WO2003078109A1

WO2003078109A1 - Dispositif de commande operationnelle pour robot mobile du type a jambes, procede de commande operationnelle, et robot

Info

Publication number: WO2003078109A1
Application number: PCT/JP2003/003131
Authority: WO
Inventors: Tatsuo Mikami; Jinichi Yamaguchi; Atsushi Miyamoto
Original assignee: Sony Corporation
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2003-09-25
Also published as: EP2151374A3; US20050055131A1; EP2151374B1; EP1486299A1; CN1518488A; CN100364728C; EP2151374A2; KR20040108526A; KR100977348B1; EP1486299B1; EP1486299A4; US7386364B2

Description

明細書脚式移動ロボッ卜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、多数の関節自由度を持つ脚式移動ロボッ卜の動作制御装置及び動作制御方法、並びにロボット装置に係り、特に、複数の可動脚を備えて基本的な立ち姿勢を持つ脚式移動ロボッ卜の動作制御装置及び動作制御方法、並びにロボット装置に関する。

さらに詳しくは、本発明は、 Z M P (Zero Moment Point) を姿勢安定度判別規範に用いて運動中の機体の姿勢を安定化制御する脚式移動ロボッ卜のための動作制御装置及び動作制御方法に係り、特に、転倒 '落下の途上における機体全体の運動制御によりロボットが被る損害を限りなく軽減するとともに、比較的少ないトルクで安定した動作により仰向けやうつ伏せなどの床上姿勢から立ち姿勢を回復する脚式移動ロボッ卜の動作制御装置及び動作制御方法、並びにロボット装置に関する。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なう機械装：とを「ロボット」という。ロボッ卜の語源は、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化 -無人化などを目的としたマニピュレー夕や搬送ロボットなどの産業用ロボット Undustrial robot) であった。

最近では、ィヌゃネコのように 4足歩行の動物の身体メ力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足直立歩行を行なう動物の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた「人間形」若しくは「人間型」と呼ばれるロボット（humanoid robot) など、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ょう。

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/又は上肢に似た構造のロボットを作り、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力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、あるいはスポーツ科学など、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レ、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な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、人間とロボッ卜との円滑なコミュ二ケーシヨンを行な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卜に教示するような場合、クローラ式ゃ 4足式ロボッ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 足歩行ロボッ卜の方が、ユーザ（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箬である（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 <高塑〉 No.25， 1996 APRIL) を参照のこと）。

2足歩行による脚式移動を行な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。

ロボッ卜の姿勢安定制御は、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卜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バランスする。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ーメントがゼロとなる点、すなわち「Z M P (Zero Moment Point )j が存在する。

脚式移動ロボッ卜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 M P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极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 M P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『歩行ロボッ卜と人工の足』（日刊工業新聞社)）に記載されている。

—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 M P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足歩行ロボッ卜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ットは、 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な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ヅトは、 Z M Pが支持多面体（多角形）内部、又は、着地、離床時に Z M P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 M P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 M P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 ·デ一夕を用い、 Z M P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 M P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、脚式移動ロボッ卜の着地位置を Z M P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 M P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 M P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、脚式移動ロボッ卜の傾斜姿勢を Z M P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 M P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なう。

Z M Pを安定度判別規範に用いたロボッ卜の姿勢安定度制御は、基本的に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モーメントがゼ口となる点を探索することにある。上述したように、脚式移動ロボットにおいては、 Z M Pを姿勢安定度規範として導入するなどして、歩行やその他の動作パターン実行中にロボッ卜が転倒しないようにするための最大限の努力が注がれている。言うまでもなく、転倒という状態はロボッ卜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。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卜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。

転倒しないように最大限の姿勢安定制御を行なうにも拘らず、制御の不備、あるいは予期できない外的要因（例えば不測の物体との衝突や、床面上の突起や窪みなどの路面状況、障害物の出現など）などにより、姿勢の安定を失って可動脚のみでは支えきれなくなり、ロボットが転倒してしまうことがある。

特に、人間型など 2足による脚式移動を行なうロボットの場合、重心位置が高く、そもそも直立した静止状態自体が不安定であるため、転倒を生じ易い。ロボットが転倒すると、ロボット自体、あるいは転倒により衝突する相手側にも致命的な損傷を与えてしまう危険がある。

例えば、特開平 1 1— 4 8 1 7 0号公報には、脚式移動ロボッ卜が転倒しそうな状況で、その転倒によりロボットが受ける損傷や、その転倒時にロボットが衝突する相手側の物体の損傷を可能な限り軽減することができる脚式移動口ボットの制御装置について開示されている。

しかしながら、同公報は、転倒に伴なう着床時に単にロボットの重心を下げるように制御することを提案するのみであり、実際に転倒してしまったときに、損傷を最小限に抑えるために、脚部だけでなく胴体及び腕部を含め機体全体として如何に動作させるべきかといつた議論はなされていない。また、直立歩行型の脚式移動ロボットの場合、歩行などの機体運動を考慮した場合における基準となる姿勢は、 2足で立ち上がった立ち姿勢である。例えば、立ち姿勢の中では最も安定した状態（すなわち不安定性の極小点）を基本立ち姿勢として位置付けることができる。

このような基本立ち姿勢は、その姿勢を安定に維持するためには、姿勢安定制御の実行、制御指示による脚部などの関節軸モー夕のトルク生成が必要である。言い換えれば、無電源状態では立ち姿勢は決して安定ではないことから、ロボットは、仰向けやうつ伏せなどの物理的に最も安定した床上姿勢から起動を開始することが好ましいと思料される。

しかしながら、これら床上姿勢のロボットの電源を投入しても、ロボットが自律的に起き上がることができなければ、オペレー夕が手を貸して機体を持ち上げるなどの作業を施してあげなければならず、煩わしい。

また、ロボットが一旦立ち姿勢となり、歩行やその他の自律的な脚式作業を行なう場合、基本的には転倒することなく、脚を使って移動するように努力するが、敢え無く転倒してしまうこともある。さまざまな障害物や不測の事態を包含する人間の住環境下でロボッ卜が動作する上で、「転倒」は不可避である。そもそも人間自体が転倒する。このような場合も、ォペレ一夕が手を貸して機体を持ち上げなければならないのでは、やはり煩わしい。

ロボットが床上姿勢になる度に、ロボットが自分で起き上がることができなければ、結局のところ無人環境でロボットが作業できない、すなわち作業に自己完結性がないということになり、完全に自立化された環境に置くことはできない。発明の開示本発明の目的は、転倒 ·落下の途上における脚部だけでなく胴体及び腕部を含め機体全体の運動制御によりロボットが被る損害を限りなく軽減することができる、優れた脚式移動ロボット及び脚式移動ロボッ卜の転倒時動作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、仰向けやうつ伏せなどの床上姿勢から自律的に立ち姿勢を回復することができる、優れた脚式移動ロボッ卜の動作制御装置及び動作制御方法、並びにロボッ卜装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、比較的少ないトルクで安定した動作により仰向けやうつ伏せなどの床上姿勢から立ち姿勢を回復することができる、優れた脚式移動ロボッ卜の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。本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第 1の側面は、可動脚を備え立位姿勢において脚式作業を行なう脚式移動ロボッ卜の動作制御装置又は動作制御方法であって、

前記脚式移動ロボットは複数の姿勢又は状態を持ち、

機体の接地点と路面の形成する支持多角形の面積 Sを算出する第 1の手段又はステップと、

前記支持多角形の面積 Sの時間 Δ t当たりの変化△ S/Δ tを算出する第 2の手段又はステップと、

前記支持多角形の面積 S又はその変化速度 Δ S/Δ tに基づいて、姿勢又は状態を遷移するときの機体の動作を決定する第 3の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動作制御装置又は動作制御方法である。

多くの脚式移動ロボットにおいては、 Z M Pを安定度判別規範に利用することによって、歩行など特定の脚式作業の期間における機体の姿勢安定性を維持するようになされている。本発明の第 1の側面に係る足式移動ロボッ卜の動作制御装置又は動作制御方法によれば、さらに、歩行中や直立中のロボッ卜が転倒したり、あるいは転倒後やその他の寝姿勢から起き上がるなど、ロボッ卜が姿勢や状態を遷移させるようなときに、機体の接地点と路面の形成する支持多角形の面積 Sやその変化速度△ S/Δ tに基づいて、機体の動作パターンを順次決定していくことで、より効率的で負荷の少なくなるように、転倒動作や起き上がり動作を実現することができる。ここで、前記第 3の手段又はステップは、転倒時において、

機体の接地点と路面の形成する支持多角形の面積 Sの時間△ t当たりの変化に基づいて着床部位を探索する着床部位探索手段又はステップと、

機体の接地点と路面の形成する支持多角形の面積 Sの時間△ t当たりの変化△ S/Δ tが最小となるように、前記着床部位探索手段又はステツプにより選択された部位が着床すべき目標着床点を設定する目標着床点設定手段又はステツプと、前記着床部位探索手段又はステップにより選択された部位を前記目標着床点設定手段又はステップにより設定された目標着床点に着床させる部位着床手段と、を備えていてもよい。

脚式移動ロボットは、立位姿勢において脚式作業を行っている間、足底に配設した床反カセンサゃ加速度センサ、あるいは胴体の腰位置に配設した加速度センサなどにより、機体に印加される外力を検出している。そして、これら検出された外力を基に、 Z M P釣合い方程式を立てて、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機体に印加されるモーメン卜が釣り合う Z M P を配置するように、常に Z M P軌道を計画することによって、機体の姿勢安定制御を行なっている。

ところが、機体に印加された外力が過大であったり、あるいは路面の状況が好ましくないなどの事情により、 Z M P釣合い方程式上のモーメント ·エラーをキヤンセルすることができず、 Z M P軌道計画により支持多角形内での Z M Pの配置が困難又は不可能となる場合がある。このような場合、本発明に係る脚式移動ロボットは、機体の姿勢安定制御を諦めて、所定の転倒動作を実行することによつて、床面への落下時における機体の損傷を最小限に抑えるようになつている。すなわち、転倒時において、機体の接地点と路面の形成する支持多角形の面積 Sの時間△ t当たりの変化△ S/Δ tが最小となる部位を探索するとともに、機体の接地点と路面の形成する支持多角形の面積 Sの時間△ t当たりの変化△ S / △ tが最小となるように、選択された部位が着床すべき目標着床点を設定して、該部位を着床する。そして、着床させることにより新たに形成された支持多角形をさらに拡大していく。

そして、機体の位置エネルギが最小となり、転倒動作が終了するまでの間、 △ S/Δ tが最小となる部位を探索するとともに該部位を△ S/Δ tが最小となる目標着床点に着床する動作や、新たに形成された支持多角形を拡大していく動作を繰り返し実行する。

このように、支持多角形の面積 Sの時間 t当たりの変化量 Δ S /Δ tを最小にするとともに、床面落下時における支持多角形が最大となるようにすることにより、落下時に床面から受ける衝撃を全身に分散させて、ダメージを最小限に抑えることができる。脚式移動ロボットを略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結したリンク構造体と見た場合、離床リンク数が最大になるリンクがある部位を目標に設定することで、衝撃力の緩和を図ることができる。また、脚式移動ロボットは、例えば、略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結したリンク構造体からなり、前記第 3の手段又はステツプは、前記脚式移動ロボットの転倒状態からの復帰時において、

機体の重心となる重心リンクを含む 2以上のリンクが接床した床上姿勢におレヽて、接床リンクが形成する接地多角内において最も.少ないリンク数で形成される最も狭い支持多角形を探索する手段又はステップと、

接地多角形中の前記探索された支持多角形以外の接床りンクを離床させる手段又はステップと、

2以上の連続する離床リンクを屈曲させ、そのリンク端の端部を接床させて、より狭い接地多角形を形成する手段又はステップと、

支持多角形が充分狭くなつたことに応答して、前記リンク構造体の一端側から第 1の所定数以上のリンクを離床して機体を直立させる手段又はステップと、を備えていてもよい。

ここで、前記リンク構造体は、少なくとも肩関節ピッチ軸、体幹ピッチ軸、股関節ピッチ軸、膝ピッチ軸が機体の高さ方向に連結されてなる。勿論、脚式移動ロボットの機体は、これら以外の関節ピッチ軸を備えていてもよいし、また、各関節部位において、ピッチ軸以外のロール軸並びにョ一軸回りの回転自由度を備えていてもよい。

また、床面と接床する複数の機体の端部が形成する多角形のことを接地多角形という。また、 Z M Pが存在する接地多角形のことを支持多角形という。 Z M P の安定領域は、支持多角形内においてロボッ卜の姿勢などを安定に制御可能な領域である。

脚式移動口ボットは、仰向け又はうつ伏せなどの基本的な床上姿勢においては、これら関節ピッチ軸、体幹ピッチ軸、股関節ピッチ軸、膝ピッチ軸を連結するすベてのリンクは接床している。また、基本的な立ち姿勢や歩行姿勢においては、これら関節ピッチ軸、体幹ピッチ軸、股関節ピッチ軸、膝ピッチ軸を連結するすベてのリンクは離床し、略鉛直方向に整列している。

床上姿勢から立ち姿勢に移行する起き上がりの際には、通常の立ち姿勢を維持したり歩行動作を行なう場合に比し、関係する関節ァクチユエ一夕には高いトルク出力が必要とされる。本発明によれば、 Z M P支持多角形が最小となる姿勢を利用して起き上がり動作を行なうことによって、より少ない駆動トルクで起き上がり動作を実現する。

まず、ほとんどすべてのリンクが接床している床上姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形内で、最も狭い支持多角形を探索する。このとき、機体の一端側から少なくとも 2以上のリンクを離床させたときの、 Z M Pが計画可能かどうかを判定する。

例えば、体幹ピツチ軸及び股関節ピツチ軸を連結するリンクを重心リンクとして接床状態に保ったままで、より狭い支持多角形を探索する。 Z M Pの計画可能性は、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節ァクチユエ一夕のトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断することができる。そして、肩関節ピッチ軸を含む一端側から連続する 2以上のリンクを離床させることを試みる c 次いで、支持多角形となる接床リンクを残し、接地多角形の一端側から 2以上の連続するリンクを離床する。そして、一端側から 1以上の離床リンクを屈曲させてリンク端の端部を着床させて、より狭い接地多角形を形成する。

例えば、リンク構造体の一端側から肩関節を含む 2以上のリンクを支持多角形に関与しないリンクとして離床する。そして、肩関節を含む 2以上のリンクが離床している状態で、肩関節ピッチ軸で屈曲させて、そのリンク端の端部である手先を接床させる。そして、手先を機体重心位置である体幹ピッチ軸側に徐々に近づけていくことによって、元の床上姿勢よりも狭い接地多角形を形成する。

さらに、この接地多角形において、最も狭い支持多角形を探索する。今度は他端から少なくとも 2以上のリンクを離床させて、 Z M Pが計画可能かどうかを判定する。 Z M Pの計画可能性は、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節ァクチユエ一夕のトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。例えば、体幹ピッチ軸及び股関節ピッチ軸を連結する重心リンクを接床状態に保ったままで、膝関節ピッチ軸を含む他端側から連続する 2以上のリンクを離床させることを試みる。

次いで、支持多角形となる接床リンクを残し、接地多角形の他端側から 2以上の連続するリンクを離床する。そして、他端側から 1以上の離床リンクを屈曲させてリンク端の端部を着床させて、より狭い接地多角形を形成する。

例えば、膝関節を含む 2以上のリンクが離床している状態で、膝関節ピッチ軸で屈曲させて、そのリンク端の端部である足底を接床させる。そして、足底を機体重心位置である股関節ピッチ軸側に徐々に近づけていくことによって、元の床上姿勢よりも狭い接地多角形を形成する。

次いで、接地多角形の両リンク端の端部を接床した状態で前記重心リンクを離床可能か否かによって、支持多角形が充分狭くなつたか否かを判断する。重心リンクを離床可能か否かは、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節ァクチユエ一夕のトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。例えば、接地多角形の両リンク端の端部としての手先及び足底を接床した状態で、体幹ピツチ軸及び股関節ピツチ軸を連結した前記重心リンクを離床可能か否かによつて支持多角形が充分狭くなつたか否かを判断する。

そして、機体の支持多角形が充分に狭くなつたことに応答して、支持多角形の両リンク端の端部を接床した状態で前記重心リンクを離床し、両リンク端の着床リンクによって形成される支持多角形内に Z M Pを維持しながら、支持多角形の両リンク端の端部の間隔を縮めて、 Z M Pを前記リンク構造体の他端側に移動させる。このとき、 Z M Pを他端側に移動させることができるか否かは、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節ァクチユエ一夕のトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。

例えば、接地多角形の両リンク端の端部としての手先及び足底を接床した状態で体幹ピッチ軸及び股関節ピッチ軸を連結した前記重心リンクを離床し、手先及び足底の間隔を徐々に縮めていき、 Z M Pを足底に向かって移動させていく。そして、前記リンク構造体の他端から第 2の所定数以下の接床リンクのみで形成される接地多角形内に Z M Pが突入したことに応答して、 Z M Pを該接地多角形内に収容したまま前記リンク構造体の一端側から第 1の所定数以上のリンクを離床して、該離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させる。

例えば、前記足底で構成される接地多角形内に Z M Pが突入したことに応答して、 Z MPを該接地多角形内に収容したまま、前記肩ピッチ軸から前記膝ピッチ軸に至までのリンクを離床して、該離床リンクを長さ方向に伸展することによつて、起き上がり動作を完結させることができる。

起き上がりの最終段階である、離床リンクを長さ方向に伸展する際には、質量操作量のより大きな膝関節ピッチ軸を積極的に使用して動作することが、機体動作上の効率がよい。

なお、より狭い接地多角形を形成するために、離床リンクを肩関節ピッチ軸で屈曲させてそのリンク端の端部である手先を接床させる際に、以下の式を満たすように腕部を動作させてもよい。但し、上腕の長さを 1ぃ前腕の長さを 1₂、肩ロール角をひ、肘ピッチ角をべ一夕、肩から手先までの長さを 1 ₁₂、肩から手先を結ぶ線のなす角をァ、肩の高さを hとおく。 cos + /₂ sin a + ^ - 90 ) l smy < h すなわち、肩口一ル軸を動作させる代わりに肘ピッチ軸を屈曲させることによて、より小さな使用体積で左右の手先を胴体後方で着床することができる。

また、前記のより狭い接地多角形を生成する手段又はステップは、最も小さい支持多角形に関与しないリンクの 2つ以上を離床可能かどうかに応じて、手部又は足部における踏み替え動作又は床面との引き摺り動作のいずれかを選択的に利用して、より狭い接地多角形を形成するようにしてもよい。

より小さな接地多角形を順次形成していく過程において、手部や足部の踏み替え動作のみを利用する場合、踏み替え動作を実現するためには、手部又は足部が離床する必要があり、支持多角形に関与しない 2以上のリンクがなければならず、機体の姿勢によっては踏み替え動作を行なえない場合があり、この場合は起き上がり動作そのものが破綻してしまう。これに対し、さらに手部や足部の引き摺り動作を利用することにより、起き上がり動作が破綻してしまう機会を少なくすることができる。また、本発明の第 2の側面は、可動脚を備え立位姿勢において脚式作業を行なう脚式移動ロボットの動作制御装置又は動作制御方法であって、

転倒時の各段階において機体に印加される衝撃モーメントを算出する手段又はステップと、

転倒時の各段階において機体が床面から受ける衝撃力を算出する手段又はステップと、

機体の接地点と路面の形成する支持多角形の面積 Sを算出する手段又はステツプと、

前記支持多角形の面積 sが最小又は一定となるように次の着床部位を選択する第 1の着床部位探索手段又はステツプと、

前記支持多角形の面積 Sが増大するように次の着床部位を選択する第 2の着床部位探索手段又はステップと、

このような場合、第 1の着床部位探索手段により支持多角形の面積 Sが最小又は一定となるようにすることで、機体に印加される衝撃モーメントを受け流すことができる。この場合、機体が全点又は後退するなどして、支持面自体は移動しても良い。一方、第 2の着床部位探索手段により支持多角形の面積 Sが急激に増大するように着床部位を選択することで、転倒時に機体が床面から受ける衝撃力を緩和することができる。したがって、機体が床面から受ける衝撃力が所定の許容値内であれば前記第 2の着床部位探索手段又はステツプにより機体の転倒動作を行ない、許容値外であれば前記第 1の着床部位探索手段又はステップにより機体の転倒動作を行なうようにすればよい。また、本発明の第 3の側面は、可動脚を備え立位姿勢において脚式作業を行なう脚式移動ロボットにおける機体の転倒及び起き上がりに関する一連の動作を制御する動作制御装置又は動作制御方法であって、前記脚式移動ロボットは略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結したリンク構造体からなり、転倒時において、機体の重心となる重心リンクを含む 2以上のリンクが接床した床上姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形内において最も少ないリンク数で形成される最も狭い支持多角形を探索する手段又はステップと、前記最小となる支持多角形に関与しないリンク数が最大となる部位に Z M Pを設定して転倒動作を行なう手段又はステツプと、

機体の転倒姿勢において離床可能なリンクを探索する手段又はステップと、離床可能なリンクをすベて離床させて起き上がり動作を行なう手段又はステツプと、

機体の重心が腰部に存在する場合、最も小さくなる支持多角形に関与しないリンク数が最大となる部位に Z M Pを設定することができる。このような転倒 -着床動作の後、離床可能なリンクをすベて離床させる、すなわち下肢と体幹の双方を浮き上がらせて、上体と下肢を同時に離床し、足部、手部などを着床させることで、より小さい接地多角形を少ないステップで形成できるので、より高速で効率的な起き上がり動作を実現することができる。また、本発明の第 3の側面は、体幹部と、前記体幹部に接続される脚部及び前記体幹部に接続される腕部を有するロボット装置において、

前記脚部、前記体幹部、及び/又は前記腕部が床面と接床する複数の端部から形成される第 1の支持多角形を検出する支持多角形検出手段と、

前記脚部を前記体幹部方向へ屈曲させることにより、前記第 1の支持多角形の面積を減少させる支持多角形変更手段と、

前記変更された第 1の支持多角形内にある Z M Pを、前記脚部の足底面で形成する接地多角形へ、前記 Z M Pを移動できるか否かを判断する Z M P移動制御手段と、

前記 Z M P移動制御手段が前記 Z M Pを移動できると判断した際に、前記 Z M Pを前記第 1の支持多角形内から、前記足底面が形成する前記接地多角形内に維持しながら転倒姿勢から基本姿勢へ前記ロボット装置を遷移させる制御手段と、を具備することを特徴とするロボット装置である。

また、本発明の第 4の側面は、少なくとも胴体と、前記胴体の上方に第 1の関節（肩）を介して連結される 1つ以上の腕リンクと前記胴体の下方に第 2の関節

(股関節）を介して連結される第 1の脚リンクと、前記第 2の脚リンクの先端に第 3の関節（膝）を介して連結される第 2の脚リンクとを備えた脚式移動ロボッ卜において、

前記腕リンクの先端と前記第 2の脚リンク先端の足部を接床させて第 1の支持多角形を形成する手段と、

前記腕リンクの先端と前記足部を接床させたまま、第 2の関節を第 3の関節よりも接床面法線方向上方に移動させたのち、前記第 1の支持多角形の面積を減少させ、さらに前記足部により形成される接地多角形内に Z M Pを移動させる手段と、

前記足部により形成される接地多角形内に Z M Pを維持しながら、機体を直立させる手段と、

を具備することを特徴とする脚式移動ロボットである。

本発明に係るロボット装置によれば、支持多角形の面積を小さくしながら転倒姿勢から立位姿勢に復帰するので、脚部などの関節ァクチユエ一夕は比較的禎トルクで起き上がり動作を実現することができる。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形態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ッ卜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 2は、本発明の実施に供される脚式移動ロボット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 3は、脚式移動ロボッ卜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 4は、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た図である。

図 5は、脚式移動ロボット 1 0 0の運動系が持つ基本状態遷移を示した図である。

図 6は、脚式移動ロボット 1 0 0の基本仰向け姿勢を示した図である。

図 7は、脚式移動ロボット 1 0 0の基本うつ伏せ姿勢を示した図である。

図 8は、脚式移動ロボット 1 0 0の基本立ち姿勢を示した図である。

図 9は、脚式移動ロボット 1 0 0の基本歩行姿勢を示した図である。

図 1 0は、脚式移動ロボット 1 0 0の多質点近似モデルを示した図である。図 1 1は、多質点モデルの腰部周辺の拡大図を示した図である。

図 1 2は、脚式移動ロボット 1 0 0において安定歩行可能な機体運動を生成するための処理手順を示したフローチャートである。

図 1 3は、脚式移動ロボット 1 0 0における脚式作業中の機体の動作制御の概略的な処理手順を示したフローチャートである。

図 1 4は、機体の転倒時に支持面積を維持する原理を説明するための図である。図 1 5は、機体の床面落下時における支持多角形が最大となる原理を説明するための図である。

図 1 6は、脚式移動ロボット 1 0 0が後方すなわち仰向け姿勢に向かって転倒する場合に、転倒時の支持面積を維持する動作を説明するための図である。図 1 7は、脚式移動ロボット 1 0 0が後方すなわち仰向け姿勢に向かって転倒する場合に、転倒時の支持面積を維持する動作を説明するための図である。図 1 8は、脚式移動ロボット 1 0 0が前方すなわちうつ伏せ姿勢に向かって転倒する場合に、転倒時の支持面積を維持する動作を説明するための図である。図 1 9は、脚式移動ロボット 1 0 0が前方すなわちうつ伏せ姿勢に向かって転倒する場合に、転倒時の支持面積を維持する動作を説明するための図である。図 2 0は、本実施形態に係る脚式移動ロボット 1 0 0が足部の計画不能のために転倒動作を行なうための処理手順を示したフローチャートである。図 2 1は、脚式移動ロボット 1 0 0が肩関節ピッチ軸 4、体幹ピッチ軸 9、股関節ピッチ軸 1 2、膝関節ピッチ軸 1 4などの高さ方向に連結された略平行な複数の関節軸からなるリンク構造体としてモデル化して、各関節ピッチ軸を同期強調的に駆動させて仰向け姿勢に向かって転倒していく動作を示した図である。図 2 2〜図 3 8は、脚式移動ロボット 1 0 0が立位姿勢から仰向け姿勢に転倒していく様子を示した側面図である。

図 3 9〜図 5 5は、脚式移動ロボット 1 0 0が立位姿勢から仰向け姿勢に転倒していく様子を示した斜視図である。

図 5 6は、脚式移動ロボット 1 0 0が肩関節ピッチ軸 4、体幹ピッチ軸 9、股関節ピッチ軸 1 2、膝関節ピッチ軸 1 4などの高さ方向に連結された略平行な複数の関節軸からなるリンク構造体としてモデル化して、各関節ピツチ軸を同期強調的に駆動させてうつ伏せ姿勢に向かつて転倒していく動作を示した図である。図 5 7〜図 7 3は、脚式移動ロボット 1 0 0が立位姿勢からうつ伏せ姿勢に転倒していく様子を示した側面図である。

図 7 4〜図 9 0は、脚式移動ロボット 1 0 0が立位姿勢からうつ伏せ姿勢に転倒していく様子を示した斜視図である。

図 9 1は、本発明の一実施形態に係る脚式移動ロボット 1 0 0が肩関節ピッチ軸 4、体幹ピッチ軸 9、股関節ピッチ軸 1 2、膝関節ピッチ軸 1 4を同期強調的に駆動させて起き上がり動作を行なうための処理手順を示したフローチャートである。

図 9 2は、本発明の一実施形態に係る脚式移動ロボット 1 0 0が肩関節ピッチ軸 4、体幹ピッチ軸 9、股関節ピッチ軸 1 2、膝関節ピッチ軸 1 4を同期強調的に駆動させて仰向け姿勢から起き上がり動作を行なう様子を、関節リンク ·モデルで示した図である。

図 9 3は、体幹ピッチ軸を備えていないタイプの脚式移動ロボットにおいて複数の関節ピッチ軸の同期駆動により仰向け姿勢から起き上がり動作を行なう様子を示した図である。

図 9 4〜図 1 1 1は、脚式移動ロボット 1 0 0が基本仰向け姿勢から起き上がる様子を示した側面図である。図 1 1 2〜図 1 2 9は、脚式移動ロボット 1 0 0が基本仰向け姿勢から起き上がる様子を示した斜視図である。

図 1 3 0は、左右の手先を胴体後方で着床する一連の動作の変形例を示した図である。

図 1 3 1は、左右の手先を胴体後方で着床する一連の動作の変形例を示した図である。

図 1 3 2は、図 1 3 0及び図 1 3 1に示した腕の動作を説明するための図である。

図 1 3 3は、図 9 2に示した脚式移動ロボヅトをリンク構造体に置き換えて一般化して示した図である。

図 1 3 4は、本発明の一実施形態に係る脚式移動ロボッ卜 1 0 0が肩関節ピッチ軸 4、体幹ピッチ軸 9、股関節ピッチ軸 1 2、膝関節ピッチ軸 1 4を同期強調的に駆動させてうつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なう様子を、関節リンク · モデルで示した図である。

図 1 3 5は、脚式移動ロボヅ卜 1 0 0が基本仰向け姿勢から起き上がる様子を示した側面図である。

図 1 3 6〜図 1 5 3は、脚式移動ロボット 1 0 0が基本仰向け姿勢から起き上がる様子を示した側面図である。

図 1 5 4〜図 1 7 2は、脚式移動ロボット 1 0 0が基本うつ伏せ姿勢から起き上がる様子を示した斜視図である。

図 1 7 3は、支持多角形が充分狭くなつたかどうかを判断するための処理手順を示したフローチャートである。

図 1 7 4は、手部や足部の踏み替え動作と引き摺り動作を利用した起き上がりオペレーションを示したフローチャートである。

図 1 7 5〜図 1 9 1は、脚式移動ロボット 1 0 0が手部や足部の踏み替え動作と引き摺り動作を利用しながら基本うつ伏せ姿勢から起き上がる様子を示した側面図である。

図 1 9 2〜図 1 9 8は、転倒動作と連続して起き上がり行なう場合における機体の一連の動作を示した図である。図 1 9 9は、最も小さい支持多角形に関与しないリンク数が最大となるリンクとその部位を探索するための処理手順を示したフローチャートである。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形態について詳解する。

A . 脚式移動ロボッ卜の機械的構成

図 1及び図 2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、胴体部と、頭部と、左右の上肢部と、脚式移動を行なう左右 2足の下肢部とで構成され、例えば胴体に内蔵されている制御部（図示しない）により機体の動作を統括的にコントロールするようになっている。

左右各々の下肢は、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。

制御部は、この脚式移動ロボットを構成する各関節ァクチユエ一夕の駆動制御や各センサ（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ェースや通信装置を含んでいてもよい。

このように構成された脚式移動ロボッ卜は、制御部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なわれる。すなわち、

( 1 ) 右脚を持ち上げた、左脚による単脚支持期 (2) 右足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) 左足が接地した両脚支持期脚式移動ロボット 100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な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。

歩行動作の軌道修正を始めとして、機体の姿勢安定制御には、一般に、 ZMP 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次多項式を用いた補間計算により行なう。 ZMP (Zero Moment Point) を歩行の安定度判別の規範として用いている。 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卜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「ダランべ一ルの原理」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 M P安定領域）の辺上あるいはその内側にピッチ軸及び口ール軸モーメントがゼロとなる点、すなわち「ZMP (Zero Moment Point)j が存在する。

図 3には、この脚式移動ロボット 100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、脚式移動ロボット 100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体幹部とで構成された、複数の肢を備えた構造体である。

頭部を支持する首関節（Ne ck) は、首関節ョー軸 1と、第 1及び第 2の首関節ピッチ軸 2 A及び 2 Bと、首関節ロール軸 3という 4自由度を有している。また、各腕部は、その自由度として、肩（Shou ld e r) における肩関節ピッチ軸 4と、肩関節ロール軸 5と、上腕ョ一軸 6、肘（E lbow) における肘関節ピッチ軸 7と、手首（Wr i s t) における手首関節ョー軸 8と、手部とで構成される。手部は、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。

また、体幹部（Trunk) は、体幹ピッチ軸 9と、体幹ロール軸 10という 2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（Hip) における股関節ョー軸 11と、股関節ピッチ軸 12と、股関節ロール軸 13と、膝（Kne e) における膝関節ピッチ軸 14と、足首（Ankle)における足首関節ピッチ軸 15と、足首関節ロール軸 16と、足部とで構成される。

但し、エンターティンメント向けの脚式移動ロボット 100が上述したすべての自由度を装備しなければならない訳でも、あるいはこれに限定される訳でもない。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 100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な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。本実施形態では、ギア直結型で且つサ一ボ制御系をワンチップィ匕してモー夕 'ュニッ卜に内蔵したタイプの小型 ACサーボ ·ァクチユエ一夕を搭載することとした（この種の AC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開 2000-299970号公報に開示されている）。本実施形態では、直結ギアとして低減速ギアを採用することにより、人間との物理的ィン夕ラクションを重視するタイプのロボットに求められてレ、る駆動系自身の受動的特性を得ている。 B. 脚式移動口ボットの制御システム構成

図 4には、脚式移動ロボット 100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、脚式移動ロボッ卜 100は、ヒ卜の四肢を表現した各機構ュニット 30, 40, 50R/L, 60R/L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なう制御ュニット 80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）。

脚式移動ロボット 1 0 0全体の動作は、制御ュニット 8 0によって統括的に制御される。制御ュニット 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、電源回路ゃロボット 1 0 0の各構成要素とのデータゃコマンドの授受を行なうインターフェース（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では体幹部ュニット 4 0に搭載されているが、頭部ュニット 3 0に搭載してもよい。あるいは、脚式移動ロボッ卜 1◦ 0外に制御ュニット 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ット 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、首関節ョ一軸 1、第 1及び第 2の首関節ピッチ軸 2 A及び 2 B、首関節ロール軸 3の各々を表現する首関節ョー軸ァクチユエ一夕、第 1及び第 2の首関節ピッチ軸ァクチユエ一夕 A_2A、 A_2B、首関節ロール軸ァクチユエ一夕 A₃がそれそれ配設されている。

また、体幹部ユニット 4 0には、体幹ピッチ軸 9、体幹ロール軸 1 0の各々を表現する体幹ピッチ軸ァクチユエ一夕 A₃、体幹口ール軸ァクチユエ一夕 A₁₍₎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 R/Lと、肘関節ュニット 5 2 R/ Lと、前腕ュニット 5 3 R/ Lに細分化されるが、肩関節ピッチ軸 4、肩関節ロール軸 5、上腕ョー軸 6、肘関節ピッチ軸 7、手首関節ョー軸 8の各々を表現する肩関節ピッチ軸ァクチユエ一夕 A₄、肩関節ロール軸ァクチユエ一夕 A ₅、上腕ョ一軸ァクチユエ一夕 A_fi、肘関節ピッチ軸ァクチユエ一夕 A₇、手首関節ョー軸ァクチユエ一夕 A₈が配備されている。

また、脚部ュニット 6 0 R/ Lは、大腿部ュニット 6 1 R/ Lと、膝ュニヅト 6 2 R/Lと、脛部ユニット 6 3 R/ Lに細分化されるが、股関節ョ一軸 1 1、股関節ピッチ軸 1 2、股関節ロール軸 1 3、膝関節ピッチ軸 1 4、足首関節ピッチ軸 1 5、足首関節ロール軸 1 6の各々を表現する股関節ョー軸ァクチユエ一夕 A„、股関節ピッチ軸ァクチユエ一夕 A₁₂、股関節ロール軸ァクチユエ一夕 Α₁₃、膝関節ピッチ軸ァクチユエ一夕 Α₁₄、足首関節ピッチ軸ァクチユエ一夕 Α₁₅、足首関節口一ル軸ァクチユエ一夕 Α₁₆が配備されている。

各関節に用いられるァクチユエ一夕 Α₁₃ Α₂， Α₃···は、より好ましくは、ギア直結型で且つサ一ボ制御系をワンチップィ匕してモータ ·ュニット内に搭載した夕イブの小型 A Cサーボ ·ァクチユエ一夕（前述）で構成することができる。

頭部ュニット 3 0、体幹部ュニット 4 0、腕部ュニット 5 0、各脚部ュニッ卜 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。

機体の体幹部 4 0には、加速度センサ 9 5と姿勢センサ 9 6が配設されている。加速度センサ 9 5は、 X , Υ , Z各軸方向に配置する。機体の腰部に加速度センサ 9 5を配設することによって、質量操作量が大きな部位である腰部を制御目標点として設定して、その位置における姿勢や加速度を直接計測して、 Z M Pに基づく姿勢安定制御を行なうことができる。

また、各脚部 6 0 R， Lには、接地確認センサ 9 1及び 9 2と、加速度センサ 9 3 , 9 4がそれそれ配設されている。接地確認センサ 9 1及び 9 2は、例えば足底に圧力センサを装着することにより構成され、床反力の有無により足底が着床したか否かを検出することができる。また、加速度センサ 9 3 , 9 4は、少なくとも X及び Yの各軸方向に配置する。左右の足部に加速度センサ 9 3 , 9 4を配設することにより、 Z M P位置に最も近い足部で直接 Z M P方程式を組み立てることができる。

質量操作量が大きな部位である腰部にのみ加速度センサを配置した場合、腰部のみが制御目標点に設定され、足部の状態は、この制御目標点の計算結果を基に相対的に算出しなければならず、足部と路面との間では以下の条件を満たすことが、前提となってしまう。

( 1 ) 路面はどんな力やトルクが作用しても動くことがない。

( 2 ) 路面での並進に対する摩擦係数は充分に大きく、滑りが生じない。これに対し、本実施形態では、路面との接触部位である足部に Z M Pと力を直接する反力センサ · システム（床反力センサなど）を配備するとともに、制御に用いる口一カル座標とその座標を直接的に計測するための加速度センサを配設する。この結果、 Z M P位置に最も近い足部で直接 Z M P方程式を組み立てることができ、上述したような前提条件に依存しない、より厳密な姿勢安定制御を高速で実現することができる。この結果、力やトルクが作用すると路面が動いてしまう砂利上や毛足の長い絨毯上や、並進の摩擦係数が充分に確保できずに滑りが生じ易い住居のタイルなどであっても、機体の安定歩行（運動）を保証することができる。

主制御部 8 0は、各センサ 9 1〜9 6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、脚式移動ロボット 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パターンを実現する。

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、体幹運動、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 Α,, Α₂, Α₃···に対して駆動制御信号を出力する。ここで言う「Ζ Μ Ρ」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、「Ζ Μ Ρ軌道」とは、例えばロボヅト 1 0 0の歩行動作期間中に Ζ Μ Ρが動く軌跡を意味する。

C .脚式移動口ボットの運動系基本状態遷移

本実施形態に係る脚式移動ロボット 1 0 0の制御システムは、複数の基本姿勢を定義する。各々の基本姿勢は、機体の安定性や、消費エネルギ、次の状態への遷移を考慮して定義されており、基本姿勢間の遷移という形態により機体運動を効率的に制御することができる。

図 5には、本実施形態に係る脚式移動ロボット 1 0 0の運動系が持つ基本状態遷移を示している。同図に示すように、脚式移動ロボットは、基本仰向け姿勢、基本立ち姿勢、基本歩行姿勢、基本座り姿勢、基本うつ伏せ姿勢がそれそれ仰向け時、立脚時、歩行準備時、着席時、及びうつ伏せ時における機体の安定性や、消費エネルギ、次の状態への遷移を考慮して定義されている。

これら基本姿勢は、機体の動作制御プログラムのプラットフォームに位置付けられる。また、脚式移動ロボットは、立ち姿勢などにおいて、歩行や跳躍、ダンスなど全身動作を利用した各種のパフォーマンスを行なうが、その装置制御プログラムは、プラットフオーム上で動作するアプリケーションとして位置付けられる。これらアプリケーション 'プログラムは、外部記憶から随時ロードされ、主制御部 8 1によって実行される。

図 6には、脚式移動ロボット 1 0 0の基本仰向け姿勢を示している。本実施形態では、機体への電源投入時には基本仰向け姿勢をとり、転倒などの心配がなく機械運動的に最も安定した状態からの起動を行なうことができる。また、脚式移動ロボットは、起動時だけでなくシステム動作の終了時も基本仰向け姿勢に復帰するようになつている。したがって、機械運動学的に機体が最も安定した状態で作業を開始するとともに、最も安定した状態で作業を終了することから、脚式移動ロボットの動作オペレ一シヨンは自己完結的となる。

勿論、機体の転倒時においても、床上での所定のモーションを経て一旦基本仰向け姿勢に戻った後に、規定の立ち上がり動作を実行することにより、基本立ち姿勢を介して、作業中断時の元の姿勢を回復することができる。

また、本実施形態に係る脚式移動ロボット 1 0 0は、床上での基本姿勢として、基本仰向け姿勢の他に、図 7に示したような基本うつ伏せ姿勢を備えている。この基本うつ伏せ姿勢は、基本仰向け姿勢と同様に、機械運動学的に機体が最も安定した状態であり、電源が遮断された脱力状態においても姿勢安定性を維持することができる。例えば、脚式作業において不測の外力などにより機体が転倒した場合、仰向け又はうつ伏せのいずれの状態で落下するか不明なので、本実施形態では、このように 2通りの床上基本姿勢を規定している。

基本仰向け姿勢と基本うつ伏せ姿勢の間は、各種の床上姿勢を経て可逆的に遷移することができる。逆に言えば、これら基本仰向け姿勢と基本うつ伏せ姿勢を基準にして各種の床上姿勢へ円滑に状態遷移することができる。基本仰向け姿勢は、機械運動学的には最も安定した基本姿勢であるが、脚式作業を考慮した場合、円滑な状態遷移を行なうことはできない。そこで、図 8に示すような基本立ち姿勢が定義されている。基本立ち姿勢を定義することで、その後の脚式作業へ滞りなく移行することができる。

基本立ち姿勢は、立ち状態で最も安定した状態であり、姿勢安定制御のための計算機負荷や消費電力が最小又は極小となるような姿勢であり、膝を伸展させることにより直立状態を保っためのモー夕 · トルクを最小限に抑えている。この基本立ち姿勢から各種の立ち姿勢へ円滑に状態遷移して、たとえば上肢を利用したダンス ·パフォーマンスなどを実演することができる。

他方、基本立ち姿勢は、姿勢安定性に優れているがこのまま歩行など脚式作業に移行するためには最適化されていない。そこで、本実施形態に係る脚式移動口ボットは、立脚状態の他の基本姿勢として、図 9に示すような基本歩行姿勢を定義している。

基本立ち姿勢において、股関節、膝関節、並びに足首関節の各ピッチ軸 1 2、 1 4、 1 5を駆動して、機体の重心位置を少し落とす格好にすることによって、基本歩行姿勢に遷移する。基本歩行姿勢では、通常の歩行動作を始めとして各種の脚式動作への遷移を円滑に行なうことができる。但し、膝を屈曲させた分だけ、この姿勢を維持するためのトルクが余分に必要とならことから、基本歩行姿勢は、基本立ち姿勢に比し消費電力は増大する。

基本立ち姿勢は、機体の Z M P位置は Z M P安定領域の中心付近にあり、膝の曲げ角が小さくエネルギ消費量が低い姿勢である。これに対し、基本歩行姿勢では、 Z M P位置が安定領域の中心付近にあるが、高い路面適応性、高い外力適応性を確保するために膝の曲げ角を比較的大きくとっている。

また、本実施形態に係る脚式移動ロボット 1 0 0では、さらに基本座り姿勢が定義されている。この基本座り姿勢（図示しない）では、所定の椅子に腰掛けたときに、姿勢安定制御のための計算機負荷や消費電力が最小又は極小となるような姿勢である。前述した、基本仰向け姿勢、基本うつ伏せ姿勢、並びに基本立ち姿勢からは、可逆的に基本姿勢へ遷移することができる。また、基本座り姿勢並びに基本立ち姿勢からは、各種の座り姿勢へと円滑に移行することができ、座り姿勢で例えば状態のみを用いた各種のパフォーマンスを実演することができる。

D . 脚式移動ロボットの姿勢安定制御

次いで、本実施形態に係る脚式移動ロボット 1 0 0における、脚式作業時における姿勢安定化処理、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。

本実施形態に係る姿勢安定制御は、 Z M Pを姿勢安定制御に用いる。 Z M Pを安定度判別規範に用いたロボッ卜の姿勢安定度制御は、基本的に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モーメントがゼロとなる点を探索することにある。すなわち、ロボットの機体に印加される各モーメントの釣合い関係を記述した Z M P方程式を導出して、この Z M P方程式上で現れるモ一メント ·エラーを打ち消すように機体の目標軌道を修正する。

本実施形態では、ロボットの機体上の制御目標点として質量操作量が最大となる部位、例えば腰部をローカル座標原点に設定する。そして、この制御目標点に加速度センサなどの計測手段を配置して、その位置における姿勢や加速度を直接計測して、 Z M Pに基づく姿勢安定制御を行なう。さらに路面との接触部位である足部に加速度センサを配備することにより、制御に用いるロー力ル座標とその座標を直接的に計測して、 Z M P位置に最も近い足部で直接 Z M P方程式を組み立てる。

D - 1 . Z M P方程式の導入

本実施形態に係る脚式移動ロボット 1 0 0は、無限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、安定化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 1 0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 1 0において、〇— 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。但し、図中におけるパラメ一夕の意味は以下の通りである。また、ダッシュに）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

番目の質点の位置べクトル

m_p： ZMPの位置べクトル

g(g_x，g_y，g_z):重力加速度べクトル

Ο'-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、 r 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。本実施形態に係る脚式移動ロボット 100の機体重心は腰部付近に存在する。すなわち、腰部は、質量操作量が最大となる質点であり、図 10では、その質量は mh、その位置べクトル（但し運動座標系）は r'_h (r'„_x3 r'_hy, r'_hz) とする。また、機体の ZMPの位置ベクトル（但し運動座標系）を世界座標系 0— XYZは絶対座標系であり、不変である。本実施形態に係る脚式移動ロボット 100は、腰部と両脚の足部にそれそれ加速度センサ 93、 94、 96が配置されており、これらセンサ出力により腰部並びに立脚それぞれと世界座標系の相対位置べクトル r_qが直接検出される。これに対し、運動座標系すなわち機体のローカル座標系は 0— X， Υ， Ζ，は、ロボットともに動く。

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 10を見ても判るように、多質点近似モデルは、両肩、両肘、両手首、体幹、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 100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 10に示す多質点モデルの腰部情報における各回転角（0_ta， d_hy, θ は、脚式移動ロボット 100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 1 1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）。

機体の ZMP方程式は、制御目標点において印加される各モーメントの釣合い関係を記述したものである。図 5に示したように、機体を多数の質点で表わし、これらを制御目標点とした場合、すべての制御目標点 miにおいて印加されるモーメントの総和を求める式が ZMP方程式である。

世界座標系（0— XYZ) で記述された機体の Z MP方程式、並びに機体の口 —カル座標系（0_Χ' Υ， Ζ') はそれそれ以下の通りとなる。世界座標系で記述された Ζ Μ Ρ方程式：

all - particles

0

r = r + r_q ローカル座標系で記述された Z M P方程式

nil一 particles

∑ = 0

r = r + r_n

上式は、各質点 miにおいて印加された加速度成分により生成される Z M P回り (半径一 r _P) のモーメントの総和と、各質点 miに印加された外力モーメン卜 Miの総和と、外力 F_kにより生成される Z M P回り（k番目の外力 F_kの作用点を s _kとする）のモーメン卜の総和が釣り合うということを記述している。

この Z M P釣合い方程式は、総モーメント補償量すなわちモーメント ·エラ一成分 Tを含んでいる。このモーメント 'エラ一をゼロ又は所定の許容範囲内に抑えることによって、機体の姿勢安定性が維持される。言い換えれば、モーメント - エラーをゼ口又は許容値以下となるように機体運動（足部運動や上半身の各部位の軌道）を修正することが、 Z M Pを安定度判別規範とした姿勢安定制御の本質である。

本実施形態では、腰部と左右の足部にそれそれ加速度センサ 9 6 , 9 3及び 9 4が配設されているので、これらの制御目標点における加速度計測結果を用いて直接的に且つ高精度に上記の Z M P釣合い方程式を導出することができる。この結果、高速でより厳密な姿勢安定制御を実現することができる。

D - 2 . 全身協調型の姿勢安定制御

図 1 2には、脚式移動ロボヅト 1 0 0において、 Z M Pを安定度判別規範に用いて安定歩行可能な機体運動を生成するための処理手順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 1 0及び図 1 1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、足部運動の設定を行なう（ステップ S l )o足部運動は、 2以上の機体のポーズを時系列的に連結されてなるモーション ·デ一夕である。モーション 'デ一夕は、例えば、足部の各関節角の変位を表わした関節空間情報と、関節位置を表わしたデカルト空間情報で構成される。モーション，データは、コンソール画面上での手付け入力や、機体へのダイレクト ·ティーチング（直接教示）例えばモーション編集用のォーサリング 'システム上で構築したりすることができる。

次いで、設定された足部運動を基に Z M P安定領域を算出する（ステップ S 2 )。 Z M Pは、機体に印加されるモーメントがゼロとなる点であり、基本的に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存在する。 Z M P 安定領域は、この支持多角形のさらに内側に設定された領域であり、該領域に Z M Pを収容させることによって機体を高度に安定した状態にすることができる。そして、足部運動と Z M P安定領域を基に、足部運動中における Z M P軌道を設定する（ステップ S 3 )。

また、機体の上半身（股関節より上側）の各部位については、腰部、体幹部、上肢、頭部などのようにグループ設定する（ステップ S i Do

そして、各部位グループ毎に希望軌道を設定する（ステップ S 1 2 )。上半身の希望起動の設定は、足部の場合と同様に、コンソール画面上での手付け入力や、機体へのダイレクト ·ティーチング（直接教示）例えばモーション編集用のォーサリング ·システム上で構築したりすることができる。

次いで、各部位のグループ設定の調整（再グルーピング）を行ない（ステップ S 1 3 )、さらにこれらグループに対して優先順位を与える（ステップ S 1 4 )。ここで言う優先順位とは、機体の姿勢安定制御を行なうための処理演算に投入する順位のことであり、例えば質量操作量に応じて割り振られる。この結果、機体上半身についての各部位についての優先順位付き希望軌道群が出来上がる。

また、機体上半身の各部位グループ毎に、モーメント補償に利用できる質量を算出しておく（ステップ S 1 5 )。

そして、足部運動と Z M P軌道、並びに上半身の各部位グループ毎の希望起動群を基に、ステップ S 1 4により設定された優先順位に従って、各部位グループの運動パターンを姿勢安定化処理に投入する。

この姿勢安定化処理では、まず、処理変数 iに初期値 1を代入する（ステップ S 2 0 )。そして、優先順位が先頭から i番目までの部位グループについての目標軌道設定時における、目標 Z M P上でのモーメント量すなわち総モーメント補償量を算出する（ステップ S 2 Do目標軌道が算出されていない部位については、希望軌道を用いる。

次いで、ステップ S 1 5において算出された当該部位のモ一メント補償に利用できる質量を用いて、そのモーメント補償量を設定して（ステップ S 2 2 )、モーメント補償量を算出する（ステップ S 2 3 )。

次いで、算出された i番目の部位のモーメント補償量を用いて、 i番目の部位についての Z M P方程式を導出して（ステップ S 2 4 )、当該部位のモ一メント補償運動を算出することにより（ステップ S 2 5 )、優先順位が先頭から i番目までの部位についての目標軌道を得ることができる。

このような処理をすベての部位グループについて行なうことにより、安定運動 (例えば歩行）が可能な全身運動ノターンが生成される。

腰部と左右の足部にそれそれ加速度センサ 9 6 , 9 3及び 9 4が配設されているので、これらの制御目標点における加速度計測結果を用いて直接的に且つ高精度に上記の Z M P釣合い方程式を導出することができる。この結果、図 1 2に示すような処理手順に従って Z M P安定度判別規範に基づく姿勢安定制御を高速でより厳密に実行することができる。 E . 脚式移動ロボットの転倒オペレーシヨン

前項 Dで説明したように、本実施形態に係る脚式移動ロボット 1 0 0は、基本的には、 Z MP安定度判別規範に基づいて、歩行時やその他の立脚作業時における姿勢安定制御を行ない、機体の転倒という事態の発生を最小限に抑えるようにしている。

しかしながら、万一転倒を避けられなくなった場合には、機体へのダメージを極力防止するような動作パターンからなる転倒動作を行なうことにする。例えば、前述した Z M P釣合い方程式において、過大な外力 F又は外力モーメント Mが機体に印加された場合、機体動作のみによってモーメント 'エラー成分 Tをキャンセルことができなくなり、姿勢の安定性を維持できなくなる。図 1 3には、本実施形態に係る脚式移動ロボット 1 0 0における脚式作業中の機体の動作制御の概略的な処理手順をフローチャートの形式で示している。

機体動作中は、左右の足部に配設した接地確認（床反力）センサ 9 1及び 9 2、加速度センサ 9 3及び 9 4、腰部に配設した加速度センサ 9 6のセンサ出力を用いて、 Z M P釣合い方程式（前述）を立てて、腰部、下肢軌道を常に計算する（ステツプ S 3 l )o

例えば、機体に外力が印加されたとき、次の腰部、下肢軌道を計画することができるかどうか、すなわち足部の行動計画によって外力によるモーメント 'エラ一を解消することができるかどうかを判別する（ステップ S 3 2 )。腰部、下肢軌道を計画することができるかどうかは、脚部の各関節の可動角、各関節ァクチュエー夕のトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。勿論、外力が加わったときに、次の一歩だけでなく、数歩にまたがる脚式動作によりモーメン卜 ·エラ一を解消するようにしてもよい。

このとき、足部の計画が可能であれば、歩行やその他の脚式動作を継続する（ステツプ S 3 3 )。

他方、過大な外力又は外力モーメントが機体に印加されたために、足部の計画が不可能になった場合には、脚式移動ロボット 1 0 0は転倒動作を開始する（ステツプ S 3 4 )。

図 1〜図 2に示すような直立歩行型の脚式ロボッ卜の場合、重心位置が高いことから、転倒時に不用意に床面に落下すると、ロボット自体、あるいは転倒により衝突する相手側にも致命的な損傷を与えてしまう危険がある。

そこで、本実施形態では、転倒前に計画されている機体の軌道から Z M P支持多角形が最小となるような姿勢に組み替えて、所定の転倒動作を実行する。基本的には、以下に示す 2つの方針を基に転倒動作を探索していく。

( 1 ) 機体の支持多角形の面積 Sの時間 t当たりの変化量△ S /Δ tを最小にする。

( 2 ) 床面落下時における支持多角形が最大となるようにする。ここで、変化量 A S/A tを最小にするとは、転倒時の支持面積を維持する（あるいは減少させる）ことに相当する（但し、減少させる場合、駆動力が必要な場合がある）。機体の転倒時に支持面積を維持することで、機体に印加される衝撃モーメントを受け流すことができる。図 1 4には、機体の転倒時に支持面積を維持する原理を図解している。同図に示すように、丁度球体が転がる具合で、支持面は面積最小であることを維持しながら、衝撃モーメントを受け流している。図示の通り、支持面が移動しても同様の効果が得られる。例えば、着床時に床から受ける衝撃力を求め、これが許容値を越えるような場合には、支持多角形の面積を一定に保つように機体が転がる転倒方法が好ましい。

また、床面落下時における支持多角形が最大となるとは、図 1 5に示すように、より広い支持多角形で受け止めることにより衝撃力を干渉することに相当する。例えば、着床時に床から受ける衝撃力を求め、これが許容値以内となる場合には、支持多角形の面積を一定に保つように機体が転がる転倒方法が好ましい。

図 1 6及び図 1 7には、脚式移動ロボット 1◦ 0が後方すなわち仰向け姿勢に向かって転倒する場合に、支持多角形の変化量△ S/Δ tを最小すなわち転倒時の支持面積を維持する動作を実現した例を示している。これは、柔道やその他の格闘技における受身動作に類似する類似する動作であり、転倒時の衝撃力モーメントを好適に受け流すことができる。図 1 7に示すように、足部を離床させることにより、支持多角形の変化量 A S/A tを最小にしている。機体の重心が腰部に存在する場合、最も小さくなる支持多角形に関与しないリンク数が最大となる部位に Z M Pを設定することができる。このような転倒 ·着床動作の後、離床可能なリンクをすベて離床させる、すなわち図示の例では下肢と体幹の双方を浮き上がらせて、上体と下肢を同時に離床し、足部、手部などを着床させることで、より小さい接地多角形を少ないステツプで形成できるので、より高速で効率的な起き上がり動作を実現することができる。

図 1 8及び図 1 9には、脚式移動ロボット 1 0 0が前方すなわちうつ伏せ姿勢に向かって転倒する場合に、支持多角形の変化量△ S/Δ tを最小すなわち転倒時の支持面積を維持する動作を実現した例をそれそれ側面並びに右斜め前方から眺めた様子を示している。これは、機械体操などにおける前転動作に類似する類似する動作であり、転倒時の衝撃力モーメントを好適に受け流すことができる。各図に示すように、足部を離床させることにより、支持多角形の変化量 A S/A tを最小にしている。

上述したような転倒方法をとることにより、落下時に床面から受ける衝撃を全身に分散させることにより、ダメージを最小限に抑えることができる。

図 2 0には、本実施形態に係る脚式移動ロボット 1 0 0が足部の計画不能により転倒動作を行なうための処理手順をフローチャートの形式で示している。転倒動作は、上述した基本方針に従って、高さ方向に連結された肩関節ピッチ軸 4、体幹ピッチ軸 9、股関節ピッチ軸 1 2、膝関節ピッチ軸 1 4を同期協調的に駆動させることによって実現される。このような処理手順は、実際には主制御部 8 1 において所定の機体動作制御プログラムを実行して、各部を駆動制御することによって実現される。

まず、機体の支持多角形の面積 Sの時間 t当たりの変化量△ S /Δ tを最小にするリンクを探索する（ステップ S 4 1 )。

次いで、ステップ S 4 1により選択されたリンクで変化量 A S /A tを最小にする該リンクの目標着床点を探索する（ステップ S 4 2 )。機体の床面に対する支持面積を最小に維持することにより、衝撃モーメントを受け流すことができる（前述及び図 1 4を参照のこと）。

次いで、先行ステップにより選択されたリンクを該目標着床点に着床することが、機体ハードウェアの制約上（各関節の可動角、各関節ァクチユエ一夕のトルク、関節力、角速度、角加速度など)、実行可能かどうかを、衝撃力モーメントを主に判別する（ステップ S 4 3 )。

先行ステツプにより選択されたリンクを該目標着床点に着床することが不可能であると判定された場合には、時間の変化量 A tを所定値だけ増分してから（ステツプ S 4 4 )、ステップ S 4 1に戻って、リンクの再選択、並びに該リンクの目標着床点の再設定を行なう。

一方、先行ステツプにより選択されたリンクを該目標着床点に着床することが可能である場合には、選択されたリンクを該目標着床点に着床する（ステップ S 4 5 )。次いで、機体の位置エネルギが最小かどうか、すなわち転倒動作が完了したかどうかを判別する（ステップ S 4 6 )。

機体の位置エネルギがまだ最小ではない場合には、時間の変化量△ tをさらに所定値だけ増分して（ステップ S 4 7 )、支持多角形を拡大するように次の目標着床点を設定する（ステップ S 4 8 )。支持多角形を拡大することにより、着床時に機体に加わる衝撃力を軽減することができる（前述及び図 1 5を参照のこと）。次いで、選択されたリンクを該目標着床点に着床することが、機体ハードゥエァの制約上（各関節の可動角、各関節ァクチユエ一夕のトルク、関節力、角速度、角加速度など)、実行可能かどうかを、衝撃力を主に判別する（ステップ S 4 9 )。先行ステップにより選択されたリンクを該目標着床点に着床することが不可能であると判定された場合には、ステップ S 4 1に戻って、リンクの再選択、並びに該リンクの目標着床点の再設定を行なう。

一方、先行ステップにより選択されたリンクを該目標着床点に着床することが可能である場合には、ステップ S 4 5に進んで、選択されたリンクを該目標着床点に着床する。

そして、機体の位置エネルギが最小になると（ステップ S 4 6 )、機体の床面への着床が完了したことになるので、本処理ルーチン全体を終了する。次いで、実機動作を参照しながら、脚式移動ロボッ卜 1 0 0の転倒動作について説明する。

図 2 1には、脚式移動ロボット 1 0 0が肩関節ピッチ軸 4、体幹ピッチ軸 9、股関節ピッチ軸 1 2、膝関節ピッチ軸 1 4などの高さ方向に連結された略平行な複数の関節軸からなるリンク構造体としてモデル化して、各関節ピッチ軸を同期強調的に駆動させて仰向け姿勢に向かって転倒していく動作を示している。基本的に、離床リンク数が最大になるリンクがある部位を目標に設定することで、床面から受ける衝撃力を減少するようになっている。

ロボットは、リンク構造体のリンク端である足底のみで立位しているとする（図 2 1 ( 1 ))。

このとき、外力又は外力モーメントの印加により、 Z M P釣合い方程式のモーメント ·エラ一項 Tをキャンセルできなくなり、足底のみで形成する Z M P安定領域の外に Z M Pが逸脱したことに応答して、 Z M Pを支持多角形に維持したまま転倒動作を開始する。

転倒動作では、まず、機体の支持多角形の面積 Sの時間 t当たりの変化量 A S /A tを最小にするリンクを探索するとともに、手先を含むリンクで変化量 A S /△tを最小にするような手先の目標着床点を探索する。そして、選択されたリンクを目標着床点に着床することが機体ハードウェアの制約上 (各関節の可動角、各関節ァクチユエ一夕のトルク、関節力、角速度、角加速度など)、実行可能かどうかを判別する。

機体ハードウェア上実行可能である場合には、既に着床している足底リンクに加え、他のリンクが着床する。そして、これら着床リンクで形成される最小支持多角形内に Z M Pを移動する（図 2 1 ( 2 ) )。

次いで、機体ハードウェアが許容する限り、着床点を移動して、支持多角形を拡大していく（図 2 1 ( 3 ) )。

そして、各関節の可動角、各関節ァクチユエ一夕のトルク、関節力、角速度、角加速度など機体ハードウェアの制約から、もはや着床点を移動することができなくなると、今度は、着床中のリンクに挟まれている離床リンクを着床することができるかどうかを判別する。

機体ハードゥエァ上、着床リンク間の離床リンクを着床することが可能である場合には、これらを着床して、着床リンク数を増やす（図 2 1 ( 4 ) )。

さらに、機体ハードウェアが許容する限り、着床点を移動して、支持多角形を拡大していく（図 2 1 ( 5 ))。

そして最後に、高さ方向に連結された略平行な複数の関節軸からなるリンク構造体の一端側から 1以上のリンクと、他端がわから 2以上のリンクを離床させて、且つ、それらの中間に位置するリンクを 1以上着床させ、さらに足部を着床させた状態で、 Z M Pを支持多角形内に維持しながら、支持多角形が最大となる姿勢を形成する。この姿勢において、機体の位置エネルギが最小であれば、転倒動作は完了である。

図 2 2〜図 3 8、並びに図 3 9〜図 5 5には、実機が立位姿勢から仰向け姿勢に転倒していく様子を示している。

この場合、機体の支持多角形の面積 Sの時間 t当たりの変化量△ S/Δ tを最小にするリンクとして、股関節ピッチ軸を含む胴体リンクを選択するとともに、目標着床点を探索して、機体の後方に倒れ込む（図 2 2〜図 3 1、並びに図 3 9 〜図 4 8を参照のこと）。膝関節を折り畳んだ姿勢にして、着床時の支持多角形の変化量を最小、すなわち、 A S/A tを最小にする。

次いで、機体の支持多角形の面積 Sの時間 t当たりの変化量△ S/Δ tを最小にするリンクとして、体幹ピッチ軸 9と肩関節ピッチ軸 4を含む胴体リンクを選択するとともに、その目標着床点を探索して、さらに機体の後方に深く倒れる。このとき、既に股関節ピッチ軸 1 2が着床していることから、これを回転中心として体幹ピッチ軸 9と肩関節ピッチ軸 4を含む胴体リンクは着床する（図 3 2〜図 3 3、及び図 4 9〜図 5 0を参照のこと）。

次いで、機体の支持多角形の面積 Sの時間 t当たりの変化量 Δ S/Δ tを最小にするリンクとして、首関節ピッチ軸 2で連結されている頭部リンクを選択するとともに、その目標着床点を探索して、さらに機体の後方に深く倒れる。このとき、既に首関節ピッチ軸 2が着床していることから、これを回転中心として頭部は着床する（図 3 4〜図 3 8、及び図 5 1〜図 5 5を参照のこと）。この姿勢において、機体の位置エネルギが最小であるから、転倒動作は完了である。

また、図 5 6には、脚式移動ロボット 1 0 0が肩関節ピッチ軸 4、体幹ピヅチ軸 9、股関節ピッチ軸 1 2、膝関節ピッチ軸 1 4などの高さ方向に連結された略平行な複数の関節軸からなるリンク構造体としてモデル化して、各関節ピッチ軸を同期強調的に駆動させてうつ伏せ姿勢に向かって転倒していく動作を示している o

ロボットは、リンク構造体のリンク端である足底のみで立位しているとする（図 5 6 ( 1 ))。

このとき、外力又は外力モーメントの印加により、 Z M P釣合い方程式のモーメント ·エラ一項 Tをキャンセルできなくなり、足底のみで形成する Z M P安定領域の外に Z M Pが逸脱したことに応答して、 Z M Pを支持多角形に維持したまま転倒動作を開始する。転倒動作では、まず、機体の支持多角形の面積 Sの時間 t当たりの変化量 A S /△ tを最小にするリンクを探索するとともに、手先を含むリンクで変化量△ S /△tを最小にするような手先の目標着床点を探索する。そして、選択されたリンクを目標着床点に着床することが機体ハードウェアの制約上 (各関節の可動角、各関節ァクチユエ一夕のトルク、関節力、角速度、角加速度など)、実行可能かどうかを判別する。

機体ハードウ：！:ァ上実行可能である場合には、既に着床している足底リンクに加え、他のリンクが着床する。そして、これら着床リンクで形成される最小支持多角形内に Z M Pを移動する（図 5 6 ( 2 ) )。

次いで、機体ハードウェアが許容する限り、着床点を移動して、支持多角形を拡大していく（図 5 6 ( 3 ) )。

そして、各関節の可動角、各関節ァクチユエ一夕のトルク、関節力、角速度、角加速度など機体ハードゥエァの制約から、もはや着床点を移動することができなくなると、今度は、着床中のリンクに挟まれている離床リンクを着床することができるかどうかを判別する。

機体ハードウヱァ上、着床リンク間の離床リンクを着床することが可能である場合には、これらを着床して、着床リンク数を増やす（図 5 6 ( 4 ))。

さらに、機体ハードウェアが許容する限り、着床点を移動して、支持多角形を拡大していく（図 5 6 ( 5 ))。

図 5 7〜図 7 3、並びに図 7 4〜図 9 0には、実機が立位姿勢から仰向け姿勢に転倒していく様子を示している。

この場合、機体の支持多角形の面積 Sの時間 t当たりの変化量△ S/Δ tを最小にするリンクとして、肩関節ピッチ軸 4を含む腕リンクの手先を選択するとともに、目標着床点を探索して、機体の前方に倒れ込む（図 5 7〜図 7 0、並びに図 7 4〜図 8 7を参照のこと）。

このとき、最短の時間増分 A tにおいて、着床時の支持多角形の変化量 A Sを最小にするために、膝関節ピッチ軸 1 4を折り畳んだ姿勢にして、手先が着床する場所をより足底に近い位置に設定する。

次いで、機体の支持多角形の面積 Sの時間 t当たりの変化量△ S/Δ tを最小にするリンクとして、膝関節ピッチ軸 1 4を含む脚部リンクを選択するとともに、その目標着床点を探索して、さらに機体の前方に深く倒れる。このとき、既に足部が着床していることから、足首ピッチ軸を回転中心として下腿部が旋回して、膝が着床する（図 7 0〜図 7 1、及び図 8 8〜図 8 9を参照のこと）。

さらに、着床点としての手先と膝を足底から離すように移動して、機体ハードウェアが許容する限り、支持多角形を拡大する（図 7 2、及び図 8 9を参照のこと）。この結果、手先と膝に続いて胴体リンクも着床する（図 7 3、及び図 9 0を参照のこと）。この姿勢において、機体の位置エネルギが最小であるから、転倒動作は完了である。

F . 床上姿勢からの起き上がりオペレーション

仰向け姿勢やうつ伏せ姿勢などの床上姿勢からの起動を行なうため、あるいは、転倒時に自立的に起き上がって作業を再開するという作業の自己完結性のために、脚式移動ロボット 1 0 0は、起き上がりオペレーションを実現することが必要である。

ところが、無計画的な軌道により起き上がろうとすると、過大な外力モーメン卜が印加されてしまい、関節ァクチユエ一夕が高出力トルクを必要とする。この結果、モータの大型化が必要となり、その分駆動消費電力が増大してしまう。また、機体の重量が増すとともに製造コストが高騰してしまう。重量の増大によりさらに起き上がり動作が困難になる。あるいは、起き上がり動作の過程で発生する外力モーメントにより姿勢の安定性を維持することができず、そもそも起き上がることができない、という事態もあり得る。

そこで、本実施形態では、脚式移動ロボット 1 0 0は、外力モーメントが最小となる動作パターンよりなる起き上がり動作を行なうこととした。これは、 Z M P支持多角形が最小となるような姿勢を時系列的に組み合わせることによって、実現することができる。

また、本実施形態に係る脚式移動ロボット 1 0 0は、肩関節ピッチ軸 4、体幹ピッチ軸 9、股関節ピッチ軸 1 2、膝関節ピッチ軸 1 4のように（図 3を参照のこと）、高さ方向に複数のピッチ軸が直列的（但し横方向から眺めた場合）に連結されたリンク構造体である。そこで、これら複数の関節ピッチ軸 4〜1 4を所定のシーケンスで同期協調的に駆動して、 Z M P支持多角形が最小となるような動作パターンによる起き上がり動作を実現することとした。

F - 1 . 基本仰向け姿勢からの起き上がりオペレーション

図 9 1には、本実施形態に係る脚式移動ロボット 1 0 0が肩関節ピッチ軸 4、体幹ピッチ軸 9、股関節ピッチ軸 1 2、膝関節ピッチ軸 1 4を同期強調的に駆動させて起き上がり動作を行なうための処理手順をフローチャートの形式で示している。このような処理手順は、実際には主制御部 8 1において所定の機体動作制御プログラムを実行して、各部を駆動制御することによって実現される。

また、図 9 2には、本実施形態に係る脚式移動ロボット 1 0 0が肩関節ピッチ軸 4、体幹ピッチ軸 9、股関節ピッチ軸 1 2、膝関節ピッチ軸 1 4を同期強調的に駆動させて仰向け姿勢から起き上がり動作を行なう様子を、関節リンク ·モデルで示している。なお、本実施形態に係る脚式移動ロボット 1 0 0は体幹ピッチ軸 9を備えているが、体幹ピッチ軸を備えていないタイプの脚式移動ロボッ卜において複数の関節ピッチ軸の同期駆動により仰向け姿勢から起き上がり動作を行なう様子を図 9 3に示しておく。但し、図示のリンク構造体において、体幹関節と股関節を連結するリンクに機体全体の重心位置が設定されており、このリンクを以下では「重心リンク」と呼ぶことにする。なお、「璽心リンク」は狭義には上記のような定義で用いるが、広義には機体全体の重心位置が存在するリンクであればよい。例えば、体幹軸を持たないような機体においては、機体全体の重心が位置する体幹先端等を含むリンクがこれに該当する。

以下、図 9 1に示したフローチャートを参照しながら、基本仰向け姿勢からの機体の起き上がりオペレーションについて説明する。

まず、床上姿勢において、位置エネルギの最も小さい姿勢を探索する（ステツプ S l )o これは、基本仰向け姿勢に相当し、図 9 2 ( 1 ) 並びに図 9 3 ( 1 ) に示すように、起き上がり動作に使用する肩関節ピッチ軸 4、体幹ピッチ軸 9、股関節ピッチ軸 1 2、膝関節ピッチ軸 1 4をそれそれ連結するリンクはすべて接床している。このときの実機の状態を図 9 4及び図 1 1 2に示している。位置エネルギの最も小さい姿勢をとることにより、路面の傾斜や形状を計測して、起き上がり動作が可能かどうかを確認することができる。

この基本仰向け姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形内で、最も狭い支持多角形を探索する（ステップ S 5 2 )。このとき、機体の一端側から少なくとも 2以上のリンクを離床させたときの、 Z M P軌道が計画可能かどうかを判定する。 Z M Pの計画可能性は、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節ァクチユエ一夕のトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断することができる。

次いで、接地多角形のうち、最も狭い支持多角形に関与しない 2以上のリンクを離床する（ステップ S 5 3 )。

ステップ S 5 3は、図 9 2 ( 2 ) 及び図 9 3 ( 2 ) に相当する。実機上では、体幹関節と股関節を連結する重心リンクを含む下半身側が支持多角形として抽出され、それ以外の肩関節から体幹関節に至る 2以上のリンクを支持多角形に関与しないリンクとして離床する。

このときの実機の動作を図 9 5〜図 9 6、並びに図 1 1 3〜図 1 1 4に示している。図示の例では、まず、左右の両腕部を持ち上げてから、体幹関節ピッチ軸ァクチユエ一夕 A₉の駆動により、上体起こしを行なっている。腕部を先に持ち上げておくことにより、モーメントを小さくして、必要な最大トルクを低減することができる。

次いで、一端側から 1以上の離床リンクを屈曲させてリンク端の端部を着床させて、より狭い接地多角形を形成する（ステップ S 5 4 )。

ステップ S 5 4は、図 9 2 ( 3 ) 及び図 9 3 ( 3 ) に相当する。実機上では、肩関節を含む 2以上のリンクが離床している状態で、肩関節ピッチ軸で屈曲させて、そのリンク端の端部である手先を接床させる。そして、手先を機体重心位置である体幹ピヅチ軸側に徐々に近づけていくことによって、元の床上姿勢よりも狭い接地多角形を形成する。

このときの実機の動作を図 9 7〜図 1 0 1、並びに図 1 1 5〜図 1 1 9に示している。図示の例では、左右の肩関節ロール軸 Asの駆動により、左右の腕部を真横に広げた後、上腕ョ一軸 A_fiの駆動により腕部の向きを一旦 1 8 0度回転させてから（図 9 8〜図 9 9、図 1 1 6〜図 1 1 7 )、肩関節ピッチ軸 A₄の駆動により、腕部を徐々に降下させていく。そして、手先を着床することによって、より狭い接地多角形を形成する（図 1 0 1及び図 1 1 9 )。

このように新しい接地多角形を形成すると、接地多角形に Z M Pを設定することができるかどうかをチェックする（ステップ S 5 5 )。これは、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節ァクチユエ一夕のトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。そして、 Z M Pを接地多角形に移動して、新たな支持多角形を形成する（ステップ S 5 6 )。

ここで、支持多角形が充分狭くなつたか否かを判断する（ステップ S 5 7 )o この判断は、体幹ピッチ軸と股関節ピッチ軸を連結する重心リンクを離床可能であるか、若しくは足部だけで形成できる Z M P安定領域内に Z M Pを移動させることができるかどうかを、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節ァクチユエ一夕のトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。支持多角形が充分狭くなつたかどうかを判断する詳細な手順については後述に譲る。図 1 0 1及び図 1 1 9に示す実機の姿勢では、まだ支持多角形が充分狭いとは言えない。そこで、着床点を移動して支持多角形を小さくした後（ステップ S 5 0 )、ステップ S 5 2に戻って、より狭い支持多角形の形成を再試行する。

図 1◦ 1及び図 1 1 9に姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形内で、最も狭い支持多角形を探索する（ステップ S 5 2 )。今度は、機体の他端側から少なくとも 2以上のリンクを離床させたときの、 Z M Pが計画可能かどうかを判定する。 Z M Pの計画可能性は、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節ァクチユエ一夕のトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断することができる。次いで、接床多角形のうち、最も狭い支持多角形に関与しない 2以上のリンクを離床する（ステップ S 5 3 )。これは、図 9 2 ( 4 ) 〜（5 ) 及び図 9 3 ( 4 ) 〜（5 ) に相当する。実機上では、膝関節ピッチ軸を含む他端側から連続する 2 以上のリンクを支持多角形に関与しないリンクとして離床する。

そして、一端側から 1以上の離床リンクを屈曲させてリンク端の端部を着床させて、より狭い接地多角形を形成する（ステップ S 5 4 )。

このときの実機の動作を図 1 0 2〜図 1 0 5、並びに図 1 2 0〜図 1 2 3に示している。図示の例では、まず、右脚の股関節ピッチ軸 A₁₂の駆動により右脚を持ち上げてから、その膝関節ァクチユエ一夕 A₁₄の駆動により右脚を屈曲させて、その足底を着床する。次いで、脚の股関節ピッチ軸 A₁₂の駆動により右脚を持ち上げてから、その膝関節ァクチユエ一夕 A_l4の駆動により左脚を屈曲させて、その足底を着床する。このようにして、足底を機体重心位置である股関節ピッチ軸 1 2側に徐々に近づけていくことによって、元の床上姿勢よりも狭い接地多角形を形成することができる。

ここで、支持多角形が充分狭くなつたか否かを再び判断する（ステップ S 5 7 )_c この判断は、体幹ピッチ軸と股関節ピッチ軸を連結する重心リンクを離床可能であるか、若しくは足部だけで形成できる Z M P安定領域内に Z M Pを移動させることができるかどうかを、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節ァクチユエ一夕のトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。図 1 0 5及び図 1 2 3に示す実機の姿勢では、充分狭い支持多角形が形成されていると判断される。支持多角形を縮小する際の腕の角度に関しては、肩の軸から床面方向に下ろした垂線と腕の中心軸がなす角度は、トルク量に基づく所定角度内であることが望ましい。

そして、機体の支持多角形が充分に狭くなつたことに応答して、支持多角形の両リンク端の端部を接床した状態で前記重心リンクを離床し、両リンク端の着床リンクによって形成される支持多角形内に Z M Pを維持しながら、支持多角形を形成する両リンク端の端部の間隔を縮めて、 Z M Pを前記リンク構造体の他端側に移動させていく（ステップ S 5 8 )。これは、図 9 2 ( 6 ) 〜（7 )、並びに図 9 3 ( 6 ) 〜（7 ) に相当する。

実機上では、接地多角形の両リンク端の端部としての手先及び足底を接床した状態で体幹ピッチ軸及び股関節ピッチ軸を連結した前記重心リンクを離床し、さらに、手先及び足底の間隔を徐々に縮めていき、 Z M Pを足底に向かって移動させていく。また、このときの実機の動作を図 1 0 6〜図 1 0 9、並びに図 1 2 4 〜図 1 2 7に示している。

そして、前記リンク構造体の他端から第 2の所定数以下の接床リンクのみで形成される接地多角形内に Z M Pが突入したことに応答して、 Z M Pを該接地多角形内に収容したまま前記リンク構造体の一端側から第 1の所定数以上のリンクを離床して、該離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させる（ステップ S 5 9 )。これは、図 9 2 ( 8 )、並びに図 9 3 ( 8 ) に相当する。

実機上では、足底で構成される接地多角形内に Z M Pが突入したことに応答して、 Z M Pを該接地多角形内に収容したまま、肩ピッチ軸 4から膝ピッチ軸 1 4 に至までのリンクを離床して、離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させる。また、このときの実機の動作を図 1 1 0〜図 1 1 1、並びに図 1 2 8〜図 1 2 9に示している。

なお、ステップ S 5 3において、最も小さい支持多角形に関与しない 2以上のリンクを離床することができない場合には、最大の支持多角形より内側の 2以上の着床リンクを離床することを試みる（ステップ S 6 1 )。

ステップ S 6 1を実行できない場合には、起き上がり動作を中止する（ステツプ S 6 4 )。また、ステップ S 6 1を成功裏に実行することができる場合には、さらに、着床点を移動させて、支持多角形をさらに小さくする（ステップ S 62)。ステップ S 62を実行できない場合には、起き上がり動作を中止する（ステツプ S 64)。また、ステップ S 62を成功裏に実行することができる場合には、足部で形成できる安定領域に ZMPを移動することができるかどうかをチェックする（ステップ S 63)。支持多角形が充分狭くなつたかどうかを判断する詳細な手順については後述に譲る。この安定領域内に Z M Pを移動することができない場合には、ステップ S 6 1に戻って、支持多角形を小さくするための同様の処理を繰り返し実行する。また、この安定領域内に ZMPを移動させることができた場合には、ステップ S 58に進んで、基本姿勢への復帰動作を行なう。

ところで、ステップ S 53〜S 54において、左右の手先を胴体後方で着床してより狭い接地多角形を形成するために、図 97〜図 98並びに図 1 15〜図1 16に示すように、肩ロール軸を用いて左右の腕部を真横に広げるという動作を経ている。これは、脚式移動ロボット 100が起き上がり作業を行なうための使用体積をいたずらに増大させてしまっている。そこで、図 96〜図 101並びに図 1 13〜図 1 19に示す一連の動作を、肩ロール軸を動作させず、代わりに肘ピッチ軸を屈曲させるという図 130及び図 13 1に示す動作に置き換えて、より小さな使用体積で左右の手先を胴体後方で着床するようにしてもよい。

上述した起き上がり動作手順では、ステップ S 57及び S 63において、支持多角形が充分狭くなつたかどうかを判断する必要がある。図 173には、支持多角形が充分狭くなつたかどうかを判断するための処理手順をフローチャートの形式で示している。

まず、 ZMP偏差 £ (ε_χ, £_y， £_z)、すなわち足部が形成できる安定領域の中心位置（x₀, y„， z₀) と現在の ZMP位置（x， y, z) との差分を求める（ステツプ S 7 1 )。

次いで、この ZMP偏差 £ (£_χ, ε" £_ζ) に所定のゲイン G (G_x， G_y， G₂) を掛算したものを現在の腰の位置 r (r_Mt), r_Mt), r_hz(t)) に加えて、次の時刻 t = t +Atにおける目標腰位置 r (r_llx(t+4t), r_hy(t^_t), r_{hz(t+ t)}) (=r (r_llx(t r_hy(t), r_hz(t)) +G (G_x， G_y, G_z) x ε (£_x， £_y， a ) にする（ステップ S 72)。そして、次の目標腰位置で現在の支持多角形を形成することができるかどうかを判別する（ステップ S 7 3 )。この判別は、着床リンクの着床点を維持しながら、次の目標腰位置を計算することによって行なわれる。すなわち、腰位置と着床点から逆運動学計算を行ない、可動角度以内で且つ関節ァクチユエ一夕の許容トルク以内であれば実現可能と判断される。

次の目標腰位置で現在の支持多角形を形成することができなければ、足部が形成できる安定領域内に Z M Pを移動することが不可能であるとして、本処理ルーチン全体を終了する。

他方、次の目標腰位置で現在の支持多角形を形成することができるならば、さらに、次の目標腰位置に腰を移動した場合の（すなわち次の） Z M Pを算出する (ステップ S 7 4 )。

次いで、足部が形成できる安定領域内に Z M Pが存在するかどうかを判別する (ステップ S 7 5 )。判別結果が肯定的であれば、足部が形成できる安定領域内に Z M Pを移動することができると判断して（ステップ S 7 6 )、本処理ルーチン全体を終了する。他方、判別結果が否定的であれば、次の腰位置を現在の腰位置に、次の Z M Pを現在の Z M Pにした後、ステップ S 7 1に戻って同様の処理を繰り返し実行する。

なお、図 1 3 0及び図 1 3 1に示す動作例では、上腕の長さを 1 前腕の長さを 1₂、肩ロール角をひ、肘ピッチ角をべ一夕、肩から手先までの長さを 1 ₁₂、肩から手先を結ぶ線のなす角をァ、肩の高さを hと置くと（図 1 3 2 )、左右の手先を胴体後方で着床する動作期間中は、以下の式を満たすように肘ピッチ軸 7を動作させることにより、手先が床面と衝突することはない。

cosa + /₂ sir(a + β - 9θ)

また、図 9 2に示す起き上がり動作パターンは、脚式移動ロボットの機体が肩関節ピッチ軸、体幹ピッチ軸、股関節ピッチ軸、膝ピッチ軸が機体の高さ方向に連結されてなるリンク構造体にモデル化して起き上がり動作を示している。図 1 3 3には、脚式移動ロボットを略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結したリンク構造体に一般化して、起き上がり動作を示している。

同図に示すリンク構造体は、略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結して構成される。すべてのリンクが接床している床上姿勢からの起き上がり動作を、リンク A、リンク B、リンク（、リンク D、リンク E、並びにリンク Fを用いて実現する。

但し、リンク A〜Fは、それそれ単一のリンクである必要はなく、実際には複数のリンクが関節軸を介して連結されているが、起き上がり動作の期間中は関節軸が作動せずリンク間の真直性が保たれて、あたかも単一のリンクであるように振る舞う場合も含むものとする。例えば、リンク Aはリンク端から h番目までのリンクを含み、リンク Bは h番目以降 i番目までのリンクを含み、リンク Cは、 i番目以降 j番目までのリンクを含み、リンク Dは j番目以降 k番目までのリンクを含み、リンク Eは k番目以降 1番目までのリンクを含み、リンク Fは 1番目以降 m番目（若しくはリンクの他端）までのリンクを含んである。

まず、 F番目リンクと A番目リンクの間に接地多角形を形成して、この接地多角形内に Z MPを設定する（図 1 3 3 ( 1 ) )。

次いで、 E番目リンクと A番目リンクの間の接地多角形内に Z M Pを設定する (図 1 3 3 ( 2 ) )。このとき、リンク端から 2以上のリンクを離床させるなど F 番目リンクの運動を用いてもよい。

次いで、 F番目リンクと A番目リンクの間により狭い接地多角形を新たに形成して、この接地多角形内に Z M Pを設定する（図 1 3 3 ( 3 ))。例えば離床中の F番目リンクを屈曲させてその端部を着床させて、新しい接地多角形を形成する。次いで、 F番目リンクと D番目または C番目リンクの間で接地多角形を新たに形成して、この接地多角形内に Z M Pを設定する（図 1 3 3 ( 4 ))。このとき、他方のリンク端から 2以上のリンクを離床させるなど A番目リンクの運動を用いてもよい。

次いで、 D番目リンクを接地させて、 F番目リンク及び A番目リンクで接地多角形を新たに形成して、この接地多角形内に Z MPを設定する（図 133 (5))。例えば離床中の A番目リンクを屈曲させてその端部を着床させて、新しい接地多角形を形成する。

次いで、 F番目リンクと A番目リンクで接地多角形を新たに形成して、この接地多角形内に Z MPを設定する（図 133 (6))。例えば、両方のリンク端の端点を着床したままで、着床中の D番目リンクを離床させる。

次いで、両方のリンク端 F及び Aの端点を一致させることにより、 A番目のリンクのみが形成する支持多角形内に ZMPを移動させる（図 133 (7))。

そして最後に、 A番目リンクのみが形成する支持多角形内に Z MPを設定しながら、各リンクを基本立ち姿勢へ移動させる（図 133 (8))。

F- 2. 基本うつ伏せ姿勢からの起き上がりオペレーション

図 134には、本実施形態に係る脚式移動ロボット 100が肩関節ピッチ軸 4、体幹ピッチ軸 9、股関節ピッチ軸 12、膝関節ピッチ軸 14を同期強調的に駆動させて起き上がり動作を行なう様子を、関節リンク ·モデルで示している。

本実施形態に係る脚式移動ロボット 100は、基本的には、仰向け姿勢から起き上がる場合と同様に、図 91にフローチャートの形式で示した処理手順に従つて、うつ伏せ姿勢からも起き上がることができる。以下、図 91に示したフローチャートを参照しながら、基本うつ伏せ姿勢からの機体の起き上がりオペレーシヨンについて説明する。

まず、床上姿勢において、位置エネルギの最も小さい姿勢をとる（ステップ S 51)。これは、基本うつ伏せ姿勢に相当し、図 134 (1) に示すように、起き上がり動作に使用する肩関節ピッチ軸 4、体幹ピッチ軸 9、股関節ピッチ軸 12、膝関節ピッチ軸 14をそれそれ連結するリンクはすべて接床している。このときの実機の状態を図 135及び図 154に示している。

この基本うつ伏せ姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形内で、最も狭い支持多角形を探索する（ステップ S 52)。このとき、機体の一端側から少なくとも 2以上のリンクを離床させたときの、 Z M Pが計画可能かどうかを判定する。 ZMPの計画可能性は、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節ァクチユエ一夕のトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断することができる。

次いで、接地多角形のうち、最も狭い支持多角形に関与しない 2以上のリンクを離床する（ステップ S 5 3 )。ステップ S 5 3は、図 1 3 4 ( 2 ) に相当する。実機上では、体幹関節と股関節を連結する重心リンクを含む下半身側が支持多角形として抽出され、それ以外の肩関節から体幹関節に至る 2以上のリンクを支持多角形に関与しないリンクとして離床する。

このときの実機の動作を図 1 3 6〜図 1 4 4、並びに図 1 5 5〜図 1 6 3に示している。図示の例では、まず、左右の両腕部の肩ロール軸ァクチユエ一夕 A₅ を作動させて、床面に摺つて肩ロール軸回りに略 9 0度だけ旋回させて（図 1 3 6〜図 1 3 7、並びに図 1 5 5〜図 1 5 6 )、次いで、上腕ョ一軸ァクチユエ一夕 A₆を作動させて、各腕部を上腕ョー軸回りに略 1 8 0度だけ回転させる（図 1 3 8並びに図 1 5 7 )。そして、さらに肩口一ル軸ァクチユエ一夕 A₅を作動させて、摺つて肩ロール軸回りに略 9 0度だけ旋回させて、各腕部を頭部の側面まで移動する（図 1 3 8〜図 1 4 1、並びに図 1 5 7〜図 1 6 0 )。

図 1 3 6〜図 1 4 1、並びに図 1 6 5〜図 1 7 0に示す一連の動作では、左右の腕部は床面上で半円を描く格好となっている。このとき、機体周辺の路面において障害物の有無を検出したりして、起き上がり動作に必要な安全な作業領域の確保を行なうことができる。

次いで、一端側から 1以上の離床リンクを屈曲させてリンク端の端部を着床させて、より狭い接地多角形を形成する（ステップ S 5 4 )。ステップ S 5 4は、図 1 3 4 ( 3 ) に相当する。

そして、新しい接地多角形を形成すると、接地多角形に Z M Pを設定することができるかどうかをチェックする（ステップ S 5 5 )。これは、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節ァクチユエ一夕のトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。そして、 Z M Pを接地多角形に移動して、新たな支持多角形を形成する（ステップ S 5 6 )。

実機上では、肘ピッチ軸 7を固定させて、左右の腕部を真直ぐ伸ばしたままの状態で、今度は肩ピッチ軸ァクチユエ一夕 A₄、体幹ピッチ軸ァクチユエ一夕 A₉、股関節ピッチ軸 A₁₂、並びに膝関節ピッチ軸ァクチユエ一夕 A₁₄を作動させて、手先と左右の両膝が接地した閉リンク姿勢からなる支持多角形を形成する（図 1 4 2〜図 1 4 4、並びに図 1 6 1〜図 1 6 3 )。

図 1 4 4及び図 1 5 3に示す実機の姿勢では、まだ支持多角形が充分狭いとは言えない。そこで、着床点を移動して支持多角形を小さくする（ステップ S 6 0 )_c 支持多角形を縮小する際の腕の角度に関しては、肩の軸から床面方向に下ろした垂線と腕の中心軸がなす角度は、トルク量に基づく所定角度内であることが望ましい。

実機上では、左右の腕部をまっすぐに保ったまま、手先を他方の着床点である足底側に徐々に近づけていくことによって、より狭い支持多角形を形成していく (図 1 4 5〜図 1 4 8、並びに図 1 6 4〜図 1 6 7 )。

ここで、支持多角形が充分狭くなつたか否かを判断する（ステップ S 5 7 )。この判断は、体幹ピッチ軸と股関節ピッチ軸を連結する重心リンクを離床可能であるか、若しくは足部だけで形成できる Z M P安定領域内に Z M Pを移動させることができるかどうかを、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節ァクチユエ一夕のトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。図 1 4 8及び図 1 6 5に示す実機の姿勢では、充分狭い支持多角形が形成されていると判断される。

そして、機体の支持多角形が充分に狭くなつたことに応答して両リンク端の着床リンクによって形成される支持多角形内に Z M Pを維持しながら、支持多角形を形成する両リンク端の端部の間隔を縮めて、 Z M Pを前記リンク構造体の他端側に移動させていく（ステップ S 5 8 )。これは、図 1 3 4 ( 6 ) 〜（7 ) に相当する。

実機上では、接地多角形の両リンク端の端部としての手先及び足底を接床した状態で、さらに手先及び足底の間隔を徐々に縮めていき、 Z M Pを足底に向かつて移動させていく。また、このときの実機の動作を図 1 4 9〜図 1 5 0、並びに図 1 6 8〜図 1 6 9に示している。

そして、前記リンク構造体の他端から第 2の所定数以下の接床リンクのみで形成される接地多角形内に Z M Pが突入したことに応答して、 Z M Pを該接地多角形内に収容したまま前記リンク構造体の一端側から第 1の所定数以上のリンクを離床して、該離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させる（ステップ S 5 9 )。これは、図 1 3 4 ( 8 ) に相当する。

実機上では、足底で構成される接地多角形内に Z M Pが突入したことに応答して、 Z M Pを該接地多角形内に収容したまま、肩ピッチ軸 4から膝ピッチ軸 1 4 に至までのリンクを離床して、離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させる。また、このときの実機の動作を図 1 5 1〜図 1 5 3、並びに図 1 7 0〜図 1 7 2に示している。

F— 3 . 他の起き上がりオペレーションの例

図 9 1で示した起き上がりオペレーションでは、 Z M P支持多角形が最小となるような姿勢を時系列的に組み合わせることによって、外力モーメントが最小となる動作パターンよりなる起き上がり動作を行なうこととした。この動作では、より小さな支持多角形を順次形成していく過程において、手部や足部の踏み替え動作を利用していた。しかしながら、踏み替え動作を実現するためには、手部又は足部が離床する必要があり、支持多角形に関与しない 2以上のリンクがなければならず、機体の姿勢によっては踏み替え動作を行なえない場合があり、この場合は起き上がり動作そのものが破綻してしまう（図 9 1のステップ S 6 4 )。これに対し、より小さな支持多角形を順次形成していく過程において、手部や足部の踏み替え動作を実現できない場合には、手部や足部の引き摺り動作を利用することにより、起き上がり動作が破綻してしまう機会を少なくすることができる。以下では、より小さな支持多角形を順次形成していく過程において、手部や足部の踏み替え動作と引き摺り動作を利用した起き上がりオペレーションについて説明する。

図 1 7 4には、手部や足部の踏み替え動作と引き摺り動作を利用した起き上がりオペレーションをフローチャートの形式で示している。以下、この起き上がり動作手順について説明する。図 1 7 5〜図 1 9 1には、基本うつ伏せ姿勢から手部又は足部の踏み替え動作又は引き摺り動作を利用しながら機体が起き上がりを行なう様子を順に示している。以下では、各図を適宜参照する。

まず、床上姿勢において、位置エネルギの最も小さい姿勢をとる（ステップ S 8 1 )。これは、基本うつ伏せ姿勢に相当し、このときの実機の状態を図 1 7 5に示している。

但し、転倒動作と連続して起き上がり行なう場合は、ステップ S 8 1を省略することにより、短時間で起き上がり動作を完了させることができる（後述)。この基本うつ伏せ姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形内で、最も狭い支持多角形を探索する（ステップ S 8 2 )。このとき、機体の一端側から少なくとも 2以上のリンクを離床させたときの、 Z M Pが計画可能かどうかを判定する。 Z M Pの計画可能性は、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節ァクチユエ一夕のトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断することができる。

ここで、最も小さい支持多角形に関与しないリンクの 2つ以上を離床することができるかどうかを判断する（ステップ S 8 3 )。最小の支持多角形に関与しない 2以上のリンクを離床することができる場合には、次ステップ S 8 4へ進み、手部又は足部の踏み替え動作によるより小さい接地多角形の形成を行なう。一方、離床することができない場合には、ステップ S 9 1へ進み、手部又は足部の引き摺り動作を利用してより小さい接地多角形の形成を行なう。

ステップ S 8 4では、最も小さレ、支持多角形に関与しないリンクの 2つ以上を離床させ、さらに、離床リンクを屈曲及び着床させて、より小さい接地多角形を形成する（ステップ S 8 5 )。

例えば、図 1 7 9〜図 1 8 1、並びに図 1 8 4〜図 1 8 6において、両手両足を接地して起き上がり途上のロボッ卜が、左足と右足を踏み替えながら、図 1 7 5、図 1 8 2〜図 1 8 3、図 1 8 5、図 1 8 7に示すように離床リンクを屈曲及び着床させて、より小さい接地多角形の形成を試みている。

そして、新しい接地多角形を形成すると、接地多角形に Z M Pを設定することができるかどうかをチェックする（ステップ S 8 6 )。これは、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節ァクチユエ一夕のトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。そして、 Z M Pを接地多角形に移動して、新たな支持多角形を形成する（ステップ S 8 7 )。接地多角形に Z M Pを設定することができない場合には、ステップ S 8 3に戻り、手部や足部の踏み替え動作又は引き摺り動作のいずれを実行すべきかを改めてチェックする。

ここで、支持多角形が充分狭くなつたか否かを判断する（ステップ S 8 8 )。この判断は、体幹ピッチ軸と股関節ピッチ軸を連結する重心リンクを離床可能であるか、若しくは足部だけで形成できる Z M P安定領域内に Z M Pを移動させることができるかどうかを、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節ァクチユエ一夕のトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。

そして、機体の支持多角形が充分に狭くなつたことに応答して両リンク端の着床リンクによって形成される支持多角形内に Z M Pを維持しながら、支持多角形を形成する両リンク端の端部の間隔を縮めて、 Z M Pを前記リンク構造体の他端側に移動させていく（ステップ S 8 9 )。

実機上では、接地多角形の両リンク端の端部としての手先及び足底を接床した状態で、さらに手先及び足底の間隔を徐々に縮めていき、 Z M Pを足底に向かつて移動させていく。また、このときの実機の動作を図 1 8 8〜図 1 8 9に示している。

そして、前言己リンク構造体の他端から第 2の所定数以下の接床リンクのみで形成される接地多角形内に Z M Pが突入したことに応答して、 Z M Pを該接地多角形内に収容したまま前記リンク構造体の一端側から第 1の所定数以上のリンクを離床して、該離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させる（ステップ S 9 0 )。

実機上では、足底で構成される接地多角形内に Z M Pが突入したことに応答して、 Z M Pを該接地多角形内に収容したまま、肩ピッチ軸 4から膝ピッチ軸 1 4 に至までのリンクを離床して、離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させる。また、このときの実機の動作を図 1 9 0〜図 1 9 1に示している。

起き上がりの最終段階である、離床リンクを長さ方向に伸展する際には、質量操作量のより大きな膝関節ピツチ軸を積極的に使用して動作することが、機体動作上の効率がよい。

一方、ステップ S 8 3において、最も小さい支持多角形に関与しないリンクの 2つ以上を離床することができないと判断された場合には、手部又は足部の引き摺り動作を行なうべく、最大の支持多角形より内の着床中のリンクを 2つ以上離床することができるかどうかをチェックする（ステップ S 9 1 )。

ここで、最大の支持多角形より内の着床中のリンクを 2つ以上離床することができない場合には、さらに着床点を移動させて支持多角形を小さくすることができるかどうかを判断する。支持多角形を小さくすることができない場合には、起き上がり動作を中止する（ステップ S 9 5 )。すなわち、起き上がり動作は破綻する。

一方、最大の支持多角形より内の着床中のリンクを 2つ以上離床することができる場合には、最大の支持多角形より内の着床中のリンクを 2つ以上離床して（ステツプ S 9 2 )、手部又は足部の引き摺り動作を利用して、着床点を移動させ、支持多角形を小さくする（ステップ S 9 3 )。

例えば、図 1 7 6〜図 1 7 8、並びに図 1 8 7〜図 1 8 8に示すように、両手両足を接地して起き上がり途上のロボッ卜が、両手を着床させたまま足に向かつて引き摺ることにより支持多角形を徐々に小さくしていく。

その後、支持多角形が充分狭くなったか否かを判断する（ステップ S 8 8 )。そして、機体の支持多角形が充分に狭くなつたことに応答して両リンク端の着床リンクによって形成される支持多角形内に Z M Pを維持しながら、支持多角形を形成する両リンク端の端部の間隔を縮めて、 Z M Pを前記リンク構造体の他端側に移動させていく（ステップ S 8 9 )。

そして、前記リンク構造体の他端から第 2の所定数以下の接床リンクのみで形成される接地多角形内に Z M Pが突入したことに応答して、 Z M Pを該接地多角形内に収容したまま前記リンク構造体の一端側から第 1の所定数以上のリンクを離床して、該離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させる（ステップ S 9 0 )。図 199には、ステップ S 83において、最も小さい支持多角形に関与しないリンク数が最大となるリンクとその部位を探索するための詳細な処理手順をフロ一チャートの形式で示している。

まず、ステップ S 101及び S 102において、変数 j並びに配列型変数 Mを初期化する。次いで、 i番目のリンクの j番目の部位に ZMPを設定する（ステツプ S 103)。

ここで、 Z MP空間が安定かどうかを判別する（ステップ S 104)。 ZMP空間が安定である場合には、最も小さい支持多角形に関与しないリンク数を計算して（ステップ S 105)、 i番目のリンクの j番目の部位における離床叶リンク数を Lに代入する。そして、 Lが Mよりも大きければ（ステップ S 106)、 M (A， B) に（i， j ) を代入する（ステップ S 107)。

一方、 Z MP空間が安定でない場合、 Lが Mよりも大きくない場合、あるいは M (A， B) に（i, j ) を代入した後、 jを 1だけ増分して（ステップ S 1 08)、 jが総部位数 Jを越えたかどうかを判別する（ステップ S 109)。 jがまだ総部位数 Jに達していない場合には、ステップ S 103に戻って、上述と同様の処理を繰り返し実行する。

次いで、 iを 1だけ増分して（ステップ S 1 10)、 iが総リンク数 Iを越えたかどうかを判別する（ステップ S 1 1 1)。 iが総リンク数に達していない場合には、ステップ S 102に戻って、上述と同様の処理を繰り返し実行する。

iが総リンク数 Iを越えた場合には、 Aにリンク、 Bに部位を代入し、本処理ルーチンを終了する。前述したように、転倒動作と連続して起き上がり行なう場合は、ステップ S 8 1を省略することにより、短時間で起き上がり動作を完了させることができる。例えば、機体の重心が腰部に存在する場合、最も小さくなる支持多角形に関与しないリンク数が最大となる部位に ZMPを設定することができる。このような転倒，着床動作の後、離床可能なリンクをすベて離床させる、すなわち下肢と体幹の双方を浮き上がらせて、上体と下肢を同時に離床し、足部、手部などを着床させることで、より小さレ、接地多角形を少ないステツプで形成することができるので、より高速で効率的な起き上がり動作を実現することができる。

図 1 9 2〜図 1 9 8には、転倒動作と連続して起き上がり動作を行なう場合の機体の一連の動作を示している。

図 1 9 2に示す立位姿勢から、図 1 9 2〜図 1 9 3に示すように機体後方に向かって転倒動作を開始し、図 1 9 4に示すように機体重心が存在する腰部において着床する。

図 1 9 4に示す例では、最も小さい支持多角形に関与しないリンク数が最大になる胴体部に Z M Pが設定されている。また、特徴的なことは、図 2 3〜図 3 8、及び図 3 9〜図 5 5を参照しながら説明した例とは相違し、基本仰向けではなく、脚部が離床した状態で転倒動作が終了している点にある。

続く起き上がり動作では、図 1 9 5に示すように、離床可能なリンクすなわち脚部と胴体部をすベて離床させて、起き上がり動作を開始する。ここで、股関節及び/又は体幹のピッチ軸ァクチユエ一夕の駆動により、図 1 9 6〜図 1 9 7に示すように上体が起き上がる。そして、右脚の股関節ピッチ軸 A₁₂の駆動により右脚を持ち上げてから、その膝関節ァクチユエ一夕 A₁₄の駆動により右脚を屈曲させて、その足底を着床する。次いで、脚の股関節ピッチ軸 A₁₂の駆動により右脚を持ち上げてから、その膝関節ァクチユエ一夕 A₁₄の駆動により左脚を屈曲させて、その足底を着床する。このようにして、足底を機体重心位置である股関節ピッチ軸 1 2側に徐々に近づけていくことによって、図 1 9 8に示すように、元の床上姿勢よりも狭い接地多角形を形成することができる。

転倒動作と連続して起き上がり動作を行なう場合、図 2 3〜図 3 8、及び図 3 9〜図 5 5を参照しながら説明した例に比べて、より小さい接地多角形を少ないステップで形成することができる。すなわち、この実施形態によればより効率的に狭い接地多角形を形成することができる、起き上がり動作が高速化されるという点を充分理解されたい。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な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、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。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ベきである。産業上の利用可能性本発明によれば、転倒 ·落下の途上における脚部だけでなく胴体及び腕部を含め機体全体の運動制御によりロボットが被る損害を限りなく軽減することができる、優れた脚式移動ロボット及び脚式移動ロボッ卜の転倒時動作制御方法を提供することができる。

また、本発明によれば、仰向けやうつ伏せなどの床上姿勢から自律的に立ち姿勢を回復することができる、優れた脚式移動ロボッ卜の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。

また、本発明によれば、比較的少ないトルクで安定した動作により仰向けやうつ伏せなどの床上姿勢から立ち姿勢を回復することができる、優れた脚式移動口ボッ卜の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ができる。

Claims

請求の範囲

1 . 可動脚を備え立位姿勢において脚式作業を行なう脚式移動ロボットの動作制御装置であって、

前記脚式移動ロボットは複数の姿勢又は状態を持ち、

機体の接地点と路面の形成する支持多角形の面積 Sを算出する第 1の手段と、前記支持多角形の面積 Sの時間△ t当たりの変化△ S/厶 tを算出する第 2の手段と、

前記支持多角形の面積 S又はその変化速度 Δ S /Δ tに基づいて、姿勢又は状態を遷移するときの機体の動作を決定する第 3の手段と、

を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの動作制御装置。

2 . 前記第 3の手段は、転倒時において、

機体の接地点と路面の形成する支持多角形の面積 Sの時間△ t当たりの変化に基づいて着床部位を探索する着床部位探索手段と、

機体の接地点と路面の形成する支持多角形の面積 Sの時間△ t当たりの変化△ S/Δ tが最小となるように、前記着床部位探索手段により選択された部位が着床すべき目標着床点を設定する目標着床点設定手段と、

前記着床部位探索手段により選択された部位を前記目標着床点設定手段により設定された目標着床点に着床させる部位着床手段と、

を備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の動作制御装置。

3 . 前記部位着床手段により前記選択された部位を着床させることにより新たに形成された支持多角形をさらに拡大するように着床部位を移動させる支持多角形拡大手段をさらに備える、

ことを特徴とする請求項 2に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御装置。

4 . 機体の位置エネルギが最小となり、転倒動作が終了するまでの間、前記着床部位探索手段及び目標着床点設定手段による部位の着床動作、及び/又は、前記支持多角形拡大手段による支持多角形の拡大動作を繰り返し行なう、

5 . 前記脚式移動ロボットは略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結したリンク構造体からなり、

前記目標着床点設定手段は、離床リンク数が最大になるリンクがある部位を目標に設定する、

ことを特徴とする請求項 2に記載の脚式移動ロボットの動作制御装置。

6 . 前記脚式移動ロボットは略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結したリンク構造体からなり、

前記第 3の手段は、前記脚式移動ロボッ卜の転倒状態からの復帰時において、機体の重心となる重心リンクを含む 2以上のリンクが接床した床上姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形内において最も少ないリンク数で形成される最も狭い支持多角形を探索する手段と、

接地多角形中の前記探索された支持多角形以外の接床リンクを離床させる手段と、

2以上の連続する離床リンクを屈曲させ、そのリンク端の端部を接床させて、より狭い接地多角形を形成する手段と、

支持多角形が充分狭くなつたことに応答して、前記リンク構造体の一端側から第 1の所定数以上のリンクを離床して機体を直立させる手段と、

を備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卜の動作制御装置。

7 . 前記の支持多角形を探索する手段は、離床させても Z M Pの計画が可能な接床リンクを抽出する、

ことを特徴とする請求項 6に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御装置。

8 . 前記の支持多角形を探索する手段は、前記重心リンクを接床状態に保ったままより狭い支持多角形を探索する、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動作制御装置。

9 . 前記の機体を直立させる手段は、接地多角形の両リンク端の端部を接床した状態で前記重心リンクを離味可能か否かによって支持多角形が充分狭くなつたか否かを判断する、

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動作制御装置。

1 0 . 前記の機体を直立させる手段は、

支持多角形の両リンク端の端部を接床した状態で前記重心リンクを離床する手段と、

前記重心リンクが離床した状態で支持多角形の両リンク端の端部の間隔を縮めて、 Z M Pを前記リンク構造体の他端側に移動させる手段と、

前記リンク構造体の他端から第 2の所定数以下の接床リンクのみで形成される接地多角形内に Z M Pが突入したことに応答して、 Z M Pを該接地多角形内に収容したまま前記リンク構造体の一端側から第 1の所定数以上のリンクを離床して、該離床リンクを長さ方向に伸展する手段と、

1 1 . 前記離床リンクを長さ方向に伸展する手段は、質量操作量のより大きな関節自由度を積極的に使用して動作する、

ことを特徴とする請求項 1 0に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御装置。

1 2 . 前記リンク構造体は、少なくとも肩関節ピッチ軸、体幹ピッチ軸、股関節ピッチ軸、膝ピッチ軸が機体の高さ方向に連結されてなる、

1 3 . 前記の支持多角形を探索する手段は、離床させても Z M Pの計画が可能なリンクとして少なくとも肩関節ピッチ軸を含む一端側から連続する 2以上のリンクを抽出する、ことを特徴とする請求項 1 2に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御装置。

1 4 . 前記の支持多角形を探索する手段は、体幹ピッチ軸及び股関節ピッチ軸を連結するリンクを重心リンクとして接床状態に保ったままで、より狭い支持多角形を探索する、

ことを特徴とする請求項 1 2に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御装置。

1 5 . より狭い接地多角形を形成する手段は、離床リンクを肩関節ピッチ軸で屈曲させて、そのリンク端の端部である手先を接床させる、

ことを特徴とする請求項 1 2に記載の脚式移動ロボットの動作制御装置。

1 6 . 上腕の長さを 1 ,、前腕の長さを 1₂、肩ロール角をひ、肘ピッチ角をべ一夕、肩から手先までの長さを 1₁₂、肩から手先を結ぶ線のなす角をァ、肩の高さを hと置くと、以下の式つ一 11 cos a + L sir(a + β - 9 )

l_u smy < h を満たすように腕部を動作させる、

ことを特徴とする請求項 1 5に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御装置。

1 7 . 前記の支持多角形を探索する手段は、離床させても Z MPの計画が可能なリンクとして少なくとも膝関節ビツチ軸を含む他端側から連続する 2以上のリンクを抽出する、

1 8 . より狭い接地多角形を形成する手段は、離床リンクを膝関節ピッチ軸で屈曲させて、そのリンク端の端部である足底を接床させる、

1 9 . 前記の機体を直立させる手段は、接地多角形の両リンク端の端部としての手先及び足底を接床した状態で、体幹ピッチ軸及び股関節ピッチ軸を連結した前記重心リンクを離床可能か否かによつて支持多角形が充分狭くなつたか否かを判断する、

2 0 . 前記の機体を直立させる手段は、

接地多角形の両リンク端の端部としての手先及び足底を接床した状態で体幹ピッチ軸及び股関節ピッチ軸を連結した前記重心リンクを離床する手段と、

前記重心リンクが離床した状態で接地多角形の両リンク端の端部としての手先及び足底の間隔を縮めて、 Z M Pを足底に移動させる手段と、

前記足底で構成される接地多角形内に Z M Pが突入したことに応答して、 Z M

Pを該接地多角形内に収容したまま前記肩ピッチ軸から前記膝ピッチ軸に至までのリンクを離床して、該離床リンクを長さ方向に伸展することによって、機体を直立させる手段と、

を備えることを特徴とする請求項 1 2に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御装置。

2 1 . 前記離床リンクを長さ方向に伸展する手段は、質量操作量のより大きな膝関節ピツチ軸を積極的に使用して動作する、

ことを特徴とする請求項 2 0に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御装置。

2 2 . 前記のより狭い接地多角形を生成する手段は、最も小さい支持多角形に関与しないリンクの 2つ以上を離床可能かどうかに応じて、手部又は足部における踏み替え動作又は床面との引き摺り動作のいずれかを選択的に利用して、より狭い接地多角形を形成する、

2 3 . 可動脚を備え立位姿勢において脚式作業を行なう脚式移動ロボッ卜の動作制御方法であって、前記脚式移動ロボットは複数の姿勢又は状態を持ち、

機体の接地点と路面の形成する支持多角形の面積 Sを算出する第 1のステツプと、

前記支持多角形の面積 Sの時間△ t当たりの変化△ S/Δ tを算出する第 2のステップと、

前記支持多角形の面積 S又はその変化速度△ S /Δ tに基づいて、姿勢又は状態を遷移するときの機体の動作を決定する第 3のステツプと、

を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの動作制御方法。

2 4 . 前記第 3のステツプでは、転倒時において、

機体の接地点と路面の形成する支持多角形の面積 Sの時間△ t当たりの変化を探索する着床部位探索ステツプと、

機体の接地点と路面の形成する支持多角形の面積 Sの時間 Δ t当たりの変化△ S/Δ tが最小となるように、前記着床部位探索ステップにおいて選択された部位が着床すべき目標着床点を設定する目標着床点設定ステップと、

前記着床部位探索ステップにおいて選択された部位を前記目標着床点設定ステップにおいて設定された目標着床点に着床させる部位着床ステップと、

を備えることを特徴とする請求項 2 3に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御方法 c 2 5 . 前記部位着床ステップにおいて前記選択された部位を着床させることにより新たに形成された支持多角形をさらに拡大するように着床部位を移動させる支持多角形拡大ステップをさらに備える、

ことを特徴とする請求項 2 4に記載の脚式移動ロボットの動作制御方法。 2 6 . 機体の位置エネルギが最小となり、転倒動作が終了するまでの間、前記着床部位探索手段及び HI標着床点設定ステップによる部位の着床動作、及び/又は、前記支持多角形拡大手段による支持多角形の拡大動作を繰り返し行なう、ことを特徴とする請求項 2 4に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御方法。

2 7 . 前記脚式移動ロボットは略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結したリンク構造体からなり、

ことを特徴とする請求項 2 4に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御方法。

2 8 . 前記脚式移動ロボットは略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結したリンク構造体からなり、

前記第 3のステップは、前記脚式移動ロボットの転倒状態からの復帰時において、

機体の重心となる重心リンクを含む 2以上のリンクが接床した床上姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形内において最も少ないリンク数で形成される最も狭い支持多角形を探索するステップと、

接地多角形中の前記探索された支持多角形以外の接床リンクを離床させるステップと、

2以上の連続する離床リンクを屈曲させ、そのリンク端の端部を接床させて、より狭い接地多角形を形成するステップと、

支持多角形が充分狭くなつたことに応答して、前記リンク構造体の一端側から第 1の所定数以上のリンクを離床して機体を直立させるステップと、

を備えることを特徴とする請求項 2 3に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御方法 _c

2 9 . 前記の支持多角形を探索するステップでは、離床させても Z M Pの計画が可能な接床リンクを抽出する、

ことを特徴とする請求項 2 8に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御方法。

3 0 . 前記の支持多角形を探索するステツプでは、前記重心リンクを接床状態に保ったままより狭い支持多角形を探索する、

3 1 . 前記の機体を直立させるステップでは、接地多角形の両リンク端の端部を接床した状態で前記重心リンクを離床可能か否かによって支持多角形が充分狭くなったか否かを判断する、

3 2 . 前記の機体を直立させるステツプでは、

支持多角形の両リンク端の端部を接床した状態で前記重心リンクを離床し、支持多角形の両リンク端の端部の間隔を縮めて Z M Pを前記リンク構造体の他端側に移動させ、

前記リンク構造体の他端から第 2の所定数以下のリンクのみで形成される接地多角形内に Z M Pが突入したことに応答して、 Z M Pを該接地多角形内に収容したまま前記リンク構造体の一端側から第 1の所定数以上のリンクを離床して、該離床リンクを長さ方向に伸展する、

3 3 . 前記離床リンクを長さ方向に伸展するステップでは、質量操作量のより大きな関節自由度を積極的に使用して動作する、

ことを特徴とする請求項 3 2に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御方法。 3 4 . 前記リンク構造体は、少なくとも肩関節ピッチ軸、体幹ピッチ軸、股関節ピッチ軸、膝ピッチ軸が機体の高さ方向に連結されてなる、

3 5 . 前記の支持多角形を探索するステップでは、離床させても Z M Pの計画が可能なリンクとして少なくとも肩関節ピッチ軸を含む一端側から連続する 2以上のリンクを抽出する、

ことを特徴とする請求項 3 4に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御方法。

3 6 . 前記の支持多角形を探索するステップでは、体幹ピッチ軸及び股関節ピッチ軸を連結するリンクを重心リンクとして接床状態に保ったままで、より狭い支持多角形を探索する、

ことを特徴とする請求項 3 4に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御方法。 3 7 . より狭い接地多角形を形成するステップでは、離床リンクを肩関節ピッチ軸で屈曲させて、そのリンク端の端部である手先を接床させる、

ことを特徴とする請求項 3 4に記載の脚式移動ロボットの動作制御方法。

3 8 . 上腕の長さを 1 前腕の長さを 1₂、肩ロール角をひ、肘ピッチ角をべ一夕、肩から手先までの長さを 1 ₁₂、肩から手先を結ぶ線のなす角をァ、肩の高さを hと置くと、以下の式

COSひ +し sir (ひ + β - 9θ) /₁₂ smy < h を満たすように腕部を動作させることを特徴とする請求項 3 7に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御方法。

3 9 . 前記の支持多角形を探索するステップでは、離床させても Z M Pの計画が可能なリンクとして少なくとも膝関節ピッチ軸を含む他端側から連続する 2以上のリンクを抽出する、

4 0 . より狭い接地多角形を形成するステップでは、離床リンクを膝関節ピッチ軸で屈 Iffiさせて、そのリンク端の端部である足底を接床させる、

4 1 . 前記の機体を直立させるステップでは、接地多角形の両リンク端の端部としての手先及び足底を接床した状態で、体幹ピッチ軸及び股関節ピッチ軸を連結した前記重心リンクを離床可能か否かによって支持多角形が充分狭くなつたか否かを判断する、

ことを特徴とする請求項 3 4に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御方法。 4 2 . 前記の機体を直立させるステップでは、

接地多角形の両リンク端の端部としての手先及び足底を接床した状態で体幹ピツチ軸及び股関節ピッチ軸を連結した前記重心リンクを離床し、接地多角形の両リンク端としての手先及び足底の間隔を縮めて、 Z M Pを前記脚の末端の足底に移動させ、

前記足底で構成される接地多角形内に Z M Pが突入したことに応答して、 Z M Pを該接地多角形内に収容したまま前記肩ピッチ軸から前記膝ピッチ軸に至までのリンクを離床して、機体を直立させる、

ことを特徴とする請求項 3 4に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御方法。 4 3 . 前記離床リンクを長さ方向に伸展するステップでは、質量操作量のより大きな膝関節ピッチ軸を積極的に使用して動作する、

ことを特徴とする請求項 4 2に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御方法。

4 4 . 前記のより狭い接地多角形を生成するステップでは、最も小さい支持多角形に関与しないリンクの 2つ以上を離床可能かどうかに応じて、手部又は足部における踏み替え動作又は床面との引き摺り動作のいずれかを選択的に利用して、より狭い接地多角形を形成する、

ことを特徴とする請求項 2 8に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御装置。 4 5 . 可動脚を備え立位姿勢において脚式作業を行なう脚式移動ロボットであつて、

機体に対する外力の印加を検出する外力検出手段と、

前記外力検出手段による検出結果を基に、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機体に印加されるモーメントが釣り合う Z M Pを配置する Z M P軌道計画手段と、

機体に印加された外力のために前記 Z M P軌道計画手段による前記支持多角形内での Z M Pの配置が困難又は不可能となったことに応答して、機体の転倒動作を実行する転倒動作実行手段と、

を具備することを特徴とする脚式移動ロボット。

4 6 . 前記外力検出手段は、足底に配設した床反力センサや加速度センサ、あるいは胴体の腰位置に配設した加速度センサなどにより、機体に印加される外力を検出する、

ことを特徴とする請求項 4 5に記載の脚式移動ロボット。

4 7 . 可動脚を備え立位姿勢において脚式作業を行なう脚式移動ロボッ卜の動作制御方法であって、

機体に対する外力の印加を検出する外力検出ステップと、

前記外力検出ステップにおける検出結果を基に、足底接地点と路面の形成する支持多角形の内側に機体に印加される外力により発生するモ一メン卜が釣り合う

Z M Pを配置する Z M P軌道計画ステップと、

機体に印加された外力のために前記 Z M P軌道計画ステップによる前記支持多角形内での Z M Pの配置が困難又は不可能となったことに応答して、機体の転倒動作を実行する転倒動作実行ステツプと、

4 8 .前記外力検出ステップでは、足底に配設した床反力センサや加速度センサ、あるいは胴体の腰位置に配設した加速度センサなどにより、機体に印加される外力を検出する、

ことを特徴とする請求項 4 7に記載の脚式移動ロボットの動作制御方法。

4 9 . 可動脚を備え立位姿勢において脚式作業を行なう脚式移動ロボッ卜の動作制御装置であって、転倒時の各段階において機体に印加される衝撃モーメントを算出する手段と、転倒時の各段階において機体が床面から受ける衝撃力を算出する手段と、機体の接地点と路面の形成する支持多角形の面積 Sを算出する手段と、前記支持多角形の面積 Sが最小又は一定となるように次の着床部位を選択する第 1の着床部位探索手段と、

前記支持多角形の面積 Sが増大するように次の着床部位を選択する第 2の着床部位探索手段と、

を具備することを特徴とする脚式移動ロボッ卜の動作制御装置。 5 0 . 機体が床面から受ける衝撃力が所定の許容値内であれば前記第 2の着床部位探索手段により機体の転倒動作を行ない、許容値外であれば前記第 1の着床部位探索手段により機体の転倒動作を行なう、

ことを特徴とする請求項 4 9に記載の脚式移動ロボッ卜の動作制御装置。 5 1 . 可動脚を備え立位姿勢において脚式作業を行なう脚式移動ロボッ卜の動作制御方法であって、

転倒畤の各段階において機体に印加される衝撃モーメントを算出するステップと、

転倒時の各段階において機体が床面から受ける衝撃力を算出するステップと、機体の接地点と路面の形成する支持多角形の面積 Sを算出するステツプと、前記支持多角形の面積 Sが最小又は一定となるように次の着床部位を選択する第 1の着床部位探索ステツプと、

前記支持多角形の面積 Sが増大するように次の着床部位を選択する第 2の着床部位探索ステップと、

を具備することを特徴とする脚式移動ロボッ卜の動作制御方法。

5 2 . 機体が床面から受ける衝撃力が所定の許容値内であれば前記第 2の着床部位探索ステップにより機体の転倒動作を行ない、許容値外であれば前記第 1の着床部位探索ステップにより機体の転倒動作を行なう、ことを特徴とする請求項 5 1に記載の脚式移動ロボットの動作制御方法。

5 3 . 可動脚を備え立位姿勢において脚式作業を行なう脚式移動ロボットにおける機体の転倒及び起き上がりに関する一連の動作を制御する動作制御装置であつて、前記脚式移動ロボットは略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結したリンク構造体からなり、

転倒時において、機体の重心となる重心リンクを含む 2以上のリンクが接床した床上姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形内において最も少ないリンク数で形成される最も狭い支持多角形を探索する手段と、

前記最小となる支持多角形に関与しないリンク数が最大となる部位に Z M Pを設定して転倒動作を行なう手段と、

機体の転倒姿勢において離床可能なリンクを探索する手段と、

離床可能なリンクをすベて離床させて起き上がり動作を行なう手段と、を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの動作制御装置。

5 4 . 可動脚を備え立位姿勢において脚式作業を行なう脚式移動ロボットにおける機体の転倒及び起き上がりに関する一連の動作を制御する動作制御方法であつて、前記脚式移動ロボットは略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結したリンク構造体からなり、

転倒時において、機体の重心となる重心リンクを含む 2以上のリンクが接床した床上姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形内において最も少ないリンク数で形成される最も狭い支持多角形を探索するステップと、

前記最小となる支持多角形に関与しないリンク数が最大となる部位に Z M Pを設定して転倒動作を行なうステップと、

機体の転倒姿勢において離床可能なリンクを探索するステツプと、

離床可能なリンクをすベて離床させて起き上がり動作を行なうステップと、を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの動作制御方法。

5 5 . 体幹部と、前記体幹部に接続される脚部及び前記体幹部に接続される腕部を有するロボット装置において、

前記 Z M P移動制御手段が前記 Z M Pを移動できると判断した際に、前記 Z M Pを前記第 1の支持多角形内から、前記足底面が形成する前記接地多角形内に維持しながら転倒姿勢から基本姿勢へ前記ロボット装置を遷移させる制御手段と、を具備することを特徴とするロボット装置。

5 6 . 少なくとも胴体と、前記胴体の上方に第 1の関節（肩）を介して連結される 1つ以上の腕リンクと前記胴体の下方に第 2の関節（股関節）を介して連結される第 1の脚リンクと、前記第 2の脚リンクの先端に第 3の関節（膝）を介して連結される第 2の脚リンクとを備えたロボット装置において、

を具備することを特徴とするロボット装置。