는 타이밍을 판단하고, 로킹 기간의 개시 시로부터 그 타이밍까지의 시간을 폐쇄전류 통전시간(ΔTclose)으로서 결정한다. 또한, 이 경우, 목표 무릎굽힘각과 차압과의 관계는, 로킹 기간의 개시 시의 목표 무릎굽힘각을 패러미터로 하여 미리 제어 유닛(40)에 기억유지되어 있고, 이 기억 유지된 관계에 기초하여 이 차압이 밸브 개방복귀 차압값(P3)을 확실하게 초과하는 타이밍이 판단된다.

이어서, 현재 시각(t)이 T1≤t<T1+ΔTclose인지의 여부가 STEP6-3에서 판단된다. 그리고, T1≤t<T1+ΔTclose일 때에는, 전자 개폐밸브 제어기(53)는, 전자 개폐밸브(70)의 솔레노이드(39)에 폐쇄전류를 통전한다(STEP6-14). 이것에 의해, 로킹 기간의 개시 시각(T1)으로부터 ΔTclose의 시간만큼 솔레노이드(39)에 폐쇄전류가 통전되어, 전자 개폐밸브(70)의 밸브 폐쇄동작이 행해진다. 그리고, 현재 시각(t)이 T1≤t<T1+ΔTclose가 아닐 때에는, 전자 개폐밸브 제어기(53)는, 전자 개폐밸브(70)의 솔레노이드(39)에의 폐쇄전류의 통전을 차단한다(STEP6-15). 본 실시형태에서는, 전자 개폐밸브(70)를 밸브개방시키기 위한 통전은 행해지지 않는다.

이상이, 본 실시형태에서의 STEP6의 처리의 상세이다. 이와 같이 본 실시형태에서는, 로킹 기간의 개시 시에 전자 개폐밸브(70)에 폐쇄전류를 폐쇄전류 통전시간(ΔTclose)만 일시적으로 통전함으로써 전자 개폐밸브(70)의 밸브 폐쇄동작이 행해지고, 그 폐쇄전류의 통전 정지 후는 상기 차압에 의해, 전자 개폐밸브(70)가 상기 스프링(71)의 가압력에 저항하여 밸브 폐쇄상태에 유지된다. 그리고, 로킹 기간의 종료 시각(T2) 근방에서, 상기 차압이 밸브 개방복귀 차압값(P3) 이하로 저하함으로써 전자 개폐밸브(70)가 상기 스프링(71)의 가압력에 의해 자동적으로 밸브개방하고, 밸브 개방상태에 유지된다.

이러한 본 실시형태에서도 제 1 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있는 것은 물론이다. 더불어, 본 실시형태에서는, 로킹 기간의 개시 시에만 일시적으로 전자 개폐밸브(70)의 솔레노이드(39)에 폐쇄전류를 통전하면 되므로, 전자 개폐밸브(70)의 전력소비를 더한층 저감할 수 있다.

다음에, 이상에서 설명한 제 1∼제 3 실시형태의 변형태양을 몇가지 설명한다. 상기 제 1 및 제 2 실시형태에서는, 전자 개폐밸브(23, 60)에의 폐쇄전류 또는 개방전류의 통전 개시 타이밍을 시각(t)에 기초하여 판단하도록 했지만, 순시 목표 보용의 무릎굽힘각 혹은 무릎굽힘각의 검출값에 기초하여 판단하도록 해도 된다. 또는, 로킹 기간의 개시 타이밍과 종료 타이밍에서 무릎관절(8)에 발생시켜야 할 토크의 값(상기 필요 무릎회전력의 값)을 결정하고, 로킹 기간의 개시 타이밍과 종료 타이밍을 상기 기본 토크 또는 무릎관절(8)에 작용하는 실토크의 검출값에 기초하여 판단하도록 해도 된다. 또, 전자 개폐밸브(23, 60)에의 폐쇄전류의 통전 종료 타이밍의 판단에 있어서도, 그 통전 종료 타이밍에서의 무릎굽힘각의 값을 결정해 두고, 순시 목표 보용의 무릎굽힘각 또는 무릎굽힘각의 검출값에 기초하여 폐쇄전류의 통전 종료 타이밍을 판단하도록 해도 된다. 또는, 폐쇄전류의 통전 종료 타이밍에서의 상기 차압의 값을 결정하고(예를 들면 도 7(e)의 P1을 결정함), 목표 무릎굽힘각 등으로부터 추정되는 차압의 추정 값, 혹은, 적당한 압력센서에 의한 차압의 검출값에 기초하여 폐쇄전류의 통전 종료 타이밍을 판단하도록 해도 된다.

또, 상기 제 3 실시형태에서는, 로킹 기간을 설정했지만, 전자 개폐밸브(70)에의 폐쇄전류의 통전 개시 타이밍 및 통전 종료 타이밍만을 결정하도록 해도 된다. 그리고, 제 1 및 제 2 실시형태에 따른 변형태양과 동일하게, 폐쇄전류의 통전 개시 타이밍(로킹 기간의 개시 타이밍)을, 순시 목표 보용의 무릎굽힘각이나 무릎굽힘각의 검출값에 기초하여 판단하거나, 상기 기본 토크 혹은, 무릎관절(8)에 작용하는 실토크의 검출값에 기초하여 판단하도록 해도 된다. 또, 전자 개폐밸브(70)에의 폐쇄전류의 통전 종료 타이밍의 판단에 있어서도, 제 1 및 제 2 실시형태에 따른 변형태양과 동일하게, 순시 목표 보용의 무릎굽힘각 또는 무릎굽힘각의 검출값에 기초하여 판단하거나, 상기 차압의 추정값 혹은 검출값에 기초하여 판단 하도록 해도 된다.

어느 경우라도, 전자 개폐밸브(23, 60, 70)을 밸브 폐쇄상태로 해야 할 로킹 기간은, 지지다리기 중, 필요 무릎회전력이 다리체(3)의 펴기 방향으로 볼록하게 되는 기간, 또는, 무릎굽힘각이 그 증가 방향으로 볼록하게 되고, 또, 그 기간의 개시 시 종료 시에서 무릎굽힘각이 동일 혹은 거의 동일하게 되는 기간으로 설정하는 것이 바람직하다. 또, 전자 개폐밸브(23, 60, 70)에의 폐쇄전류의 통전 시간은, 이 전자 개폐밸브의 밸브 폐쇄동작을 확실하게 행할 수 있는 범위에서, 가능한 한 짧은 시간에 하는 것이 바람직하다. 바꾸어 말하면, 상기 차압이 이 전자 개폐밸브를 밸브 폐쇄상태에 유지할 수 있는 상태에서는, 폐쇄전류의 통전을 차단하는 것이 바람직하다.

또, 상기 제 1∼제 3 실시형태에서는, 전자 개폐밸브(23, 60, 70)의 밸브 폐쇄상태에서, 스프링 수단(13)의 기체실(16, 17)의 양자가 밀봉되도록 했지만, 예를 들면 다음과 같이 해도 된다. 즉, 일방의 기체실(16 또는 17)을 대기에 개방해 둠과 동시에, 타방의 기체실(17 또는 16)을 그 외측의 대기에 연통시키는 연통관(기체류 통로)에 전자 개폐밸브를 개재해 두고, 전자 개폐밸브의 밸브 폐쇄상태에서, 타방의 기체실(17 또는 16)만이 밀봉되도록 해도 된다. 게다가, 상기 일본 특개2003-103480호 공보의 도 22에 도시되는 바와 같이, 상기 타방의 기체실(17 또는 16)을, 그 외측의 적당한 개소(로봇(1)의 대퇴부(4) 등)에 구비한 어큐뮬레이터(이 어큐뮬레이터에는 가압된 기체가 충전됨)에 연통시키는 연통관(기체류 통로)에 전자 개폐밸브를 개재하도록 해도 된다. 이렇게 한 경우에는, 전자 개폐밸브의 밸브 폐쇄상태에서 스프링 수단이 발생하는 무릎회전 보조력을 높일 수 있다. 또한, 이렇게 어큐뮬레이터를 구비한 경우에는, 전자 개폐밸브의 밸브 개방상태(로킹 기간 이외의 기간)에서, 무릎 굴신운동에 수반되는 스프링 수단의 기체실의 체적 변화에 따라 0이 아닌 무릎회전 보조력이 발생하게 되는데, 그 무릎회전 보조력의 최대값은, 전자 개폐밸브를 밸브 폐쇄상태로 하는 로킹 기간에서 스프링 수단이 발생하는 무릎회전 보조력보다도 충분히 작은 것이 된다.

또, 상기 제 1∼제 3 실시형태에서는, 실린더(14) 및 피스톤(15)에 의해 기체실(16, 17)을 형성하도록 했지만, 무릎 굴신운동에 따라 체적이 변화되는 것이면, 적당한 봉투 부재에 의해 기체실을 형성하도록 해도 된다.

또, 상기 제 1∼제 3 실시형태는, 본 발명을 2족이동 로봇에 적용한 예를 게시했지만, 본 발명은, 2개 이상의 다리체를 갖는 로봇에 대해서도 적용할 수 있는 것은 물론이다.

또한 상기 제 1∼제 3 실시형태에서는, 무릎관절(8)에만 어시스트 장치(12)를 구비했지만, 더욱이, 고관절(7)이나 발목관절(9)에도 어시스트 장치(12)와 동일한 어시스트 장치를 구비하도록 해도 된다.

또, 상기 제 1∼제 3 실시형태에서는, 어시스트 장치(12)를 구비한 관절(8)을 다리체(3)의 굴신운동을 가능하게 하는 관절로 했지만, 다리체에 직동형의 관절을 구비하는 다리식 이동 로봇에서는, 그 직동형의 관절에 보조 구동력을 작용시키는 어시스트 장치를 구비하도록 해도 된다.

이상과 같이, 본 발명의 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치는 2족이동 로봇 등의 다리식 이동 로봇의 다리체의 관절에, 적은 소비전력으로 적절하게 보조 구동력을 작용시킬 수 있는 것으로서 유용하다.

Claims (10)

1. 상체로부터 복수의 링크 부재를 복수의 관절을 통하여 연이어 접속하여 이루어지는 다리체를 복수 구비한 다리식 이동 로봇에 있어서, 각 다리체의 복수의 관절 중 적어도 1개의 관절을 특정 관절로 하고, 이 특정 관절에 의해 연결된 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위운동에 연동하여 체적이 변화되도록 설치된 기체실과, 이 기체실과 그 외부 사이의 기체의 유통을 행하기 위해 이 기체실에 연통하여 설치된 기체류 통로와, 이 기체류 통로에 개폐 자유롭게 설치된 전자 개폐밸브를 구비하고, 상기 로봇의 이동 시의 소정 기간에 있어서 이 전자 개폐밸브를 밸브폐쇄 시킴으로써 상기 기체실을 밀봉하고, 그 밀봉상태의 기체실의 체적 변화에 따르는 이 기체실 내의 기체의 압축 또는 팽창에 의해 이 기체가 발생하는 탄성력을 상기 특정 관절에 대한 보조 구동력으로 하여, 이 보조 구동력을 상기 특정 관절을 구동하는 관절 액추에이터의 구동력과 함께 이 특정 관절에 작용시킴과 동시에, 상기 소정 기간 이외의 기간에서는 상기 전자 개폐밸브를 밸브개방시켜서 상기 기체실을 비밀봉상태로 함으로써, 이 기체실의 체적 변화에 따라 이 기체실 내의 기체가 발생하는 탄성력의 최대값이 적어도 상기 소정 기간 보다도 작아지도록 한 다리체 관절 어시스트 장치로서,

   상기 전자 개폐밸브는 그 솔레노이드에의 일시적인 통전에 의해 이 전자 개폐밸브의 밸브체의 개폐 상태가 전환되고, 또한, 그 전환 후의 밸브체의 개폐 상태를 솔레노이드에의 통전 정지상태에서 유지하는 자기 유지기능을 갖는 전자 밸브에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 소정 기간은 상기 기체실과 외부 사이의 압력차가 이 소정 기간의 개시 시로부터 증가한 후, 그 개시 시의 압력차와 거의 동일한 압력차까지 감소하도록 상기 한쌍의 링크 부재의 상대적 변위운동에 연동하여 상기 기체실의 체적이 변화되는 기간이며,

   상기 전자 개폐밸브는, 상기 소정 기간에서 상기 압력차가 이 전자 개폐밸브의 밸브체에 그 밸브 폐쇄방향으로 작용하도록 상기 기체류 통로에 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 전자 개폐밸브를 밸브 폐쇄상태에 유지하는 자기유지 기능은 상기 소정 기간에서 이 전자 개폐밸브의 밸브체에 작용하는 상기 압력차에 의해 실현되고 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치.
4. 상체로부터 복수의 링크 부재를 복수의 관절을 통하여 연이어 접속하여 이루어지는 다리체를 복수 구비한 다리식 이동 로봇에 있어서, 각 다리체의 복수의 관절 중 적어도 하나의 관절을 특정 관절로 하고, 이 특정 관절에 의해 연결된 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위운동에 연동하여 체적이 변화되도록 설치된 기체실 과, 이 기체실과 그 외부 사이의 기체의 유통을 행하기 위해 이 기체실에 연통하여 설치된 기체류 통로와, 이 기체류 통로에 개폐 자유롭게 설치된 전자 개폐밸브를 구비하고, 상기 로봇의 이동 시의 소정 기간에 있어서 이 전자 개폐밸브를 밸브폐쇄 시킴으로써 상기 기체실을 밀봉하고, 그 밀봉상태의 기체실의 체적 변화에 따르는 이 기체실 내의 기체의 압축 또는 팽창에 의해 이 기체가 발생하는 탄성력을 상기 특정 관절에 대한 보조 구동력으로 하여, 이 보조 구동력을 상기 특정 관절을 구동하는 관절 액추에이터의 구동력과 함께 이 특정 관절에 작용시킴과 동시에, 상기 소정 기간 이외의 기간에서는 상기 전자 개폐밸브를 밸브개방시켜서 상기 기체실을 비밀봉상태로 함으로써, 이 기체실의 체적 변화에 따라 이 기체실 내의 기체가 발생하는 탄성력의 최대값이 적어도 상기 소정 기간보다도 작아지도록 한 다리체 관절 어시스트 장치로서,

   상기 소정 기간은, 상기 기체실과 외부의 압력차가 이 소정 기간의 개시 시로부터 증가한 후, 그 개시 시의 압력차와 거의 동일한 압력차까지 감소하도록 상기 한쌍의 링크 부재의 상대적 변위운동에 연동하여 상기 기체실의 체적이 변화되는 기간이며,

   상기 전자 개폐밸브는 상기 소정 기간에서 상기 압력차가 이 전자 개폐밸브의 밸브체에 그 밸브 폐쇄방향으로 작용하도록 상기 기체류 통로에 개재되어 있음과 동시에, 상기 압력차가 소정값 이하로 감소했을 때에 이 전자 개폐밸브의 밸브체를 밸브 폐쇄상태로부터 밸브 개방상태로 작동시키기 위해 이 밸브체를 밸브 개방방향으로 가압하는 가압수단을 구비하고, 또한 이 밸브체의 밸브 개방상태에서 이 전자 개폐밸브의 솔레노이드에 통전함으로써 이 밸브체가 상기 가압수단의 가압력에 저항하여 밸브 개방상태로부터 밸브 폐쇄상태로 작동하도록 구성되어 있고,

   상기 소정 기간 중, 그 개시 시로부터 상기 압력차가 상기 가압수단의 가압력에 저항하여 상기 밸브체를 밸브 폐쇄상태로 유지할 수 있는 압력차로 증가할 때까지의 기간만, 상기 전자 개폐밸브의 솔레노이드에 통전하도록 한 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치.
5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 한쌍의 링크 부재 중 일방의 링크 부재에 연결된 실린더와, 상기 한쌍의 링크 부재 중 타방의 링크 부재에 피스톤 로드를 통하여 연결되어, 이 한쌍의 링크 부재 간의 상대적 변위운동에 연동하여 상기 실린더 내를 슬라이딩 하도록 이 실린더에 내측에 삽입된 피스톤을 구비하고, 상기 기체실은 상기 실린더 내에서 상기 피스톤의 양측에 형성된 한쌍의 기체실로 구성되고, 상기 기체류 통로는 상기 실린더 내의 한쌍의 기체실을 서로 연통하는 통로인 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치.
6. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 소정의 기간은 상기 다리식 이동 로봇의 소정의 보용형태에서의 이동 시에 있어서 각 다리체의 착상 상태에서의 기간인 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치.
7. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 다리식 이동 로봇은 2개의 상기 다리 체를 구비하는 2족이동 로봇임과 동시에, 각 다리체에는, 그 선단부와 상기 상체측의 단부 사이의 중간부에 이 다리체의 굴신운동을 가능하게 하는 무릎관절이 설치되고, 상기 특정 관절은 이 무릎관절인 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 소정의 기간은, 상기 2족이동 로봇의 주행동작 시에 각 다리체가 착상 상태로 되는 기간 중, 상기 무릎관절에서의 이 다리체의 굽힘 정도의 경시 변화의 패턴이 이 이 굽힘 정도의 증가 방향으로 볼록하게 되는 기간인 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 소정의 기간은, 상기 2족이동 로봇의 주행동작 시에 각 다리체가 착상 상태로 되는 기간 중, 상기 무릎관절에 발생시켜야 할 회전력의 경시 변화의 패턴이 이 다리체의 펴기 방향에서 볼록하게 되는 기간인 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치.
10. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 다리식 이동 로봇을 이 로봇의 목표 보용에 추종시키기 위한 상기 특정 관절의 목표 구동력을 결정하는 수단과, 상기 소정 기간에서의 상기 특정 관절의 관절 액추에이터의 구동력을, 이 관절 엑추에이터의 구동력과 상기 보조 구동력의 합이 상기 결정한 목표 구동력이 되도록 제어하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 다리체 관절 어시스트 장치.

Images