WO2002040223A1 - Robot mobile a deux jambes et son procede de commande, sa structure jambes, et unite jambe mobile destinee a ce robot - Google Patents

Description

脚式移動ロボット及びその制御方法、 脚式移動ロボットのための足部構造、 並び に脚式移動ロボヅトのための可動脚ュニヅト

[技術分野]

明

本発明は、少なくとも複数本の可動脚細を備えた脚式移動ロボットに係り、特に、 可動脚によって歩行やその他の脚式作業を行う脚式移動ロボットに関する。

さらに詳しくは、 本発明は、 いわゆる Z M P (Zero Moment Point) を安定度判 別規範として用いながら脚式作業時における機体の姿勢安定制御を行なう脚式移 動ロボットに係り、 特に 比較的遅いサンプリング周期で Z MP安定度判別規範 を用いながら機体の姿勢安定制御を行なう脚式移動ロボットに関する。

[背景技術] 電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置 のことを 「ロボット」 という。 ロボットの語源は、 スラブ語の" R O B O T A (奴 隸機械)"に由来すると言われている。 わが国では、 ロボットが普及し始めたのは

1 9 6 0年代末からであるが、 その多くは、 工場における生産作業の自動ィ匕 '無 人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット

(industrial robot) であった。

最近では、 ヒトゃサルなどの 2足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作 を模した脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、 実用化への期待も高まつ てきている。 2足直立による脚式移動は、 クローラ式や、 4足又は 6足式などに 比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、 不整地や障害物など作業経路 上に凹凸のある歩行面や、 階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応すること ができるなど、 柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。

ヒ卜の生体メカニズムや動作を再現した脚式移動ロボヅトのことを、特に、「人 間形」、 若しくは「人間型」のロボヅト （humanoid robot) と呼ぶ。人間型ロボヅ トは、 例えば、 生活支援、 すなわち住環境その他の日常生活上のさまざまな場面 における人的活動の支援などを行うことができる。

人間の作業空間や居住空間のほとんどは、 2足直立歩行という人間が持つ身体 メカニズムや行動様式に合わせて形成されている。 言い換えれば、 人間の住空間 は、 車輪その他の駆動装置を移動手段とした現状の機械システムが移動するのに は多くの障壁が存在する。 したがって、 機械システムすなわちロボットがさまざ まな人的作業を代行し、 さらに人間の住空間に溁く浸透していくためには、 ロボ ットの移動可能範囲が人間のそれとほぼ同じであることが好ましい。 これが、 脚 式移動ロボットの実用化が大いに期待されている所以でもある。 2足直立歩行を 行うことは、 ロボットが人間の住環境との親和性を高める上で必須であると言え る。

2足の脚式移動ロボットに関する姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に数多 提案されている。 ここで言う安定な「歩行」 とは、 「転倒することなく、脚を使つ て移動すること」 と定義することができる。 ロボットの姿勢安定制御は、 ロボッ トの転倒を回避する上で非常に重要である。 何故ならば、 転倒は、 ロボットが実 行中の作業を中断することを意味し、 且つ、 転倒状態から起き上がって作業を再 開するために相当の労力や時間が払われるからである。 また、 何よりも、 転倒に よって、 ロボット本体自体、 あるいは転倒するロボットと衝突する相手側の物体 にも、 致命的な損傷を与えてしまう危険があるからである。 したがって、 脚式移 動ロボットの設計 '開発において、姿勢安定制御や歩行時の転倒防止は最も重要な 課題の 1つである。

脚式移動ロボットの姿勢安定制御や歩行時の転倒防止に関する提案の多くは、 Z M P (Zero Moment Point) を歩行の安定度判別の規範として用いている。 Z M Pによる安定度判別規範は、 歩行系から路面には重力と慣性力、 並びにこれらの モーメントが路面から歩行系への反作用としての床反力並びに床反力モーメント とバランスするという 「ダランベールの原理」 に基づく。 力学的推論の帰結とし て、 足底接地点と路面の形成する支持多角形 （すなわち Z MP安定領域） の辺上 あるいはその内側にピッチ軸及びロール軸モーメントがゼロとなる点、 すなわち 「Z MP (Zero Moment Point)」 が存在する。

要約すれば、 Z MP規範とは、 「歩行のあらゆる瞬間において、 Z MPが足部と 路面とが形成する支持多角形の内側に存在し、 且つ、 ロボットが路面に押す方向 の力が作用すれば、 ロボットが転倒 （機体が回転運動） することなく安定に歩行 できる」 とするものである。

Z MP規範に基づく 2足歩行パターン生成によれば、 足底着地点をあらかじめ 設定することができ、 路面形状に応じた足先の運動学的拘束条件を考慮し易いな どの利点がある。 また、 Z MPを安定度判別規範とすることは、 力ではなく軌道 を運動制御上の目標値として扱うことを意味するので、 技術的に実現可能性が高 まる。

なお、 Z MPの概念並びに Z MPを歩行ロボットの安定度判別規範に適用する 点については、 Miomir Vukobratovic著，， LEGGED LOCOMOTION ROBOTS" (加藤一郎 外著『歩行ロボットと人工の足』 （日刊工業新聞社)） に記載されている。

従来、 Z MPを安定度判別規範とするロボットの姿勢安定制御や歩行制御は、 Z M P位置が Z M P安定領域から逸脱したら安定領域に再び戻るように補正制御 をかけるというのが一般的である。 言い換えれば、 通常の動作期間中、 Z MPは 自由に移動することができるが、 その移動量がある領域を越えたときにはじめて 脚部などの各関節駆動を制御して、 事後的に Z MP位置を制御する。

例えば、 特開平 5— 3 0 5 5 7 9号公報に記載の脚式移動ロボットは、 Z MP がゼロとなる床面上の点を目標値に一致させるようにして安定歩行を行うように なっている。

また、 特開平 5— 3 0 5 5 8 1号公報に記載の脚式移動ロボットは、 Z MPが 支持多面体 （多角形） 内部、 又は、 着地、 離床時に Z MPが支持多角形の端部か ら少なくとも所定の余裕を有する位置にあるように構成した。 この場合、 外乱な どを受けても所定距離だけ Z MPの余裕があり、 歩行時の機体の安定性が向上す る。

また、 特開平 5— 3 0 5 5 8 3号公報には、 脚式移動ロボットの歩き速度を Z MP目標位置によって制御する点について開示している。 すなわち、 あらかじめ 設定された歩行パターン ·データを用い、 Z MPを目標位置に一致させるように 脚部関節を駆動するとともに、 上体の傾斜を検出してその検出値に応じて設定さ れた歩行パターン ·データの吐き出し速度を変更する。 未知の凹凸を踏んでロボ ヅトが例えば前傾するときは、 吐き出し速度を速めることで姿勢を回復すること ができる。 また Z MPを目標位置に制御するので、 両脚支持期で吐き出し速度を 変更しても支障がない。

また、 特閧平 5— 3 0 5 5 8 5号公報には、 脚式移動ロボットの着地位置を Z MP目標位置によって制御する点について開示している。 すなわち、 同公報に記 載の脚式移動ロボットは、 Z MP目標位置と実測位置とのずれを検出し、 それを 解消するように脚部の一方又は双方を駆動するか、 又は Z MP目標位置まわりに モーメントを検出してそれが零になるように脚部を駆動することで、 安定歩行を 実現する。

また、 特開平 5— 3 0 5 5 8 6号公報には、 脚式移動ロボットの傾斜姿勢を Z MP目標位置によって制御する点について開示している。 すなわち、 Z MP目標 位置まわりのモーメントを検出し、 モーメントが生じたときは、 それが零になる ように脚部を駆動することで安定歩行を行う。

上述したロボッ卜の姿勢安定度制御は、 足底接地点と路面の形成する支持多角 形すなわち Z M P安定領域の辺上あるいはその内側にピッチ及びロール軸モ一メ ントがゼロとなる点を探索することを基本動作とする。 また、 Z MP位置が Z M P安定領域から逸脱したら安定領域に再び戻るように補正制御をかけるというも のである。

しかしながら、 Z MP規範は、 ロボットの機体及び路面が剛体に限りなく近い (すなわち、 どのような力やモ一メントが作用しても変形したり動いたりするこ とはない）と仮定できることを前提として適用することができる規範に過ぎない。 言い換えれば、 ロボットや路面が剛体に限りなく近いと仮定できない場合、 例え ば、 ロボットが高速に動くことで Z M Pに作用している （並進） 力や、 立脚切替 え時の衝撃力が大きくなり、 ロボット自身に変形や運動が発生してしまう場合に は、 印加される力に対するロボットの変形量を適切に管理しないと、 Z M Pが存 在している空間自体が不安定になってしまい、 仮にロボットの姿勢が Z M P規範 を満たしても （Z MPが支持多角形の内側に存在し、 且つ、 ロボットが路面に押 す方向の力を作用させている）、不安定な Z MPを安定させるために、ロボヅトの 姿勢が不安定になってしまう。特に、 ロボヅ トの重心が低くなるほど機体に高速 な回転運動が発生して、 安定歩行の実現が困難になる。

図 1及び図 2には、 ロボットゃ路面が限りなく剛体に近い理想的なモデルの場 合と、 現実には剛体ではない場合における Z MP位置とロボヅトの変形量 （若し くは運動量） との関係 （すなわちロボットが持つ Z MP挙動空間） をそれそれ示 している。

ロボットゃ路面が限りなく剛体に近い理想的な場合には、 その Z MP挙動空間 においては、 図 1に示すように、 算出された Z MP安定領域内のいずれの Z MP 位置においてもロボヅトに変形量 （若しくは運動量） は発生しない。 言い換えれ ば、 いずれの Z MP位置においても、 ロボットは機体の姿勢安定性を失うことは ない。

しかしながら、 実システムにおける Z MP挙動空間では、 ロボットや路面は剛 体ではなく、 算出された Z MP安定領域内であっても、 Z MP位置によっては口 ボットに変形量 （若しくは運動量） が発生してしまう。 図 2に示す例では、 Z M P安定領域内の略中央付近においては、 ロボットに変形量 （若しくは運動量） は 発生しないので、 そのままの状態ではロボットは機体の姿勢安定性を失うことは ない。 しかしながら、 Z MP位置が Z MP安定領域の中央から離れるにつれて、 ロボットの変形量 （若しくは運動量） は、 負方向に増大していく。

図 1並びに図 2に示すような Z MP挙動空間は、 Z MP位置と機体が床面から 受ける床反力で定義される。 この Z M P挙動空間におけるロボットの変形量 （若 しくは運動量） の正負は、 負が Z MPを安定領域の縁に移動させようとする空間 歪みを生じさせる方向となり、 正が Z MPを安定領域の中心に移動させようとす る空間歪みを生じさせる方向となる。 したがって、 図 2に示したように、 Z MP 位置が Z MP安定領域の中央から離れるにつれてロボットの変形量 （若しくは運 動量） が負方向に増大していくことは、 Z MP安定領域内でありながら、 ロボヅ トは Z MP安定領域の縁に向かうように変形していき、 やがては機体が転倒して しまうことになる。

このため、 計算上はロボヅトの Z M P位置は Z MP安定領域内に居ながらも、 Z M P安定領域の中心に戻すように機体の姿勢制御を常に実行していなければな らない。 このように Z MP位置を絶え間なく中心に戻すような制御方式の代表例 は 「倒立振子」 である。 しかしながら、 この場合、 高速 （すなわち、 サンプリン グ周期が極めて短い） な制御を行なわなければならず、 姿勢制御のための計算機 負荷が増大してしまう。

つまり、 Z M P安定度判別規範は、 ロボットや路面が剛体であるという、 現実 には満たすことが困難な前提条件を含む理想的な環境下での歩行の実現を目標と した安定度判別規範に過ぎない。 したがって、 人間の住環境で安定した動歩行を 自律的に継続するためには、 Z M Pの存在空間の安定性を考慮したロボット ·シ ステム構成方法を考案することが肝要である。

また、 脚式移動ロボットにおける脚式作業時の安定性 ·制御性は、 歩容すなわ ち四肢の動作パターンだけでなく、 歩行など脚式作業を行う地面、 路面の状況の 影響を受けている。 何故ならば、 脚が路面に接地している限り、 路面から常に反 力を受けているからである。 また、 路面からの反力は、 特に、 歩行などの脚式作 業中に遊脚が着地したときに大きな衝撃力となり、 場合によっては、 それが外乱 となってロボヅトの姿勢を不安定にする。

言い換えれば、 2足歩行などの脚式移動ロボットが姿勢を崩すことなく歩行な どの脚式作業を行うためには、 着地するときにも安定した姿勢のまま路面によく 馴染み、 接地時に路面から受ける反力を可能な限り低減させることが好ましい。 また、 路面と接地する足平の足底の構造は、 ロボットとその接地面との良好な関 係を成立させる上で極めて重要である。

例えば、 着地時に地面から受ける衝撃を緩和するために、 足部の足裏面に弾性 体を装着することが当業界において広く知られている。

着地時に地面から反力を受けたとき、 ロボヅトの機体には、 例えばロール軸回 り、 ピッチ軸回りなどさまざまな外乱が印加される。 前進歩行を前提として構成 される脚式ロボットの場合、 前後方向の移動自由度が豊富であり、 進行方向すな わちピッチ軸回りの外乱に対しては比較的容易に対処することができる。 他方、 機体を横方向に揺るがすように作用するロール軸回りの外乱に対しては口バスト 性が低い。 しかしながら、 路面からの衝撃力を、 足裏の弾性体によって一様に緩 和するだけでは、 各軸回りの衝撃力を単に吸収するような作用しか得られず、 路 面に接地時やその他の外乱などにより失われた機体の姿勢安定性を回復すること はできない。 すなわち、 接地時の衝撃を緩和しつつも、 結局は機体が転倒してし まうという事態を招来しかねない。 このような場合、 Z MP位置が Z MP安定領 域から逸脱してはじめて Z M Pの補正制御をかけるという事後的な制御では限界 がある。

また、 Z MPの探索とは要するに、 2足歩行の機体において、 Z MP軌道が左 右の両足の間 （すなわちそれそれの足の内側） を通過することを意味する。 さら に言えば、 機体が前進運動を行った結果、 Z MP軌道が一方の足の外側に移動し てしまうと、 他方の足を一方の足のさらに外側に向けて踏み込まなければ姿勢安 定性を維持することはできない。 これは、 他方の足を一方の足と交差するような 脚部の動作であり、 左右の脚部どうしが互いに干渉し合うという物理的 ·機構学 的に実現が極めて困難な動作である。

また、 2足の脚式移動ロボットは、 一般に、 ヒトゃサルなどの生体メカニズム に基づいて、 前進運動を基調としてデザインされていることから、 前後方向の外 乱に対する口バスト性は優れているものの、 横方向の外乱に対する口バスト性は 比較的低い。

しかしながら、 脚式作業時における姿勢安定性を、 機体の動作制御のみを以っ て実現することは、 コントローラの演算速度や制御対象の応答速度、 その他の問 題のため未だ困難である。 すなわち、 Z MP位置が Z MP安定領域から逸脱して はじめて Z M Pの補正制御をかけるという事後的な制御では限界がある。

[発明の開示] 本発明の目的は、 いわゆる Z MP (Zero Moment Point) を安定度判別規範とし て用いながら脚式作業時における機体の姿勢安定制御を好適に行なうことができ る、 優れた脚式移動ロボット及びその制御方法を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、 比較的遅いサンプリング周期で Z M P安定度判別規 範を用いながら機体の姿勢安定制御を好適に行なうことができる、 優れた脚式移 動ロボヅト及びその制御方法を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、 人間の住環境で安定した動歩行を自律的に継続する ような Z MP挙動空間が形成された、 優れた脚式移動ロボット及びその制御方法 を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、接地時に路面から受ける衝撃力を緩和するとともに、 失いかけた機体の姿勢安定性を回復する、 若しくは回復を容易にすることができ る、 脚式移動ロボットの可動脚ュニヅトにおける足部の足平構造を提供すること にある。

本発明のさらなる目的は、 ロボヅトの機体の動作制御のみに頼ることなく姿勢 安定性を容易に維持することができるように構成された、 優れた脚式移動ロボッ トを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、 横方向の外乱に対する口バスト性を強化することで 姿勢安定性を容易に維持することができるように構成された、 優れた脚式移動口 ボットを提供することにある。

本発明は、 上言 3課題を参酌してなされたものであり、 その第 1の側面は、 2以 上の可動脚を備えた脚式移動ロボット又はその制御方法であって、

機体のピヅチ軸モ一メント及び口一ル軸モーメントがゼロとなる Z M Pの位置 と機体が床面から受ける床反力で定義される Z MP挙動空間を制御する Z MP挙 動空間制御手段又はステツプを備え、

前記 Z M P挙動空間制御手段又はステツプはあらかじめ Z M P挙動空間に所定 の歪み又は所定の特性を与えている、

ことを特徴とする脚式移動ロボット又はその制御方法である。

[背景技術] の欄でも既に説明したように Z MP安定度判別規範は、 ロボット の機体及び路面が剛体に限りなく近いと仮定できる場合のみ適用することができ る規範に過ぎない。 すなわち、 ロボットや路面が剛体に限りなく近いと仮定でき ないので、 印加される力に対するロボヅトの変形量を適切に且つ比較的短いサン プリング周期で管理しないと、 Z MPが存在している空間自体が不安定になって しまい、 仮にロボットの姿勢が Z MP安定度判別規範を満たしても、 不安定な Z MPを安定させるために、 ロボットの姿勢が不安定になってしまう。 そこで、 本発明の第 1の側面に係る脚式移動ロボヅ ト又はその制御方法では、 Z M P (Zero Moment Point) を姿勢の安定度判別の規範として採用するが、 ロボ ットの機体の変形量や運動量を考慮して安定した Z M Pの存在空間を持つ口ボヅ ト ·システム構成を採用する。

すなわち、 前記 Z MP挙動空間制御手段又はステップは、 Z MP位置が前記可 動脚の足底接地点と路面とが形成する支持多角形からなる Z M P安定領域の中央 から Z MP位置が外れるにつれて Z M P位置が前記 Z M P安定領域の中央に移動 させようとする機体の変形量若しくは運動量が生じるように Z MP挙動空間にあ らかじめ歪みを与えている。 これによつて、 機体の姿勢安定性を維持し易い構造 となる。 あるいは、 前記 Z MP挙動空間制御手段又はステップは、 前記床反力に 応じて前記口ボヅトの変形量又は運動量の大きさ若しくは方向が変化するような 所定の特性を与えるようにしてもよい。

本発明の第 1の側面に係る脚式移動ロボヅト又はその制御方法では、 Z MP位 置の移動量が所定の領域を越えてはじめて事後的な補正制御を開始するのではな く、 あらかじめロボットの姿勢が安定するような空間歪みや所定の特性が与えら れているので、 機体の制御機構が充分な応答速度を持たなくても、 外乱などに対 して高い口バスト性を得ることができる。

ここで、 前記 Z MP挙動空間制御手段又はステップは、 前記 Z MP安定領域の 略中心において機体の変形量又は運動量の極小点を設定するようにしてもよい。 このような場合、常に姿勢が安定する方向に機体の変形量や運動量が生ずるので、 姿勢安定性を保つことが容易となる。 また、 比較的低いサンプリング周期であつ ても、 充分な姿勢安定制御を行うことができる。

また、 前記 Z MP挙動空間制御手段又はステップは、 前記 Z MP安定領域の略 中心において機体の変形量又は運動量の極小点を設定するとともに、 前記 Z MP 安定領域の境界近くで機体の変形量又は運動量の極大点を設定するようにしても よい。 このような場合、 極大点に挟まれた領域では、 Z MP位置が常に Z MP安 定領域の中心に向かうようにロボットの機体の変形量又は運動量が生じるので、 姿勢安定性を保つことが容易となり、 また、 比較的低いサンプリング周期であつ ても充分な姿勢安定制御を行うことができる。 これに対し、 極大点を越えた時点 からは、 Z MP位置が Z MP安定領域の外側に向かうような変形量又は運動量が 生じるので、 ロボヅトは「姿勢安定モード」 から 「転倒モード」 に転じる。 また、 前記 Z MP挙動空間制御手段又はステップは、 Z MP位置が機体の外側 に向かう方向を正方向とする第 1の座標軸と Z MP位置が Z MP安定領域の中央 に向かわせるようなロボヅトの変形量若しくは運動量を正方向とする第 2の座標 軸からなる Z M P挙動空間において、 単脚支持後期の立脚に対して、 ロボットの 変形量若しくは運動量が負領域において極大値を持ち、 且つ、 床反力の増大とと もに該変形量若しくは運動量の極大値の Z M P位置を正方向に移動させるような 空間歪みを与えるようにしてもよい。

このような場合、 単脚支持後期の立脚においては、 Z MP位置の Y方向への移 動量にほぼ線形的に曲がり量が減少する。 床反力が小さいときには、 Z MP位置 が機体の内側に移動したときには該立脚は内側に向かって曲がるとともに、 Z M P位置が機体の外側に移動したときには該立脚は外側に向かって曲がるが、 床反 力が大きくなるにつれて、 Z MP位置が機体の外側に移動しても該立脚は外側に は曲がり難くなる。

なお、 ロボットの総重量を 1 0 0としたときに、 床反力が 1 0 0以上となると きに床反力が「大きい」 と言い、 床反力が 2 0〜1 0 0程度のときには床反力が 「中」 と言い、 また、 床反力が 2 0以下となるときに床反力が 「小さい」 と言う (以下同様)。但し、 これらはだいたいの目安であって、 ロボットの機 造、重 量によって変更しても構わない。特に、 「床反力が小さい」ということを定性的に 表現すると、 両足支持期に、 一方の足でほぼ全身を支えている際の他方の足に加 わっている程度の床反力を言う。

また、 前記 Z MP挙動空間制御手段又はステップは、 Z MP位置が機体の前方 に向かう方向を正方向とする第 1の座標軸と Z M P位置が Z M P安定領域の中央 に向かわせるようなロボヅトの変形量若しくは運動量を正方向とする第 2の座標 軸からなる Z MP挙動空間において、 単脚支持後期の立脚に対して、 ロボットの 変形量若しくは運動量が負領域において Z MP安定領域の略中央付近において極 大値を持ち、 且つ、 床反力の増大とともに該変形量若しくは運動量の変化が小さ くなるような空間歪みを与えるようにしてもよい。 このような場合、 単脚支持後期の立脚においては、 Z MP位置の X方向への移 動量にほぼ線形的に曲がり量が減少する。床反力が小さいときには、 Z MP位置 が機体の前方に移動したときには該立脚は前方に向かって曲がるとともに、 Z M P位置が機体の後方に移動したときには該立脚は後方に向かって曲がるが、 床反 力が大きくなるにつれて、 Z MP位置が前方又は後方のいずれに移動しても該立 脚は曲がり難くなる。

また、 前記 Z MP挙動空間制御手段又はステップは、 単脚支持後期の立脚に対 して、 進行方向と直交方向において、 床反力が小さいときには Z MP位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外 れる方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力 が大きくなるに従い、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向かうような口ボヅトの変形量若しくは運動 量が生じるような空間歪みを与えるようにしてもよい。また、進行方向において、 床反力が小さいときには、 Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれ て Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボットの 変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなるに従い、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心に 向かうような口ボットの変形量若しくは運動量が発生するような空間歪みを与え るようにしてもよい。

このような場合、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が機体の内側に移動し たときには単脚支持後期の立脚は内側に向かって曲がるとともに Z MP位置が機 体の外側に移動したときには該立脚は外側に向かって曲がるが、 床反力が大きく なるに従い、 逆に、 Z MP位置が機体の内側に移動したときには該立脚は外側に 向かって曲がるとともに Z MP位置が機体の外側に移動したときには該立脚は内 側に向かって曲がるように構成される。 また、 床反力が小さいときには、 Z MP 位置が機体の前方に移動したときには該立脚は前方に向かって曲がるとともに Z M P位置が機体の後方に移動したときには該立脚は後方に向かって曲がるが、 床 反力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位置が機体の前方に移動したときには該 立脚は後方に向かって曲がるとともに Z MP位置が機体の後方に移動したときに は該立脚は前方に向かって曲がるように構成される。

また、 前記 Z MP挙動空間制御手段又はステップは、 単脚支持後期の体幹部に 対して、 進行方向と直交する方向において、 床反力が小さいときには Z MP位置 が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心 から外れる方向に向かうようなロボヅトの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなるに従い、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつ れて Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若しく は運動量が生じるような空間歪みを与えるようにしてもよい。 また、 進行方向に おいて、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れ るにつれて Z M P位置が Z MP安定領域の中心から外れる方向に向かうような口 ボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなるに従い、 Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域 の中心に向かうようなロボヅトの変形量若しくは運動量が発生するような空間歪 みを与えるようにしてもよい。

このような場合、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が機体の内側に移動し たときには # ^部は内側に向かって曲がるとともに Z MP位置が機体の外側に移 動したときには 部は外側に向かって曲がるが、 床反力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位置が機体の内側に移動したときには 部は外側に向かって曲が るとともに Z M P位置が機体の外側に移動したときには体幹部は内側に向かって 曲がるように構成される。 また、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が機体の 前方に移動したときには体幹部は前方に向かって曲がるとともに Z MP位置が機 体の後方に移動したときには 部は後方に向かって曲がるが、 床反力が大きく なるに従い、 逆に、 Z MP位置が機体の前方に移動したときには 部は後方に 向かって曲がるとともに Z MP位置が機体の後方に移動したときにはィ *|辛部は前 方に向かって曲がるように構成される。

また、 前記 Z MP挙動空間制御手段又はステップは、 Z MP位置が機体の外側 に向かう方向を正方向とする第 1の座標軸と Z MP位置が Z MP安定領域の中央 に向かわせるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向とする第 2の座標 軸からなる Z M P挙動空間において、 両脚支持期の立脚に対して、 ロボットの変 形量若しくは運動量が負領域において Z MP安定領域の略中央付近において極大 値を持ち、 且つ、 床反力の増大とともに該変形量若しくは運動量の変化が小さく なるような空間歪みを与えるようにしてもよい。

このような場合、 Z MP位置の機体外側への移動量にほぼ線形的に立脚の曲が り量が減少する。床反力が小さいときには、 Z MP位置が機体の内側に移動した ときには該立脚は内側に向かって曲がるとともに、 Z MP位置が機体の外側に移 動したときには該立脚は外側に向かって曲がるが、床反力が大きくなるにつれて、 Z M P位置が内側又は外側のいずれに移動しても該立脚は曲がり難くなるように 構成されている。 両脚支持期では 2本の脚で支持するため 1本の脚で支持する単 脚支持期に対し脚の曲がり量は小さい。

また、 前記 Z MP挙動空間制御手段又はステップは、 Z MP位置が機体の前方 に向かう方向を正方向とする第 1の座標軸と Z MP位置が Z MP安定領域の中央 に向かわせるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向とする第 2の座標 軸からなる Z MP挙動空間において、 両脚支持期の立脚に対して、 ロボットの変 形量若しくは運動量が負領域において Z MP安定領域の略中央付近において極大 値を持ち、 且つ、 床反力の増大とともに該変形量若しくは運動量の変化が小さく なるような空間歪みを与えるようにしてもよい。

このような場合、 Z MP位置の機体前方への移動量にほぼ線形的に立脚の曲が り量が減少する。 床反力が小さいときには、 Z MP位置が機体の前方に移動した ときには該立脚は前方に向かって曲がるとともに、 Z MP位置が機体の後方に移 動したときには該立脚は後方に向かって曲がるが、床反力が大きくなるにつれて、 Z M P位置が前方又は後方のいずれに移動しても該立脚は曲がり難くなるように 構成されている。 両脚支持期では 2本の脚で支持するため 1本の脚で支持する単 脚支持期に対し脚の曲がり量は小さい。

また、 前記 Z MP挙動空間制御手段又はステップは、 両脚支持期の立脚に対し て、 進行方向と直交する方向において、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z MP位置が Z MP安定領域の中心か ら外れる方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床 反力が大きくなるに従い、 Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれ て Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは 運動量が発生するような空間歪みを与えるようにしてもよい。 また、 進行方向に おいて、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れ るにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れる方向に向かうような口 ボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなるに従い、 Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域 の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するような空間歪 みを与えるようにしてもよい。

このような場合、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が機体の内側に移動し たときには両脚支持期の立脚は内側に向かって曲がるとともに Z MP位置が機体 の外側に移動したときには該立脚は外側に向かって曲がるが、 床反力が大きくな るに従い、 逆に、 Z MP位置が機体の内側に移動したときには該立脚は外側に向 かって曲がるとともに Z MP位置が機体の外側に移動したときには該立脚は内側 に向かって曲がるように構成される。 また、 床反力が小さいときには、 Z MP位 置が機体の前方に移動したときには該立脚は前方に向かって曲がるとともに Z M P位置が機体の後方に移動したときには該立脚は後方に向かって曲がるが、 床反 力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位置が機体の前方に移動したときには該立 脚は後方に向かって曲がるとともに Z MP位置が機体の後方に移動したときには 該立脚は前方に向かって曲がるように構成される。

また、 前記 Z MP挙動空間制御手段又はステップは、 両脚支持期の体幹部に対 して、 進行方向と直交する方向において、 床反力が小さいときには、 Z MP位置 が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心 から外れる方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなるに従い、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつ れて Z MP位置が Z MP安定領域の中心に向かうようなロボヅトの変形量若しく は運動量が発生するような空間歪みを与えるようにしてもよい。 また、 進行方向 において、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外 れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れる方向に向かうような ロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなるに従い、 Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領 域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するような空間 歪みを与えるようにしてもよい。

このような場合、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が機体の内側に移動し たときにはィ *|伞部は内側に向かって曲がるとともに Z MP位置が機体の外側に移 動したときには^部は外側に向かって曲がるが、 床反力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位置が機体の内側に移動したときには 部は外側に向かって曲が るとともに Z MP位置が機体の外側に移動したときには体幹部は内側に向かって 曲がるように構成される。 また、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が機体の 前方に移動したときには体幹部は前方に向かって曲がるとともに Z MP位置が機 体の後方に移動したときには 部は後方に向かって曲がるが、 床反力が大きく なるに従い、 逆に、 Z MP位置が機体の前方に移動したときには 部は後方に 向かって曲がるとともに Z MP位置が機体の後方に移動したときにはィ* 部は前 方に向かって曲がるように構成される。

また、 前記 Z MP挙動空間制御手段又はステヅプは、 Z MP位置が機体の外側 に向かう方向を負方向とする第 1の座標軸と Z MP位置が Z MP安定領域の中央 に向かわせるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向とする第 2の座標 軸からなる Z MP挙動空間において、 単脚支持前期の立脚に対して、 ロボヅトの 変形量若しくは運動量が負領域において極大値を持ち、 且つ、 床反力の増大とと もに該変形量若しくは運動量の極大値の Z M P位置を正方向に移動させるような 空間歪みを与えるようにしてもよい。

このような場合、 単脚支持前期の立脚においては、 Z MP位置の Y方向への移 動量にほぼ線形的に曲がり量が減少する。床反力が小さいときには、 Z MP位置 が機体の内側に移動したときには該立脚は内側に向かって曲がるとともに、 Z M P位置が機体の外側に移動したときには該立脚は外側に向かって曲がるが、 床反 力が大きくなるにつれて、 Z MP位置が機体の外側に移動しても該立脚は外側に は曲がり難くなる。

また、 前記 Z M P挙動空間制御手段又はステップは、 Z MP位置が機体の前方 に向かう方向を正方向とする第 1の座標軸と Z MP位置が Z MP安定領域の中央 に向かわせるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向とする第 2の座標 軸からなる Z MP挙動空間において、 単脚支持前期の立脚に対して、 ロボットの 変形量若しくは運動量が負領域において Z MP安定領域の略中央付近において極 大値を持ち、 且つ、 床反力の増大とともに該変形量若しくは運動量の変ィ匕が小さ くなるような空間歪みを与えるようにしてもよい。

このような場合、 単脚支持前期の立脚においては、 Z MP位置の X方向への移 動量にほぼ線形的に曲がり量が減少する。 床反力が小さいときには、 Z MP位置 が機体の前方に移動したときには該立脚は前方に向かって曲がるとともに、 Z M P位置が機体の後方に移動したときには該立脚は後方に向かって曲がるが、 床反 力が大きくなるにつれて、 Z MP位置が前方又は後方のいずれに移動しても該立 脚は曲がり難くなる。

また、 前記 Z MP挙動空間制御手段又はステップは、 単脚支持前期の立脚に対 して、 進行方向と直交する方向において、 床反力が小さいときには Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心か ら外れる方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床 反力が大きくなるに従い、 Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれ て Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは 運動量が生じるような空間歪みを与えるようにしてもよい。 また、 進行方向にお いて、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れる につれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボ ヅトの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなるに従い、 Z MP 位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の 中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するような空間歪み を与えるようにしてもよい。

このような場合、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が機体の外側に移動し たときには単脚支持前期の立脚は外側に向かって曲がるとともに Z MP位置が機 体の内側に移動したときには該立脚は内側に向かって曲がるが、 床反力が大きく なるに従い、 逆に、 Z MP位置が機体の外側に移動したときには該立脚は内側に 向かって曲がるとともに Z MP位置が機体の内側に移動したときには該立脚は外 側に向かって曲がるように構成される。 また、 床反力が小さいときには、 Z MP 位置が機体の前方に移動したときには該立脚は前方に向かって曲がるとともに Z M P位置が機体の後方に移動したときには該立脚は後方に向かって曲がるが、 床 反力が大きくなるに従い、 逆に、 Z M P位置が機体の前方に移動したときには該 立脚は後方に向かって曲がるとともに Z M P位置が機体の後方に移動したときに は該立脚は前方に向かって曲がるように構成される。

また、 前記 Z MP挙動空間制御手段又はステップは、 単脚支持前期の体幹部に 対して、 進行方向と直交する方向において、 床反力が小さいときには Z MP位置 が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心 から外れる方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなるに従い、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつ れて Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若しく は運動量が生じるような空間歪みを与えるようにしてもよい。 また、 進行方向に おいて、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れ るにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れる方向に向かうような口 ボヅトの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなるに従い、 Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域 の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するような空間歪 みを与えるようにしてもよい。

このような場合、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が機体の外側に移動し たときには # ^部は外側に向かって曲がるとともに Z MP位置が機体の内側に移 動したときには！^部は内側に向かって曲がるが、 床反力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位置が機体の外側に移動したときには 部は内側に向かって曲が るとともに Z M P位置が機体の内側に移動したときには体幹部は外側に向かって 曲がるように構成される。 また、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が機体の 前方に移動したときには体幹部は前方に向かって曲がるとともに Z M P位置が機 体の後方に移動したときには体幹部は後方に向かって曲がるが、 床反力が大きく なるに従い、 逆に、 Z MP位置が機体の前方に移動したときには体幹部は後方に 向かって曲がるとともに Z M P位置が機体の後方に移動したときには ^部は前 方に向かって曲がるように構成される。

また、 前記 Z MP挙動空間制御手段は、 略平板状の足平フレームと、 前記足平 フレームの底面に配置された初期の比較的変形量が大きな領域とそれ以後の比較 的変形量が小さな領域からなる非線型弾性特性を持つ足底緩衝体と、 前記足平フ レームの上面の略中央に配設された、 前記脚式移動ロボヅトの稼働脚と連結する ための足首連結部とで構成される各可動脚の足部構造であってもよい。

このように非線形変形特性を持つ足底緩衝体を使用することにより、 まず路面 と接触を開始すると足底緩衝体が変形を開始することから、 充分な緩衝作用を期 待することができる。 また、 さらに変形が進行すると、 非線形特性により今度は 印加荷重当りの変形量が減少していくので、 過度の変形により足底が不安定とな ることはない。 言い換えれば、 前記 Z MP挙動空間制御手段が足部構造により構 成されることにより、 Z MP位置が Z MP安定領域の内側に向かうようなロボヅ トの変形量や運動量を生じさせるような空間歪みを持つた Z M P挙動空間を与え ることができる。

また、 前記 Z MP挙動空間制御手段は、 前記可動脚における関節自由度を実現 する 1以上の関節ァクチユエ一夕と、 前記関節ァクチユエ一夕を前記脚式移動口 ボットの機体の内側から支持するための第 1の剛性を持つ内側支持体と、 前記関 節ァクチユエ一夕を前記脚式移動ロボヅトの機体の外側から支持するための第 1 の剛性よりも比較的大きな第 2の剛性を持つ外側支持体とで構成される各可動脚 の脚部構造であってもよい。

このような脚部構造からなる Z M P挙動空間制御手段を備えることにより、 予 期しない外乱がロボヅトの機体に発生した場合であっても、 Z MPが機体の外側 すなわち土踏まずの反対側に移動しにくくなるように作用することができる。 こ の結果、 脚式移動ロボット全体としては、 横方向の外乱に対するロバスト性が強 ィ匕されるので、 機体の姿勢安定化制御が著しく容易となる。 言い換えれば、 外乱 により Z MPが機体の内側すなわち土踏まず側に移動するように誘導される。 す なわち、 Z MP位置が Z MP安定領域の内側に向かうようなロボヅトの変形量又 は運動量を生じさせるような空間歪みを Z M P挙動空間に与えることができる。 例えば、 脚式移動ロボットは、 予期しない外乱により土踏まず側すなわち左右の 両足に間に向かって Z M Pが移動した場合には、遊脚を高速に着地させることで、 安定領域を倍増させることができ、 転倒を容易に防ぐことができる。

また、 本発明の第 2の側面は、 少なくとも複数本の可動脚を備えた脚式移動口 ボヅトのための足部構造であって、

略平板状の足平フレームと、

前記足平フレームの底面に配置された、 初期の比較的変形量が大きな領域とそ れ以後の比較的変形量が小さな領域からなる非線型弾性特性を持つ足底緩衝体と、 前記足平フレームの上面の略中央に配設された、 前記脚式移動ロボットの稼働 脚と連結するための足首連結部と、

を具備することを特徴とする脚式移動ロボットのための足部構造である。

前記足底緩衝体は、 例えば、 高さが相違する 2以上の緩衝部材を前記足平フレ —ムの底面の所定部位に配設することによつて構成される。高さが相違する緩衝 部材を組み合わせることにより、 足底緩衝体の非線形な変形特性を比較的容易に 実現することができる。

このように非線形変形特性を持つ足底緩衝体を使用することにより、 まず路面 と接触を開始すると足底緩衝体が変形を開始することから、 充分な緩衝作用を期 待することができる。 また、 さらに変形が進行すると、 非線形特性により今度は 印加荷重当りの変形量が減少していくので、 過度の変形により足底が不安定とな ることはない。 言い換えれば、 本発明の第 2の側面に係る脚式移動ロボットのた めの足部構造によれば、 Z MP位置が Z MP安定領域の内側に向かうようなロボ ットの変形量や運動量を生じさせるような空間歪みを持った Z MP挙動空間を与 えることができる。

また、 前記足底緩衝体は、 前記足平フレームの底面の内側並びに外側にそれそ れ配設してもよい。 このような場合、 前記足平フレームの底面の内側並びに外側 にそれそれ配設され、 且つ、 内側よりも外側の足底緩衝体の弾性係数を高く設定 するようにしてもよい。

内側と外側の足底緩衝体の変形特性の相違により、 高い衝撃力が印加されたと きには、 内側足底緩衝体の方がより深く沈み込むことになる。 この結果、 この足 平フレーム上に搭載された脚部ュニヅトが、 ロボヅトの機体の内側すなわち中心 側 （土踏まず側） に向かって傾くことになり、 ロボットの Z MPを機体の内側に 向かわせながら遊脚を着地させることで安定領域を倍増させる方向へ移動させて、 姿勢の安定性 ·制御性を向上させるという効果を導出することができる。

また、 前記足平フレームは、 前記脚式移動ロボットのビッチ軸回りよりもロー ル軸回りの剛性を強ィ匕してもよい。例えば、 足平フレームの上面及び/又は底面 の所定部位に凹部を形設することにより、 前記脚式移動ロボヅトのピッチ軸回り よりも口一ル軸回りの剛性を強化することができる。

2足直立タイプの脚式移動ロボットは、一般に、歩行方向すなわち前後方向（ピ ツチ軸回り方向） に比し、 横方向 （ロール軸回り方向） の Z MPの存在範囲が狭 い。 言い換えれば、 ロール軸回りの外乱に対するロバスト性が低いため、 横方向 すなわちロール軸回りに対しては非常に高い制御精度が要求されている。 本発明 に係る足部構造によれば、 口一ル軸回りの剛性を強ィ匕することができ、 横方向の 外乱に対する口バスト性を著しく向上させるという効果を導出することができる。 この結果、 2足直立歩行ロボットの姿勢安定制御が容易になる。

また、 本発明の第 3の側面は、 少なくとも 1組の左右の可動脚ュニットを備え て脚式作業を行うタイプの脚式移動ロボヅトであって、 前記可動脚ュニヅトは、 前記可動脚における関節自由度を実現する 1以上の関節ァクチユエ一夕と、 前記関節ァクチユエ一夕を前記脚式移動ロボットの機体の内側から支持するた めの、 第 1の剛性を持つ内側支持体と、

前記関節ァクチユエ一夕を前記脚式移動ロボヅトの機体の外側から支持するた めの、 第 1の剛性よりも比較的大きな第 2の剛性を持つ外側支持体と、

を具備することを特徴とする脚式移動ロボットである。

本発明の第 3の側面に係る脚式移動ロボットによれば、 左右それそれの可動脚 ユニットについて、 その外側支持体と内側支持体とで剛性を異ならせる構造、 す なわち内側支持体に比し外側支持体の剛性 （特に曲げ剛性） を強ィ匕した構造を採 用する。 このような構成を採用することによって、 予期しない外乱がロボットの 機体に発生した場合であつても、 Z M Pが機体の外側すなわち土踏まずの反対側 に移動しにくくなるように作用することができる。 この結果、 脚式移動ロボット 全体としては、 横方向の外乱に対するロバスト性が強ィ匕されるので、 機体の姿勢 安定化制御が著しく容易となる。

言い換えれば、 本発明の第 3の側面によれば、 外乱により Z MPが機体の内側 すなわち土踏まず側に移動するように誘導される。 すなわち、 Z MP位置が Z M P安定領域の内側に向かうようなロボットの変形量又は運動量を生じさせるよう な空間歪みを Z MP挙動空間に与えることができる。例えば、 脚式移動ロボット は、 予期しない外乱により土踏まず側すなわち左右の両足に間に向かって Z MP が移動した場合には、 遊脚を高速に着地させることで、 安定領域を倍増させるこ とができ、 転倒を容易に防ぐことができる。

ここで、 第 2の剛性は、 第 1の剛性の 1 . 2倍以上の曲げ剛性であることが好 ましい。 更に言えば、 第 2の剛性は、 第 1の剛性の 1 . 5〜2 . 0倍程度である ことがより好ましい。

このような第 1の剛性と第 2の剛性の相違は、 前記内側支持体と前記外側支持 体の肉厚の相違により実現される。

あるいは、 第 1の剛性と第 2の剛性の相違は、 前記内側支持体と前記外側支持 体の形状の相違により実現される。

あるいは、 第 1の剛性と第 2の剛性の相違は、 前記内側支持体と前記外側支持 体を強度の異なる素材を用いて構成することによつても実現される。

また、 前記可動脚の関節自由度は、 少なくとも大腿部ロール軸並びに膝関節口 ール軸回りの各自由度を含んでいてもよい。 さらに、 足平と連結するための足首 関節の自由度を備えていてもよい。

また、 本発明の第 4の側面は、 脚式作業を行う脚式移動ロボットに対して左右 の組み合わせで用いられる可動脚ュニットであって、

前記可動脚における関節自由度を実現する 1以上の関節ァクチユエ一夕と、 前記関節ァクチユエ一夕を前記脚式移動ロボットの機体の内側から支持するた めの、 第 1の剛性を持つ内側支持体と、

前記関節ァクチユエ一夕を前記脚式移動ロボットの機体の外側から支持するた めの、 第 1の剛性よりも比較的大きな第 2の剛性を持つ外側支持体と、 を具備することを特徴とする脚式移動ロボットのための可動脚ュニヅトである。 本発明の第 4の側面に係る可動脚ュニットを左右 1組にして搭載した脚式移動 ロボットにおいては、 左右それそれの可動脚ュニットの外側支持体と内側支持体 とで剛性を異ならせる構造、 すなわち内側支持体に比し外側支持体の剛性 （特に 曲げ剛性） を強ィ匕した構造となる。 したがって、 予期しない外乱がロボットの機 体に発生した場合であっても、 Z MPが機体の外側すなわち土踏まずの反対側に 移動しにくくなるように作用することができる。 この結果、 脚式移動ロボット全 体としては、 横方向の外乱に対するロバスト性が強化されるので、 機体の姿勢安 定化制御が著しく容易となる。

言い換えれば、 本発明の第 4の側面によれば、 外乱により Z MPが機体の内側 すなわち土踏まず側に移動するように誘導される。 すなわち、 Z MP位置が Z M P安定領域の内側に向かうようなロボヅトの変形量又は運動量を生じさせるよう な空間歪みを Z MP挙動空間に与えることができる。例えば、 当該可動脚ュニヅ トを搭載した脚式移動ロボットは、 予期しない外乱により土踏まず側すなわち左 右の両足に間に向かって Z MPが移動した場合には、 遊脚を高速に着地させるこ とで、 安定領域を倍増させることができ、 転倒を容易に防ぐことができる。 ここで、 第 2の剛性は、 第 1の剛性の 1 . 2倍以上の曲げ剛性であることが好 ましい。 更に言えば、 第 2の剛性は、 第 1の剛性の 1 . 5〜2 . 0倍程度である ことがより好ましい。

このような第 1の剛性と第 2の剛性の相違は、 前記内側支持体と前記外側支持 体の肉厚の相違により実現される。

あるいは、 第 1の剛性と第 2の剛性の相違は、 前記内側支持体と前記外側支持 体の形状の相違により実現される。

あるいは、 第 1の剛性と第 2の剛性の相違は、 前記内側支持体と前記外側支持 体を強度の異なる素材を用いて構成することによつても実現される。

また、 前記可動脚の関節自由度は、 少なくとも大腿部ロール軸並びに膝関節口 —ル軸回りの自由度を含んでいてもよい。 さらに、 足平と連結するための足首関 節の自由度を備えていてもよい。

また、 本発明の第 5の側面は、 2以上の可動脚を備えた脚式移動ロボットの制 御方法であって、

機体のピッチ軸モーメント及びロール軸モーメントがゼロとなる Z MPの位置 と機体が床面から受ける床反力で定義される Z MP挙動空間を定義するステップ と、

該定義された Z MP挙動空間の定義に基づいて Z MP安定位置を求めるステヅ プと、

該求められた Z MP安定位置に基づいて機体動作を制御するステヅプと、 を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの制御方法である。

本発明の第 5の側面に係る脚式移動ロボットの制御方法によれば、 Z MPを姿 勢の安定度判別の規範として採用するが、 ロボットの機体の変形量や運動量を考 慮して安定した Z MPの存在空間を持つ機体動作の制御を行うことができる。 すなわち、 Z MP位置が前記可動脚の足底接地点と路面とが形成する支持多角 形からなる Z M P安定領域の中央から Z M P位置が外れるにつれて Z M P位置が 前記 Z MP安定領域の中央に移動させようとする機体の変形量若しくは運動量が 生じるように Z MP挙動空間に空間歪みをあらかじめ与えることができる。 この 結果、 機体の制御機構が充分な応答速度を持たない場合であっても、 外乱などに 対して高いロバスト性を得ることができる。

また、 本発明の第 5の側面に係る脚式移動ロボットの制御方法は、 前記脚式移 動ロボットと路面との接触状況に応じて Z M P挙動空間の定義を変更するステヅ プをさらに備えていてもよい。

このような場合、 足底が着床面から受ける床反力が変ィ匕した場合など、 路面と の接触状況に応じて Z MP挙動空間に与える空間歪みを動的に制御することがで き、 いかなる状況であっても常に Z M P位置が外れるにつれて Z MP位置が前記 Z M P安定領域の中央に移動させようとする機体の変形量若しくは運動量が生じ るようにして、 機体の姿勢安定制御を容易な状態にすることができる。

また、 前記の Z MP挙動空間を定義するステップでは、 前記 Z MP挙動空間に おける極大点及び Z又は極小点を任意に指定するようにしてもよい。 また、 任意 の時刻に前記 Z MP挙動空間における極大点及び/又は極小点を任意に指定する ようにしてもよい。 また、 単脚支持後期、 両脚支持期、 単脚支持前期など脚の支 持状態に応じて前記 Z MP挙動空間における極大点及び/又は極小点を任意に 定するようにしてもよい。 このような場合、 ロボットが脚式作業を行うときに、 時々刻々と変わる歩容に 応じて姿勢の安定制御が容易な空間歪みを持つ Z MP挙動空間を動的に生成する ことができる。 本発明のさらに他の目的、 特徴や利点は、 後述する本発明の実施例や添付する 図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

[図面の簡単な説明] 図 1は、 ロボットゃ路面が限りなく剛体に近い理想的なモデルの場合における

Z M P位置とロボヅトの変形量 （若しくは運動量） との関係 （すなわちロボヅト が持つ Z MP挙動空間） を示した図である。

図 2は、現実には剛体ではない場合における Z MP位置とロボヅトの変形量 (若 しくは運動量） との関係 （すなわちロボットが持つ Z MP挙動空間） を示した図 である。

図 3は、 本発明の実施に供される 「人間形」又は「人間型」 の脚式移動ロボッ ト 1 0 0が直立している様子を前方から眺望した様子を示した図である。

図 4は、 本発明の実施に供される 「人間形」又は「人間型」 の脚式移動ロボヅ ト 1 0 0が直立している様子を後方から眺望した様子を示した図である。

図 5は、 脚式移動ロボット 1 0 0が具備する関節自由度構成を模式的に示した 図である。

図 6は、 本発明の一実施形態に係る脚式移動ロボヅト 1 0 0の制御システム構 成を模式的に示した図である。

図 7は、 ロボットの変形量又は運動量と Z MP位置との関係を表した Z MP挙 動空間の構成例を示した図である。

図 8は、 ロボットの変形量又は運動量と Z MP位置との関係を表した Z MP挙 動空間の他の構成例を示した図である。

図 9は、 ロボットの変形量又は運動量と Z MP位置との関係を表した Z MP挙 動空間のさらに他の構成例を示した図である。 図 1 0は、 ロボヅトの変形量又は運動量と Z MP位置との関係を表した Z MP 挙動空間のさらに他の構成例を示した図である。

図 1 1は、 ロボットの変形量又は運動量と Z MP位置との関係を表した Z MP 挙動空間のさらに他の構成例を示した図である。

図 1 2は、 単脚支持期後期の左立脚における Y方向 （進行方向と直交方向） の Z MP挙動空間の構成例を示した図である。

図 1 3は、 単脚支持期後期の左立脚における X方向 （進行方向） の Z MP挙動 空間の構成例を示した図である。

図 1 4は、 単脚支持期後期の左立脚における Y方向 （進行方向と直交方向） の Z MP挙動空間の理想的な構成例を示した図である。

図 1 5は、 単脚支持期後期の左立脚における X方向 （進行方向） の Z MP挙動 空間の理想的な構成例を示した図である。

図 1 6は、 単脚支持期後期の体幹部における Y方向 （進行方向と直交方向） の Z MP挙動空間の理想的な構成例を示した図である。

図 1 7は、 単脚支持期後期の体幹部における X方向 （進行方向） の Z MP挙動 空間の理想的な構成例を示した図である。

図 1 8は、 両脚支持期の左立脚における Y方向 （進行方向と直交方向） の Z M P挙動空間の構成例を示した図である。

図 1 9は、 両脚支持期の左立脚における X方向 （進行方向） の Z MP挙動空間 の構成例を示した図である。

図 2 0は、 両脚支持期の左立脚における Y方向 （進行方向と直交方向） の理想 的な Z M P挙動空間の構成例を示した図である。

図 2 1は、 両脚支持期の左立脚における Y方向 （進行方向と直交方向） の理想 的な Z MP挙動空間の構成例を示した図である。

図 2 2は、 両脚支持期の体幹部における Y方向 （進行方向と直交方向） の理想 的な Z M P挙動空間の構成例を示した図である。

図 2 3は、 両脚支持期の体幹部における X方向 （進行方向） の理想的な Z MP 挙動空間の構成例を示した図である。

図 2 4は、 単脚支持期前期の右立脚における Y方向 （進行方向と直交方向） の Z M P挙動空間の構成例を示した図である。

図 2 5は、 単脚支持期前期の右立脚における X方向 （進行方向） の Z MP挙動 空間の構成例を示した図である。

図 2 6は、 単脚支持期前期の右立脚における Y方向 （進行方向と直交方向） の 理想的な Z M P挙動空間の構成例を示した図である。

図 2 7は、 単脚支持期前期の右立脚における X方向 （進行方向） の理想的な Z MP挙動空間の構成例を示した図である。

図 2 8は、 単脚支持期前期の体幹部における Y方向 （進行方向と直交方向） の 理想的な Z M P挙動空間の構成例を示した図である。

図 2 9は、 単脚支持期前期の体幹部における X方向 （進行方向） の理想的な Z MP挙動空間の構成例を示した図である。

図 3 0は、 本発明の一実施形態に係る脚式移動ロボット 1 0 0に対して適用可 能な左足平部の表側の外観を示した斜視図である。

図 3 1は、 本発明の一実施形態に係る脚式移動ロボヅト 1 0 0に対して適用可 能な左足部の裏側の外観を示した斜視図である。

図 3 2は、 左足平の外側の側面図である。

図 3 3は、 左足平の底面図である。

図 3 4は、 左足平の正面図である。

図 3 5は、 左足平の上面図である。

図 3 6は、 図 3 5に示された線分 A— Aにおける断面図である。

図 3 7は、 足底緩衝材 （内） 4 0 5と足底緩衝材 （外） 4 0 4の弾性係数を比 較した図である。

図 3 8は、 足底緩衝材 （内） 4 0 5と足底緩衝材 （外） 4 0 4の変形量を比較 した図である。

図 3 9は、 足平フレーム 4 0 3の上面を斜視した様子を示した図である。 図 4 0は、 足平フレーム 4 0 3の底面を斜視した様子を示した図である。 図 4 1は、 足平フレーム 4 0 3をロール軸方向に分割した断面図である。 図 4 2は、 足平フレーム 4 0 3の口一ル軸回りの剛性がビッチ軸回りに比し強 化されている様子を示した図である。 図 4 3は、 本発明の一実施形態に係る左足平部の表側の外観を示した斜視図で ある。

図 4 4は、 本発明の一実施形態に係る左足平部の裏側の外観を示した斜視図で める。

図 4 5は、 本発明の一実施形態に係る左足平部の側面図である。

図 4 6は、 本発明の一実施形態に係る左足平部の底面図である。

図 4 7は、 本発明の一実施形態に係る脚式移動ロボット 1 0 0の左右の各脚部 1 0 4の構成を大きく描いた図である。

図 4 8は、 図 4 7に示した脚式移動ロボヅト 1 0 0の脚部ュニヅ トの外側 （土 踏まずの反対側）側面図である。

図 4 9は、 図 4 7に示した脚式移動ロボヅト 1◦ 0の脚部ュニットの正面図で ある。

図 5 0は、 図 4 7に示した脚式移動ロボット 1 0 0の脚部ュニットの内側 （土 踏まず側）側面図である。

図 5 1は、 Z MP挙動空間の制御システム 5 0 0の機能構成を模式的に示した 図である。

[発明を実施するための最良の形態] 以下、 図面を参照しながら本発明の実施例を詳解する。

A. ロボットの構成

図 3及び図 4には本発明の実施に供される 「人間形」又は「人間型」の脚式移 動ロボット 1 0 0が直立している様子を前方及び後方の各々から眺望した様子を 示している。 図示の通り、 脚式移動ロボット 1 0 0は、 体幹部 1 0 1と、 頭部 1 0 2と、 左右の上肢部 1 0 3と、 脚式移動を行う左右 2足の下肢部 1 0 4と、 機 体の動作を統括的にコントロールする制御部 1 0 5とで構成される。

左右各々の下肢 1 0 4は、 大腿部と、 膝関節と、 脛部と、 足首と、 足平とで構 成され、 股関節によって体幹部の略最下端にて連結されている。 また、 左右各々 の上肢は、 上腕と、 肘関節と、 前腕とで構成され、 肩関節によって体幹部の上方 の左右各側縁にて連結されている。 また、 頭部は、 首関節によって体幹部の略最 上端中央に連結されている。

制御部 1 0 5は、 この脚式移動ロボヅト 1 0 0を構成する各関節ァクチユエ一 夕の駆動制御ゃ各センサ（後述）などからの外部入力を処理するコントローラ（主 制御部） や、 電源回路その他の周辺機器類を搭載した筐体である。 制御部は、 そ の他、遠隔操作用の通信ィン夕一フヱ一スゃ通信装置を含んでいてもよい。また、 図 3及び図 4に示す例では、 脚式移動ロボット 1 0 0が制御部を背中に背負うよ うな格好となっているが、 制御部の設置場所は特に限定されない。

このように構成された脚式移動ロボット 1 0 0は、 制御部 1 0 5による全身協 調的な動作制御により、 2足歩行を実現することができる。 かかる 2足歩行は、 一般に、 以下に示す各動作期間に分割される歩行周期を繰り返すことによって行 われる。 すなわち、

( 1 ) 右脚を持ち上げた、 左脚による単脚支持期

( 2 ) 右脚が接地した両脚支持期

( 3 )左脚を持ち上げた、 右脚による単脚支持期

( 4 ) 左脚が接地した両脚支持期

脚式移動ロボット 1 0 0における歩行制御は、 あらかじめ下肢の目標軌道を計 画し、 上記の各期間において計画軌道の修正を行うことによって実現される。 す なわち、 両脚支持期では、 下肢軌道の修正を停止して、 計画軌道に対する総修正 量を用いて腰の高さを一定値で修正する。 また、 単脚支持期では、 修正を受けた 脚の足首と腰との相対位置関係を計画軌道に復帰させるように修正軌道を生成す る。 具体的な修正は、 Z MPに対する偏差を小さくするための位置、 速度、 及び 加速度が連続となるように、 5次多項式を用 ヽた補間計算により行う。

図 5には、 この脚式移動ロボット 1 0 0が具備する関節自由度構成を模式的に 示している。 同図に示すように、 脚式移動ロボヅト 1 0 0は、 2本の腕部と頭部 1を含む上肢と、 移動動作を実現する 2本の脚部からなる下肢と、 上肢と下肢と を連結する 部とで構成された、 複数の肢を備えた構造体である。

頭部 1を支持する首関節は、 首関節ョ一軸 2と、 首関節ピッチ軸 3と、 首関節 ロール軸 4という 3自由度を有している。

また、 各腕部は、 肩関節ピッチ軸 8と、 肩関節ロール軸 9と、 上腕ョ一軸 1 0 と、 肘関節ピッチ軸 1 1と、 前腕ョー軸 1 2と、 手首関節ピッチ軸 1 3と、 手首 関節ロール軸 1 4と、 手部 1 5とで構成される。 手部 1 5は、 実際には、 複数本 の指を含む多関節 '多自由度構造体である。 但し、 手部 1 5の動作はロボヅト 1 0 0の姿勢制御や歩行制御に対する寄与や影響が少ないので、 本明細書ではゼロ 自由度と仮定する。 したがって、 各腕部は 7自由度を有するとする。

また、 体幹部は、 體ピッチ軸 5と、 # ^ロール軸 6と、 雌ョ一軸 7という 3自由度を有する。

また、 下肢を構成する各々の脚部は、 股関節ョ一軸 1 6と、 股関節ピヅチ軸 1 7と、股関節ロール軸 1 8と、膝関節ピッチ軸 1 9と、足首関節ピッチ軸 2 0と、 足首関節ロール軸 2 1と、 足部 2 2とで構成される。 人体の足部 2 2は実際には 多関節 ·多自由度の足底を含んだ構造体であるが、 本実施形態に係る脚式移動口 ボット 1 0 0の足底はゼロ自由度とする。 したがって、 各脚部は 6自由度で構成 される。

以上を総括すれば、 本実施例に係る脚式移動ロボヅト 1 0 0全体としては、 合 計で 3 + 7 x 2 + 3 + 6 x 2 = 3 2自由度を有することになる。但し、 ェン夕一 ティンメント向けの脚式移動ロボヅト 1 0 0が必ずしも 3 2自由度に限定される 訳ではない。設計 ·製作上の制約条件や要求仕様などに応じて、 自由度すなわち 関節数を適宜増減することができることは言うまでもない。

上述したような脚式移動ロボット 1 0 0が持つ各自由度は、 実際にはァクチュ エー夕を用いて実装される。外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形状に 近似させること、 2足歩行という不安定構造体に対して姿勢制御を行うことなど の要請から、 ァクチユエ一夕は小型且つ軽量であることが好ましい。 本実施例で は、 ギア直結型で且つサ一ボ制御系をワンチップ化してモー夕 .ユニットに内蔵 したタイプの小型 A Cサーボ ·ァクチユエ一夕を搭載することとした。 なお、 こ の種の A Cサーボ ·ァクチユエ一夕に関しては、 例えば本出願人に既に譲渡され ている特閧 2 0 0 0 - 2 9 9 9 7 0号公報 （特願平 1 1— 3 3 3 8 6号） に開示 されている。 図 6には、 本実施形態に係る脚式移動ロボット 1 0 0の制御システム構成を模 式的に示している。 同図に示すように、 該制御システムは、 ユーザ入力などに動 的に反応して情緒判断や感情表現を司る思考制御モジュール 2 0 0と、 関節ァク チユエ一夕の駆動などロボットの全身協調運動を制御する運動制御乇ジュール 3 0 0とで構成される。

思考制御モジュール 2 0 0は、 情緒判断や感情表現に関する演算処理を実行す る C P U (Central Processing Unit) 2 1 1や、 RAM (Random Access Memory 2 1 2、 R O M (Read Only Memory) 2 1 3、 及び、 外部記憶装置 （ハード'ディ スク ·ドライブなど） 2 1 4で構成される、モジュール内で自己完結した処理を行 うことができる、 独立駆動型の情報処理装置である。

思考制御モジュール 2 0 0は、 情緒判断や感情表現に関する演算処理を実行す る C P U (Central Processing Unit) 2 1 1や、 R AM (Random Access Memory)

2 1 2、 R O M (Read Only Memory) 2 1 3、 及び、 外部記憶装置 （ハード'ディ スク-ドライブなど） 2 1 4で構成される、モジュール内で自己完結した処理を行 うことができる独立した情報処理装置である。

思考制御モジュール 2 0 0では、 画像入力装置 2 5 1から入力される視覚デー 夕や音声入力装置 2 5 2から入力される聴覚デ一夕など、 外界からの刺激などに 従って、 脚式移動ロボット 1 0 0の現在の感情や意思を決定する。 さらに、 意思 決定に基づいた動作（アクション）又は行動シーケンス （ビヘイビア)、 すなわち 四肢の運動を実行するように 運動制御モジュール 3 0 0に対して指令を発行す る。

一方の運動制御モジュール 3 0 0は、 ロボット 1 0 0の全身協調運動を制御す る C P U (Central Processing Unit) c5 1 1や、 RAM (R裏 om Access Memory)

3 1 2、 R O M (Read Only Memory) 3 1 3、 及び、 外部記憶装置 （ハード'ディ スク ·ドライブなど） 3 1 4で構成される、モジュール内で自己完結した処理を行 うことができる、 独立駆動型の情報処理装置である。 外部記憶装置 3 1 4には、 例えば、 オフラインで算出された歩行パターンや Z MP目標軌道、 その他の行動 計画を蓄積することができる。

運動制御モジュール 3 0 0には、 ロボヅト 1 0 0の全身に分散するそれそれの 関節自由度を実現する各関節ァクチユエ一夕（図 5を参照のこと)、体幹部の姿勢 や傾斜を計測する姿勢センサ 3 5 1、 左右の足底の離床又は着床を検出する接地 確認センサ 3 5 2及び 3 5 3、 バッテリなどの電源を管理する電源制御装置など の各種の装置が、 バス'イン夕一フェース 3 0 1経由で接続されている。

思考制御モジュール 2 0 0と運動制御モジュール 3 0 0は、 共通のブラットフ オーム上で構築され、両者間はバス'イン夕一フェース 2 0 1及び 3 0 1を介して 相互接続されている。

運動制御モジュール 3 0 0では、 思考制御モジュール 2 0 0から指示された行 動を体現すべく、 各関節ァクチユエ一夕による全身協調運動を制御する。 すなわ ち、 C P U 3 1 1は、 思考制御モジュール 2 0 0から指示された行動に応じた動 作パターンを外部記憶装置 3 1 4から取り出し、 又は、 内部的に動作パターンを 生成する。 そして、 C P U 3 1 1は、 指定された動作パターンに従って、 足部運 動、 Z MP軌道、 # ^運動、 上肢運動、 腰部水平位置及び高さなどを設定すると ともに、 これらの設定内容に従った動作を指示する指令値を各関節ァクチユエ一 夕に転送する。

また、 C P U 3 1 1は、 姿勢センサ 3 5 1の出力信号によりロボヅ ト 1 0 0の 部分の姿勢や傾きを検出するとともに、 各接地確認センサ 3 5 2及び 3 5 3 の出力信号により各可動脚が遊脚又は立脚のいずれの状態であるかを検出するこ とによって、 脚式移動ロボヅト 1 0 0の全身協調運動を適応的に制御することが できる。

また、 C P U 3 1 1は、 Z MP位置が常に Z MP安定領域の中心に向かうよう に、 機体の姿勢や動作を制御する。

さらに、 運動制御モジュール 3 0 0は、 思考制御モジュール 2 0 0において決 定された意思通りの行動がどの程度発現されたか、 すなわち処理の状況を、 思考 制御モジュ一ノレ 2 0 0に返すようになつている。

B . ロボヅトの姿勢制御

脚式移動ロボットの多くは、 Z MP (Zero Moment Point) を歩行の安定度判別 の規範として採用する。 Z MPによる安定度判別規範は、 歩行系から路面には重力と慣性力、 並びにこ れらのモーメントが路面から歩行系への反作用としての床反力、 並びに床反カモ 一メントとバランスするという 「ダランベールの原理」に基づくものであり、「歩 行のあらゆる瞬間において、 Z MPが足部と路面とが形成する支持多角形の内側 に存在し、 且つ、 ロボットが路面に押す方向の力が作用すれば、 ロボットが転倒 (機体が回転運動） することなく安定に歩行できる」 とするものである。

Z MPを安定度判別規範に用いたロボヅ卜の姿勢安定度制御は、 足底接地点と 路面の形成する支持多角形の内側にビヅチ及び口一ル軸モ一メントがゼロとなる 点を探索することをベースとする。 Z MP安定度判別規範に基づく 2足歩行パ夕 —ン生成によれば、 足底着地点をあらかじめ設定することができ、 路面形状に応 じた足先の運動学的拘束条件を考慮し易いなどの利点がある。 また、 Z MPを安 定度判別規範とすることは、 力ではなく軌道を運動制御上の目標値として扱うこ とを意味するので、 技術的に実現可能性が高まる。

しかしながら、 [従来の技術の欄]でも既に説明したように、 Z MP規範は、 口 ボットの機体及び路面が剛体に限りなく近いと仮定できる場合のみ適用すること ができる規範に過ぎない。 すなわち、 ロボットや路面が剛体に限りなく近いと仮 定できない場合、例えば、ロボヅトが高速に動くことで Z MPに作用している（並 進） 力や、 立脚切替え時の衝撃力が大きくなり、 ロボット自身に変形や運動が発 生してしまう場合には、 印加される力に対するロボットの変形量を適切に管理し ないと、 Z MPが存在している空間自体が不安定になってしまい、 仮にロボット の姿勢が Z M P安定度判別規範を満たしても、不安定な Z M P位置をとるために、 ロボットの姿勢が不安定になってしまう。

また、 Z MP位置が Z MP安定領域から逸脱してはじめて補正制御をかけると いう事後的制御では、 充分な速度で応答できず、 外乱などに対するロバスト性が 高くない。

そこで、 本実施形態では、 ロボットの機体の変形量や運動量を考慮して安定し た Z MP挙動空間を持つロボヅト 'システム構成を採用する。 Z MP挙動空間は Z MP位置と機体が床面から受ける床反力で定義されるが、 本実施形態では機体 が安定するような変形量や運動量が発生するように、 Z MP挙動空間に所定の歪 み又は所定の特性があらかじめ与えられている。

したがって、 Z MP位置の移動量が所定の領域を越えてはじめて事後的な補正 制御を開始するのではなく、 あらかじめロボットの姿勢が安定するような空間歪 みが与えられているので、 機体の制御機構が充分な応答速度を持たなくても、 外 乱などに対して高い口バスト性を得ることができる。

ここで、 ロボットの変形量 （若しくは運動量） の正負は、 負が Z MPを安定領 域の縁に移動させようとする空間歪みを生じさせる方向となり、 正が Z MPを安 定領域の中心に移動させようとする空間歪みを生じさせる方向となる、 という点 に留意されたい。

図 7には、 ロボットの変形量又は運動量と Z MP位置との関係を表した Z MP 挙動空間の構成例を示している。

同図に示す例では、 Z MP挙動空間は、 放物線又は円弧で表される非線型曲線 で構成される。 また、 図示しないが、 不連続点や変曲点を含んでいてもよい。

Z MP位置が Z MP安定領域内の略中央付近においては、 ロボヅトに大きな変 形量 （若しくは運動量） は発生しないので、 そのままの状態ではロボットは機体 の姿勢安定性を失うことはない。

また、 Z MP位置が Z MP安定領域の中央から離れるにつれて、 ロボットの変 形量 （若しくは運動量） は正方向に増大していく。 これに伴って、 Z MPを安定 領域の中心に移動させようとする空間歪みを生じさせる作用が働くので、 やはり 機体の姿勢安定性を維持し易くなる。

また、 図 8には、 ロボットの変形量又は運動量と Z MP位置との関係を表した Z MP挙動空間の他の構成例を示している。

同図に示す例では、 Z MP挙動空間は、 Z MP安定領域の略中央付近の線形直 線と、 その左右両端で接続される非線型曲線とで構成され、 直線と曲線の間で不 連続点を含んでいる。 また、 図示しないが変曲点を含んでいてもよい。

Z MP位置が Z MP安定領域の略中央付近では、 平坦すなわちロボットに大き な変形量 （若しくは運動量） は発生しないので、 そのままの状態ではロボットは 機体の姿勢安定性を失うことはない。

また、 Z MP位置が平坦な領域を逸脱すると、 ロボットの変形量 （若しくは運 動量） は正方向に急激に増大していく。 これに伴って、 Z MPを安定領域の中心 に移動させようとする空間歪みを生じさせる作用が働くので、 積極的な運動制御 がなくても、 機体の姿勢安定性を維持し易くなる。

また、 図 9には、 ロボットの変形量又は運動量と Z MP位置との関係を表した Z M P挙動空間のさらに他の構成例を示している。

同図に示す例では、 Z MP挙動空間は、 複数の線形直線を連結して構成され、 複数の不連続点を含んでいる。

Z M P位置が Z M P安定領域の略中央付近では、 Z M P中央位置からの距離に 応じてロボットの変形量 （若しくは運動量） が徐々に正方向に増大する比較的傾 斜が緩やかな直線で Z MP挙動空間が形成される。 また、 Z MP中央位置からの 距離が所定値に到達した時点で、 Z MP中央位置からの距離に応じてロボットの 変形量 （若しくは運動量） が急激に正方向に増大していく比較的傾斜が急な直線 で Z M P挙動空間が形成されている。

図示の例では、 Z MP位置が Z MP安定領域の略中央付近では、 Z MPを安定 領域の中心に移動させようとする空間歪みを生じさせる比較的弱い作用が働くと ともに、 Z MP位置が Z MP中央位置からある距離から離れた時点では、 Z MP を安定領域の中心に移動させようとする空間歪みを生じさせる比較的強い作用が 働くことになる。 したがって、 積極的な運動制御がなくても、 同様に機体の姿勢 安定性を維持し易くなる。

また、 図 1 0には、 ロボットの変形量又は運動量と Z MP位置との関係を表し た Z M P挙動空間のさらに他の構成例を示している。

同図に示す例では、 Z MP挙動空間は、 非線型曲線で構成され、 Z MP安定領 域の略中央位置に極小点を持つとともに、 Z MP安定領域の境界の近くで極大点 を有している。

このような Z MP挙動空間においては、 Z MP位置が左右の極大点の内側では、 Z M P中央位置からの距離に応じてロボットの変形量 （若しくは運動量） は正方 向に増大するので、機体の姿勢安定性の維持が容易な姿勢安定モードを形成する。 他方、 Z MP位置が左右の極大点の外側では、 ロボットの変形量 （若しくは運 動量） は徐々に減少していき、 Z MPを安定領域の中心に移動させようとする空 間歪みは低下していく。 この結果、 機体は姿勢の安定性を失い易くなり、 転倒モ ードを形成する。

また、 図 1 1には、 ロボットの変形量又は運動量と Z M P位置との関係を表し た Z M P挙動空間のさらに他の構成例を示している。

同図に示す例では、 複数の線形直線を連結して構成され、 複数の不連続点を含 んでいる。 Z MP安定領域の略中央付近では、 Z MP中央位置からの距離に応じ てロボットの変形量 （若しくは運動量） が徐々に負方向に増大する比較的傾斜が 緩やかな直線で Z MP挙動空間が形成される。 また、 Z MP中央位置からの距離 が所定値に到達した時点で、 平坦となる。

この場合の Z MP挙動空間は、 Z MP安定領域内のいずれの位置においても口 ボットの変形量 （若しくは運動量） が負方向にのみ作用し、 Z MP位置がその中 央位置からある程度以上離れると、 Z M Pを安定領域外に移動させようとする空 間ひずみは一定量になる。 したがって、 不安定ではあるが制御が比較的容易な Z MP挙動空間であると言える。

次いで、 図 3〜図 5に示すような 2足の脚式移動ロボヅト 1 0 0が歩行動作を 行う場合を例にとって、 Z MP挙動空間について考察してみる。本実施形態では、 Z M P挙動空間は Z MP安定領域の略中央に Z MP位置が向かうような空間歪み が与えられており、 機体が安定する方向に Z M P位置が自ずと移動するように、 床反力に応じた機体の変形量若しくは運動量が発生するようになっている。

図 1 2及び図 1 3には、 単脚支持期後期の左立脚における Y方向 （進行方向と 直交方向） 並びに X方向 （進行方向） の Z M P挙動空間の構成例をそれそれ示し ている。

図 1 2に示すように、 単脚支持期後期の左立脚における Y方向の Z MP挙動空 間は、 床反力が小さいときには Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるに つれて負方向すなわち Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れる方向に向か うようなロボヅトの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなるに つれて Z M P位置が機体の外側に向かって移動したときにはロボットの変形量若 しくは運動量が生じなくなるような空間歪みが与えられている。 この結果、 支持 脚として左立脚においては、 ； MP位置の Y方向への移動量にほぼ線形的に曲が り量が減少する。 床反力が小さいときには、 Z MP位置が機体の内側に移動した ときには左立脚は内側に向かって曲がるとともに、 Z MP位置が機体の外側に移 動したときには左立脚は外側に向かって曲がるが、床反力が大きくなるにつれて、 Z M P位置が機体の外側に移動しても左立脚は外側には曲がり難くなるように構 成されている。

なお、 ロボットの総重量を 1 0 0としたときに、 床反力が 1 0 0以上となると きに床反力が「大きい」 と言い、 床反力が 2 0〜1 0 0程度のときには床反力が 「中」 と言い、 また、 床反力が 2 0以下となるときに床反力が「小さい」 と言う (以下同様)。但し、 これらはだいたいの目安であって、 ロボットの機体構造、重 量によって変更しても構わない。特に、 「床反力が小さい」ということを定性的に 表現すると、 両足支持期に、 一方の足でほぼ全身を支えている際の他方の足に加 わっている程度の床反力を言う。

また、 図 1 3に示すように、 単脚支持期後期の左立脚における X方向の Z MP 挙動空間は、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて負方向すな わち Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボヅト の変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなるに従い、 機体に発生 する変形量若しくは運動量が次第に小さくなっていくような空間歪みが与えられ ている。 この結果、 支持脚として左立脚においては、 Z MP位置の X方向への移 動量にほぼ線形的に曲がり量が減少する。床反力が小さいときには、 Z MP位置 が機体の前方に移動したときには左立脚は前方に向かって曲がるとともに、 Z M P位置が機体の後方に移動したときには左立脚は後方に向かって曲がるが、 床反 力が大きくなるにつれて、 Z MP位置が前方又は後方のいずれに移動しても左立 脚は曲がり難くなるように構成されている。

図 1 4及び図 1 5には、 単脚支持期後期の左立脚における Y方向 （進行方向と 直交方向） 並びに X方向 （進行方向） の理想的な Z MP挙動空間の構成例をそれ それ示している。

図 1 4に示すように、 単脚支持期後期の左立脚における Y方向の理想的な Z M P挙動空間は、 床反力が小さいときには Z M P位置が Z M P安定領域の中心から 外れるにつれて負方向すなわち Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れる方 向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大き くなるに従い、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて正方向す なわち Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若し くは運動量が生じるような空間歪みが与えられている。 この結果、 床反力が小さ いときには、 Z MP位置が機体の内側に移動したときには左立脚は内側に向かつ て曲がるとともに Z MP位置が機体の外側に移動したときには左立脚は外側に向 かって曲がるが、 床反力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位置が機体の内側に 移動したときには左立脚は外側に向かって曲がるとともに Z MP位置が機体の外 側に移動したときには左立脚は内側に向かって曲がるように構成されている。 また、 図 1 5に示すように、 単脚支持期後期の左立脚における X方向の理想的 な Z MP挙動空間は、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の 中心から外れるにつれて負方向すなわち Z MP位置が Z MP安定領域の中心から 外れる方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反 力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるに つれて正方向すなわち Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボッ 卜の変形量若しくは運動量が発生するような空間歪みが与えられている。 この結 果、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が機体の前方に移動したときには左立 脚は前方に向かって曲がるとともに Z MP位置が機体の後方に移動したときには 左立脚は後方に向かって曲がるが、 床反力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位 置が機体の前方に移動したときには左立脚は後方に向かって曲がるとともに Z M P位置が機体の後方に移動したときには左立脚は前方に向かって曲がるように構 成されている。

図 1 6及び図 1 7には、 単脚支持期後期の体幹部における Y方向 （進行方向と 直交方向） 並びに X方向 （進行方向） の理想的な Z MP挙動空間の構成例をそれ ぞれ示している。

図 1 6に示すように、 単脚支持期後期の体幹部における Y方向の理想的な Z M P挙動空間は、 床反力が小さいときには Z M P位置が Z M P安定領域の中心から 外れるにつれて負方向すなわち Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れる方 向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大き くなるに従い、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて正方向す なわち Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボヅトの変形量若し くは運動量が生じるような空間歪みが与えられている。 この結果、 床反力が小さ いときには、 Z MP位置が機体の内側に移動したときには 部は内側に向かつ て曲がるとともに Z MP位置が機体の外側に移動したときには 部は外側に向 かって曲がるが、 床反力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位置が機体の内側に 移動したときには 部は外側に向かって曲がるとともに Z M P位置が機体の外 側に移動したときには体幹部は内側に向かって曲がるように構成されている。 また、 図 1 7に示すように、 単脚支持期後期の体幹部における X方向の理想的 な Z MP挙動空間は、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の 中心から外れるにつれて負方向すなわち Z MP位置が Z MP安定領域の中心から 外れる方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反 力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるに つれて正方向すなわち Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボッ トの変形量若しくは運動量が発生するような空間歪みが与えられている。 この結 果、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が機体の前方に移動したときには体幹 部は前方に向かって曲がるとともに Z MP位置が機体の後方に移動したときには 僻 Φ部は後方に向かって曲がるが、 床反力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位 置が機体の前方に移動したときには体幹部は後方に向かって曲がるとともに Z M P位置が機体の後方に移動したときには^部は前方に向かって曲がるように構 成されている。

図 1 8及び図 1 9には、 両脚支持期の左立脚における Y方向 （進行方向と直交 方向） 並びに X方向 （進行方向） の Z MP挙動空間の構成例をそれそれ示してい る。

図 1 8に示すように、両脚支持期の左立脚における Y方向の Z MP挙動空間は、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて負方向すなわち Z MP位 置が Z M P安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボヅトの変形量若し くは運動量が発生するが、 床反力が大きくなるに従い、 機体に発生する変形量若 しくは運動量が次第に小さくなっていくような空間歪みが与えられている。 両脚 支持期では 2本の脚で支持するため、 1本の脚で支持する単脚支持期より Z MP 挙動空間の剛性が高くなり、 空間歪みは小さい。 この結果、 Z MP位置の Y方向 への移動量にほぼ線形的に左立脚の曲がり量が減少する。 床反力が小さいときに は、 Z M P位置が機体の内側に移動したときには左立脚は内側に向かって曲がる とともに、 Z MP位置が機体の外側に移動したときには左立脚は外側に向かって 曲がるが、 床反力が大きくなるにつれて、 Z MP位置が内側又は外側のいずれに 移動しても左立脚は曲がり難くなるように構成されている。 両脚支持期では 2本 の脚で支持するため 1本の脚で支持する単脚支持期に対し脚の曲がり量は小さい。 また、 図 1 9に示すように、 両脚支持期の左立脚における X方向の Z MP挙動 空間は、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて負方向すなわち Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボットの変 形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなるに従い、 機体に発生する 変形量若しくは運動量が次第に小さくなっていくような空間歪みが与えられてい る。 両脚支持期では 2本の脚で支持するため 1本の脚で支持する単脚支持期に対 し、 Z MP挙動空間の剛性が高くなり、 空間歪みは小さい。 この結果、 Z MP位 置の X方向への移動量にほぼ線形的に左立脚の曲がり量が減少する。 床反力が小 さいときには、 Z M P位置が機体の前方に移動したときには左立脚は前方に向か つて曲がるとともに、 Z MP位置が機体の後方に移動したときには左立脚は後方 に向かって曲がるが、 床反力が大きくなるにつれて、 Z M P位置が前方又は後方 のいずれに移動しても左立脚は曲がり難くなるように構成されている。両脚支持 期では 2本の脚で支持するため 1本の脚で支持する単脚支持期に対し脚の曲がり 量は小さい。

図 2 0及び図 2 1には、 両脚支持期の左立脚における Y方向 （進行方向と直交 方向）並びに X方向 （進行方向） の理想的な Z MP挙動空間の構成例をそれそれ 示している。

図 2 0に示すように、 両脚支持期の左立脚における Y方向の理想的な Z MP挙 動空間は、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外 れるにつれて負方向すなわち Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れる方向 に向かうようなロボヅトの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きく なるに従い、 逆に、 Z MP位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて正方 向すなわち Z MP位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量 若しくは運動量が発生するような空間歪みが与えられている。両脚支持期では 2 本の脚で支持するため、 1本の脚で支持する単脚支持期より Z MP挙動空間の剛 性が高くなり、 空間歪みは小さい。 この結果、 床反力が小さいときには、 Z MP 位置が機体の内側に移動したときには左立脚は内側に向かって曲がるとともに Z M P位置が機体の外側に移動したときには左立脚は外側に向かって曲がるが、 床 反力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位置が機体の内側に移動したときには左 立脚は外側に向かって曲がるとともに Z MP位置が機体の外側に移動したときに は左立脚は内側に向かって曲がるように構成されている。 両脚支持期では 2本の 脚で支持するため、 1本の脚で支持する単脚支持期に対して脚の曲がり量は小さ い。

また、 図 2 1に示すように、 両脚支持期の左立脚における X方向の理想的な Z MP挙動空間は、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心 から外れるにつれて負方向すなわち Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れ る方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が 大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれ て正方向すなわち Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボヅ トの 変形量若しくは運動量が発生するような空間歪みが与えられている。 両脚支持期 では 2本の脚で支持するため、 1本の脚で支持する単脚支持期より Z MP挙動空 間の剛性が高くなり、 空間歪みは小さい。 この結果、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が機体の前方に移動したときには左立脚は前方に向かって曲がるとと もに Z MP位置が機体の後方に移動したときには左立脚は後方に向かって曲がる が、 床反力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位置が機体の前方に移動したとき には左立脚は後方に向かって曲がるとともに Z MP位置が機体の後方に移動した ときには左立脚は前方に向かって曲がるように構成されている。 両脚支持期では 2本の脚で支持するため、 1本の脚で支持する単脚支持期の対し、 脚の曲がり量 は小さい。

図 2 2及び図 2 3には、 両脚支持期の体幹部における Y方向 （進行方向と直交 方向） 並びに X方向 （進行方向） の理想的な Z MP挙動空間の構成例をそれそれ 示している。

図 2 2に示すように、 両脚支持期の体幹部における Y方向の理想的な Z MP挙 動空間は、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外 れるにつれて負方向すなわち Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れる方向 に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きく なるに従い、 逆に、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて正方 向すなわち Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量 若しくは運動量が発生するような空間歪みが与えられている。 両脚支持期では 2 本の脚で支持するため、 1本の脚で支持する単脚支持期より Z MP挙動空間の剛 性が高くなり、 空間歪みは小さい。 この結果、 床反力が小さいときには、 Z MP 位置が機体の内側に移動したときにはィ 部は内側に向かって曲がるとともに Z M P位置が機体の外側に移動したときには体幹部は外側に向かって曲がるが、 床 反力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位置が機体の内側に移動したときには体 幹部は外側に向かって曲がるとともに Z MP位置が機体の外側に移動したときに は体幹部は内側に向かって曲がるように構成されている。

また、 図 2 3に示すように、 両脚支持期の体幹部における X方向の理想的な Z MP挙動空間は、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心 から外れるにつれて負方向すなわち Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れ る方向に向かうようなロボヅトの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が 大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれ て正方向すなわち Z MP位置が Z MP安定領域の中心に向かうようなロボットの 変形量若しくは運動量が発生するような空間歪みが与えられている。 両脚支持期 では 2本の脚で支持するため、 1本の脚で支持する単脚支持期よりも Z MP挙動 空間の剛性が高くなり、空間歪みは小さい。 この結果、床反力が小さいときには、 Z MP位置が機体の前方に移動したときには^部は前方に向かって曲がるとと もに Z M P位置が機体の後方に移動したときには 部は後方に向かって曲がる が、 床反力が大きくなるに従い、 逆に、 Z M P位置が機体の前方に移動したとき には!^部は後方に向かって曲がるとともに Z MP位置が機体の後方に移動した ときには 部は前方に向かって曲がるように構成されている。

図 2 4及び図 2 5には、 単脚支持期前期の左立脚における Y方向 （進行方向と 直交方向）並びに X方向 （進行方向） の Z MP挙動空間の構成例をそれそれ示し ている。

図 2 4に示すように、 単脚支持期前期の右立脚における Y方向の Z MP挙動空 間は、 床反力が小さいときには Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるに つれて負方向すなわち Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れる方向に向か うようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなるに つれて Z M P位置が機体の外側に向かって移動したときにはロボヅトの変形量若 しくは運動量が生じなくなるような空間歪みが与えられている。 この結果、 支持 脚として右立脚においては、 Z MP位置の Y方向への移動量にほぼ線形的に曲が り量が減少する。 床反力が小さいときには、 Z MP位置が機体の内側に移動した ときには右立脚は内側に向かって曲がるとともに、 Z MP位置が機体の外側に移 動したときには右立脚は外側に向かって曲がるが、床反力が大きくなるにつれて、 Z MP位置が機体の外側に移動しても右立脚は外側には曲がり難くなるように構 成されている。

また、 図 2 5に示すように、 単脚支持期前期の右立脚における X方向の Z MP 挙動空間は、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて負方向すな わち Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボット の変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなるに従い、 機体に発生 する変形量若しくは運動量が次第に小さくなっていくような空間歪みが与えられ ている。 この結果、 支持脚として右立脚においては、 Z MP位置の X方向への移 動量にほぼ線形的に曲がり量が減少する。 床反力が小さいときには、 Z MP位置 が機体の前方に移動したときには右立脚は前方に向かって曲がるとともに、 Z M P位置が機体の後方に移動したときには右立脚は後方に向かって曲がるが、 床反 力が大きくなるにつれて、 Z MP位置が前方又は後方のいずれに移動しても右立 脚は曲がり難くなるように構成されている。

図 2 6及び図 2 7には、 単脚支持期前期の右立脚における Y方向 （進行方向と 直交方向） 並びに X方向 （進行方向） の理想的な Z MP挙動空間の構成例をそれ それ示している。

図 2 6に示すように、 単脚支持期前期の右立脚における Y方向の理想的な Z M P挙動空間は、 床反力が小さいときには Z M P位置が Z M P安定領域の中心から 外れるにつれて負方向すなわち Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れる方 向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大き くなるに従い、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて正方向す なわち Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向かうような口ボヅトの変形量若し くは運動量が生じるような空間歪みが与えられている。 この結果、 床反力が小さ いときには、 Z MP位置が機体の外側に移動したときには右立脚は外側に向かつ て曲がるとともに Z MP位置が機体の内側に移動したときには右立脚は内側に向 かって曲がるが、 床反力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位置が機体の外側に 移動したときには右立脚は内側に向かって曲がるとともに Z MP位置が機体の内 側に移動したときには右立脚は外側に向かって曲がるように構成されている。 また、 図 2 7に示すように、 単脚支持期前期の右立脚における X方向の理想的 な Z MP挙動空間は、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の 中心から外れるにつれて負方向すなわち Z MP位置が Z MP安定領域の中心から 外れる方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反 力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるに つれて正方向すなわち Z MP位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボッ トの変形量若しくは運動量が発生するような空間歪みが与えられている。 この結 果、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が機体の前方に移動したときには右立 脚は前方に向かって曲がるとともに Z M P位置が機体の後方に移動したときには 右立脚は後方に向かって曲がるが、 床反力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位 置が機体の前方に移動したときには右立脚は後方に向かって曲がるとともに Z M P位置が機体の後方に移動したときには右立脚は前方に向かって曲がるように構 成されている。

図 2 8及び図 2 9には、 単脚支持期前期の体幹部における Y方向 （進行方向と 直交方向） 並びに X方向 （進行方向） の理想的な Z MP挙動空間の構成例をそれ そ'れ示している。 図 2 8に示すように、 単脚支持期前期の体幹部における Y方向の理想的な Z M P挙動空間は、 床反力が小さいときには Z M P位置が Z M P安定領域の中心から 外れるにつれて負方向すなわち Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れる方 向に向かうようなロボッ卜の変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大き くなるに従い、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて正方向す なわち Z MP位置が Z MP安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若し くは運動量が生じるような空間歪みが与えられている。 この結果、 床反力が小さ いときには、 Z M P位置が機体の外側に移動したときには 部は外側に向かつ て曲がるとともに Z MP位置が機体の内側に移動したときには 部は内側に向 かって曲がるが、 床反力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位置が機体の外側に 移動したときには^部は内側に向かって曲がるとともに Z MP位置が機体の内 側に移動したときには体幹部は外側に向かって曲がるように構成されている。 また、 図 2 9に示すように、 単脚支持期前期の 部における X方向の理想的 な Z MP挙動空間は、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の 中心から外れるにつれて負方向すなわち Z MP位置が Z MP安定領域の中心から 外れる方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反 力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるに つれて正方向すなわち Z MP位置が Z MP安定領域の中心に向かうようなロボッ トの変形量若しくは運動量が発生するような空間歪みが与えられている。 この結 果、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が機体の前方に移動したときには体幹 部は前方に向かって曲がるとともに Z MP位置が機体の後方に移動したときには 体幹部は後方に向かって曲がるが、 床反力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位 置が機体の前方に移動したときには体幹部は後方に向かって曲がるとともに Z M P位置が機体の後方に移動したときには # ^部は前方に向かって曲がるように構 成されている。

C . Z MP挙動空間の実現例

B項では、 単に Z MP安定度判別規範に頼るだけでなく、 ロボットや路面が剛 体に限りなく近いと仮定できないことを考慮して、 Z M P位置と床反力で定義さ れる Z MP挙動空間という観点から、 姿勢安定性に優れたロボヅト · システムの 構成方法について説明してきた。

本項では、 機体を安定に導くような空間歪みが与えられた Z M P挙動空間をハ —ドウヱァ的に備えた脚式移動ロボットの構成例について説明する。

C - 1 . 足平構造による安定した Z M P挙動空間の形成

この項では、 脚式移動ロボヅト 1 0◦の足部の足平構造を用いて、 機体を容易 に安定方向に向かわせるための空間歪みが与えられた Z M P挙動空間に関する実 施形態について説明する。

図 3 0には、 本発明の一実施形態に係る脚式移動ロボット 1 0 0に対して適用 可能な左足平部の表側の外観を示している。 また、 図 3 1には、 同左足平部の裏 側の外観を示している。 また、 図 3 2〜図 3 5には、 同左足平部の側面図 （但し 外側の側面)、底面図、正面図、 上面図がそれそれ示されている。 また、 図 3 6に は、 図 3 5に示された線分 A— Aにおける断面図が示されている。

但し、 以下の説明では、 足平の 「裏側」 は底面すなわち路面に接地する面を指 し、 足平の「表側」はその反対側の上面を指すものとする。 また、 足平の「内側」 は機体の内側となる部位 （例えば、 左足平であれば右側すなわち土踏まず側） を 指し、 足平の「外側」 は機体の内側となる部位 （例えば、 左足平であれば左側す なわち土踏まずの反対側） を指すものとする。

図 3 0及び図 3 1に示すように、 足平は、 足平フレーム 4 0 3と、 その上面を 被覆するカバ一 4 0 2で構成される。図 3 6からも判るように、カバ一 4 0 2は、 軽量化などのため、 中空の構造体で形成される。

足平フレーム 4 0 3の上面略中央には、 該当する可動脚ュニヅトと足首関節に より連結される足首連結部 4 0 1が配設されている。

足平フレーム 4 0 3や、 カバー 4 0 2、 足首部連結部 4 0 1などの構造体は、 例えば、 超ジユラルミンのような軽量で且つ高剛性の素材を利用して製作されて いる。

図 3 3からも判るように、 足平フレーム 4 0 3の底面の前後及び左右の各側縁 に沿って、 足底緩衝材 （外） 4 0 4と、 足底緩衝材 （内） 4 0 5と、 足底緩衝材 (前） 4 0 6と、 足底緩衝材 （後） 4 0 7がそれそれ配設されている。 これら緩 衝材 4 0 4〜4 0 7は、 例えばウレタン .ゴムのような、 所定の弾性係数を持つ 弾性体を用いて構成することができる。

図 3 2からも判るように、 足底緩衝材 （外） 4 0 4は、 両端の盛り上がった部 位 4 0 4— aと、 その間の凹んだ部位 4 0 4— bとで構成される略凹状の構造体 である。 また、 図 3 1からも判るように、 足底緩衝材 （内） 4 0 5も、 同様に、 両端が盛り上がった略凹状の構造体で構成されており、 足平の底面には 4隅に凸 部が形設されている。 各足底緩衝材 （外/内） 4 0 4 , 4 0 5の凹形状の深さは 例えば 0 . 5 mm程度でよい。

足底が路面に接地されて路面から反力などが印加されると、 初期は盛り上がつ た部位 4 0 4— aのみで支持するため、 弾性係数が小さくなる （すなわち、 外力 に対する変形量が大きい）。これに対し、部位 4 0 4— aの収縮が進行して凹んだ 部位 4 0 4— bと同じ高さに到達した以後は、 緩衝材 4 0 4の底面全面で支持す るようになるため、 弾性係数が大きくなる （すなわち、 外力に対する変形量が小 さくなる）。

緩衝材 4 0 4 , 4 0 5がこのような略凹状の構造体で構成される場合、 床反力 などの荷重に対する緩衝材の変形特性を非線形にすることができる。 通常の歩行 時のように、 床反力が小さい状態では、 足平フレームの足底の 4隅に形設された 凸部のみで支持する。 これに対し、 着地時などの衝撃により床反力が所定値を越 えると、足底に配設された緩衝材 4 0 4〜4 0 7全面で支持することになるので、 接地面を受容する特性が変化して、 衝撃力に好適に対処することができる。

このように非線形変形特性を持つ足底緩衝体を使用することにより、 まず路面 と接触を開始すると足底緩衝体が変形を開始することから、 充分な緩衝作用を期 待することができる。 また、 さらに変形が進行すると、 非線形特性により今度は 印加荷重当りの変形量が減少していくので、 過度の変形により足底が不安定とな ることはない。

本実施形態では、 さらに、 足底緩衝材 （外） 4 0 4と足底緩衝材 （内） 4 0 5 とで弾性特性を相違させている。 より具体的には、 図 3 7に示すように、 足底緩 衝材 （内） 4 0 5に比し、 足底緩衝材 （外） 4 0 4の弾性係数を大きく設定して いる。 この結果、 足底緩衝材 （外） 4 0 4と足底緩衝材 （内） 4 0 5は、 いずれ も通常歩行時と衝撃力印加時とで変形量は非線形となるが、図 3 8に示すように、 非線形領域における変形量は、 足底緩衝材 （内） 4 0 5の方が足底緩衝材 （外） 4 0 4よりも大きくなる。

このような、 足底緩衝材 （内） 4 0 5と足底緩衝材 （外） 4 0 4の変形特性の 相違により、 高い衝撃力が印加されたときには、 足底緩衝材 （内） 4 0 5の方が より深く沈み込むことになる。 この結果、 この足平フレーム 4 0 3上に搭載され た脚部ユニット （図示しない） が、 機体の内側すなわち中心側 （土踏まず側） に 向かって傾くことになり、 ロボヅトの Z MP位置を機体の内側すなわち遊脚を着 地させることで Z MP安定領域が倍増する方向へ移動させる作用が働く。

すなわち、 図 3 0〜図 3 5に示すような足底構造を採用することにより、 ロボ ッ卜の脚部の Z MP挙動空間において、 床反力が小さいときには Z M P位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて負方向すなわち Z M P位置が Z MP安定 領域の中心から外れる方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発 生するが、 床反力が大きくなるに従い、 Z M P位置が Z M P安定領域の中心から 外れるにつれて正方向すなわち Z MP位置が Z M P安定領域の中心に向かうよう なロボットの変形量若しくは運動量が生じるような空間歪みが形成される。 した がって、 図 1 4、 図 2 0、 並びに図 2 6を参照しながら既に説明したように、 単 脚支持後期、 両脚支持期、 並びに単脚支持前期の各局面において、 床反力が小さ いときには、 Z M P位置が機体の内側に移動したときには立脚は内側に向かって 曲がるとともに Z M P位置が機体の外側に移動したときには立脚は外側に向かつ て曲がるが、 床反力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位置が機体の内側に移動 したときには立脚は外側に向かって曲がるとともに Z M P位置が機体の外側に移 動したときには立脚は内側に向かって曲がるように構成される。 この結果、 脚式 移動ロボットの姿勢の安定性 ·制御性を向上させる （又は、 姿勢安定制御を容易 にする） という効果を導出することができる。

なお、 緩衝材の非線形的な変形特性は、 緩衝材の断面に対して上述したような 凹凸形状を設ける以外にも、 弾性係数の異なる弾性体を積層することによつても 得ることができる。 また、 使用する緩衝材の底面の形状や面積、 弾性係数など材 質を相違させることによって、 内側 （土踏まず側） と外側 （土踏まずの反対側） とでその変形特性を容易に相違させることができる。

図 3 9には、足平フレーム 4 0 3の上面を斜視した様子を示している。同様に、 図 4 0には、 足平フレーム 4 0 3の底面を斜視した様子を示している。

各図に示すように、 足平フレーム 4 0 3は、 例えば超ジュラルミンなどの軽量 且つ高剛性素材からなる平板構造体である。

図 3 9に示すように、 足平フレーム 4 0 3の上面には、 前後に各 1箇所ずつ凹 部 （a ) 4 0 3— a並びに凹部 （b ) 4 0 3 _ bが凹設されている。 これら凹部 4 0 3— a及び 4 0 3— bの間の凸部 （ d ) 4 0 3— dには、 足首連結用部品の 配置位置 4 0 3—fが設定されている。

また、図 4 0に示すように、足平フレーム 4 0 3の底面には、略中央に凹部（c ) 4 0 3— cが凹設されており、 その周縁には凸部 （e ) 4 0 3— eが形成されて いる。

図 4 1には、 この足平フレーム 4 0 3をロール軸方向 （すなわち機体の前後方 向） に沿って分割した断面図を示している。 同図からも判るように、 各凹部 4 0 3— a , 4 0 3— b， 4 0 3— cは平板構造の足平フレーム 4 0 3の厚みを薄く することによって、 足平全体の剛性のバランスを調整する効果がある。

本実施形態では、 足平フレーム 4 0 3の上面の略中央には、 前後両側の凹部 4 0 3— a , 4 0 3— bに挟設された凸部 4 0 3— dの存在などにより、 ピッチ軸 回りに比し、 ロール軸回りの剛性が強化されている （図 4 2を参照のこと）。 図 3並びに図 4に示した機体の全体構成からも推測されるように、 2足直立夕 イブの脚式移動ロボヅト 1 0 0は、 歩行方向すなわち前後方向 （ピッチ軸回り方 向） に比し、 横方向 （ロール軸回り方向） の Z MPの存在範囲が狭い。 言い換え れば、 ロール軸回りの外乱に対するロバスト性が低いため、 横方向すなわち口一 ル軸回りに対しては厳しい制御精度が要求されている。 本実施形態では、 図 3 9 〜図 4 1に示すような足平フレーム 4 0 3の構造を採用することにより、 ロール 軸回りの剛性を強化することができ、 横方向の外乱に対する口バスト性を著しく 向上させるという効果を導出することができる。

すなわち、 図 3 9〜図 4 1に示すような足底構造を採用することにより、 ロボ ヅトの脚部の Z MP挙動空間において、 Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向 かうようなロボットの変形量若しくは運動量が生じるような空間歪みが形成され る。 したがって、 図 1 4、 図 2 0、 並びに図 2 6を参照しながら既に説明したよ うに、 単脚支持後期、 両脚支持期、 並びに単脚支持前期の各局面において、 Z M P位置が機体の外側に移動したときには立脚は内側に向かって曲がるように構成 される。

このような機械的構成により Z M P位置が Z M P安定領域の中央に向かうよう な Z MP挙動空間の空間歪みを形成することによって、 姿勢の安定性 ·制御性を 向上させるという効果を導出することができる。 あるいは、 比較的遅いサンプリ ング周期を以つて機体の姿勢安定性を維持できるなど、 姿勢安定制御を容易にす るという効果を導出することができる。

図 4 3には、 本発明の他の実施形態に係る左足部の表側の外観を示している。 また、 図 4 4には、 同じ左足平部の裏側の外観を示している。 また、 図 4 5並び に図 4 6には、 同じ左足平部の側面図（但し、外側の側面)、底面図をそれそれ示 している。

図 4 3及び図 4 4に示すように、 足平は、 足平フレーム 5 0 3と、 その上面を 被覆するカバ一 5 0 2で構成される。 カバー 5 0 2は、 軽量化などのため、 中空 の構造体で形成される。 足平フレーム 5 0 3の上面略中央には、 該当する可動脚 ュニヅトと足首関節により連結される足首連結部 5 0 1が配設されている。

足平フレーム 5 0 3は、 図 3 9〜図 4 1に示した前述の実施形態と同様に、 上 面及び底面の略中央部に 1以上の凹部が形設された平板構造体で構成され、 ピヅ チ軸回り並びにロール軸回りの剛性のバランスが調整されている。 すなわち、 ピ ッチ軸回りに比し、口一ル軸回りの剛性が強化されており（図 4 3を参照のこと）、 横方向の外乱に対する口バスト性を著しく向上させるという効果が導出されてい る。

足平フレーム 5 0 3や、 カバ一 5 0 2、 足首部連結部 5 0 1などの構造体は、 例えば、 超ジユラルミンのような軽量で且つ高剛性の素材を利用して製作されて いる （同上)。

図 4 4並びに図 4 6からも判るように、 足平フレーム 5 0 3の底面の前後及び 左右の四隅には、 それそれ足底緩衝材（内一前） 5 0 4と、 足底緩衝材（外—前） 5 0 5と、 足底緩衝材 （内一後） 5 0 6と、 足底緩衝材 （外一後） 5 0 7が配設 されている。 また、 内側 （土踏まず側） の側縁に沿って 1個の足底緩衝材 （内一 中） 5 0 8が配設され、 足底の外側の側縁に沿って 2個の足底緩衝材 （外—中） 5 0 9— a並びに 5 0 9 _ bが配設されている。これら緩衝材 5 0 4 ~ 5 0 9は、 例えばウレタン ·ゴムのような、 弾性係数が所定値に設定された弾性体を用いて 構成することができる。

図 4 5からも判るように、足底の内側略中央に配設された足底緩衝材（内-中） 5 0 8、 並びに、 足底の外側略中央に配設された足底緩衝材 （外一中） 5 0 9— a及び 5 0 9— bは、 足底の四隅に配設されたその他の足底緩衝材 5 0 4〜5 0 7よりも背丈が低く構成されている。 この高さの差 tは例えば 0 . 5 mm程度で よい。 この緩衝材間の高低差により、 足底全体として持つ弾性特性に非線形成を 与えることができる （図 3 7〜図 3 8を参照のこと）。

足底が路面に接地されて路面から反力などが印加されると、 初期は背丈の高い 四隅の足底緩衝材 5 0 4〜 5 0 7のみで支持するため、弾性係数が小さくなる（す なわち、外力に対する変形量が大きい）。 これに対し、 四隅の足底緩衝材 5 0 4〜 5 0 7の収縮が進行して、 足底緩衝材 （内—中） 5 0 8、 足底緩衝材 （外—中） 5 0 9 - a及び 5 0 9 _ bと同じた化さに到達した以後は、 すべての緩衝材 5 0 4〜5 0 9で支持するようになるため、 弾性係数が大きくなる （すなわち、 外力 に対する変形量が小さくなる）。

要するに、 四隅の緩衝材 5 0 4〜5 0 7と内側並びに外側の略中央に配設され た緩衝材 5 0 8〜5 0 9との間で高さの差を設けた場合、 床反力などの荷重に対 する緩衝材の変形特性を非線形にすることができる。 通常の歩行時のように、 床 反力が小さい状態では、 足平フレームの足底の 4隅に形設された凸部のみで支持 する。 これに対し、 着地時などの衝撃により床反力が所定値を越えると、 足底に 配設されたすべての緩衝材 5 0 4〜5 0 9全面で支持することになるので、 接地 面を受容する特性が変化して、 衝撃力に好適に対処することができる。

このように非線形変形特性を持つ足底緩衝材を足部の足底に使用することによ り、 まず路面と接触を開始すると足底緩衝体が変形を開始することから、 充分緩 衝作用を期待することができる。 また、 さらに変形が進行すると、 非線形特性に より今度は印加される荷重当りの変形量が減少していくので、 過度の変形により 足底が不安定となることはない。

本実施形態では、 さらに、 内側略中央の足底緩衝材 5 0 8と外側略中央の足底 緩衝材 5 0 9とで、 個数の差を設けることにより足底の内側と外側とで弾性特性 を相違させている。 より具体的には、 図 3 7に示すように、 足底の内側に比し、 外側の方の緩衝材の個数をより多くすることによって、 弾性係数を大きく設定し ている。 この結果、 足底緩衝材 （外） 5 0 9と足底緩衝材 （内） 5 0 8は、 いず れも通常歩行時と衝撃力印加時とで変形量は非線形となるが、 図 3 8に示すよう に、 非線形領域における変形量は足底緩衝材（内） 5 0 8の方が足底緩衝材（外） 5 0 9よりも大きくなる。

このような、 足底緩衝材 （内） 5 0 8と足底緩衝材 （外） 5 0 9の変形特性の 相違により、 高い衝撃力が印加されたときには、 足底緩衝材 （内） 5 0 8の方が より深く沈み込むことになる。 この結果、 この足平フレーム 5 0 3上に搭載され た脚部ユニット （図示しない） が、 機体の内側すなわち中心に向かって傾くこと になり、 ロボットの Z M P位置を機体の内側すなわち遊脚を着地させることで安 定領域が倍増する方向へ移動させる作用が働く。

すなわち、 図 4 3〜図 4 6に示すような足底構造を採用することにより、 ロボ ヅトの脚部の Z MP挙動空間において、 床反力が小さいときには Z M P位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて負方向すなわち Z MP位置が Z M P安定 領域の中心から外れる方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発 生するが、 床反力が大きくなるに従い、 Z M P位置が Z MP安定領域の中心から 外れるにつれて正方向すなわち Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向かうよう なロボッ卜の変形量若しくは運動量が生じるような空間歪みが形成される。 した がって、 図 1 4、 図 2 0、 並びに図 2 6を参照しながら既に説明したように、 単 脚支持後期、 両脚支持期、 並びに単脚支持前期の各局面において、 床反力が小さ いときには、 Z M P位置が機体の内側に移動したときには立脚は内側に向かって 曲がるとともに Z MP位置が機体の外側に移動したときには立脚は外側に向かつ て曲がるが、 床反力が大きくなるに従い、 逆に、 Z MP位置が機体の内側に移動 したときには立脚は外側に向かって曲がるとともに Z MP位置が機体の外側に移 動したときには立脚は内側に向かって曲がるように構成される。 この結果、 脚式 移動ロボットの姿勢の安定性 ·制御性を向上させる （又は、 姿勢安定制御を容易 にする） という効果を導出することができる。

なお、 緩衝材の非線形的な変形特性は、 緩衝材の断面に対して上述したような 凹凸形状を設ける以外にも、 弾性係数の異なる弾性体を積層することによつても 得ることができる。 また、 使用する緩衝材の底面の形状や面積、 弾性係数など材 質を相違させることによって、 足平の内側 （土踏まず側） と外側 （土踏まずの反 対側） とでその変形特性を容易に相違させることができる。

この項で説明した本発明の実施形態によれば、 本発明に固有の足平構造によつ て安定した空間歪みを Z M P挙動空間に形成することにより、 比較的遅 ヽサンプ リング周期で Z MP安定度判別規範を用いながら機体の姿勢安定制御を行なうこ とができる、 という点を充分理解されたい。 C - 2 . 脚部構造による安定した Z MP挙動空間の形成

この項では、脚式移動ロボット 1 0 0の脚部ュニットのフレーム構造を用いて、 機体を容易に安定方向に向かわせるための空間歪みが与えられた Z MP挙動空間 に関する実施形態について説明する。

この実施形態では、 左右それそれの脚部ユニットについて、 その外側と内側と で剛性を異ならせる構造、 すなわち、 脚部の内側フレームに比し外側フレームの 剛性 （特に、 曲げ剛性） を強化した構造を採用する。

このような脚部ュニットの構成によって、 Z MP位置が Z MP安定領域の中央 に向かうような空間歪みが Z MP挙動空間に形成されるので、 姿勢の安定性 ·制 御性を向上させる （又は、 姿勢安定制御を容易にする） という効果を導出するこ とができる。

また、 予期しない外乱が発生した場合であっても、 ロボットの Z MP位置が機 体の外側すなわち土踏まずの反対側に移動しにくくなるようにして、 転倒を容易 に （すなわち、 機械的構造を利用して自然に） 回避することができる。

図 4 7には、 本実施形態に係る脚式移動ロボット 1 0 0の、 左右の各脚部 6 0 4の構成をさらに大きく描いている。

同図に示すように、 脚部 6 0 4は、 大腿部ュニヅト 6 1 1と、 脛部ュニヅト 6 1 2と、 足平 6 1 3とで構成される。

大腿部ュニヅト 6 1 1の略上端には、 その上方の 部 6 0 1との間でピッチ 軸並びにロール軸の各軸回りの関節自由度を付与するための、 股関節ロール軸ァ クチユエ一夕 6 2 1と、股関節ピッチ軸ァクチユエ一夕 6 2 2が配設されている。 また、 大腿部ュニヅ ト 6 1 1の略下端には、 その下方の脛部ュニッ ト 6 1 2との 間でピツチ軸回りの関節自由度を付与するための膝関節ビツチ軸ァクチユエ一夕 6 2 3が配設されている。

大腿部ュニット 6 1 1の内側すなわち土踏まず側は、 大腿部内側側板 6 3 1で 支持されている。 また、 その外側すなわち土踏まずの反対側は、 大腿部外側側板 6 3 2で支持されている。 また、 大腿部ュニヅト 6 1 1の正面は大腿部正面プレ —ト 6 3 5で被覆されている。大腿部内側側板 6 3 1や大腿部外側側板 6 3 2は、 比較的軽量でも剛性を実現することができる超ジユラルミンなどの素材を利用し て構成されている。

また、 脛部ュニヅト 6 1 2の略下端には、 その下方の足平 6 1 3との間でピッ チ軸回りの関節自由度を付与するために、 足首関節ピッチ軸ァクチユエ一夕 6 2 4が配設されている。

脛部ュニット 6 1 2の内側すなわち土踏まず側は、 脛部内側側板 6 3 3で支持 されている。 また、 その外側すなわち土踏まずの反対側は、 脛部外側側板 6 3 4 で支持されている。 また、 脛部ュニヅト 6 1 2の正面は大腿部正面プレート 6 3 6で被覆されている。脛部内側側板 6 3 3や脛部外側側板 6 3 4は、 比較的軽量 でも剛性を実現することができる超ジュラルミンなどの素材を利用して構成され ている。

図 4 8〜図 5 0には、 脚式移動ロボヅト 1 0 0の脚部の 3面図、 すなわち外側 (土踏まずの反対側）側面図、 正面図、 内側 （土踏まず側）側面図をそれそれ示 している。

図 4 9からも判るように、 本実施形態では、 大腿部内側側板 6 3 1に比し、 大 腿部外側側板 6 3 2の方が肉厚が大きくなるように構成されている （すなわち、 t l > t 2 )o この結果、大腿部外側側板 6 3 2の方が剛性（特に曲げ剛性）が高 くなる。 同様に、 脛部内側側板 6 3 3に比し、 脛部外側側板 6 3 4の方が肉厚が 大きくなるように構成されている。この結果、脛部外側側板 6 3 4の方が剛性（特 に曲げ剛性） が高くなる。

図 4 7〜図 5 0に示すように脚部ュニットの内側及び外側の機械的強度をこの ように構成することによって、 ロボットの脚部の Z MP挙動空間において、 Z M P位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて正方向すなわち Z MP位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が生じる ような空間歪みが形成される。 したがって、 図 1 4、 図 2 0、 並びに図 2 6を参 照しながら既に説明したように、 単脚支持後期、 両脚支持期、 並びに単脚支持前 期の各局面において、 Z MP位置が機体の外側に移動したときには立脚は内側に 向かって曲がるように構成される。 この結果、 姿勢の安定性-制御性を向上させ るという効果を導出することができる。 あるいは、 比較的遅いサンプリング周期 を以つて機体の姿勢安定性を維持できるなど、 姿勢安定制御を容易にするという 効果を導出することができる。

また、 脚部 6 0 4全体としても、 内側に比し外側の剛性 （特に曲げ剛性） を強 ィ匕した構造体を実現することができる。 これによつて、 予期しない外乱が発生し た場合であっても、 脚部 6 0 4は、 ロボヅト 1 0 0の Z MP位置が機体の外側す なわち土踏まずの反対側に移動しにくくなるように自然に（すなわち制御なしに） 作用することができる。

脚部 6 0 4の内側フレームに比しその外側フレームの剛性を大きく設定するこ とで、 機体の外側すなわち土踏まずの反対側への予期せぬ外乱による Z MP移動 量を減少させることができる。 また、 外乱による Z MP移動方向を、 脚部 6 0 4 の動作により対応が容易な機体の内側すなわち土踏まず側へと誘導することがで きる。 この結果、 ロボット 6 0 0全体としての外乱に対するロバスト性を飛躍期 に向上させることができる。

さらに、 土踏まず側の脚剛性を比較的低く設定することにより、 位置制御のみ の機能しか持たない低コストのァクチユエ一夕 ·システムにおいても、 衝撃及び 振動が小さい立脚切替え動作を実現することができる。 これは、 動歩行中の画像 処理をも容易にし、 結果として、 自律機能を有する 2足歩行ロボット ·システム 若しくは人間形ロボット ·システムを非常に低コス卜で構成することを可能にす ロボヅ ト 1 0 0の Ζ ΜΡ位置が外側すなわち土踏まずの反対側に移動しにくく なるようにするという作用効果を得るためには、 脚部 6 0 4の外側における剛性 を、 内側のそれの 1 . 2倍以上に設定することが好ましい。 より好ましくは、 脚 部 6 0 4の外側における剛性を、 内側のそれの 1 . 5〜2倍に設定すればよい。 図 4 7〜図 5 0に示した実施形態では、 脚部 6 0 4の内側と外側とで剛性 （特 に曲げ剛性） を相違させるために、 使用する側板 6 3 1〜6 3 4の肉厚の相違を 利用したが、 本発明の要旨は必ずしもこれに限定されない。 同様の作用を導き出 すために、側板 6 3 1〜6 3 4の肉厚ではなく、形状（表面形状並びに断面形状） の相違や、 構成素材の相違 （弹性係数の異なる素材を使用するなど） を利用して もよい。

この項で説明した本発明の実施形態によれば、 本発明に固有の脚部ュニヅトの 構成により安定した Ζ ΜΡ空間を形成することによって、 比較的遅いサンプリン グ周期で Ζ Μ Ρ安定度判別規範を用いながら機体の姿勢安定制御を行なうことが できる、 という点を充分理解されたい。

P . Z MP挙動空間の制御システム

本実施形態では、 運動制御モジュール 3 0 0内において Z MPを姿勢安定度の 判別規範に用いて機体の姿勢や動作の制御を演算処理する。 このとき、 機体の Z MP挙動空間を定義して、 この Z MP挙動空間の定義に基づいて Z MP安定位置 を求めて、 Z MP位置が常に Z MP安定領域の中心に向かうように機体の姿勢や 動作を制御する。 また、 路面との接触状況に応じて Z MP挙動空間を逐次再定義 することにより、 常に Z M P位置が Z MP安定領域の中央に移動させようとする 機体の変形量若しくは運動量が生じるような空間歪みを Z MP挙動空間に与える ことにより、 機体の姿勢安定制御を容易な状態に維持することができる。

この項では、 Z M P挙動空間の制御システムの構成について詳解する。

図 5 1には、 Z MP挙動空間の制御システム 5 0 0の機能構成を模式的に示し ている。 この制御システム 5 0 0は、 実際には、 運動制御モジュール 3 0 0内の C P U 3 1 1が所定の制御プログラムを実行するという形態で実現される。

同図に示すように、 Z MP挙動空間の制御システム 5 0 0は、 Z MP挙動空間 定義部 5 0 1と、 安定点計算部 5 0 2とで構成される。

Z MP挙動空間定義部 5 0 1は、 機体の姿勢に関する目標値と、 実機の状態値 を入力して、 Z MP挙動空間を定義する。 定義された Z MP挙動空間には、 Z M P位置が Z M P安定領域の中央に移動させようとする機体の変形量若しくは運動 量が生じるような空間歪みが形成されている。

目標値は、 例えば計画軌道から算出される各関節ァクチユエ一夕の回転角、 角 速度、 角加速度などである。 また、 実機の状態値は、 各関節ァクチユエ一夕に配 設されたエンコーダより出力される関節の回転角、 角速度、 角加速度や、 その他 の機体上のセンサ入力、 並びに Z M P実測値などである。

Z MP挙動空間は、 例えば、 下式のように定義される。

U

ここで、 ベクトル Tは、 計画軌道などから求められる目標値である。 また、 行 列 Β , C , Dは空間変換用の行列である。

但し、 上記の Z MP挙動空間の定義式は、 B項で説明下ような Z MP挙動空間 の概念を最も単純ィ匕して記述したものであり、 本発明の要旨はこれに限定される ものではない。また、上式は、それそれの項を線形独立に加算して構成されるが、 干渉項も考慮して計算することが好ましい。

本実施形態では、 Z MP挙動空間定義部 5 0 1は、路面との接触状況に応じて、 Z MP挙動空間の定義を動的に切り換えるようになつている。例えば、 脚式移動 ロボットは脚式作業の過程で、 左脚による単脚支持期、 左脚が接地した両脚支持 期、 右脚による単脚支持期、 右脚が接地した両脚支持期という各動作フェーズを 順に繰り返すが、 各動作フェーズ毎に路面との接触状況は劇的に変ィ匕する。 した がって、 Z MP挙動空間の定義を逐次切り替えていくことにより、 いかなる動作 フェーズにおいても、 常に ZMP位置が ZMP安定領域の中央に移動させようと する機体の変形量若しくは運動量が生じるような空間歪みを形成するようにする。 安定点計算部 502は、 上述した Z MP挙動空間の定義式を 2階微分すること によって、 その安定点を求める。算出された安定点を基に各関節ァクチユエ一夕 に対する指令値が生成され、機体動作をサ一ボ制御することができる。この結果、 ZMP位置が Z M P安定領域の中央に移動させるような空間歪みが実現される。 本実施形態によれば、 運動制御モジュール 300内の CPU31 1が実行する 制御プログラムの記述によってロボットの ZMP挙動空間を任意に定義すること ができる。

例えば、 Z M P挙動空間における極大点及び/又は極小点を任意に指定するよ うにしてもよい。 また、 任意の時刻に、 ZMP挙動空間における極大点及び/又 は極小点を任意に指定するようにしてもよい。また、単脚支持後期、両脚支持期、 単脚支持前期など脚の支持状態に応じて、 Z MP挙動空間における極大点及び Z 又は極小点を任意に指定するようにしてもよい。

このように、 Z MP安定領域内の極大点又は極小点を設定することによって、 ロボットが脚式作業を行うときに、 時々刻々と変わる歩容に応じて姿勢の安定制 御が容易な空間歪みを持つ Z MP挙動空間を動的に生成することができる。

また、 上述した本発明の各実施形態では、 ZMP位置と床反力によって ZMP 挙動空間を定義しているが、 ZMP位置と床反力の他に、 機体に対する外力推進 方向及びその大きさの成分をさらに加えて Z MP挙動空間の定義をすることもで ぎる。 追補

以上、 特定の実施例を参照しながら、 本発明について詳解してきた。 しかしな がら、 本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得 ることは自明である。

本発明の要旨は、 必ずしも 「ロボット」 と称される製品には限定されない。 す なわち、 電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機 械装置であるならば、 例えば玩具等のような他の産業分野に属する製品であつて も、 同様に本発明を適用することができる。

要するに、 例示という形態で本発明を開示してきたのであり、 限定的に解釈さ れるべきではない。 本発明の要旨を判断するためには、 冒頭に記載した特許請求 の範囲の欄を参酌すぺきである。

[産業上の利用可能性] 本発明によれば、 いわゆる Z MP (Zero Moment Point) を安定度判別規範とし て用いながら脚式作業時における機体の姿勢安定制御を好適に行なうことができ る、 優れた脚式移動ロボット及びその制御方法を提供することができる。

また、 本発明によれば、 比較的遅いサンプリング周期で Z MP安定度判別規範 を用いながら機体の姿勢安定制御を好適に行なうことができる、 優れた脚式移動 ロボヅト及びその制御方法を提供することができる。

また、 本発明によれば、 人間の住環境で安定した動歩行を自律的に継続するた めに、 Z M P位置の安定性を考慮した空間歪みが与えられた Z M P挙動空間が構 成された、 優れた脚式移動ロボヅト及びその制御方法を提供することができる。 本発明によれば、 Z MPの位置と機体が床面から受ける床反力で定義される Z MP挙動空間を定義して、 この Z MP挙動空間の定義を基に Z MP安定位置を求 めて、 姿勢を安定に保つ指令値を各可動部位に発行することができる。 また、 路 面との接触状況に応じて Z M P挙動空間に与える空間歪みを動的に制御して、 常 に Z M P位置が Z M P安定領域の中央に移動させようとする機体の変形量若しく は運動量が生じるようにして、 機体の姿勢安定制御を容易な状態にすることがで きる。

また、 本発明によれば、 接地時に路面から受ける衝撃力を緩和するとともに、 失いかけた機体の姿勢安定性を回復する、 若しくは回復を容易にすることができ る、 脚式移動ロボットの可動脚ュニヅトにおける足部の足平構造を提供すること ができる。

また、 本発明によれば、 ロボットの機体の動作制御のみに頼ることなく姿勢安 定性を容易に維持することができるように構成された、 優れた脚式移動ロボット を提供することができる。

また、 本発明によれば、 横方向の外乱に対するロバスト性を強化することで姿 勢安定性を容易に維持することができるように構成された、 優れた脚式移動ロボ ヅトを提供することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 2以上の可動脚を備えた脚式移動ロボットであって、

機体のピッチ軸モ一メント及びロール軸モーメントがゼロとなる Z M Pの位置 と機体が床面から受ける床反力で定義される Z M P挙動空間を制御する Z M P挙 動空間制御手段を備え、

前記 Z M P挙動空間制御手段はあらかじめ Z M P挙動空間に所定の歪み又は所 定の特性を与えている、

ことを特徴とする脚式移動ロボット。

2 . 前記 Z M P挙動空間制御手段は、 Z MP位置が前記可動脚の足底接地点と路 面とが形成する支持多角形からなる Z M P安定領域の中央から Z M P位置が外れ るにつれて Z M P位置が前記 Z M P安定領域の中央に移動させようとする機体の 変形量若しくは運動量が生じるように Z MP挙動空間にあらかじめ歪みを与えて いる、

ことを特徴とする請求項 1に記載の脚式移動ロボット。

3 . 前記所定の特性は、 前記床反力に応じて前記ロボットの変形量又は運動量の 大きさ若しくは方向が変化する、

ことを特徴とする請求項 1に記載の脚式移動ロボット。

4 . 前記 Z MP挙動空間制御手段は、 前記 Z MP安定領域の略中心において機体 の変形量又は運動量の極小点を設定する、

ことを特徴とする請求項 2に記載の脚式移動ロボヅト。

5 . 前記 Z MP挙動空間制御手段は、 前記 Z MP安定領域の略中心において機体 の変形量又は運動量の極小点を設定するとともに、 前記 Z MP安定領域の境界近 くで機体の変形量又は運動量の極大点を設定する、

ことを特徴とする請求項 2に記載の脚式移動ロボヅト。

6 . 前記 Z MP挙動空間制御手段は、 Z MP位置が機体の外側に向かう方向を正 方向とする第 1の座標軸と Z MP位置が Z MP安定領域の中央に向かわせるよう なロボットの変形量若しくは運動量を正方向とする第 2の座標軸からなる Z M P 挙動空間において、 単脚支持後期の立脚に対して、

ロボットの変形量若しくは運動量が負領域において極大値を持ち、 且つ、 床反 力の増大とともに該変形量若しくは運動量の極大値の Z M P位置を正方向に移動 させるような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 1に記載の脚式移動ロボット。

7 . 前記 Z MP挙動空間制御手段は、 Z MP位置が機体の前方に向かう方向を正 方向とする第 1の座標軸と Z MP位置が Z MP安定領域の中央に向かわせるよう なロボットの変形量若しくは運動量を正方向とする第 2の座標軸からなる Z M P 挙動空間において、 単脚支持後期の立脚に対して、

ロボヅ トの変形量若しくは運動量が負領域において Z M P安定領域の略中央付 近において極大値を持ち、 且つ、 床反力の増大とともに該変形量若しくは運動量 の変化が小さくなるような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 1に記載の脚式移動ロボット。

8 . 前記 Z MP挙動空間制御手段は、 単脚支持後期の立脚に対して、

進行方向と直交方向において、 床反力が小さいときには Z MP位置が Z MP安 定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れる 方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大 きくなるに従い、 Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P 位置が Z M P安定領域の中心に向かうような口ボヅトの変形量若しくは運動量が 生じるような空間歪みを与えるとともに、

進行方向において、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の 中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れる方向に向 かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなる に従い、 Z MP位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z MP位置が Z MP安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生する ような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 1に記載の脚式移動ロボヅト。 9 . 前記 Z MP挙動空間制御手段は、 単脚支持後期の体幹部に対して、

進行方向と直交する方向において、 床反力が小さいときには Z MP位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外 れる方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力 が大きくなるに従い、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて Z MP位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動 量が生じるような空間歪みを与えるとともに、

進行方向において、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の 中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れる方向に向 かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなる に従い、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて Z MP位置が Z MP安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生する ような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 1に記載の脚式移動ロボヅト。 1 0 . 前記 Z MP挙動空間制御手段は、 Z MP位置が機体の外側に向かう方向を 正方向とする第 1の座標軸と Z M P位置が Z M P安定領域の中央に向かわせるよ うなロボットの変形量若しくは運動量を正方向とする第 2の座標軸からなる Z M P挙動空間において、 両脚支持期の立脚に対して、

ロボットの変形量若しくは運動量が負領域において Z M P安定領域の略中央付 近において極大値を持ち、 且つ、 床反力の増大とともに該変形量若しくは運動量 の変化が小さくなるような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 1に記載の脚式移動ロボヅト。

1 1 . 前記 Z M P挙動空間制御手段は、 Z MP位置が機体の前方に向かう方向を 正方向とする第 1の座標軸と Z MP位置が Z MP安定領域の中央に向かわせるよ うなロボットの変形量若しくは運動量を正方向とする第 2の座標軸からなる Z M P挙動空間において、 両脚支持期の立脚に対して、

ロボットの変形量若しくは運動量が負領域において Z M P安定領域の略中央付 近において極大値を持ち、 且つ、 床反力の増大とともに該変形量若しくは運動量 の変化が小さくなるような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 1に記載の脚式移動ロボット。

1 2 . 前記 Z MP挙動空間制御手段は、 両脚支持期の立脚に対して、

進行方向と直交する方向において、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から 外れる方向に向かうようなロボヅ トの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反 力が大きくなるに従い、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて Z MP位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボヅ トの変形量若しくは運 動量が発生するような空間歪みを与えるとともに、

進行方向において、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の 中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れる方向に向 かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなる に従い、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて Z MP位置が Z MP安定領域の中心に向かうようなロボヅトの変形量若しくは運動量が発生する ような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 1に記載の脚式移動ロボット。

1 3 . 前記 Z MP挙動空間制御手段は、 両脚支持期の体幹部に対して、

進行方向と直交する方向において、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から 外れる方向に向かうようなロボヅトの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反 力が大きくなるに従い、 Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運 動量が発生するような空間歪みを与えるとともに、

進行方向において、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の 中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れる方向に向 かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなる に従い、 Z MP位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z MP位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生する ような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 1に記載の脚式移動ロボヅト。 1 4 . 前記 Z MP挙動空間制御手段は、 Z M P位置が機体の外側に向かう方向を 負方向とする第 1の座標軸と Z MP位置が Z MP安定領域の中央に向かわせるよ うなロボットの変形量若しくは運動量を正方向とする第 2の座標軸からなる Z M P挙動空間において、 単脚支持前期の立脚に対して、

ロボットの変形量若しくは運動量が負領域において極大値を持ち、 且つ、 床反 力の増大とともに該変形量若しくは運動量の極大値の Z MP位置を正方向に移動 させるような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 1に記載の脚式移動ロボヅト。

1 5 . 前記 Z MP挙動空間制御手段は、 Z MP位置が機体の前方に向かう方向を 正方向とする第 1の座標軸と Z MP位置が Z MP安定領域の中央に向かわせるよ うなロボヅ トの変形量若しくは運動量を正方向とする第 2の座標軸からなる Z M P挙動空間において、 単脚支持前期の立脚に対して、

ロボットの変形量若しくは運動量が負領域において Z M P安定領域の略中央付 近において極大値を持ち、 且つ、 床反力の増大とともに該変形量若しくは運動量 の変化が小さくなるような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 1に記載の脚式移動ロボット。

1 6 . 前記 Z MP挙動空間制御手段は、 単脚支持前期の立脚に対して、

進行方向と直交する方向において、 床反力が小さいときには Z MP位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外 れる方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力 が大きくなるに従い、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向かうような口ボヅトの変形量若しくは運動 量が生じるような空間歪みを与えるとともに、

進行方向において、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の 中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れる方向に向 かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなる に従い、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて Z MP位置が Z MP安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生する ような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 1に記載の脚式移動ロボット。

1 7 . 前記 Z MP挙動空間制御手段は、 単脚支持前期の体幹部に対して、 進行方向と直交する方向において、 床反力が小さいときには Z MP位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z MP位置が Z M P安定領域の中心から外 れる方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力 が大きくなるに従い、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動 量が生じるような空間歪みを与えるとともに、

進行方向において、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の 中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れる方向に向 かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなる に従い、 Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z MP位置が Z MP安定領域の中心に向かうようなロボヅトの変形量若しくは運動量が発生する ような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 1に記載の脚式移動ロボット。

1 8 . 前記 Z MP挙動空間制御手段は、 略平板状の足平フレームと、

前記足平フレームの底面に配置された、 初期の比較的変形量が大きな領域とそ れ以後の比較的変形量が小さな領域からなる非線型弾性特性を持つ足底緩衝体と、 前記足平フレームの上面の略中央に配設された、 前記脚式移動ロボットの稼働 脚と連結するための足首連結部と、

で構成される各可動脚の足部構造であることを特徴とする請求項 1に記載の脚式 移動ロボット。

1 9 . 前記 Z MP挙動空間制御手段は、

前記可動脚における関節自由度を実現する 1以上の関節ァクチユエ一夕と、 前記関節ァクチユエ一夕を前記脚式移動ロボットの機体の内側から支持するた めの、 第 1の剛性を持つ内側支持体と、

前記関節ァクチユエ一夕を前記脚式移動ロボットの機体の外側から支持するた めの、 第 1の剛性より.も比較的大きな第 2の剛性を持つ外側支持体と、

で構成される各可動脚の脚部構造であることを特徴とする請求項 1に記載の脚式 移動ロボット。

2 0 . 少なくとも複数本の可動脚を備えた脚式移動ロボヅトのための足部構造で あって、

略平板状の足平フレームと、

前記足平フレームの底面に配置された、 初期の比較的変形量が大きな領域とそ れ以後の比較的変形量が小さな領域からなる非線型弾性特性を持つ足底緩衝体と、 前記足平フレームの上面の略中央に配設された、 前記脚式移動ロボットの稼働 脚と連結するための足首連結部と、

を具備することを特徴とする脚式移動ロボットのための足部構造。

2 1 . 前記足底緩衝体は高さが相違する 2以上の緩衝部材を前記足平フレームの 底面の所定部位に配設してなることを特徴とする請求項 2 0に記載の脚式移動口 ボットのための足部構造。

2 2 . 前記足底緩衝体は、 前記足平フレームの底面の内側並びに外側にそれそれ 配設されていることを特徴とする請求項 2 0に記載の脚式移動ロボヅ卜のための 足部構造。

2 3 . 前記足底緩衝体は、 前記足平フレームの底面の内側並びに外側にそれそれ 配設され、 且つ、 内側よりも外側の足底緩衝体の弾性係数を高く設定しているこ とを特徴とする請求項 2 0に記載の脚式移動ロボヅトのための足部構造。

2 4 . 前記足平フレームは、 前記脚式移動ロボットのピッチ軸回りよりもロール 軸回りの剛性を強ィ匕してなることを特徴とする請求項 2 0に記載の脚式移動ロボ ットのための足部構造。

2 5 . 前記足平フレームは、 上面及び Z又は底面の所定部位に凹部を形設するこ とにより、 前記脚式移動ロボットのピッチ軸回りよりもロール軸回りの剛性を強 化してなることを特徴とする請求項 2 0に記載の脚式移動ロボヅトのための足部

2 6 . 少なくとも 1組の左右の可動脚ュニットを備えて脚式作業を行うタイプの 脚式移動ロボットであって、 前記可動脚ユニットは、

前記可動脚における関節自由度を実現する 1以上の関節ァクチユエ一夕と、 前記関節ァクチユエ一夕を前記脚式移動ロボットの機体の内側から支持するた めの、 第 1の剛性を持つ内側支持体と、

前記関節ァクチユエ一夕を前記脚式移動口ボットの機体の外側から支持するた めの、 第 1の剛性よりも比較的大きな第 2の剛性を持つ外側支持体と、 を具備することを特徴とする脚式移動ロボット。

2 7 . 前記第 2の岡！]性は前記第 1の剛性の 1 . 2倍以上の曲げ剛性を示すことを 特徴とする請求項 2 6に記載の脚式移動ロボット。

2 8 . 前記第 1の剛性と前記第 2の剛性の相違は、 前記内側支持体と前記外側支 持体の肉厚の相違により実現されることを特徴とする請求項 2 6に記載の脚式移 動ロボヅト。

2 9 . 前記第 1の剛性と前記第 2の剛性の相違は、 前記内側支持体と前記外側支 持体の形状の相違により実現されることを特徴とする請求項 2 6に記載の脚式移 動ロボット。

3 0 . 前記第 1の剛性と前記第 2の剛性の相違は、 前記内側支持体と前記外側支 持体を強度の異なる素材を用いて構成することにより実現されることを特徴とす る請求項 2 6に記載の脚式移動ロボヅト。

3 1 . 前記可動脚の関節自由度は、 少なくとも大腿部ロール軸並びに膝関節ロー ル軸回りの各自由度を含むことを特徴とする請求項 2 6に記載の脚式移動口ボッ h o

3 2 . 脚式作業を行う脚式移動ロボットに対して左右の組み合わせで用いられる 可動脚ュニヅトであって、

前記可動脚における関節自由度を実現する 1以上の関節ァクチユエ一夕と、 前記関節ァクチユエ一夕を前記脚式移動ロボヅトの機体の内側から支持するた めの、 第 1の剛性を持つ内側支持体と、

前記関節ァクチユエ一夕を前記脚式移動口ボットの機体の外側から支持するた めの、 第 1の剛性よりも比較的大きな第 2の剛生を持つ外側支持体と、 を具備することを特徴とする脚式移動ロボットのための可動脚ュニット。

3 3 . 前記第 2の剛性は前記第 1の剛性の 1 . 2倍以上の曲げ剛性を示すことを 特徴とする請求項 3 2に記載の脚式移動ロボヅトのための可動脚ュニット。

3 4 . 前記第 1の剛性と前記第 2の剛性の相違は、 前記内側支持体と前記外側支 持体の肉厚の相違により実現されることを特徴とする請求項 3 2に記載の脚式移 動ロボットのための可動脚ュニヅト。

3 5 . 前記第 1の剛性と前記第 2の剛性の相違は、 前記内側支持体と前記外側支 持体の形状の相違により実現されることを特徴とする請求項 3 2に記載の脚式移 動ロボヅトのための可動脚ュニヅト。

3 6 . 前記第 1の剛性と前記第 2の剛性の相違は、 前記内側支持体と前記外側支 持体を強度の異なる素材を用いて構成することにより実現されることを特徴とす る請求項 3 2に記載の脚式移動ロボヅトのための可動脚ュニヅト。

3 7 . 前記可動脚の関節自由度は、 少なくとも大腿部ロール軸並びに膝関節口一 ル軸回りの各自由度を含むことを特徴とする請求項 3 2に記載の脚式移動ロボッ 卜のための可動脚ュニット。

3 8 . 2以上の可動脚を備えた脚式移動ロボヅ卜の制御方法であって、

機体のピッチ軸モ一メント及びロール軸モーメントがゼロとなる Z MPの位置 と機体が床面から受ける床反力で定義される Z MP挙動空間を制御する Z MP挙 動空間制御ステップを備え、

前記 Z M P挙動空間制御ステップではあらかじめ Z M P挙動空間に所定の歪み 又は所定の特性を与えている、

ことを特徴とする脚式移動ロボットの制御方法。

3 9 . 前記 Z M P挙動空間制御ステップでは、 Z MP位置が前記可動脚の足底接 地点と路面とが形成する支持多角形からなる Z M P安定領域の中央から Z M P位 置が外れるにつれて Z M P位置が前記 Z M P安定領域の中央に移動させようとす る機体の変形量若しくは運動量が生じるように Z M P挙動空間にあらかじめ歪み を与えている、

ことを特徴とする請求項 3 8に記載の脚式移動ロボヅトの制御方法。

4 0 . 前記所定の特性は、 前記床反力に応じてロボットの変形量又は運動量若し くは方向が変化する、

ことを特徴とする請求項 3 8に記載の脚式移動ロボヅトの制御方法。 1 . 前記 Z MP挙動空間制御ステヅプでは、 前記 Z MP安定領域の略中心にお いて機体の変形量又は運動量の極小点を設定する、

ことを特徴とする請求項 3 9に記載の脚式移動ロボヅトの制御方法。 4 2 . 前記 Z MP挙動空間制御ステップでは、 前記 Z MP安定領域の略中心にお いて機体の変形量又は運動量の極小点を設定するとともに、 前記 Z MP安定領域 の境界近くで機体の変形量又は運動量の極大点を設定する、

ことを特徴とする請求項 3 9に記載の脚式移動ロボットの制御方法。 4 3 . 前記 Z MP挙動空間制御ステップでは、 Z MP位置が機体の外側に向かう 方向を正方向とする第 1の座標軸と Z M P位置が Z M P安定領域の中央に向かわ せるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向とする第 2の座標軸からな る Z MP挙動空間において、 単脚支持後期の立脚に対して、

ロボットの変形量若しくは運動量が負領域において極大値を持ち、 且つ、 床反 力の増大とともに該変形量若しくは運動量の極大値の Z M P位置を正方向に移動 させるような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 3 8に記載の脚式移動ロボヅトの制御方法。

4 4 . 前記 Z MP挙動空間制御ステヅプでは、 Z MP位置が機体の前方に向かう 方向を正方向とする第 1の座標軸と Z MP位置が Z MP安定領域の中央に向かわ せるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向とする第 2の座標軸からな る Z MP挙動空間において、 単脚支持後期の立脚に対して、

ロボヅ トの変形量若しくは運動量が負領域において Z M P安定領域の略中央付 近において極大値を持ち、 且つ、 床反力の増大とともに該変形量若しくは運動量 の変化が小さくなるような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 3 8に記載の脚式移動ロボットの制御方法。

4 5 . 前記 Z MP挙動空間制御ステップでは、 単脚支持後期の立脚に対して、 進行方向と直交方向において、 床反力が小さいときには Z MP位置が Z MP安 定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れる 方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大 きくなるに従い、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて Z MP 位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボヅ トの変形量若しくは運動量が 生じるような空間歪みを与えるとともに、

進行方向において、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の 中心から外れるにつれて Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れる方向に向 かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなる に従い、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて Z MP位置が Z MP安定領域の中心に向かうようなロボヅトの変形量若しくは運動量が発生する ような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 3 8に記載の脚式移動ロボットの制御方法。

4 6 . 前記 Z MP挙動空間制御ステップでは、 単脚支持後期の体幹部に対して、 進行方向と直交する方向において、 床反力が小さいときには Z MP位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外 れる方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力 が大きくなるに従い、 Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動 量が生じるような空間歪みを与えるとともに、

進行方向において、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の 中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れる方向に向 かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなる に従い、 Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生する ような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 3 8に記載の脚式移動ロボットの制御方法。 4 7 . 前記 Z MP挙動空間制御ステップでは、 Z MP位置が機体の外側に向かう 方向を正方向とする第 1の座標軸と Z MP位置が Z MP安定領域の中央に向かわ せるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向とする第 2の座標軸からな る Z MP挙動空間において、 両脚支持期の立脚に対して、

ロボットの変形量若しくは運動量が負領域において Z M P安定領域の略中央付 近において極大値を持ち、 且つ、 床反力の増大とともに該変形量若しくは運動量 の変化が小さくなるような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 3 8に記載の脚式移動ロボヅトの制御方法。

4 8 . 前記 Z MP挙動空間制御ステップでは、 Z MP位置が機体の前方に向かう 方向を正方向とする第 1の座標軸と Z MP位置が Z MP安定領域の中央に向かわ せるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向とする第 2の座標軸からな る Z MP挙動空間において、 両脚支持期の立脚に対して、

ロボヅ トの変形量若しくは運動量が負領域において Z M P安定領域の略中央付 近において極大値を持ち、 且つ、 床反力の増大とともに該変形量若しくは運動量 の変化が小さくなるような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 3 8に記載の脚式移動ロボヅトの制御方法。

4 9 . 前記 Z M P挙動空間制御ステップでは、 両脚支持期の立脚に対して、 進行方向と直交する方向において、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から 外れる方向に向かうようなロボヅトの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反 力が大きくなるに従い、 Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れるにつれて Z MP位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運 動量が発生するような空間歪みを与えるとともに、 進行方向において、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の 中心から外れるにつれて Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れる方向に向 かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなる に従い、 Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z MP安定領域の中心に向かうようなロボッ卜の変形量若しくは運動量が発生する ような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 3 8に記載の脚式移動ロボッ卜の制御方法。

5 0 . 前記 Z MP挙動空間制御ステップでは、 両脚支持期の体幹部に対して、 進行方向と直交する方向において、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から 外れる方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反 力が大きくなるに従い、 Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運 動量が発生するような空間歪みを与えるとともに、

進行方向において、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の 中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れる方向に向 かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなる に従い、 Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z MP安定領域の中心に向かうような口ボヅトの変形量若しくは運動量が発生する ような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 3 8に記載の脚式移動ロボヅトの制御方法。

5 1 . 前記 Z M P挙動空間制御ステップでは、 Z MP位置が機体の外側に向かう 方向を負方向とする第 1の座標軸と Z M P位置が Z M P安定領域の中央に向かわ せるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向とする第 2の座標軸からな る Z MP挙動空間において、 単脚支持前期の立脚に対して、

ロボットの変形量若しくは運動量が負領域において極大値を持ち、 且つ、 床反 力の増大とともに該変形量若しくは運動量の極大値の Z MP位置を正方向に移動 させるような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 3 8に記載の脚式移動ロボヅトの制御方法。

5 2 . 前記 Z M P挙動空間制御ステップでは、 Z MP位置が機体の前方に向かう 方向を正方向とする第 1の座標軸と Z MP位置が Z MP安定領域の中央に向かわ せるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向とする第 2の座標軸からな る Z MP挙動空間において、 単脚支持前期の立脚に対して、

ロボットの変形量若しくは運動量が負領域において Z M P安定領域の略中央付 近において極大値を持ち、 且つ、 床反力の増大とともに該変形量若しくは運動量 の変ィ匕が小さくなるような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 3 8に記載の脚式移動ロボヅトの制御方法。

5 3 . 前記 Z M P挙動空間制御ステップでは、 単脚支持前期の立脚に対して、 進行方向と直交する方向において、 床反力が小さいときには Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外 れる方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力 が大きくなるに従 Z MP位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向かうようなロボヅトの変形量若しくは運動 量が生じるような空間歪みを与えるとともに、

進行方向において、 床反力が小さいときには、 Z M P位置が Z MP安定領域の 中心から外れるにつれて Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れる方向に向 かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなる に従レ、、 Z MP位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z MP安定領域の中心に向かうようなロボヅトの変形量若しくは運動量が発生する ような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 3 8に記載の脚式移動ロボヅトの制御方法。

5 4 . 前記 Z M P挙動空間制御ステヅプでは、 単脚支持前期の 部に対して、 進行方向と直交する方向において、 床反力が小さいときには Z MP位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外 れる方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力 が大きくなるに従い、 Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z M P安定領域の中心に向かうような口ボヅトの変形量若しくは運動 量が生じるような空間歪みを与えるとともに、 ' 進行方向において、 床反力が小さいときには、 Z MP位置が Z MP安定領域の 中心から外れるにつれて Z MP位置が Z MP安定領域の中心から外れる方向に向 かうようなロボヅトの変形量若しくは運動量が発生するが、 床反力が大きくなる に従い、 Z M P位置が Z M P安定領域の中心から外れるにつれて Z M P位置が Z MP安定領域の中心に向かうようなロボヅトの変形量若しくは運動量が発生する ような空間歪みを与える、

ことを特徴とする請求項 3 8に記載の脚式移動ロボットの制御方法。

5 5 . 2以上の可動脚を備えた脚式移動ロボットの制御方法であって、

機体のピッチ軸モ一メント及びロール軸モ一メントがゼロとなる Z M Pの位置 と機体が床面から受ける床反力で定義される Z M P挙動空間を定義するステップ と、

該定義された Z MP挙動空間の定義に基づいて Z MP安定位置を求めるステヅ プと、

該求められた Z M P安定位置に基づいて機体動作を制御するステップと、 を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの制御方法。

5 6 . 前記脚式移動ロボヅ卜と路面との接触状況に応じて Z MP挙動空間の定義 を変更するステヅプをさらに備える、

ことを特徴とする請求項 5 5に記載の脚式移動ロボットの制御方法。

5 7 . 前記の Z M P挙動空間を定義するステップでは、 前記 Z MP挙動空間にお ける極大点及び/又は極小点を任意に指定することができる、

ことを特徴とする請求項 5 5に記載の脚式移動ロボッ卜の制御方法。

5 8 . 前記の Z M P挙動空間を定義するステップでは、 任意の時刻に前記 Z MP 挙動空間における極大点及び/又は極小点を任意に指定することができる、 ことを特徴とする請求項 5 5に記載の脚式移動ロボヅトの制御方法。

5 9 . 前記の Z MP挙動空間を定義するステップでは、 脚の支持状態に応じて前 記 Z MP挙動空間における極大点及び/又は極小点を任意に指定することができ る、

ことを特徴とする請求項 5 5に記載の脚式移動ロボットの制御方法。