WO2003043789A1

WO2003043789A1 - Dispositif mobile bipede, dispositif et procede permettant de commander la marche dudit dispositif

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Publication number: WO2003043789A1
Application number: PCT/JP2002/012056
Authority: WO
Inventors: Takayuki Furuta; Yu Okumura; Tetsuo Tawara; Hiroaki Kitano
Original assignee: Japan Science And Technology Agency
Priority date: 2001-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2003-05-30
Also published as: US20050001575A1; JP3569764B2; DE60225717T2; EP1454719A1; US6992456B2; KR100515277B1; CN100402243C; KR20050044540A; EP1454719B1; TW200301726A; EP1454719A4; JP2003145457A; TW583059B; DE60225717D1; CN1589190A

Description

明細書二脚歩行式移動装置およびその歩行制御装置並びに歩行制御方法技術分野

本発明は二脚歩行式移動装置に関し、特に安定性及び低エネルギー消費を兼ね備えた歩行を実現するようにした歩行制御に関するものである。背

従来、所謂二脚歩行式ロボットは、本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部を有する二本の脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部と、各脚部，膝部及び足部を揺動可能に支持する関節部と、これらの関節部を揺動させる駆動手段と、要求動作に対応して歩容デー夕を生成する歩容生成部と、この歩容デ一タに基づいて上記駆動手段を駆動制御する歩行制御装置と、を備えることにより構成されている。

このように構成された二脚歩行式ロボッ卜によれば、歩容生成部により、前もつて設定された歩行パターン（以下、歩容という）データを生成して、歩行制御装置がこの歩容デー夕に従って駆動手段を駆動制御して、所定の歩行パターンで脚部，膝部及び足部の各関節部を揺動させることによつて二脚歩行を実現するようにしている。その際、歩行姿勢を安定させるために、ロボットの足裏における床反力と重力の合成モーメントがゼロとなる点（以下、 Z MP ( Z e r o M o m e n t P o i n t ) という）を目標値に収束させる、所謂 Z M P補償を行なうことによって Z M P規範によりロボッ卜の安定ィ匕を図るようにしている。ところで、このような二脚歩行式ロボットにおける各関節部は、それぞれ駆動手段により能動的に駆動する駆動関節、あるいは駆動手段から解放されて自由運動のみを行なう受動関節として構成されている。

駆動関節は、関節部を揺動させる駆動手段としての個々のァクチユエ一タをァクティブに駆動して、脚部及び足部を移動させて歩行を実現するものである。そして、駆動関節は、アクティブに関節部のァクチユエ一夕を駆動することにより、歩容を比較的自由に生成することができるという利点を有している。しかしながら、駆動関節は、ァクチユエータのトルクを積極的に利用していることから、一般的にエネルギー消費が多くなつてしまうと共に、関節部が多くなるにつれて、複雑な制御則になってしまうという問題があった。また、自由な歩容形成が、

Z M P規範により著しく制約を受けてしまうという問題があつた。

これに対して、受動関節は、ァクチユエ一夕を使用せずに、重力等の外力により受動的に関節部を揺動させるものである。受動関節は、二脚歩行時に、外力のみによって関節部を揺動させることから、自然安定性を備えており、 Z M Pが足裏に収まることになる。さらに、受動関節は、消費エネルギーが少なくて済むと共に、制御則が簡単であることから、歩行制御のための計算コストが低減され得る。しかしながら、受動関節は、重力等の外力に依存して揺動されることから、自由な揺動、そして自由な歩行を実現することが困難である。

このように、駆動関節及び受動関節は、互いに相反する利点を有しているが、これらに関する研究はそれぞれ別個に独立して行なわれており、従来の殆どの二脚歩行式ロボットは上記駆動関節のみを使用している。従って、駆動関節のみを備えた二脚歩行式ロボットは、関節部を駆動するためのァクチユエ一夕の消費ェネルギ一が多くなつてしまう。他方、受動関節のみを備えた歩行ロボットは古くから玩具として知られているが、自由な歩 ί亍を行なうものではなく十分な歩行安定性を備えていない。

また駆動関節及び受動関節の双方の利点を組み合わせた二脚歩行制御の研究も行なわれているが、これは駆動関節及び受動関節を単純に組み合わせたものであつて、駆動関節としての関節部は常に駆動関節として作用し、また受動関節としての関節部は常に受動関節として作用するようになっているため、実用的ではない。発明の開示

この発明は、以上の点にかんがみて、歩行安定性を高めるようにした二脚歩行式移動装置と、その歩行制御装置及び歩行制御方法を提供することを目的としている。上記目的は、この発明の第一の構成によれば、本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部を有する二本の脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部と、各脚部，膝部及び足部を揺動可能に支持する関節部と、これらの関節部を摇動させる駆動手段と、要求動作に対応して歩容データを生成して、この歩容データに基づいて上記駆動手段を駆動制御する歩行制御装置とを備えた二脚歩行式移動装置において、上記歩行制御装置が、通常の駆動制御を行なう駆動モードと受動関節と同様に駆動手段を駆動制御する受動モードとを選択的に切り換えて、各関節 ¾5の駆動制御を行なうことを特徴とする二脚歩行式移動装置により、達成される。

本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、上記本体が人型ロボットの上体であつて頭部及び両手部を備えている。本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、上記歩行制御装置が、膝部及び足部の関節部に関して駆動モード及び受動モードの切換えを行なう。本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、上記歩行制御装置が、歩行動作中の蹴り出し及び着地時に駆動モードに切り換え、遊脚時に受動モードに切り換える。本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、上記歩行制御装置が、受動モードにてコンプライアンス制御を行なう。

また、上記目的は、この発明の第二の構成によれば、本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部分を有する二本の脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部と、各脚部，膝部分及ぴ足部を揺動可能に支持する関節部と、これらの関節部を揺動させる駆動手段とから成る二脚歩行式移動装置に関して、要求動作に対応して生成した歩容デ一夕に基づいて上記駆動手段を駆動制御する二脚歩行式移動装置の歩行制御装置において、上記歩行制御装置が、通常の駆動制御を行なう駆動モードと受動関節と同様に駆動手段を駆動制御する受動モードとを選択的に切り換えて、各関節部の駆動制御を行なうことを特徴とする二脚歩行式移動装置の歩行制御装置により達成される。

本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制御装置は、好ましくは、上記歩行制御装置が、膝部及び足部の関節部に関して駆動モード及び受動モードの切換えを行なう。本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制御装置は、好ましくは、上記歩行制御装置が、歩行動作中の蹴り出し及び着地時に駆動モードに切り換え、遊脚時に受動モードに切り換える。本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制御装置は、好ましくは、上記歩行制御装置が、受動モードにてコンプライアンス制御を行なう。

さらに、上記目的は、この発明の第三の構成によれば、本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部分を有する二本の脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部と、各脚部，膝部分及び足部を揺動可能に支持する関節部と、これらの関節部を揺動させる駆動手段と、から成る二脚歩行式移動装置に関して、要求動作に対応して生成した歩容デ ―夕に基づいて上記駆動手段を駆動制御する二脚歩行式移動装置の歩行制御方法において、上記歩行制御方法が、通常の駆動制御を行なう駆動モードと受動関節と同様に駆動手段を駆動制御する受動モードとを選択的に切り換えて、各関節部の駆動制御を行なうことを特徴とする二脚歩行式移動装置の歩行制御方法により達成される。

本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制御方法は、好ましくは、膝部及び足部の関節部に関して駆動モード及ぴ受動モードの切換えを行なう。本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制御方法は、好ましくは、歩行動作中の蹴り出し及び着地時に駆動モードに切り換え、遊脚時に受動モードに切り換える。本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制御方法は、好ましくは、受動モードにてコンブラィアンス制御を行なう。

上記構成によれば、歩行制御装置が、要求動作に対応して歩容データを形成して、この歩容データに基づいて駆動手段を駆動制御する。その際、歩行制御装置は駆動モ一ド及び受動モードを適宜に切り換えて駆動手段を駆動制御するので、駆動モードによつて駆動手段で駆動制御される関節部は駆動関節として作用し、また受動モードによって駆動手段で駆動制御される関節部は受動関節として作用する。これにより、同じ関節 ¾5が、駆動モードまたは受動モードによって駆動制御されて駆動関節または受動関節として作用することになるので、二脚歩行式移動装置の歩行時に、通常は駆動モードで駆動手段を駆動制御し、必要に応じて例えば膝部や足部の関節部を受動モ一ドで駆動手段を駆動制御することにより、駆動関節及び受動関節の利点のみを利用し、欠点を排除することができる。従って、受動関節による自然安定性を歩行に導入することができ、エネルギー消費が抑制されると共に、トルクも低減され、 Z M Pが自動的に足裏に収まる。これにより、任意の歩容において Z M Pが確実に足裏に収まり、二脚歩行式移動装置の歩行安定性が向上する。

膝部及び足部の関節部に関して、駆動モ一ド及び受動モードの切換えを行なう場合には、歩行時に膝部及び足部の関節部が、必要に応じて駆動モードまたは受動モ一ドに切り換えられて駆動されるので、歩行安定性が得られる。

歩ネ亍動作中の蹴り出し及び着地時に駆動モードに切り換え、遊脚時に受動モードに切り換える場合には、蹴り出し時に遊脚時に必要なエネルギーの供給を行なうと共に、着地時にはエネルギーの吸収を行なうことにより、衝撃を吸収することができる。

受動モードにてコンプライアンス制御を行なう場合には、関節駆動用の駆動手段により駆動関節として駆動制御される関節部が、コンプライアンス制御により駆動制御されることによって、受動関節としても作用する。図面の簡単な説明

本発明は、以下の詳細な発明及び本発明の幾つかの実施の形態を示す添付図面に基づいて、より良く理解されるものとなろう。なお、添付図面に示す種々の実施例は本発明を特定または限定することを意図するものではなく、単に本発明の説明及び理解を容易とするためだけのものである。

図中、

図 1はこの発明による二脚歩行式ロボットの一実施形態の機械的構成を示す概略図である。

図 2は図 1の二脚歩行式ロボットにおける歩行制御装置の構成を示すプロック図である。

図 3は図 1の二脚歩行式ロボットにおける歩行時の三つの位相を示す側面図及び正面図である。図 4は図 1の二脚歩行式ロボットの位相 2におけるエネルギー損失を示す概略図である。

図 5は図 1の二脚歩行式ロボットにおける脚切換えモデルを示す図である。図 6は図 1の二脚歩行式ロボットの歩行制御装置におけるコンプライアンス制御の制御則を示す図である。

図 7は図 1の二脚歩行式ロボットにおける仮想ァクチユエ一夕制御を示す概略図である。

図 8は図 1の二脚歩行式ロボットにおける足踏み動作の数値シミュレ一ションにより算出された Θの変化を示すグラフである。

図 9は図 8の数値シミュレーシヨンにおけるステイツク線図である。

図 1 0は図 1の二脚歩行式ロボッ卜の実機実験における y z平面におけるロボット本体の角度変化を示す図である。

図 1 1は図 1 0の実機実験におけるロボット足裏の床反力の変化を示すグラフである。発明を実施するための最良の形態

以下、図面に示した実施の形態に基づいて、この発明を詳細に説明する。図 1乃至図 1は、この発明による二脚歩行式移動装置を適用した二脚歩 ί亍式ロボットの一実施の形態の構成を示している。

図 1において、二脚歩行式ロボット 1 0は、本体である上体 1 1と、上体 1 1 の下部両側に取り付けられた中間に膝部 1 2 L, 1 2 Rを備えた二本の脚部 1 3 L， 1 31¾と、各脚部1 3し， 1 3 Rの下端に取り付けられた足部 1 4 L, 1 4 Rと、を含んでいる。

ここで、上記脚部 1 3 L, 1 3 Rは、それぞれ六個の関節部、即ち上方から順に、上体 1 1に対する腰の脚部回旋用（z軸周り）の関節部 1 5 L, 1 5 R、腰のロール方向（X軸周り）の関節部 1 6 L, 1 6R、腰のピッチ方向（y軸周り ) の関節部 1 7 L, 1 71¾、膝部1 2し， 1 2 Rのピッチ方向の関節部 1 8 L, 1 81¾、足部1 4し， 1 4 Rに対する足首部のピッチ方向の関節部 1 9 L, 1 9 R、足首部のロール方向の関節部 2 0 L, 2 ORを備えている。なお、各関節部 1 5 L, 1 5R乃至 20 L， 20 Rは、それぞれ関節駆動用モー夕（ァクチユエ —夕）により構成されている。このようにして、腰関節は、上記関節部 1 5 L, 1 5 R, 1 6 L, 1 6 R, 1 7KL, 1 7 Rから構成され、また足関節は、関節部 1 9 L, 1 9 R, 20 L, 20 Rから構成されることになる。

さらに、腰関節と膝関節との間は、大腿リンク 2 1 L， 2 1 Rにより連結されており、また膝関節と足関節との間は、下腿リンク 22 L, 22 Rにより連結されている。これにより、二脚歩行式ロボット 1 0の左右両側の脚部 1 3 L， 1 3 R及び足部 1 4 L, 1 4 Rはそれぞれ 6自由度を与えられ、歩行中にこれらの 1 2個の関節部をそれぞれ駆動モータにて適宜の角度に駆動制御して、脚部 1 3 L , 1 3 R, 足部 1 4 L， 14 R全体に所望の動作を与えて、任意に三次元空間を歩行することができるように構成されている。なお、上記上体 1 1は、図示の場合、単に箱状に示されているが、実際には、頭部や両手を備えていてもよい。図 2は図 1に示した二脚歩行式ロボット 1 0における歩行制御装置 30の構成を示している。図 2において、歩行制御装置 30は、次歩の位置を指定する動作計画部 3 1と、この次歩の位置に基づいて歩容生成のためのパラメ一夕を算出する歩容安定部 3 2と、歩容安定部 32からのパラメ一夕に基づいて歩容デ一夕を生成する歩容生成部 33と、この歩容データに基づいて駆動手段、即ち上述した各関節部、即ち関節駆動用モータ 1 5 L， 1 5 R乃至 20L, 20 Rを駆動制御する制御部 34と、ロボッ卜の各関節部の角度を検出する角度計測ュニット 3 5 と、を備えている。なお、二脚歩行式ロボット 1 0の座標系として、前後方向を X方向（前方 +) ，横方向を y方向（内方 +) そして上下方向を z方向（上方 + ) とする x y z座標系を使用する。

上記動作計画部 3 1は、要求動作に対応して次歩における支持脚足首中心からの路面平面座標（X, Y) を指定する。上記歩容安定部 32は、この路面平面座標（X， Y) に基づいて歩容生成のためのパラメ一夕を算出するようになっている。ここで、動作計画部 3 1及び歩容安定部 3 2は、対となって動作し、一歩行周期で歩行開始（蹴り出し） B寺及び着地時の二回サンプリングを行なってサンプリング情報をホールドしている。そして、歩容安定部 32は、路面平面座標 (X ， Y) から歩容生成のためのパラメータを算出する際に、後述する角度計測ュニット 3 5からの姿勢情報 Θ r e a lを参照して、歩容生成のためのパラメータの算出を行なう。

上記歩容生成部 3 3は、歩容安定部 3 2からのパラメ一夕に基づいて、二脚歩行式ロボット 1 0の歩行に必要な各関節部 1 5 L , 1 5 R乃至 2 0 L , 2 0 Rの目標角度軌道，目標角速度，目標角加速度を含む歩容データとしてのベクトル 6 r e f及びモード信号を生成するようになっている。

上記制御部 3 4は、歩容生成部 3 3からの歩容デ一夕であるべクトル Θ r e f 及びモード信号に基づいて、各関節駆動用モータの制御信号、即ち角度ベクトル Θを生成して、駆動モードまたは受動モ一ドにて各関節駆動用モータを駆動制御するようになつている。制御部 3 4は、駆動モード時には、各関節駆動用モータに対してエネルギ一を供給しまたは吸収するように、従来の駆動関節と同様に駆動制御する。また、制御部 3 4は、受動モード時には、各関節駆動用モー夕に対して、既に供給されているエネルギーを利用して、自由運動を行なうことにより、従来の受動関節と同様に駆動制御するようになつている。

上記角度計測ュニット 3 5は、各関節部 1 5 L , 1 5 R乃至 2 0 L , 2 0 Rの関節駆動用モー夕に備えられた、例えば口一タリエンコーダ等により各関節駆動用モ一夕の角度情報が入力されることにより、各関節駆動用モー夕の角度位置、即ち角度及び角速度に関する状態情報、即ちロボット 1 0の姿勢情報 Θ r e a l を計測して、歩容安定部 3 2に出力するようになっている。角度計測ュニット 3 5は、前述した歩容生成部 3 3と対となって動作し、サンプリングを行なううになっている。

ここで、二脚歩行式ロボット 1 0における歩行は、図 3に示すように、一歩行周期に関して、時間的に三つの位相に分解して取り扱うことができる。

図 3 (A) は、位相 1として両足で地面に接地している両脚支持期であって、後方の足を蹴り出しにより前方に移動させようとする蹴り出し時を示している。この位相 1は、歩行系に必要なエネルギーの供給を行なうエネルギー供給期である。このとき、両脚の歩行系は、 1 リンクパネ系として駆動モードで駆動制御される。

図 3 ( B ) は、位相 2として片足で地面に接地している単脚支持期であって、一方の足が地面から浮き上がつている遊脚時を示している。この位ネ目 2は、遊脚に関して、その前に供給されたエネルギーにより足首部及び膝部の関節部が受動関節として自由運動を行なうように制御される。このとき、両脚の歩行系は、 3 リンク系として受動モードで駆動制御される。

図 3 ( C ) は、位相 3として、再び両足で地面に接地している両脚支持期であつて、前方の足を着地させようとする着地時を示している。この位相 3は、歩行系から着地時のエネルギーを吸収するエネルギー吸収期である。このとき、両脚の歩行系は、 1リンクパネ系として駆動モードで駆動制御される。

また、連続歩行時には、位相 3の後の左右の脚交換により、'次の位相 1が連続することになる。従って、歩容安定部 3 2は、上記位相 3の終端期にて、次歩の位相 2で必要となるエネルギーを、ロボット 1 0の姿勢や状態を参照して算出するようになっている。

ここで、位相 2で必要なエネルギーの算出について説明する。

先ず、歩容安定部 3 2は、図 4に示すように-、動作計画部 3 1からの路面平面座標 (X, Y) と、角度計測ュニット 3 5からの姿勢情報であるべクトル Θ r e a 1から、位相 1におけるパラメ一夕として、 1リンクバネ系のパネ剛性 Kまたは回転パネ自然長 øを決定する。

ここで、位相 3における歩行系の損失エネルギー及ぴ獲得エネルギーについて説明する。位相 3で環境により損失するエネルギーを、図 5に示す簡単な脚切換えモデルにより求める。図 5において、脚切換えモデルを 2リンクー質点モデルとして、幾何学的に脚切換えモデルによるエネルギー損失 E e X - 1 0 s s .を求めると、

= {1 - cos² (q, + q_f)} (1 ) となる。ここで、 L f は脚切換え前の長さ， L iは脚切換え後の長さ， q f は脚切換え前の角度， q iは脚切換え後の角度である。

より詳細には、一歩行周期におけるエネルギー損失 E a 1 1 — 1 0 s sは、

E all一 l_oss - L ex - loss + ^vi-loss + ^di-loss (2) となる。ここで、 E v i— 1 o s sは、関節尾区動用モー夕の摩擦によるエネルギ一損失であり、 E d i— 1 0 s sは、内部エネルギーの損失として表わされる外乱である。

そして、上記結果は、 X z平面及び y z平面の何れにも適用することができるので、次歩の位相 1において、 X z平面及び y z平面に関して、それぞれ上記 E a 1 1 - 1 0 s sを補完することによって、歩行運動を続けることができる。これに対して、例えば下り坂の歩行時等においては、位相 2において、歩行系に対してエネルギーが注入される場合には、同様にして余剰分のエネルギーを求めて、上記式 ( 1 ) を利用して、次の脚位置を求めることにより、着地位置によつて任意のエネルギー損失を発生させることも可能である。このようなエネルギ —損失の補完を行なうために、歩容安定部 3 2は、歩行系のエネルギーを一定に制御するように、着地位置に関係なく上記パラメ一夕 K及び 0を算出することにより、歩行安定性を保持するようになっている。

次に、上記制御部 3 4による駆動制御について説明する。上記制御部 3 4は、モード信号が受動モードの場合には、仮想コンプライアンス制御を行なうと共に、モード信号が駆動モードの場合には、仮想ァクチユエ一タ制御を行なうようになっている。

ここで、上記仮想コンプライアンス制御は、ィンピ一ダンス制御の制御手法を利用して、以下のようにして行なわれる。即ち、図 6に示すように、制御部 3 4 に歩容データとしてのベクトル 0 r _e fが入力されており、制御部 3 4からは角度ベクトル Θが関節駆動用モ一夕に出力されるようになっている。そして、この角度情報 Θが、環境剛性行列（一 K e ) により、 r e X tに変換され、外部からのて r e fが加算されて、力制御対角補償器行列 Gに入力される。

そして、力制御対角補償器行列 Gにおいては、

G = (s²M + sD + K ^l (³) の演算が行なわれ、ベクトル 0 r e f に加算され、フィードバックされるようになっている。

これにより、例えばて r e f = 0のとき、 Q^ ^ ^M+sD +Ky ^ (4) に示す制御則が得られる。

ここで、受動関節のためには、剛性係数行列 K = 0 , 粘性係数行列 D = 0として、慣性行列 Mを実際の運動に合わせる。例えば、運動として 1リンクモデルを利用すると、上記式 ( 3 ) は、一次元となり、実時間での計算を容易に行なうことが可能となる。

このようにして、受動モードにおいて、ィンピ一ダンス制御の特殊系を利用して、関節駆動用モ一夕の仮想コンプラィァンス制御を行なうことにより、対応する駆動関節から成る関節部を、受動関節として動作させることができる。これにより、歩行系をより一層安定化させることが可能となる。

これに対して、仮想ァクチユエ一夕制御は、例えば図 7に示すように、符号 A で示すァクチユエ一夕を実現したい場合、実際には符号 Bで示すァクチユエ一夕の駆動制御によって、その動きを実現するものである。これにより、例えば自由度を小さくして、同じ動きを実現することが可能となると共に、支持脚足首にトルクを加えて駆動する必要がなくなるので、 Z M P安定性が保証される。

本発明の実施の形態による二脚歩行式ロボット 1 0は以上のように構成されており、歩行動作は以下のように行なわれる。

先ず動作計画部 3 iが、要求動作に対応して、次歩における支持脚足首中心からの路面平面位置 ( X , Y) を指定して、歩容安定部 3 2に出力する。これにより、歩容安定部 3 2は、この路面平面位置（X, Y) と、角度計測ュニット 3 5 からの姿勢情報 Θ r e a lとから歩容生成のためのパラメ一夕を算出して、歩容生成部 3 3に出力する。そして、歩容生成部 3 3は、歩容安定部 3 2からのパラメータに基づいて、歩容データであるべクトル Θ r e f を生成して、制御部 3 4 に出力する。これにより、制御部 3 4は、ベクトル Θ r e f に基づいて各関節駆動用モ一夕の制御信号、即ち角度ベクトル Θを生成し、この角度べク小ル及び乇一ド信号に基づいて、各関節部の関節駆動用乇一夕を駆動モードまたは受動モードで駆動制御する。このようにして、二脚歩行式ロボット 1 0は要求動作に対応して歩行動作を行なうことになる。この場合、二脚歩行式ロボット 1 0において、各関節駆動用モータの駆動制御の際に、歩容安定部 3 2が、そのときのロボッ卜の姿勢情報を参照して、路面平面位置（X , Y ) から歩容生成に必要なパラメ一夕を生成するので、歩容生成部 3 3が生成する歩容データは、そのときのロボットの姿勢及び状態から、必要なエネルギーを供給するように生成される。従って、二脚歩行において、一方の脚部が地面か浮き上がって遊脚となつている単脚支持期において、当該一方の脚部の膝部及び足部の関節部が受動関節として自由運動を行なうことができる。その際、受動関節として動作する関節駆動用モータにはエネルギーを供給する必要がないことから、消費エネルギーが低減される。また、受動関節として動作する関節駆動用モー夕に関する制御計算を行なう必要がないことから、計算コストが低減され得ると共に、歩容データの生成が容易に行なわれ得る。

次に、本発明による二脚歩行式ロボット 1 0に関する数値シミュレーション及び実機実験について説明する。

先ず、 y z平面における実際の歩容形成の数値シミュレーションを行なった結果を示す。上述した二脚歩行式ロボット 1 0により、 y z平面内での動的足踏み動作を行なわせるように、前記位相 1及び位相 3にて、パネ定数を 1 . 6 2 x 1 0一¹ ( Nm/度），パネの自然長を 6度として、 4歩行周期の歩容を形成した。その結果、図 8に示すような 0の変化が得られた。また、形成された歩容のステイツク線図は、図 9に示す通りである。これにより、各歩行周期の始めと終わりの約 1 2 O m秒の間、両脚支持期になっていることが分かる。従って、単なる一リンク系の軌道とは異なり、各歩行周期の始端及び終端の部分がなめらかな S字曲線を示しているので、関節駆動用モー夕への負荷が低下して不連続にならないので、歩行系が安定することになる。

次に、実機実験の結果を示す。実機実験では、二脚歩行式ロボット 1 0として、下半身の自由度 1 2，全体質量 2 . O k g , 全高 3 5 . 6 c mであって、各関節部の関節駆動用モ一夕として最大トルク土 1 . 2 7 Nmの模型用サ一ボモ一夕を備えたロボットを使用して、 8歩行周期の定常足踏み運動を行なわせて、ロボット本体 1 1の y z平面における角度を測定した。その結果、図 1 0に示すように、本発明による位相 1，位相 2及び位相 3による歩行制御（実線図示）の場合には、位相 2のみの歩行制御（点線図示）の場合と比較して、安定した各速度軌道を示すことが分かる。即ち、位相 1のエネルギー供給による「蹴り出し」によつて、連続歩行安定性が保証されていることが分かり、本発明による歩行制御の有効性が確認された。

ここで、上記動作中の足裏の床反力を例えば 6軸力センサにより測定したところ、図 1 0に示すような床反力の変化が得られた。これにより、位相 3におけるエネルギー P及収動作が、衝撃吸収と同様に作用していることが分かると共に、床反力が足踏み運動の各歩行周期にて比較的安定した軌道を示すことも分かり、位相 3におけるエネルギー吸収動作の有効性が確認された。

このようにして、本発明実施形態による二脚歩行式ロボット 1 0によれば、例えば膝部及び足部の関節部を駆動関節としてまたは受動関節として、適宜に動作モードを切り換えて駆動制御することによって、歩行制御に柔軟性をもたせて歩行安定性を向上させることができると共に、歩行動作における消費電力を低減することができる。

上述した実施形態においては、本発明を二脚歩行式ロボットに適用した場合について説明したが、これに限らず、他の各種機器を二本足で支持する共に、この二本足で歩行するようにした、二脚歩行式移動装置に対して本発明を適用し得ることは明らかである。産業上の利用可能性

以上述べたように、この発明によれば、同じ関節部が、駆動モードまたは受動モードにより駆動制御されて、駆動関節または受動関節として作用することになるので、二脚歩行式移動装置の歩行時に、通常は駆動モードで駆動手段を駆動制御し、必要に応じて例えば膝部や足部の関節部を受動モードで駆動手段を駆動制御することによつて駆動関節及び受動関節の利点のみを利用し、欠点を排除することができる。従って、受動関節による自然安定性を歩行に導入することができ、エネルギー消費が抑制されると共に、トルクも低減され、 Z M Pが自動的に足裏に収まる。これにより、任意の歩容において Z M Pが確実に足裏に収まることにより、二脚歩行式移動装置の歩行安定性が向上する。このようにして、本発明によれば、歩行安定性を高めるようにした、極めて優れたニ脚歩行式移動装置とその歩行制御装置及び歩行制御方法が提供される。

Claims

請求の範囲

1 . 本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部を有する二本の脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部と、各脚部，膝部及び足部を揺動可能に支持する関節部と、これらの関節部を揺動させる駆動手段と、要求動作に対応して歩容データを生成して、この歩容データに基づいて上記駆動手段を駆動制御する歩行制御装置と、を備えた二脚歩行式移動装置において、

上記歩行制御装置が、通常の駆動制御を行なう駆動モードと受動関節と同様に駆動手段を駆動制御する受動モードとを選択的に切り換えて、各関節部の駆動制御を行なうことを特徴とする、二脚歩行式移動装置。

2 . 前記本体が人型ロボットの上体であって、頭部及び両手部を備えていることを特徴とする、請求項 1に記載の二脚歩行式移動装置。

3 . 前記歩行制御装置が、膝部及び足部の関節部に関して、駆動モード及び受動モードの切換えを行なうことを特徴とする、請求項 1または 1に記載の二脚歩行式移動装置。

4 . 前記歩行制御装置が、歩行動作中の蹴り出し及び着地時に駆動モードに切り換え、遊脚時に受動モードに切り換えることを特徴とする、請求項 3に記

5 . 前記歩行制御装置が、受動モードにてコンプライアンス制御を行なうことを特徴とする、請求項 1カヽら 4の何れかに記載の二脚歩行式移動装置。

6 . 本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部分を有する二本の脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部と、各脚部，膝部分及び足部を揺動可能に支持する関節部と、これらの関節部を揺動させる駆動手段と、から成る二脚歩行式移動装置に関して、要求動作に対応して生成した歩容デー夕に基づいて上記駆動手段を駆動制御する二脚歩行式移動装置の歩行制御装置において、

上記歩行制御装置が、通常の駆動制御を行なう駆動モードと受動関節と同様に駆動手段を駆動制御する受動モードとを選択的に切り換えて、各関節部の駆動制御を行なうことを特徴とする、二脚歩行式移動装置の歩行制御装置。

7 . 前記歩行制御装置が、膝部及び足部の関節部に関して、駆動モード及び受動モ一ドの切換えを行なうことを特徴とする、請求項 6に記載の二脚歩行式移動装置の歩行制御装置。

8 . 前記歩行制御装置が、歩行動作中の蹴り出し及び着地時に駆動モードに切り換え、遊脚時に受動モードに切換えることを特徴とする、請求項 7に記載の二脚歩行式移動装置の歩行制御装置。

9 . 前記歩行制御装置が、受動モードにて、コンプライアンス制御を行なうことを特徴とする、請求項 6から 8の何れかに記載の二脚歩行式移動装置の歩行制御装置。

1 0 . 本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部分を有する二本の脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部と、各脚部，膝部分及び足部を揺動可能に支持する関節部と、これらの関節部を揺動させる駆動手段と、から成る二脚歩行式移動装置に関して、要求動作に対応して生成した歩容デ一タに基づいて上記駆動手段を駆動制御する二脚歩行式移動装置の歩行制御方法において、

上記歩行制御方法が、通常の駆動制御を行なう駆動モードと受動関節と同様に駆動手段を駆動制御する受動モードとを選択的に切り換えて、各関節部の駆動制御を行なうことを特徴とする、二脚歩行式移動装置の歩行制御方法。

1 1 . 膝部及び足部の関節部に関して、駆動モード及び受動モードの切換えを行なうことを特徴とする、請求項 1 0に記載の二脚歩行式移動装置の歩行制御方法。

1 2 . 歩行動作中の蹴り出し及び着地時に駆動モードに切り換え、遊脚時に受動モードに切り換えることを特徴とする、請求項 1 1に記載の二脚歩行式移動装置の歩行制御方法。

1 3 . 受動モードにて、コンプライアンス制御を行なうことを特徴とする、請求項 1 0から 1 2の何れかに記載の二脚歩行式移動装置の歩行制御方法。