WO2002045913A1

WO2002045913A1 - Dispositif et procede permettant de commander le fonctionnement d'un robot a jambes et ensemble robot

Info

Publication number: WO2002045913A1
Application number: PCT/JP2001/010012
Authority: WO
Inventors: Yoshihiro Kuroki; Tatsuzo Ishida; Jinichi Yamaguchi
Original assignee: Sony Corporation
Priority date: 2000-11-20
Filing date: 2001-11-16
Publication date: 2002-06-13
Also published as: EP2017042A1; EP1344611B1; DE60142849D1; US20050033475A1; KR100837988B1; US6898485B2; US20030120388A1; EP1344611A1; EP1344611A4; EP2017042B1; DE60143101D1; US7031806B2; KR20020086468A

Description

明細書脚式移動ロボットのための動作制御装置及び動作制御方法、並びにロボット装置 [技術分野] 本発明は、生体のメカニズムや動作を模した構造を有するリアリスティヅクなロボットのための動作制御装置及び動作制御方法に係り、特に、ヒトゃサルなどの直立歩行型の身体メカニズムや動作を模した構造を有する脚式移動ロボットのための動作制御装置及び動作制御方法に関する。

さらに詳しくは、本発明は、高速歩行などの脚式作業を安定且つ正確に実現する脚式移動ロボットのための動作制御装置及び動作制御方法に係り、特に、歩行などの脚式作業時に機体に印加されるロール、ピッチ、ョ一各軸回りのモ一メントの影響をキャンセルしながら安定且つ正確に駆動する脚式移動ロボヅトのための動作制御装置及び動作制御方法に関する。

[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。ロボヅトの語源は、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。わが国においてロボヅ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化 · 無人化などを目的としたマニピユレ一夕や搬送ロボットなどの産業用ロボット (industrial robot) であった。

アーム式ロボットのように、ある特定の場所に植設して用いるような据置き夕ィプのロボットは、部品の組立 .選別作業など固定的 ·局所的な作業空間でのみ活動する。これに対し、移動式のロボットは、作業空間は非限定的であり、所定の経路上または無経路上を自在に移動して、所定の若しくは任意の人的作業を代行したり、ヒトゃィヌあるいはその他の生命体に置き換わる種々の幅広いサービスを提供することができる。なかでも脚式の移動ロボットは、クローラ式ゃタイャ式の移動ロボヅトに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、 P皆段や梯子の昇降や障害物の乗り越えや、整地 ·不整地の区別を問わない柔軟な歩行 - 走行動作を実現できるという点で優れている。

最近では、ィヌゃネコのように 4足歩行の動物の身体メカニズムやその動作を模したペット型ロボット、あるいは、ヒトのような 2足直立歩行を行う動物の身体メ力二ズムゃ動作をモデルにしてデザィンされた「人間形」若しくは「人間型」のロボット（humanoid robot) など、脚式移動ロボヅ卜に関する研究開発が進展し、実用化への期待もますます高まってきている。

人間形若しくは人間型と呼ばれる 2足直立歩行の脚式移動ロボットを研究 ·開発する意義を、例えば以下の 2つの視点から把握することができよう。

1つは、人間科学的な視点である。すなわち、人間の下肢及び Z又は上肢に似た構造のロボヅトを作り、その制御方法を考案して、人間の歩行動作をシミュレートするというプロセスを通じて、歩行を始めとする人間の自然な動作のメカ二ズムを工学的に解明することができる。このような研究成果は、人間工学、リハビリテ一シヨン工学、あるいはスポーヅ科学など、人間の運動メカニズムを扱う他のさまざまな研究分野の進展に大ヽに還元することができるであろう。

もう 1つは、人間のパートナーとして生活を支援する、すなわち住環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動の支援を行う実用ロボットの開発である。この種のロボットは、人間の生活環境のさまざまな局面において、人間から教わりながら個々に個性の相違する人間又は環境への適応方法を学習し、機能面でさらに成長していく必要がある。このとき、ロボットが「人間形」すなわち人間と同じ形又は同じ構造をしている方が、人間とロボットとのスムースなコミュニケーシヨンを行う上で有効に機能するものと考えられる。

例えば、踏んではならない障害物を避けながら部屋を通り抜ける方法を実地においてロボットに教示するような場合、クローラ式ゃ 4足式ロボヅトのように教える相手が自分と全く違う構造をしているよりも、同じような格好をしている 2 足歩行ロボットの方が、ュ一ザ（作業員）ははるかに教え易く、またロボットにとっても教わり易い喾である（例えば、高西著「2足歩行ロボットのコントロール」（自動車技術会関東支部く高塑>^.25， 1996 APRIL) を参照のこと）。

2足歩行による脚式移動を行うタイプの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、脚を使って移動すること」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、脚式移動ロボッ卜の設計 '開発において、歩行やその他の脚式作業時における姿勢安定制御は最も重要な技術的課題の 1つである。歩行時には、重力と歩行運動に伴なつて生じる加速度によって、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作用する。いわゆる「ダランベールの原理」によると、それらは路面から歩行系への反作用としての床反力、床反力モーメントとパランスする。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、すなわち「Z MP (Zero Moment Point)j が存在する。

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、この Z M Pを歩行の安定度判別の規範として用いたものである。 Z M P規範に基づく 2足歩行パターン生成は、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 M P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。

一般には、 4足歩行よりもヒュ一マノィドのような 2足歩行のロボットの方が、重心位置が高く、且つ、歩行時の Z MP安定領域が狭い。したがって、このような路面状態の変化に伴う姿勢変動の問題は、 2足歩行ロボットにおいてとりわけ重要となる。

2足歩行ロボヅトの姿勢安定度判別規範に Z M Pを用いた提案は既に幾つかある。

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ヅトは、 Z M P 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 'デ一夕の吐き出し速度を変更する。未知の凹凸を踏んでロボッ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、特開平 5— 3 0 5 5 8 5号公報には、脚式移動ロボヅトの着地位置を 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一メントを検出してそれが零になる様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。上述したように、 Z MPを安定度判別規範に用いたロボヅト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辺上あるいはその内側にピッチ及びロール軸モーメントがゼロとなる点を探索することにある。

しかしながら、本発明者等の先験的な検証の結果、ロボットが高速に脚式動作する際には、機体に対してはピヅチ軸並びにロール軸回りのモーメントだけでなく、ョ一軸すなわち Z軸回りにもモーメントが発生することが判明した。

図 1 1には、 2足脚式移動ロボットの歩行速度 [秒/歩] とョ一軸方向に発生するモーメント Nmとの関係（例）を表している。同図からも判るように、脚式移動ロボッ卜が 1歩当りに要する時間が短くなる、すなわち歩行速度が増加するにつれて、ョー軸モーメントは著しく増大していく。

このようなョ一軸モ一メントは、やがて機体を旋回させるような作用を及ぼし、ロボヅトの足底と路面間にョ一軸回りの滑りが生じ、これが歩行の安定性に大きく影響するなど、期待された脚式作業を安定且つ正確に実現する上で障害となる。さらに、このョ一軸モーメントの影響が甚だしくなると、ロボットを転倒へと導き、期待や衝突物の損壊という事態も招きかねない。

例えば、本出願人に既に譲渡されている特願 2 0 0 0— 2 0 6 5 3 1号明細書には、任意の足部運動パターン、 Z M P軌道、體運動パターン、上肢運動パ夕 —ンに基づいて腰部運動パターンを導出することによって、 2足脚式移動ロボヅトの安定歩行を実現した全身運動パターンを得る点について開示されている。同明細書に記載のロボヅ卜の歩行制御装置及び歩行制御方法によれば、ロボッ卜が直立不動時や普通歩行時など様々な動作状態であっても、安定歩行するように下肢の歩容を決定することができる。特に、直立不動時に上体を用いた身振り'手振りの動作を印加した場合には、かかる上体の歩容に応じて、安定歩行できるような下肢の歩容を決定することができる。

しかしながら、同明細書では、足部、 i , そして上肢の運動によってロボヅトの機体に生じる設定 Z M P上の口一ル軸並びにビッチ軸回りのモ一メント M_x， M_yをキャンセルすることによって安定歩行可能な全身協調運動を導出する点について記載されているものの、かかる全身協調運動の際に発生するョ一軸回りのモーメント M_zについては考慮していない。センサなどにより機体のョー軸回りの滑りを検知した後に、腕を振るなどのョ一軸回りのモーメントを打ち消すための補正制御を行う方法も考えられる。しかしながら、この場合は事後的に補正制御を行うので、どうしても多少滑ってしまうという問題点がある。

また、腕を振るなどの動作は、重力と無関係な面の運動なので、モーメントを打ち消した後、さらに腕を所望の位置へ戻す制御が必要になる。

さらに、 Z方向の運動を共有してしまう回転型の関節で構成された人間形の腕を用いる場合には、ョ一軸回りのモーメントを打ち消すために腕を振ると、同時に、ロボットの安定性を損なう、ピッチ軸回り、ロール軸回りのモーメントをも発生してしまいがちである。

つまり、ョ一軸の滑りを抑制するために事後的に腕を振ると、ョー軸回りの滑りは治るものの、歩行そのものが不安定になつてしまうという問題が生じる。

この現象は、特に高速で運動する程大きくなり、高速運動（走行）を行うロボヅトには好ましい制御ではない。

さらに付言すれば、人間形の腕を用いて、ョー軸回りのモーメントのみを発生させるには非人間的で不自然な運動になり易く（例えば、 Z方向に運動が発生しないように、水平面内でバ一ベルを回すような運動)、表現力が重要視されるェン夕一ティメント用のロボヅトとしては致命的である。 [発明の開示] 本発明の目的は、直立歩行型の身体メカニズムや動作を摸した構造を有する脚式移動ロボットのための、優れた動作制御装置及び動作制御方法、並びにロボヅト装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、高速歩行などの脚式作業を安定且つ正確に実現することができる、脚式移動ロボヅトのための優れた動作制御装置及び動作制御方法、並びにロボット装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、脚式作業時に印加されるロール、ピッチ、ョー各軸回りのモ一メントの影響をキヤンセルしながら機体を安定且つ正確に駆動することができる、脚式移動ロボットのための優れた動作制御装置及び動作制御方法、並びにロボヅト装置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、少なくとも上肢と体幹部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うタイプのロボヅトの動作制御装置又は動作制御方法であって、

少なくとも上肢、、下肢のいずれかについての運動を設定する手段又はステツプと、

該設定された上肢、 # ^部、下肢の運動によって生じる設定 Z MP上におけるロボヅトの機体のョ一軸モーメントを算出する手段又はステップと、

該ョー軸モーメントを打ち消す上肢運動を算出する手段又はステツプと、該算出された上肢運動に従って、該設定された上肢、体幹、下肢の運動を修正する手段又はステップと、

を具備することを特徴とする脚式移動ロボットのための動作制御装置又は動作制御方法である。

[従来の技術] 欄でも説明したように、とりわけ 2足歩行型の足式移動ロボヅトにおいては、歩行速度の増加とともに機体に加わるョ一軸モーメントが著しく増大していく。このようなョ一軸モーメントは、機体の旋回や路面に対するョ一軸回りの滑り、さらにはバランスを失うことに伴う機体の転倒など、安定且つ正確な脚式作業を実現する上で障害となる。

本発明の第 1の側面に係る脚式移動ロボットの動作制御装置並びに動作制御方法によれば、下肢、部、上肢の運動の組み合わせからなる機体の運動パターンを実行する際に設定 Z M P上で機体に生じるョー軸モ一メントを上肢運動によつて打ち消すことができる。

本発明の第 1の側面に係る脚式移動ロボットの動作制御装置並びに動作制御方法によれば、 Z MP上のョ一軸モーメントがほぼゼロとなるョー軸回りに極めて滑りにく、運動を前以つて生成するため、機体はョ一軸回りにはほとんど滑らない。特に、動きそのものが重要なエンターテインメント用途のロボットには、なくてはならない技術である。なお、ロボットにョー軸回りのモーメントが印加された場合には、ピヅチ軸、ロール軸、ョー軸の 3面の運動を同時に解くため、ョ一軸回りのモーメントを打ち消すための動作によって、ピッチ軸、ロール軸回りのモーメントを発生させることもない。

したがって、下肢ゃイ * Φ部による脚式作業を継続しつつ、上肢の運動によって歩行やその他の脚式作業時における安定性を維持することができる。

上肢の運動は、より具体的には、肩関節や肘関節の駆動を利用した運動である。勿論、左右の各上肢は一般的には逆位相の動きであるが、本発明を実現する上で特にこれに限定する必要はない。

一般的な直立 2足歩行型のロボットの機体設計によれば、 m (例えば体幹ョー軸）よりも肩関節や肘関節の方が広い可動角を持つので、このような上肢の運動により、機体のョ一軸モーメントを効率的且つ高精度に打ち消して、高度な姿勢安定性を実現することができる。

また、このような上肢運動は、ロボットの上半身の動作を表現力豊かに見せるといった演出効果がある。

また、本発明の第 2の側面は、少なくとも上肢と^部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うタイプのロボヅトの動作制御装置又は動作制御方法であつて、

少なくとも上肢、体幹、下肢のいずれかについての運動を設定する手段又はステツプと、

該設定された上肢、体幹部、下肢の運動によって生じる設定 Z M P上におけるロボヅトの機体のビヅチ軸及び Z又はロール軸モーメントを算出する手段又はステツプと、

該ピッチ軸及び/又はロール軸モ一メントを打ち消す下肢、部の運動を算出する手段又はステップと、

該算出された下肢、僻辛の運動によって生じる設定 Z M P上におけるロボヅトの機体のョー軸モ一メントを算出する手段又はステップと、

該ョー軸モ一メントを打ち消す上肢運動を算出する手段又はステツプと、該算出された上肢、体幹部、下肢の運動に従って、該設定された上肢、体幹、下肢の運動を修正する手段又はステップと、

2足歩行型の脚式移動ロボットが、上肢、ィ部、下肢の運動からなる全身運動を行う場合、ロボットの機体には、ピヅチ軸、口一ル軸、並びにョ一軸の各軸回りにモーメントが発生する。

本発明の第 2の側面に係る脚式移動ロボットのための動作制御装置又は動作制御方法によれば、下肢、体幹部、上肢の運動の組み合わせからなる機体の運動パ夕―ンを実行する際に設定 Z MP上で機体に生じるビヅチ軸及びロール軸回りの各モーメントを打ち消す下肢及び ίφ^の運動を算出した後、さらに、この下肢及び体幹の運動によって設定 Z MP上において機体に生じるョー軸回りのモ一メントを打ち消すような上肢の運動を算出することができる。したがって、歩行などの脚式作業時に機体に印加されるロール、ピッチ、ョ一各軸回りのモーメントの影響をキヤンセルしながら安定且つ正確な全身協調運動を実現することができるとりわけ 2足歩行型の脚式移動ロボットにおいては、歩行速度の増加とともに機体に加わるョー軸モ一メントが著しく増大していくが、このようなョ一軸モ一メントは、機体の旋回や路面に対するョー軸回りの滑りや機体の転倒など機体動作の障害となるが、本発明の第 2の側面によれば、これを好適に取り除くことができる。

また、本発明の第 2の側面に係る脚式移動ロボットの動作制御装置並びに動作制御方法によれば、 Z M P上のョー軸モーメントがほぼゼ口となるョー軸回りに極めて滑りにくい運動を前以つて生成するため、機体はョー軸回りにはほとんど滑らない。ロボヅトにョ一軸回りのモ一メントが印加された場合には、ピッチ軸、ロール軸、ョー軸の 3面の運動を同時に解くため、ョ一軸回りのモーメントを打ち消すための動作によって、ピッチ軸、口一ル軸回りのモーメントを発生させることもない。

したがって、下肢ゃィ * 部による脚式作業を継続しつつ、上肢の運動によって歩行やその他の脚式作業時における安定性を維持することができる。

上肢の運動は、より具体的には、肩関節や肘関節の駆動を利用した運動である。勿論、本発明の要旨を、左右の各上肢が逆位相又は対称的な動きに限定する必要はない。一般的な直立 2足歩行型のロボヅトの機体設計によれば、体幹部（例えば体幹ョ一軸）よりも肩関節や肘関節の方が広い可動角を持つので、このような上肢の運動により、機体のョ一軸モーメントを効率的且つ高精度に打ち消して、高度な姿勢安定性を実現することができる。また、このような上肢運動は、ロボットの上半身の動作を表現力豊かに見せるといった演出効果がある。

また、本発明の第 3の側面は、少なくとも上肢と浦部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うタイプのロボットの動作制御装置又は動作制御方法であつて、

( a ) 要求された動作を実現するための少なくとも足部運動、体幹運動、上肢運動、腰部の姿勢及び高さのうちいずれかを設定する手段又はステップと、

( b )前記手段又はステップ（a) により設定された足部運動に基づいて Z MP 軌道を設定する手段又はステツプと、

( c )前記手段又はステップ（a) により設定された足部、体幹、上肢の運動によって前記手段又はステップ（b ) により設定された Z MP上で生じる前記脚式移動ロボットのピッチ軸及びロール軸回りのモーメントを算出する手段又はステヅプと、

( d )前記手段又はステップ（c ) により算出されたピッチ軸及びロール軸回りのモ一メントを打ち消す腰部運動の解を求める手段又はステヅプと、

( e )前記手段又はステップ（d ) により求められた腰部運動によって前記手段又はステップ（b ) により設定された Z MP上で前記脚式移動ロボヅトのョ一軸回りに生じるモーメントを算出する手段又はステツプと、

( f )前記手段又はステップ（e ) により算出されたョ一軸回りのモーメントを打ち消す上肢運動の解を求める手段又はステップと、

( g)前記手段又はステップ（d )及び前記手段又はステップ（f ) により求められた腰部運動及び上肢運動に基づいて前記脚式移動ロボットの全身運動を導出する手段又はステップと、

を具備することを特徴とする脚式移動ロボヅトのための動作制御装置又は動作制御方法である。

本発明の第 3の側面に係る脚式移動ロボットのための動作制御装置又は動作制御方法によれば、下肢、体幹部、上肢の運動の組み合わせからなる機体の運動パ夕一ンを実行する際に設定 Z MP上で機体に生じるピッチ軸及びロール軸回りの各モーメントを打ち消す下肢及ぴの運動を算出した後、さらに、この下肢及び体幹の運動によって設定 Z MP上において機体に生じるョー軸回りのモーメントを打ち消すような上肢の運動を算出することによって、脚式作業時に機体に印加されるロール、ピッチ、ョー各軸回りのモーメントの影響をキャンセルしながら安定且つ正確な全身協調運動を実現することができる。

また、本発明の第 3の側面に係る脚式移動ロボットの動作制御装置並びに動作制御方法によれば、 Z M P上のョ一軸モーメントがほぼゼ口となるョ一軸回りに極めて滑りにくい運動を前以つて生成するため、機体はョー軸回りにはほとんど滑らない。ロボットにョ一軸回りのモーメントが印加された場合には、ピッチ軸、ロール軸、ョー軸の 3面の運動を同時に解くため、ョー軸回りのモーメントを打ち消すための動作によって、ピッチ軸、ロール軸回りのモーメントを発生させることもない。

また、本発明の第 4の側面は、少なくとも上肢と部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行う夕ィプのロボットの動作制御装置又は動作制御方法であつて、

(A) 要求された動作を実現するための少なくとも足部運動、体幹運動、上肢運動、腰部の姿勢及び高さのうちいずれかを設定する手段又はステツプと、

(B ) 前記手段又はステップ（A) により設定された足部運動に基づいて Z MP 軌道を設定する手段又はステップと、

( C )前記脚式移動ロボヅトの非厳密モデルを用いて、前記手段又はステップ (A) により設定された足部、体幹、上肢の運動によって前記手段又はステップ（B ) により設定された Z M P上で生じる前記脚式移動ロボットのピッチ軸及び口ール軸回りのモーメントを算出する手段又はステップと、

(D ) 前記手段又はステップ（C ) により算出されたピヅチ軸及びロール軸回りのモーメントを打ち消す腰部運動の近似解を求める手段又はステツプと、

( E )前記脚式移動ロボヅトの非厳密モデルを用いて、前記手段又はステヅプ (D ) により求められた腰部運動の近似解によって前記手段又はステップ（B ) により設定された Z M P上で前記脚式移動ロボットのョ一軸回りに生じるモーメントを算出する手段又はステップと、

( F )前記手段又はステップ（E ) により算出されたョ一軸回りのモーメントを打ち消す上肢運動の近似解を求める手段又はステツプと、

( G)前記脚式移動ロボットの厳密モデルを用いて、前記手段又はステップ（D ) 及び前記手段又はステップ（F ) により算出された全身運動実行時における前記手段又はステップ（B ) により設定された Z MP上で生じる前記脚式移動ロボヅトのピッチ軸、ロール軸、及びョ一軸回りのモーメントを算出する手段又はステップと、

(H)前記手段又はステップ（G) により算出されたピッチ軸、ロール軸、及びョ一軸回りのモーメントが所定の許容値未満であれば全身運動の解とする手段又はステップと、

( I ) 前記手段又はステップ（G) により算出されたピッチ軸、ロール軸、及びョー軸回りのモーメントが所定の許容値以上であれば、設定 Z MP上における非厳密モデルのモーメントを修正して、前記手段又はステップ（D ) 又は前記手段又はステップ（F ) に再投入する手段又はステップと、

本発明の第 4の側面に係る脚式移動ロボットのための動作制御装置又は動作制御方法によれば、下肢、体幹部、上肢の運動の組み合わせからなる機体の運動パ夕一ンを実行する際に設定 Z M P上で機体に生じるピヅチ軸及び口一ル軸回りの各モーメントを打ち消す下肢及び^の運動を算出した後、さらに、この下肢及び体幹の運動によって設定 Z M P上において機体に生じるョ一軸回りのモーメントを打ち消すような上肢の運動を算出することによって、脚式作業時に機体に印加されるロール、ピヅチ、ョ一各軸回りのモーメントの影響をキャンセルしながら安定且つ正確な全身協調運動を実現することができる。

また、本発明の第 4の側面に係る脚式移動ロボットの動作制御装置並びに動作制御方法によれば、 Z MP上のョ一軸モーメントがほぼゼロとなるョ一軸回りに極めて滑りにくい運動を前以つて生成するため、機体はョー軸回りにはほとんど滑らない。ロボヅトにョ一軸回りのモーメントが印加された場合には、ピッチ軸、ロール軸、ョー軸の 3面の運動を同時に解くため、ョ一軸回りのモーメントを打ち消すための動作によって、ピッチ軸、口一ル軸回りのモーメントを発生させることもない。

本発明の第 4の側面に係る脚式移動ロボヅトのための動作制御装置又は動作制御方法において、非厳密モデルは前記脚式移動ロボヅトに関する線形及び/又は非干渉の多質点近似モデルであってもよい。また、厳密モデルは前記ロボットに関する剛体モデル、又は、非線形及び/又は干渉の多質点近似モデルであってもよい。

また、（F' ) 腰部運動の近似解を求める前記手段又はステップ（D )及び/又は上肢運動の近似解を求める前記手段又はステップ（F ) において求めた近似解ではあらかじめ設定した体幹 ·上肢運動が実現できない場合に、 i -上肢運動ノ ^ 夕一ンの再設定'修正を行う手段又はステップをさらに備えていてもよい。

また、前記の腰部運動の近似解を求める手段又はステップ（D )は、足部運動、 # ^運動、上肢運動によって生じる設定 Z MP上のモーメントと、腰部の水平面内運動によって生じる設定 Z MP上のモーメントとの釣合方程式を解くことによつて腰部運動の近似解を求めるようにしてもよい。

また、前記の腰部運動の近似解を求める手段又はステップ（D ) は、時間の関数を周波数の関数に置き換えて計算するようにしてもよい。より具体的に言えば、足部運動、 # ^運動、上肢運動によって生じる設定 Z MP上のモーメントにフーリェ級数展開を適用するとともに、腰部の水平面内運動にフーリェ級数展開を適用して、腰部水平面内軌道のフーリエ係数を算出して、さらに逆フーリエ級数展開を適用することによって腰部運動の近似解を求めるようにしてもよい。

また、前記の上肢運動の近似解を求める手段又はステップ（F )は、足部運動、僻辛運動によって生じる設定 Z MP上のモ一メントの釣合方程式を解くことによつて上肢運動の近似解を求めるようにしてもよい。

また、前記の上肢運動の近似解を求める手段（F ) は、時間の関数を周波数の関数に置き換えて計算するようにしてもよい。より具体的に言えば、前記の上肢運動の近似解を求める手段 ( F ) は、足部運動、体幹運動によって生じる設定 Z M P上のモーメントにフーリェ級数展開を適用してフ一リェ係数を算出して、さらに逆フーリェ級数展開を適用することによって上肢運動の近似解を求めるようにしてもよい。

また、本発明の第 5の側面は、少なくとも上肢と部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うロボット装置において、

前記ロボットの運動パターンを設定する運動パターン設定手段と、

該設定された運動パターンにより生じる設定 Z MP上における前記ロボットの機体のョ一軸回りモ一メントを算出するモーメント算出手段と、

該算出されたョー軸回りモ一メントを減少させる上肢運動パターンを算出する運動パターン算出手段と、

該算出された上肢運動パターンに基づいて、上記設定された運動パ夕一ンを修正する運動ノ夕一ン修正手段と、

を具備することを特徴とするロボヅト装置である。

ここで、前記運動パターン設定手段は、少なくとも前記ロボットの上肢又は体幹部又は下肢のうちいずれかの運動パターンを設定するものとする。

2足歩行型の脚式移動ロボットが、上肢、体幹部、下肢の運動からなる全身運動を行う場合、ロボットの機体には、ピッチ軸、ロール軸、並びにョー軸の各軸回りにモーメントが発生する。

本発明の第 5の側面に係るロボット装置によれば、下肢、体幹部、上肢の運動の組み合わせからなる機体の運動ノ夕一ンを実行する際に設定 Z M P上で機体に生じるョー軸回りのモ一メントを打ち消すような上肢運動パターンを算出して運動パターンを修正することができる。したがって、歩行などの脚式作業時に機体に印加されるョ一軸回りのモーメントの影響をキヤンセルしながら安定且つ正確な全身協調運動を実現することができる。

とりわけ 2足歩行型の脚式移動ロボットにおいては、歩行速度の増加とともに機体に加わるョ一軸モーメントが著しく増大していくが、このようなョ一軸モーメントは、機体の旋回や路面に対するョー軸回りの滑りや機体の転倒など機体動作の障害となるが、本発明の第 5の側面によれば、これを好適に取り除くことができる。また、本発明の第 5の側面に係るロボヅト装置によれば、 Z MP上のョー軸モーメントがほぼゼロとなるョ一軸回りに極めて滑りにくい運動を前以つて生成するため、機体はョ一軸回りにはほとんど滑らない。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、本発明の実施に供される脚式移動ロボヅト 1 0 0を前方から眺望した様子を示た図である。

図 2は、本発明の実施に供される脚式移動ロボヅト 1 0 0を後方から眺望した様子を示た図である。

図 3は、本実施例に係る脚式移動ロボヅト 1 0 0が具備する自由度構成モデルを模式的に示した図である。

図 4は、本実施例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 5は、本実施例に係る歩行制御の計算のために導入される、脚式移動ロボット 1 0 0の線形且つ非干渉の多質点近似モデルを示した図である。

図 6は、図 5に示した多質点モデルの腰部周辺の拡大図である。

図 7及び図 8は、脚式移動ロボヅト 1 0 0において安定歩行可能な腰、体幹、下肢運動を生成するための処理手順の一例を示したフローチャートである。

図 9及び図 1 0は、脚式移動ロボット 1 0 0において安定歩行可能な腰、体幹、下肢運動を生成するための処理手順の他の例を示したフローチャートである。図 1 1は、 2足脚式移動ロボヅトの歩行速度 [秒/歩] とョ一軸方向に発生するモーメント Nmとの関係（例）を表した図である。

[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。

図 1及び図 2には本発明の実施に供される脚式移動ロボット 1 0 0を前方及び後方の各々から眺望した様子を示している。さらに、図 3には、この脚式移動口ボヅト 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。

図 3に示すように、脚式移動ロボット 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、首関節ピッチ車由 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、上腕ョー軸 1 0 と、肘関節ピッチ軸 1 1と、前腕ョ一軸 1 2と、手首関節ピヅチ軸 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、部は、僻辛ピッチ軸 5と、体ロール軸 6と、体ョ一軸 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、股関節ピッチ軸 1 7と、股関節ロール軸 1 8と、膝関節ピヅチ軸 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。本明細書中では、股関節ピツチ軸 1 7と股関節ロール軸 1 8の交点は、本実施例に係るロボヅト 1 0 0の股関節位置を定義する。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、本実施例に係る脚式移動ロボット 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、エンターティンメント向けの脚式移動ロボット 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等に応じて、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、実際にはァクチュェ一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ーボ制御系をワンチヅプ化してモ一夕 'ユニットに内蔵したタイプの小型 A Cサ一ボ ·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サ一ボ ·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号明細書）に開示されている。

図 4には、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ている。同図に示すように、脚式移動ロボヅト 1 0 0は、ヒトの四肢を表現した各機構ュニット 3 0 , 4 0 , 5 0 R/L , 6 と、各機構ユニット間の協調動作を実現するための適応制御を行う制御ユニット 8 0とで構成される（但し、 R及び Lの各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下同様)。

脚式移動ロボヅト 1 0 0全体の動作は、制御ュニヅト 8 0によって統括的に制御される。制御ユニット 8 0は、 C P U (Central Processing Unit) やメモリ等の主要回路コンポーネント（図示しない）で構成される主制御部 8 1と、電源回路ゃロボヅト 1 0 0の各構成要素とのデ一夕やコマンドの授受を行うインターフエース（いずれも図示しない）などを含んだ周辺回路 8 2とで構成される。

本発明を実現する上で、この制御ュニット 8 0の設置場所は特に限定されない。図 4ではィ * 部ユニット 4 0に搭載されているが、頭部ュニヅト 3 0に搭載してもよい。あるいは、脚式移動ロボット 1 0 0外に制御ユニット 8 0を配備して、脚式移動ロボット 1 0 0の機体とは有線若しくは無線で交信するようにしてもよい。

図 3に示した脚式移動ロボヅト 1 0 0内の各関節自由度は、それそれに対応するァクチユエ一夕によって実現される。すなわち、頭部ユニット 3 0には、首関節ョー軸 2、首関節ピッチ軸 3、首関節ロール軸 4の各々を表現する首関節ョー軸ァクチユエ一夕 A₂、首関節ピッチ軸ァクチユエ一夕 A₃、首関節ロール軸ァクチユエ一夕 A₄が酉己設されている。また、體部ユニット 4 0には、体幹ピッチ軸 5、 # ^ロール軸 6、 # ^ョ一軸 7の各々を表現する体ピヅチ軸ァクチユエ一夕 A₅、 im口一ル軸ァクチユエ —夕 A₆、ィ揚ョ一軸ァクチユエ一夕 A₇が配備されている。

また、腕部ュニット 5 0 R/Lは、上腕ュニット 5 1 RZLと、肘関節ュニヅト 5 2 R/Lと、前腕ュニヅト 5 3 RZLに細分化されるが、肩関節ピッチ軸 8、肩関節ロール軸 9、上腕ョー軸 1◦、肘関節ピッチ軸 1 1、肘関節ロール軸 1 2、手首関節ピッチ軸 1 3、手首関節ロール軸 1 4の各々を表現する肩関節ピッチ軸ァクチユエ一夕 A₈、肩関節口一ル軸ァクチユエ一夕 A₉、上腕ョ一軸ァクチユエ —夕 A₁₍₎、肘関節ピッチ軸ァクチユエ一夕 A_u、肘関節ロール軸ァクチユエ一夕 A ₁₂、手首関節ピッチ軸ァクチユエ一夕 A₁₃、手首関節ロール軸ァクチユエ一夕 A₁₄ が配備されている。

また、脚部ユニット 6 0 RZLは、大腿部ユニット 6 1 R/Lと、膝ュニヅト 6 2 R/Lと、脛部ュニット 6 3 R/Lに細分ィ匕されるが、股関節ョ一軸 1 6、股関節ピッチ軸 1 7、股関節ロール軸 1 8、膝関節ピッチ軸 1 9、足首関節ピッチ軸 2 0、足首関節ロール軸 2 1の各々を表現する股関節ョ一軸ァクチユエ一夕 A₁₆、股関節ピッチ軸ァクチユエ一夕 A₁₇、股関節口一ル軸ァクチユエ一夕 A₁₈、膝関節ピッチ軸ァクチユエ一夕 A₁₉、足首関節ピッチ軸ァクチユエ一夕 A₂。、足首関節ロール軸ァクチユエ一夕 A₂₁が配備されている。

各関節に用いられるァクチユエ一夕 Α₂， Α₃···は、より好ましくは、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモ一夕 'ュニット内に搭載したタイプの小型 A Cサ一ボ ·ァクチユエ一夕（前述）で構成することができる。

頭部ュニヅト 3 0、 # ^部ュニヅト 4 0、腕部ュニット 5 0、各脚部ュニヅト 6 0などの各機構ユニット毎に、ァクチユエ一夕駆動制御用の副制御部 3 5， 4 5， 5 5， 6 5が配備されている。さらに、各脚部 6 O R , Lの足底が着床したか否かを検出する接地確認センサ 9 1及び 9 2を装着するとともに、部ュニヅト 4 0内には、姿勢を計測する姿勢センサ 9 3を装備している。

接地確認センサ 9 1及び 9 2は、例えば足底に設置された近接センサ又はマイクロ 'スィヅチなどで構成される。また、姿勢センサ 9 3は、例えば、加速度センザとジャイロ ·センサの組み合わせによって構成される。接地確認センサ 9 1及び 9 2の出力によって、歩行'走行などの動作期間中において、左右の各脚部が現在立脚又は遊脚いずれの状態であるかを判別することができる。また、姿勢センサ 9 3の出力により、体幹部分の傾きや姿勢を検出することができる。

主制御部 8 0は、各センサ 9 1〜9 3の出力に応答して制御目標をダイナミツクに補正することができる。より具体的には、副制御部 3 5， 4 5， 5 5 , 6 5 の各々に対して適応的な制御を行い、脚式移動ロボヅト 1 0 0の上肢、体幹、及び下肢が協調して駆動する全身運動ノ ^夕一ンを実現することができる。

ロボット 1 0 0の機体上での全身運動は、足部運動、 Z M P (Zero Moment Point) 軌道、 # ^運動、上肢運動、腰部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コマンドを各副制御部 3 5 , 4 5 , 5 5， 6 5に転送する。そして、各々の副制御部 3 5 , 4 5…では、主制御部 8 1からの受信コマンドを解釈して、各ァクチユエ一夕 A₂, A₃…に対して駆動制御信号を出力する。ここで言う「Z M P」とは、歩行中の床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点のことであり、また、「Z M P軌道」とは、例えばロボット 1 0 0の歩行動作期間中に Z M Pが動く軌跡を意味する（前述)。

次いで、本実施例に係る脚式移動ロボット 1 0 0における、脚式作業時すなわち足部、腰、体幹、下肢運動などからなる全身協調運動パターンの実行時における姿勢の安定化処理の手順について説明する。

本実施例に係る脚式移動ロボヅト 1 0 0は無限のすなわち連続的な質点の集合体である。但し、ここでは有限数で離散的な質点からなる近似モデルに置き換えることによって、安定ィ匕処理のための計算量を削減するようにしている。より具体的には物理的には図 3に示す多関節自由度構成を具備する脚式移動ロボット 1 0 0を、図 5に示すように多質点近似モデルに置き換えて取り扱う。図示の近似モデルは、線形且つ非干渉の多質点近似モデルである。

図 5において、 0— X Y Z座標系は絶対座標系におけるロール、ピッチ、ョ一各軸を表し、また、 0'— X' Y' Z '座標系はロボット 1 0 0とともに動く運動座標系におけるロール、ピッチ、ョー各軸を表している。同図に示す多質点モデルでは、 iは i番目に与えられた質点を表す添え字であり、 miは i番目の質点の質量、 Γ は i番目の質点の位置ベクトル（但し運動座標系）を表すものとする。また、後述する腰部運動制御において特に重要な腰部質点の質量は m_h、その位置ベクトルは r，_h ( r，_llx， r , r _z) とし、また、 Z MPの位置ベクトルを r ' _MP

\ 1 zmp 5 人 znpy I zmpz^ ノ o

多質点モデルは、言わば、ワイヤフレーム'モデルの形態でロボットを表現したものである。図 5を見ても判るように、多質点近^ (モデルは、両肩、両肘、両手首、腰部、及び、両足首の各々を質点として設定される。図示の非厳密の多質点近似モデルにおいては、モーメント式は線形方程式の形式で記述され、該モ一メント式はピッチ軸及びロール軸に関して干渉しない。多質点近似モデルは、概ね以下の処理手順により生成することができる。 '

( 1 ) ロボット 1 0 0全体の質量分布を求める。

( 2 )質点を設定する。質点の設定方法は、設計者のマニュアル入力であっても、所定の規則に従った自動生成のいずれでも構わない。

( 3 )各領域 i毎に、重心を求め、その重心位置と質量 miを該当する質点に付与する。

( 4 )各質点 miを、質点位置 r iを中心とし、その質量に比例した半径に持つ球体として表示する。

( 5 )現実に連結関係のある質点すなわち球体同士を連結する。

なお、図 5に示す多質点モデルの腰部情報における各回転角 ( 0 , θ^, 6 は、脚式移動ロボット 1 0 0における腰部の姿勢すなわちロール、ピッチ、ョー軸の回転を規定するものである（図 6には、多質点モデルの腰部周辺の拡大図を示しているので、確認されたい）。

次いで、本実施例に係る脚式移動ロボヅト 1 0 0における姿勢安定化処理、すなわち腰、 im^ 下肢などの運動により発生するモーメントをキャンセルした全身協調運動パターンの生成処理の手順について説明する。

図 7及び図 8には、脚式移動ロボヅト 1 0 0において安定歩行可能な腰、体幹、下肢運動を生成するための処理手順の一例をフローチャートの形式で示している。但し、以下の説明では、図 5に示すような線形'非干渉多質点近似モデルを用いて脚式移動ロボヅト 1 0 0の各関節位置や動作を記述するものとし、且つ、計算に際して以下のようなパラメ一夕を用いることとする。但し、ダッシュ）付きの記号は運動座標系を記述するものと理解されたい。 m_{h :}腰部質点の質量

¾^ , ):腰部質点の位置べクトル

mi : i番目の質点の質量

'： i番目の質点の位置べクトル

m_p： Z MPの位置べクトル

g_x，gy,g_z):重力加速度べクトル

0' - Χ'Υ'Ζ' :運動座標系（ロボットとともに動く；

Ο - ΧΥΖ :絶対座標系また、脚式移動ロボヅト 1 0 0の腰部高さが一定（r，_hz+ r_qz=const) で、且つ、膝部質点がゼロであることを前提とする。まず、足部（より具体的には足底）運動、足部運動から導出される Z MP軌道、運動、上肢運動、腰部の姿勢や高さなど、各部の駆動 ·動作を実際に決定するためのパターンが設定される（ステップ s 1 Do より具体的には、まず足部運動パターン、次いで Z MP軌道、 # ^運動パターン、そして上肢運動パ夕一ンを設定する。また、後述するョ一軸モーメント補償に用いる未知変数（上肢運動に関する）を、ここで設定しておく。また、腰部の運動に関しては、 Z，方向のみ設定し、 X'及び Y⁵の各方向については未知とする。

次に、線形'非干渉多質点近似モデルを用いて、足部、體、そして上肢運動により発生する設定 Z M P上でのピヅチ軸回りのモ一メント M_y、並びに口一ル軸回りのモーメント M_xを算出する（ステップ S 1 2 )。

次いで、線形'非干渉多質点近似モデルを用いて、腰部水平面内運動（Γ ' ^ τ )によって発生する設定 Z MP上でのピヅチ軸回りのモーメント M_y、並びにロール軸回りのモーメント M_xを算出する（ステップ S 1 3 )。

次いで、設定 Z M P上におけるピッチ軸及び口一ル軸回りのモーメントに関する釣り合い式を、ロボット 100 (あるいはその多質点近似モデル）とともに動く運動座標系〇'—X， Y， Z'上で導出する（ステップ S 14)。より具体的には、足部、体幹、そして上肢運動により発生するビヅチ軸回りのモーメント M_y、並びに口一ル軸回りのモ一メン M_xを既知変数の項として右辺に、腰部質点の水平運動に関する項（， τ ) を未知変数の項として左辺にまとめ、下式に示すような線形'非干渉な Z MP方程式（1) を導出する。

+ m_hH¾ +r_qx +g_x)-m_hg_z( — _Px)= -M_y(t)

(1)

- m_hH( + r_qy +g_y)+m_hg_z(r ~ )= -M_x(t) 但し、以下が成立するものとする <

0

hz + r qz , H(t)

H(t) = const (時間に関し一定次いで、上記の ZMP方程式（ 1 )を解いて、腰部水平面内軌道を算出する（ステツプ S 15)。例えば、オイラー法やルンゲ'クヅ夕法などの数値的解法（周知）を用いて ZMP方程式（1) を解くことで、未知変数としての腰部の水平絶対位置（r'_ta， τ ) の数値解を求めることができる（ステップ S 16)。ここで求められる数値解は、安定歩行可能な腰部運動ノターンの近似解であり、より具体的には Ζ Μ Ρが目標位置に入るような腰部水平絶対位置である。 Ζ Μ Ρ目標位置は、通常、着床した足底に設定される。

ここで求められる近似解は、安定歩行可能な腰部運動パターンを規定する腰部の水平絶対位置の近似解 (r'j,,, τ ) であり、より具体的には ZMPが目標位置に入るような腰部水平絶対位置である。但し、足部、体幹、上肢、腰部などの運動により発生するピッチ軸回りのモーメント M_y、並びにロール軸回りのモーメント M_xをキャンセルしたことになるが、まだョー軸回りのモーメント M_zがキヤンセルされずに残されている。そこで、後続のステップでは、ョー軸间りのモーメント M_zのキャンセルするための上肢運動パターンの生成処理を行う。

ステップ S 17において、腰部運動の近似解によって生じる設定 ZMP上のョ —軸モーメント（但し、腰部に発生するョー軸モーメント） M_zhを、下式（2) を用いて算出する。

M_zh (t) = -m_h [ri + r_qx + g_x

- r_z'_mpy )+1x1,(1；+ r_qy + g_y - r_z'_mpx ) …（2) 次に、線形 ·非干渉多質点近似モデルを用いて、足部、體の運動によって発生する設定 ZMP上でのョー軸回りのモーメン M_zを算出する（ステップ S 18)。次いで、設定 ZMP上におけるョ一軸回りのモーメント M_zに関する釣り合い式を、ロボット 100 (あるいはその多質点近似モデル）とともに動く運動座標系 0，— X'Y'Z，上で導出する（ステップ S 19)。より具体的には、足部、麟の運動により発生するョ一軸回りのモーメント Μ_ζと腰部運動の近似解によって生じるョー軸モーメント M_zhを既知変数の項として右辺に、上肢質点の運動により発生するョー軸回りのモーメント M_armを未知変数の項として左辺にまとめることで、下式に示すような線形'非干渉な ZMP方程式（3) を導出する。 a_rm(0_Mm,t)=-M_zh(t)-Mz_h(t) (3) さらに、ォイラ一法やルンゲ ·クヅ夕法などの数値的解法（周知）を用いて、 Z

MP方程式（3) を解くことによって（ステップ S20)、ョー軸モーメント M_z と M_zhを補償して安定歩行を可能とするのに必要な上肢運動パターンを算出する (ステップ S 21)。数値的解法による上肢運動パターンの算出時には、あらかじめ与えられているョ一軸モーメント補償用の未知変数を適用する。

上式（3) において、未知変数 Θの取り方として、上肢関節のどの関節角を未知変数として利用してもよい。より具体的に言えば、図 3に示した関節自由度のうち、肩関節ピヅチ軸 8、肩関節ロール軸 9、上腕ョー軸 10、肘関節ピッチ軸 11、前腕ョ一車由 12、手首関節ピヅチ軸 13、手首関節ロール軸 14のうち 1 以上の関節の組み合わせて上式（3) を成立させるようにしてもよい。また、上式（3) を成立させる上で、右上肢と左上肢とが対称又は逆位相で動かすことを前提としていなくてもよい。未知変数 Θの取り方としては、大きなモ —メン卜の発生量が期待できるものとして、肩関節のピッチ軸回りの関節角（6> anustalder)を未知変数として用いることが挙げられる。あるいは、より人間の生体メカニズムに近いモーメント発生動作を期待できるものとしては、肩関節のピヅチ軸回りの関節角（0_arm— _sh。_ulder) を未知変数にし、さらに肘関節角（0 __elb。_w) を

_{er ;} Gはゲイン）とすることで、未知変数を 1つにしたままで（すなわち計算量を変えずに）肩関節と肘関節の協調動作によるョー軸補償運動パターンの算出を行うことができる。

勿論、ロボヅト 100の上体の一部である体幹ョー軸 7を利用して上式（3) を成立させることも、理論式上は可能であるが、可動角が広い肩関節や肘関節などの上肢の駆動を用いて上式（ 3 )を成立させる方が機体での実現が容易であり、且つ、高精度な制御が可能となる。

上記のステップ S 2 1までで算出された近似解上ではあらかじめ設定した体幹'上肢運動が実現できない場合には、体幹'上肢運動パターンの再設定'修正を行う (ステップ S 22)o この際、膝部の軌道を算出してもよい。

次いで、上述のようにして得られた全身運動パターンを代入して、厳密モデル (すなわち、剛体、若しくは非常に多くの質点からなる脚式移動ロボット 100 の精密なモデル）における設定 Z MP上におけるロール軸、ピッチ軸、及びョー軸の各軸回りのモーメント（eM_x， eM_y, eM_z)を算出する（ステップ S 23)_c 非厳密モデルでは上記の [数 3] が成立することを前提としたが、厳密モデルにおいてはかかる前提を要しない（すなわち時間の変化に対して一定である必要はない）。

厳密モデルにおけるモーメント（eM_x, eM_y， eM_z) は、腰部運動においてロール、ピッチ、ョ一それそれの軸回りに発生するモーメント誤差である。続くステップ S 24では、これら各軸回りのモーメント（eM_x， eM_y, eM_z) が許容値（εΜ_χ, εΜ_ν, εΜ_ζ) 未満か否かを判定する。許容値 e未満であれば、口ボット 100の機体上の腰、体幹、下肢の各部における安定運動パターンの厳密解、並びに機体（腰部）のョ一軸回りに発生するモーメント M_zと M_zhをキャンセルしたロボット 1 0 0の全身運動パターンを得ることができたことを意味するので（ステップ S 2 5 )、本処理ルーチン全体を終了する。

他方、厳密モデルにおけるモーメント（e M_x， e M_y， e M_z) が許容値（ε Μ_χ， e M_y3 £ M_Z) 以上であった場合には、厳密モデルにおけるロール軸並びにピッチ軸回りのモーメント（e M_x, e M_y) を用いて近似モデルにおける口一ル軸並びにピッチ軸回りのモーメント（M_x， M_y) を修正して（ステップ S 2 7 )、再び Z MP方程式の導出を行う。あるいは、厳密モデルにおけるョ一軸回りのモ一メント既知発生モーメント e M_zを用いて近似モデルにおけるョー軸回りの既知発生モーメント M_zを修正して（ステヅプ S 2 6 )、再び Z MP方程式の導出を行う。そして、許容値 £未満に収束するまで、上述したような腰、 i ^ 下肢の運動パ夕ーンの近似解の算出と修正を繰り返し実行することにより、腰部並びに上肢運動パターンの厳密解、並びに、安定歩行を実現できる全身運動パターンを得ることができる。

すなわち、図 7及び図 8に示した処理ルーチンによれば、脚式作業時に印加されるロール、ピッチ、ョ一各軸回りのモーメントの影響をキャンセルしながら機体を安定且つ正確に正確に駆動することができる、脚式移動ロボットのための全身運動パターンを生成することができる。また、相互に干渉しているロール、ピツチ、ョ一の各軸回りの運動を安定に算出することができる。

また、図 7及び図 8に示した処理ルーチンによれば、 Z MP上のョー軸モーメントがほぼゼロとなるョ一軸回りに極めて滑りにくい運動を前以つて生成するため、機体はョ一軸回りにはほとんど滑らない。特に、動きそのものが重要なェンターティンメント用途のロボットには、なくてはならない技術である。なお、口ボットにョー軸回りのモーメントが印加された場合には、ピッチ軸、ロール軸、ョー軸の 3面の運動を同時に解くため、ョー軸回りのモーメントを打ち消すための動作によって、ピヅチ軸、ロール軸回りのモーメントを発生させることもない。また、図 7及び図 8に示した処理ルーチンにおいて、ステップ S 2 1において得られたョ一軸モーメントを補償する上肢運動とは、人間の場合における両腕の振りや腰の回転を利用した運動によって実現することができる。このような上肢運動は、特に高速な歩行動作において姿勢安定性の維持に大きく寄与する他、機体の上半身の動作を表現力豊かに見せるといった演出効果がある。

ヒトゃサルにおける動作上の「表現力」を考えた場合、腕や胴体のなどの上体の動きや姿勢は、作業の実現だけでなく、感情の体現という側面があり、非常に重要な意味を持つ。これが「身振り」、「手振り」と呼ばれる所以である。したがつて、身振りや手振りという上半身主導の動作を活用してョー軸モーメントを補償することにより、機体の動作表現力が豊かになり、とりわけエンターティンメント指向の高いロボットにおいては好ましい。

また、図 9及び図 1 0には、脚式移動ロボヅト 1 0 0において安定歩行可能な腰、体幹、下肢運動を生成するための処理手順の他の例をフローチャートの形式で示している。但し、上述と同様に図 5に示した線形 ·非干渉多質点近似モデルを用いてロボット 1 0 0の各関節位置や動作を記述するものとする。

まず、足部（より具体的には足底）運動、足部運動から導出される Z MP軌道、運動、上肢運動、腰部の姿勢や高さなど、各部の駆動 ·動作を実際に決定するためのパターンが設定される（ステップ S 3 l ) oより具体的には、まず足部運動パターン、次いで Z MP軌道、 # ^運動パターン、そして上肢運動パターンを設定する。また、後述するョ一軸モーメント補償に用いる未知変数（上肢運動に関する）を、ここで設定しておく。また、腰部の運動に関しては、 Z'方向のみ設定し、 X '及び Y'の各方向については未知とする。

次に線形'非干渉多質点近似モデルを用いて、足部、体幹、そして上肢運動により発生する設定 Z MP上でのピッチ軸回りのモ一メント M_y、並びにロール軸回りのモーメント M_xを算出する（ステップ S 3 2 )。

次いで、線形'非干渉多質点近似モデルを用いて、腰部水平面内運動（Γ ' ^, r\_y)によって発生する設定 Z MP上でのピッチ軸回りのモーメント M_y、並びに口一ル軸回りのモーメント M_xを算出する（ステップ S 3 3 )。

次いで、設定 Z MP上におけるピッチ軸及びロール軸回りのモーメントに関する釣り合い式を、ロボット 1 0 0 (あるいはその多質点近似モデル）とともに動く運動座標系 0'— X' Y， Ζ，上で導出する（ステップ S 3 4 )。より具体的には、足部、体幹、そして上肢運動により発生するピッチ軸回りのモーメント M_y、並びに口一ル軸回りのモーメント M_xを既知変数の項として右辺に、腰部質点の水平運動に関する項（r'_hx， r ) を未知変数の項として左辺にまとめ、線形'非干渉な ZMP方程式（1) を導出する（同上)。

次いで、腰部水平面内運動（r，_ta, r ) をフーリエ級数展開し、次いで、設定 Z MP上でのピッチ軸回りのモ一メント M_y、並びにロール軸回りのモーメント M_xの各々についてもフーリエ級数展開し、次いで、腰部水平面内軌道のフーリエ係数を算出し、さらに逆フーリエ級数展開することで（ステップ S 35)、腰部運動の近似解が求まる（ステップ S 36)。

当業界において既に周知のように、フーリエ級数展開することにより、時間軸成分を周波数成分に置き換えて演算することができる。すなわち、この場合には腰部の動きを周期的な動きとして捉えることができる。また、 FFT (高速フーリエ変換）を適用することができるので、計算速度を大幅に向上させることがでぎる。

ここで求められる近似解は、安定歩行可能な腰部運動パターンを規定する腰部の水平絶対位置の近似解（r' r ) であり、より具体的には ZMPが目標位置に入るような腰部水平絶対位置である。但し、足部、体幹、上肢、腰部などの運動により発生するピヅチ軸回りのモ一メント My、並びに口一ル軸回りのモ一メント Μ_χをキャンセルしたことになるが、まだョー軸回りのモーメン hM_zがキヤンセルされずに残されている。そこで、後続のステップでは、ョ一軸回りのモーメン hM_zと M_zhをキャンセルするための上肢運動パターンの生成処理を行う。ステップ S 17において、腰部運動の近似解によって生じる設定 Z MPモ一メント上のョー軸モーメント（但し、腰部に発生するョー軸モーメント） Mzhを、上式（2) を用いて算出する。

次に、線形 ·非干渉多質点近似モデルを用いて、足部運動と体幹運動によって発生する設定 ZMP上でのョ一軸回りのモーメン M_zを算出する（ステップ S 3 次いで、設定 Z MP上におけるョー軸回りのモ一メントに関する釣り合い式を、ロボヅト 100 (あるいはその多質点近似モデル）とともに動く運動座標系 0，一 X'Y， Z，上で導出する（ステップ S39)。より具体的には、足部、 ^の運動により発生するョー軸回りのモーメント Μ_ζと腰部運動の近似解によって生じるョ一軸回りのモーメンチ M_zhを既知変数の項として右辺に、上肢質点の運動により発生するョ一軸回りのモ一メント M を未知変数の項として左辺にまとめることで、上式に示したような線形'非干渉な Z MP方程式（3 ) を導出する。次いで、ステップ S 3 5と同様に、 Z MP方程式の周波数領域におけるフ一リェ係数の比較法により（ステップ S 4 0 )、上肢運動パターンを算出する（ステツプ S 4 1 )。上肢運動パターンの算出時には、あらかじめ与えられているョ一軸モ —メント補償用の未知変数を適用する。

上式（3 ) において、未知変数 6>の取り方として、上肢関節のどの関節角を未知変数として利用してもよい。より具体的に言えば、図 3に示した関節自由度のうち、肩関節ピッチ軸 8、肩関節ロール軸 9、上腕ョ一軸 1 0、肘関節ピッチ軸 1 1、前腕ョ一軸 1 2、手首関節ピッチ軸 1 3、手首関節ロール軸 1 4のうち 1 以上の関節の組み合わせて上式（3 ) を成立させるうにしてもよい。

また、上式（3 ) を成立させる上で、右上肢と左上肢とが対称又は逆位相で動かすことを前提としていなくてもよい。未知変数 6/の取り方の例としては、大きなモーメントの発生量が期待できるものとして、肩関節のピッチ軸回りの関節角

^shoulder)を未知変数として用いることが挙げられる。あるいは、より人間の生体メ力ニズムに近いモ一メント発生動作を期待できるものとしては、肩関節のピッチ軸回りの関節角（6>_aM— _sh。_ulder)を未知変数にし、さらに肘関節角（6>_{OT elb}。_w) を（ _!«—₆₁^₍= 0 0₈^₃₁₁。_111[^ _; はゲィン）とすることで、未知変数を 1つにしたままで（すなわち計算量を変えずに）肩関節と肘関節の協調動作によるョー軸補償運動パターンの算出を行うことができる。

勿論、ロボット 1 0 0の上体の一部である体幹ョー軸 7を利用して上式（3 ) を成立させることも、理論式上は可能であるが、可動角が広い肩関節や肘関節などの上肢の駆動を用いて上式（ 3 )を成立させる方が機体での実現が容易であり、且つ、高精度な制御が可能となる。

上記のステップ S 2 1までで算出された近似解上ではあらかじめ設定した体幹'上肢運動が実現できない場合には、体幹'上肢運動パターンの再設定 ·修正を行う（ステップ S 4 2 )。この際、膝部の軌道を算出してもよい。

次いで、上述のようにして得られた全身運動パターンを代入して、厳密モデル (すなわち、剛体、若しくは非常に多くの質点からなる脚式移動ロボヅト 100 の精密なモデル）における設定 ZMP上におけるロール軸、ピッチ軸、及びョー軸の各軸回りのモーメント（eM_x, eM_y3 e M_z) を算出する（ステップ S 43)。非厳密モデルでは上記の [数 3] が成立することを前提としたが、厳密モデルにおいてはかかる前提を要しない（すなわち時間の変化に対して一定である必要はない）。

厳密モデルにおけるモーメント（eM_x, eM_y5 eM₂) は、腰部運動においてロール、ピッチ、ョ一それそれの軸回りに発生するモーメント誤差である。続くステップ S 44では、これら各軸回りのモーメント（eM_x, eM_y, eM_z) が許容値（eM_x, £M_y, £M_Z)未満か否かを判定する。許容値 £未満であれば、口ボット 100の機体上の腰、体幹、下肢の各部における安定運動パターンの厳密解、並びにロボヅトの機体のョ一軸回りに発生するモーメントをキャンセルしたロボヅト 100の全身運動パターンを得ることができたことを意味するので（ステヅプ S45)、本処理ル一チン全体を終了する。

他方、厳密モデルにおけるモーメント（eM_x, eM_y3 eM_z) が許容値（εΜ_χ， εΜ_γ, £Μ_Ζ) 以上であった場合には、厳密モデルにおけるロール軸並びにピッチ軸回りのモーメント（eM_x, eM_y) を用いて近似モデルにおけるロール軸並びにピッチ軸回りのモーメント（M_x, M_y) を修正して（ステップ S 47)、再び ZMP方程式の導出を行う。あるいは、厳密モデルにおけるョ一軸回りのモーメント既知発生モーメント eM_zを用いて近似モデルにおけるョ一軸回りの既知発生モーメント M_zを修正して（ステップ S 46)、再び ZMP方程式の導出を行う。そして、許容値 £未満に収束するまで、上述したような腰、体幹、下肢の運動パ夕一ンの近似解の算出と修正を繰り返し実行することにより、腰部並びに上肢運動パターンの厳密解、並びに、安定歩行を実現できる全身運動パターンを得ることができる。

すなわち、図 9及び図 10に示した処理ルーチンによれば、脚式作業時に印加されるロール、ピヅチ、ョ一各軸回りのモーメントの影響をキャンセルしながら機体を安定且つ正確に正確に駆動することができる、足式移動ロボヅトのための全身運動パターンを生成することができる。また、相互に干渉しているロール、ピヅチ、ョ一の各軸回りの運動を安定に算出することができる。

また、図 9及び図 1 0に示した処理ルーチンによれば、 Z MP上のョー軸モ一メントがほぼゼロとなるョー軸回りに極めて滑りにくい運動を前以つて生成するため、機体はョ一軸回りにはほとんど滑らない。特に、動きそのものが重要なェン夕一ティンメント用途のロボットには、なくてはならない技術である。なお、ロボヅトにョ一軸回りのモーメントが印加された場合には、ピッチ軸、ロール軸、ョ一軸の 3面の運動を同時に解くため、ョ一軸回りのモーメントを打ち消すための動作によって、ピヅチ軸、ロール軸回りのモーメントを発生させることもない。また、図 9及び図 1 0に示した処理ルーチンにおいて、ステヅプ S 4 1において得られたョー軸モ一メントを補償する上肢運動とは、人間の場合における両腕の振りや腰の回転を利用した運動によって実現することができる。このような上肢運動は、特に高速な歩行動作において姿勢安定性の維持に大きく寄与する他、機体の上半身の動作を表現力豊かに見せるといった演出効果がある。

ヒトゃサルにおける動作上の「表現力」を考えた場合、腕や胴体のなどの上体の動きや姿勢は、作業の実現だけでなく、感情の体現という側面があり、非常に重要な意味を持つ。これが「身振り」、「手振り」と呼ばれる所以である。したがつて、身振りや手振りという上半身主導の動作を活用してョ一軸モーメントを補償することにより、機体の動作表現力が豊かになり、とりわけエンターティンメント指向の高いロボットにおいては好ましい。

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。

また、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っても、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、冒頭に言 3載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。

[産業上の利用可能性] 本発明によれば、高速歩行などの脚式作業を安定且つ正確に実現することができる、脚式移動型ロボットのための優れた動作制御装置及び動作制御方法、並びにロボヅト装置を提供することができる。

また、本発明によれば、上肢の運動を用いて機体のョー軸回りに印加されるモ一メントを低減することができる、脚式移動型ロボットのための優れた動作制御装置及び動作制御方法、並びにロボット装置を提供することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 少なくとも上肢と部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うタイプのロボットの動作制御装置であって、

少なくとも上肢、、下肢のいずれかについての運動を設定する手段と、該設定された上肢、体幹部、下肢の運動によって生じる設定 Z MP上における前記脚式移動ロボヅトの機体のョ一軸モーメントを算出する手段と、

該ョ一軸モーメントを打ち消す上肢運動を算出する手段と、

該算出された上肢運動に従って、該設定された上肢、体幹、下肢の運動を修正する手段と、

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動作制御装置。

2 . 前記の上肢は、肩関節及び肘関節にそれそれ 1以上の回転自由度を有し、前記のョー軸モ一メントを打ち消す上肢運動は、該肩関節及び Z又は肘関節の駆動を利用した運動である、

ことを特徴とする請求項 1に記載の脚式移動ロボットのための動作制御装置。

3 . 少なくとも上肢と^部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うタイプのロボットの動作制御装置であって、

少なくとも上肢、体幹、下肢のいずれかについての運動を設定する手段と、該設定された上肢、部、下肢の運動によって生じる設定 Z MP上における前記脚式移動ロボットの機体のピッチ軸及び Z又は口一ル軸モ一メントを算出する手段と、

該ピッチ軸及び/又はロール軸モ一メントを打ち消す下肢、体幹部の運動を算出する手段と、

該算出された下肢、体幹の運動によって生じる設定 Z M P上における前記脚式移動ロボットの機体のョー軸モーメントを算出する手段と、

該ョー軸モーメントを打ち消す上肢運動を算出する手段と、

該算出された上肢、体幹部、下肢の運動に従って、該設定された上肢、体幹、下肢の運動を修正する手段と、

4. 前記の上肢は、肩関節及び肘関節にそれそれ 1以上の回転自由度を有し、前記のョ一軸モーメントを打ち消す上肢運動は、該肩関節及び/又は肘関節の駆動を利用した運動である、

ことを特徴とする請求項 3に記載の脚式移動ロボットのための動作制御装置。

5. 少なくとも上肢と^部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うタイプのロボットの動作制御装置であって、

(a)要求された動作を実現するための少なくとも足部運動、ィ禱運動、上肢運動、腰部の姿勢及び高さのうちいずれかを設定する手段と、

(b)前記手段（a) により設定された足部運動に基づいて ZMP軌道を設定する手段と、

(c)前記手段（a) により設定された足部、体幹、上肢の運動によって前記手段（b) により設定された ZMP上で生じる前記脚式移動ロボットのピヅチ軸及びロール軸回りのモーメントを算出する手段と、

(d)前記手段（c) により算出されたピッチ軸及びロール軸回りのモーメントを打ち消す腰部運動の解を求める手段と、

(e)前記手段（d) により求められた腰部運動によって前記手段 (b) により設定された Z M P上で前言 3脚式移動ロボットのョー軸回りに生じるモーメントを算出する手段と、

(f )前記手段 (e) により算出されたョー軸回りのモーメントを打ち消す上肢運動の解を求める手段と、

(g)前記手段（ d )及び前記手段（ f ) により求められた腰部運動及び上肢運動に基づいて前記脚式移動ロボヅトの全身運動を導出する手段と、

6. 少なくとも上肢と部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うタイプのロボヅトの動作制御装置であって、

(A)要求された動作を実現するための少なくとも足部運動、体幹運動、上肢運動、腰部の姿勢及び高さのうちいずれかを設定する手段と、

(B)前記手段 (A) により設定された足部運動に基づいて ZMP軌道を設定する手段と、

(C)前記脚式移動ロボットの非厳密モデルを用いて、前記手段 (A) により設定された足部、体幹、上肢の運動によって前記手段 (B) により設定された ZM P上で生じる前記脚式移動ロボヅトのピッチ軸及びロール軸回りのモーメントを算出する手段と、

(D)前記手段 (C) により算出されたピッチ軸及びロール軸回りのモーメントを打ち消す腰部運動の近似解を求める手段と、

(E)前記脚式移動ロボヅ卜の非厳密モデルを用いて、前記手段（D) により求められた腰部運動の近似解によって前記手段 (B) により設定された ZMP上で前記脚式移動ロボヅトのョ一軸回りに生じるモーメントを算出する手段と、 (F)前記手段（E) により算出されたョ一軸回りのモーメントを打ち消す上肢運動の近似解を求める手段と、

(G)前記脚式移動ロボットの厳密モデルを用いて、前記手段 (D)及び前記手段（F) により算出された全身運動実行時における前記手段（B) により設定された Z M P上で生じる前記脚式移動口ボットのピッチ軸、口一ル ¾1、及びョ一軸回りのモーメントを算出する手段と、

(H)前記手段 (G) により算出されたピッチ軸、ロール軸、及びョ一軸回りのモーメントが所定の許容値未満であれば全身運動の解とする手段と、

(I)前記手段（G) により算出されたピッチ軸、ロール軸、及びョー軸回りのモ一メントが所定の許容値以上であれば、設定 Z MP上における非厳密モデルのモーメントを修正して、前記手段 (D)又は前記手段 (F)に再投入する手段と、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動作制御装置。

7. 前記非厳密モデルは前記脚式移動ロボヅトに関する線形及び Z又は非干渉の多質点近似モデルであり、前記厳密モデルは前記ロボットに関する剛体モデル、又は、非線形及び/又は干渉の多質点近^モデルである、

ことを特徴とする請求項 6に記載の脚式移動ロボットのための動作制御装置。

8 . さらに、

( F' )腰部運動の近似解を求める前記手段（D )及び Z又は上肢運動の近似解を求める前記手段（F )において求めた近似解ではあらかじめ設定した上肢運動が実現できない場合に、体幹'上肢運動パターンの再設定'修正を行う手段、を備えることを特徴とする請求項 6に記載の脚式移動ロボヅトのための動作制御装置。

9 . 前記の腰部運動の近似解を求める手段（D ) は、足部運動、体幹運動、上肢運動によって生じる設定 Z MP上のモーメントと、腰部の水平面内運動によって生じる設定 Z M P上のモーメントとの釣合方程式を解くことによつて腰部運動の近似解を求める、

ことを特徴とする請求項 6に記載の脚式移動ロボヅトのための動作制御装置。

1 0 . 前記の腰部運動の近似解を求める手段（D ) は、時間の関数を周波数の関数に置き換えて計算する、

1 1 . 前記の腰部運動の近似解を求める手段（D ) は、足部運動、体幹運動、上肢運動によって生じる設定 Z MP上のモーメントにフーリエ級数展開を適用するとともに、腰部の水平面内運動にフーリエ級数展開を適用して、腰部水平面内軌道のフ一リェ係数を算出して、さらに逆フ一リェ級数展開を適用することによつて腰部運動の近似解を求める、

1 2 . 前記の上肢運動の近似解を求める手段（F ) は、足部運動、体幹運動によつて生じる設定 Z MP上のモーメントの釣合方程式を解くことによって上肢運動の近似解を求める、

1 3 . 前記の上肢運動の近似解を求める手段 (F) は、時間の関数を周波数の関数に置き換えて計算する、

1 4 . 前記の上肢運動の近似解を求める手段 ( F ) は、足部運動、体幹運動によつて生じる設定 Z MP上のモーメントにフーリエ級数展開を適用してフーリエ係数を算出して、さらに逆フ一リェ級数展開を適用することによつて上肢運動の近似解を求める、

1 5 . 少なくとも上肢と体幹部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行う夕ィプのロボットの動作制御方法であって、

少なくとも上肢、下肢のいずれかについての運動を設定するステップと、該設定された上肢、

下肢の運動によって生じる設定 Z MP上における前記脚式移動ロボヅトの機体のョ一軸モ一メントを算出するステップと、該ョー軸モーメントを打ち消す上肢運動を算出するステップと、

該算出された上肢運動に従って、該設定された上肢、体幹、下肢の運動を修正するステヅプと、

を具備することを特徴とする脚式移動ロボットのための動作制御方法。

1 6 . 前記の上肢は、肩関節及び肘関節にそれそれ 1以上の回転自由度を有し、前記のョー軸モーメントを打ち消す上肢運動は、該肩関節及び z又は肘関節の駆動を利用した運動である、

ことを特徴とする請求項 1 5に記載の脚式移動ロボットのための動作制御方法。

1 7 . 少なくとも上肢と体幹部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行う夕イブのロボットの動作制御方法であって、

少なくとも上肢、体幹、下肢のいずれかについての運動を設定するステップと、該設定された上肢、体幹部、下肢の運動によって生じる設定 Z MP上における前記脚式移動ロボットの機体のピッチ軸及び/又はロール軸モーメントを算出するステップと、

該ピッチ軸及び/又はロール軸モ一メントを打ち消す下肢、体幹部の運動を算出するステップと、

該算出された下肢、の運動によって生じる設定 Z MP上における前記脚式移動ロボットの機体のョ一軸モ一メントを算出するステップと、

該ョ一軸モーメントを打ち消す上肢運動を算出するステップと、

該算出された上肢、体幹部、下肢の運動に従って、該設定された上肢、体幹、下肢の運動を修正するステヅプと、

1 8 . 前記の上肢は、肩関節及び肘関節にそれそれ 1以上の回転自由度を有し、前記のョー軸モーメントを打ち消す上肢運動は、該肩関節及び/又は肘関節の駆動を利用した運動である、

ことを特徴とする請求項 1 7に記載の脚式移動ロボヅトのための動作制御方法。

1 9 . 少なくとも上肢と体幹部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行う夕ィプのロボットの動作制御方法であって、

( a ) 要求された動作を実現するための少なくとも足部運動、 # ^運動、上肢運動、腰部の姿勢及び高さのうちいずれかを設定するステップと、

( b ) 前記ステップ（a) により設定された足部運動に基づいて Z MP軌道を設定するステップと、

( c ) 前記ステップ（a) により設定された足部、体幹、上肢の運動によって前記ステップ（b ) により設定された Z MP上で生じる前記脚式移動ロボヅトのピヅチ軸及び口一ル軸回りのモーメントを算出するステヅプと、 (d)前記ステップ（c) により算出されたピッチ軸及びロール軸回りのモ一メントを打ち消す腰部運動の解を求めるステツプと、

(e)前記ステップ（d)により求められた腰部運動によって前記ステヅプ（b) により設定された ZMP上で前記脚式移動ロボヅトのョ一軸回りに生じるモーメントを算出するステヅプと、

(f )前記ステップ（e) により算出されたョー軸回りのモーメントを打ち消す上肢運動の解を求めるステップと、

(g)前記ステップ（d)及び前記ステップ（f ) により求められた腰部運動及び上肢運動に基づいて前記脚式移動ロボッ卜の全身運動を導出するステップと、を具備することを特徴とする脚式移動ロボットのための動作制御方法。

20. 少なくとも上肢と体幹部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行う夕ィプのロボットの動作制御方法であって、

(A)要求された動作を実現するための少なくとも足部運動、体幹運動、上肢運動、腰部の姿勢及び高さのうちいずれかを設定するステップと、

(B)前記ステップ（A) により設定された足部運動に基づいて Z MP軌道を設定するステップと、

(C)前記脚式移動ロボットの非厳密モデルを用いて、前記ステップ（A) により設定された足部、体幹、上肢の運動によって前記手段 (B) により設定された ZMP上で生じる前記脚式移動ロボットのピヅチ軸及びロール軸回りのモーメントを算出するステップと、

(D)前記ステップ（C) により算出されたピッチ軸及びロール軸回りのモーメントを打ち消す腰部運動の近似解を求めるステップと、

(E)前記脚式移動ロボヅトの非厳密モデルを用いて、前記ステップ（D) により求められた腰部運動の近似解によって前記ステップ（B) により設定された Z

MP上で前記脚式移動ロボヅトのョ一軸回りに生じるモーメントを算出するステヅプと、

(F)前記ステップ（E) により算出されたョー軸回りのモーメントを打ち消す上肢運動の近似解を求めるステヅプと、 ( G)前記脚式移動ロボヅトの厳密モデルを用いて、前記ステップ（D )及び前記ステヅプ（F ) により算出された全身運動実行時における前記ステップ（B ) により設定された Z M P上で生じる前記脚式移動ロボットのピヅチ軸、口一ル軸、及びョー軸回りのモーメントを算出するステップと、

(H) 前記ステップ（G) により算出されたビヅチ軸、ロール軸、及びョ一軸回りのモ一メントが所定の許容値未満であれば全身運動の解とするステヅプと、

( I )前記ステップ（G) により算出されたピッチ軸、ロール軸、及びョ一軸回りのモ一メントが所定の許容値以上であれば、設定 Z MP上における非厳密モデルのモーメントを修正して、前記ステップ（D ) 又は前記ステップ（F) に再投入するステップと、

2 1 . 前記非厳密モデルは前記脚式移動ロボヅトに関する線形及び/又は非干渉の多質点近似モデルであり、

前記厳密モデルは前記ロボットに関する剛体モデル、又は、非線形及び/又は干渉の多質点近似モデルである、

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動作制御方法。

2 2 . さらに、

( F，）腰部運動の近似解を求める前記ステップ（D )及び/又は上肢運動の近似解を求める前記ステップ（F ) において求めた近似解ではあらかじめ設定した上肢運動が実現できない場合に、上肢運動パターンの再設定'修正を行うステップ、

を備え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動作制御方法。

2 3 . 前記の腰部運動の近似解を求めるステヅプ（D ) では、足部運動、 ^運動、上肢運動によって生じる設定 Z M P上のモーメントと、腰部の水平面内運動によって生じる設定 Z MP上のモ一メントとの釣合方程式を解くことによって腰部運動の近似解を求める、

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動作制御方法。

2 4 . 前記の腰部運動の近似解を求めるステップ（D ) では、時間の関数を周波数の関数に置き換えて計算する、

2 5 . 前記の腰部運動の近似解を求めるステップ（D ) では、足部運動、体幹運動、上肢運動によって生じる設定 Z M P上のモーメントにフーリェ級数展開を適用するとともに、腰部の水平面内運動にフーリエ級数展開を適用して、腰部水平面内軌道のフ一リェ係数を算出して、さらに逆フーリェ級数展開を適用することによって腰部運動の近似解を求める、

2 6 . 前記の上肢運動の近似解を求めるステップ（F ) では、足部運動、運動によって生じる設定 Z M P上のモーメントの釣合方程式を解くことによって上肢運動の近似解を求める、

2 7 . 前記の上肢運動の近似解を求めるステップ（F ) では、時間の関数を周波数の関数に置き換えて計算する、

2 8 . 前記の上肢運動の近似解を求めるステップ（F ) では、足部運動、体幹運動によって生じる設定 Z M P上のモーメントにフーリエ級数展開を適用してフーリェ係数を算出して、さらに逆フーリェ級数展開を適用することによって上肢運動の近似解を求める、

2 9 . 少なくとも上肢と体幹部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行う口ボヅト装置において、

該設定された運動パターンにより生じる設定 Z MP上における前記ロボットの機体のョ一軸回りモーメントを算出するモ一メント算出手段と、

該算出されたョー軸回りモーメントを減少させる上肢運動パターンを算出する運動パターン算出手段と、

該算出された上肢運動パタ一ンに基づいて、上記設定された運動パターンを修正する運動ノ ^夕一ン修正手段と、

を具備することを特徴とするロボット装置。

3 0 . 前記運動パターン設定手段により設定される運動パターンは、少なくとも前記ロボヅトの上肢又は体幹部又は下肢のうちいずれかの運動ノ、'ターンである、ことを特徴とする請求項 2 9に記載のロボヅト装置。