WO2006064597A1 - 脚式移動ロボットおよびその制御プログラム - Google Patents

脚式移動ロボットおよびその制御プログラム Download PDF

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WO2006064597A1
WO2006064597A1 PCT/JP2005/016890 JP2005016890W WO2006064597A1 WO 2006064597 A1 WO2006064597 A1 WO 2006064597A1 JP 2005016890 W JP2005016890 W JP 2005016890W WO 2006064597 A1 WO2006064597 A1 WO 2006064597A1
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WO
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foot
leg
floor
robot
gait
Prior art date
Application number
PCT/JP2005/016890
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English (en)
French (fr)
Inventor
Toru Takenaka
Takashi Matsumoto
Takahide Yoshiike
Kazushi Akimoto
Shinya Shirokura
Minami Asatani
Original Assignee
Honda Motor Co., Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to CN2005800411309A priority patent/CN101068663B/zh
Priority to EP05783498A priority patent/EP1842628B1/en
Priority to US11/577,404 priority patent/US8014896B2/en
Priority to JP2006548701A priority patent/JP5053644B2/ja
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
    • B62D57/032—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members with alternately or sequentially lifted supporting base and legs; with alternately or sequentially lifted feet or skid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J5/00—Manipulators mounted on wheels or on carriages

Definitions

  • the present invention relates to a legged mobile robot and a control program thereof.
  • the robot repeats an aerial period in which all legs are floating on the floor and a landing period in which one of the soles at the tips of the legs is in contact with the floor.
  • the impact on the robot when landing is particularly large.
  • the robot's moving speed in the air and the angular speed around the yo axis are excessive, the robot may slip or spin on its soles when landing.
  • the present invention provides a legged mobile robot that can relieve the impact of landing on a leg and can stably walk or run while avoiding slip and spin on the sole of the leg.
  • the problem to be solved is to provide the control program.
  • the legged mobile robot according to the first aspect of the present invention for solving the above-described problems is achieved by driving a plurality of legs connected to a base body, so that any one leg of the plurality of legs is attached.
  • a legged mobile robot that moves while repeating the landing period when the floor reaction force is applied and the aerial period when the floor reaction force is not applied to the legs of all legs.
  • the angle of inclination of the foot of the leg to be landed gradually changes with respect to the floor, so that the ground contact surface and the floor of the foot are parallel when the leg is landed. It is characterized by driving the leg.
  • the inclination angle of the leg of the leg with respect to the floor surface gradually increases from the intermediate point of the leg leaving phase to the start point of the landing phase.
  • the movement of the leg is controlled so as to approach.
  • the robot of the present invention can relieve the impact at the time of landing on the foot of the leg, and can stably walk or run while avoiding slip and spin on the foot.
  • the legged mobile robot according to the first aspect of the present invention is configured such that immediately before the leg leaves the floor, the leg remains on the tip of the foot and the rear end of the foot is The leg is driven so as to gradually move away from the floor surface.
  • the movement of the leg is controlled in such a manner that the floor surface is kicked by the tip (toe) of the foot. This increases the propulsive force of the robot, while preventing slipping and spinning at the bottom of the robot when landing, as described above, allowing the robot to move at high speed while stabilizing its behavior. it can.
  • the legged mobile robot according to the first aspect of the present invention gradually increases from a state in which the tip of the foot is high with respect to the rear end of the foot from the middle point to the end point of the bed leaving phase.
  • the legs are driven so as to have the same height.
  • the foot is brought close to the toe from the posture of raising the toes with respect to the floor, and In addition, it is possible to maintain the floor area of the foot (contact surface) to such an extent that the robot can be prevented from slipping.
  • the legged mobile robot according to the first aspect of the present invention gradually has the same state force with the lower end of the foot relative to the rear end of the foot from the start to the middle of the bed leaving phase. After reaching the height, the leg is driven so as to gradually become higher.
  • the posture force that lifts the foot with respect to the floor surface is close to the force lifted posture as the posture that lifts the toe, Thereafter, the foot (to the extent that it can prevent the robot from slipping as described above) It is possible to secure the floor area on the ground plane.
  • a legged mobile robot for solving the above-mentioned problems includes an upper body and a plurality of legs extending downward from the upper body, and A legged mobile robot that moves by the movement of each leg that accompanies leaving and landing on a rotatable foot, the foot inclination angle measuring means for measuring the inclination angle of the foot relative to the floor; From the middle point of the leg leaving the bed to the beginning of the landing phase, the leg inclination angle of the leg relative to the floor measured by the foot inclination angle measuring means gradually approaches 0.
  • a foot motion control means for controlling the pivot motion of the foot relative to the leg.
  • the inclination angle of the foot of the leg with respect to the floor surface from the intermediate point of the bed leaving phase to the start point of the landing phase is controlled so that gradually approaches 0.
  • the landing area at the foot (foot sole) of the leg immediately after the transition from the leaving phase to the landing phase becomes large! /, So the impact at the time of landing is widely distributed to the sole.
  • the impact received by the robot can be reduced.
  • the friction between the sole and the floor becomes large, even if the robot's moving speed and the angular velocity around the jo axis are just before landing on the legs, this friction can prevent slipping and spinning. it can.
  • the robot of the present invention can relieve the impact at the time of landing on the foot of the leg, and can stably walk or run while avoiding slip and spin on the foot.
  • the foot motion control means keeps the leg landing at the tip of the foot immediately before leaving the floor, and the foot inclination angle is set.
  • the foot relative to the leg so that the inclination angle of the foot relative to the floor measured by the measuring means increases to the positive side such that the rear end of the foot is farther from the front than the tip. It is characterized by controlling the flat rotation.
  • the rotation of the foot relative to the leg is controlled in such a manner that the floor surface is kicked by the tip of the foot (toe). This increases the propulsive force of the robot, while preventing slipping and spinning at the bottom of the robot when landing, as described above. Therefore, the robot can be moved at high speed while making its behavior stable.
  • the foot motion control means is operated by the foot inclination angle measuring means from the middle point of the leg leaving phase to the start point of the landing phase.
  • the inclination angle of the foot with respect to the measured floor surface is such that the negative angular force at which the tip of the foot is farther from the floor than the rear end gradually decreases to zero. It is characterized by controlling the movement of the foot relative to the leg.
  • the foot is raised from the toe to the floor surface, and the posture is parallel to the floor surface.
  • the landing area on the sole can be maintained to the extent that the robot can be prevented from slipping as described above.
  • the foot motion control means measures the force at the start time of the leg leaving phase from the foot tilt angle measuring means until the start time of the landing phase.
  • the inclination angle force of the foot against the applied floor is gradually increased to the positive side and the force is gradually decreased, and then gradually increased to the negative side so that the tip of the foot is farther than the rear end. Then, it is characterized by controlling the pivoting motion of the foot relative to the leg so that it gradually decreases to zero.
  • the posture of the foot is raised from the floor surface. Furthermore, it can be brought close to a posture parallel to the floor surface, and the landing area at the sole can be secured to such an extent that the robot can be prevented from slipping as described above.
  • the legged mobile robot according to the second aspect of the present invention is characterized in that all legs move with an aerial period in which they are getting out of bed.
  • the leg when the leg is landing from the mid-air, the leg is more than when the leg is landing while the other leg is landing.
  • the impact at the time of landing can be reduced by securing a large landing area as described above.
  • the control program according to the first aspect of the present invention for solving the above-described problem is that a plurality of legs connected to a base body are driven, so that any one of the plurality of legs is grounded.
  • Power The robot is equipped with a function to control a legged mobile robot that moves while repeating the landing period in which the floor acts and the aerial period in which the floor reaction force does not act on the legs of all legs.
  • This program is given to a computer, and when changing from the aerial phase to the landing phase, the inclination angle of the foot of the leg that is scheduled to land gradually changes with respect to the floor, and the landing of the leg It is characterized in that a function for controlling the operation of the leg of the robot is sometimes given to the computer mounted on the robot so that the ground contact surface of the foot and the floor surface are parallel.
  • control program of the first aspect of the present invention it is possible to relieve the impact at the time of landing on the foot part of the leg and to stably walk or run while avoiding slip and spin on the foot part.
  • the power to control the robot is given to the computer installed in this robot.
  • control program provides that the leg is left at the tip of the foot immediately before the leg leaves the floor, and the rear end of the foot is the floor.
  • a function of controlling the operation of the leg of the robot so as to gradually move away from the surface is provided to the computer mounted on the robot.
  • control program according to the first aspect of the present invention gradually increases from the middle point to the end point of the leg leaving phase from the state in which the tip of the foot is high with respect to the rear end of the foot.
  • the function of controlling the operation of the leg of the robot is given to a computer mounted on the robot.
  • control program gradually increases the level of the state force of the foot tip from the start point to the middle point of the leg, with the foot rear end as a reference. After that, the function of controlling the operation of the leg of the robot is given to the computer mounted on the robot so that the state gradually becomes higher.
  • a control program for solving the above-described problem includes an upper body and a plurality of legs extending downward from the upper body, and is rotated with respect to each leg.
  • the foot inclination angle measurement function that measures the inclination angle of the foot and the middle of the leg leaving bed From the time point to the beginning of the landing period, the foot rotation angle with respect to the leg is gradually adjusted so that the inclination angle of the foot with respect to the floor measured by the foot inclination angle measurement function gradually approaches zero.
  • a foot motion control function for controlling a motion motion is given to a computer mounted on the robot.
  • control program of the second aspect of the present invention it is possible to alleviate the impact at the time of landing on the foot part of the leg and to avoid slipping and spinning on the foot part so as to stably walk or run.
  • the functional power to control the robot is given to the computer mounted on this robot.
  • control program of the second aspect of the present invention uses the foot inclination angle measurement function as a foot motion control function, with the leg landing on the tip of the foot immediately before the bed leaving period. Rotation of the foot relative to the leg so that the measured inclination angle of the foot relative to the floor increases to the positive side such that the rear end of the foot is farther than the tip.
  • a function for controlling the operation is given to the computer mounted on the robot.
  • control program according to the second aspect of the present invention is measured by the foot inclination angle measurement function from the middle point of the leg leaving phase to the start point of the landing phase as the foot movement control function.
  • the foot with respect to the leg so that the inclination angle of the foot with respect to the floor is gradually reduced to zero so that the negative angle force that the tip of the foot is farther from the floor than the rear end is zero.
  • a function of controlling the rotational movement of is provided to a computer mounted on the robot.
  • control program of the second aspect of the present invention uses the foot inclination angle measurement function as the foot movement control function from the start time of the leg leaving phase to the start time of the landing phase. After the foot slope angle with respect to the floor is gradually increased to the positive side and the force is gradually decreased, the foot tip gradually decreases to the negative side where the floor force is farther than the rear end.
  • a function of controlling the pivoting motion of the foot with respect to the leg is provided to the computer mounted on the robot so as to gradually decrease to 0 after the increase. .
  • control program provides the robot with a function of controlling the operation of the leg of the robot so that all legs move with the aerial period when they are getting out of bed. Tower It is given to the computer currently mounted.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of the overall configuration of a biped mobile robot as a legged mobile robot in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a side view showing the configuration of the foot portion of each leg of the robot of FIG.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of a control unit provided in the robot of FIG.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a functional configuration of the control unit of FIG.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating the running gait of the robot of FIG.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of the foot position / posture trajectory when the robot is running.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of the distance d between the sole and the floor surface.
  • FIG. 8 An illustration of the angle ⁇ between the sole and the floor.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of setting a desired floor reaction force vertical component.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of setting a target ZMP.
  • FIG. 11 is a flowchart showing main routine processing of the gait generator provided in the control unit of FIG.
  • FIG. 12 is a flowchart showing the flowchart subroutine processing of FIG.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of setting a floor reaction force horizontal component allowable range of a normal gait.
  • FIG. 14 is a flowchart showing the sub-retintin processing of the flowchart of FIG. 11.
  • FIG. 15 is a diagram showing an example of setting a floor reaction force horizontal component allowable range of the current time's gait.
  • FIG. 16 is a diagram showing a setting example of a desired floor reaction force vertical component in a walking gait.
  • FIG. 17 is a flowchart illustrating a setting process of a desired floor reaction force vertical component in a walking gait.
  • a bipedal mobile robot (hereinafter referred to as a robot) 1 shown in FIG. 1 includes a pair of left and right legs (leg links) 2 and 2 extending downward from an upper body 24. Both legs 2, 2 have the same structure, each with 6 joints.
  • a foot (foot) 22R (L) constituting the tip of each leg 2 is attached.
  • the upper body (upper body) 24 is connected via the three joints 10R (L), 12R (L) and 14R (L) of the crotch of each leg 2 Is installed.
  • a control unit 26 which will be described in detail later. In FIG. 1, for convenience of illustration, the control unit 26 is shown outside the upper body 24.
  • the control unit 26 is a CPU, ROM, RAM, signal input circuit, signal output circuit, and the like as hardware, and the present invention as software that gives the operation control function of the robot 1 to this hardware. It consists of "control program”.
  • the hip joint (or the hip joint) has joints 10R (L) and 12R.
  • knee joint is composed of joint 16R (L)
  • ankle joint is composed of joints 18R (L), 20R (L).
  • the hip joint and the knee joint are connected by a thigh link 28 R (L), and the knee joint and the ankle joint are connected by a crus link 30R (L).
  • each arm body is attached to the upper body 24 by a plurality of joints provided therefor. On the other hand, it is possible to perform operations such as swinging back and forth.
  • each leg 2 With the above-described configuration of each leg 2, the foot of each leg 2 (corresponding to the "foot” of the present invention) 22R (L) gives six degrees of freedom to the upper body 24. It has been.
  • Show the joints as appropriate By driving at a proper angle, the desired motion of both feet 22R, 22L can be performed. As a result, the robot 1 can arbitrarily move in the three-dimensional space.
  • the position and speed of the upper body 24 described later in this specification is a predetermined position of the upper body 24, specifically, a representative point that is determined by force of the upper body 24 (for example, between the left and right hip joints). This means the position of the center point, etc.) and its moving speed.
  • the position and speed of each foot 22R, 22L mean the position of the representative point determined by each foot 22R, 22L and its moving speed.
  • the representative point of each foot 22R, 22L is, for example, on the bottom surface of each foot 22R, 22L (more specifically, the center force of the ankle joint of each leg 2) At a point where the perpendicular to the bottom surface intersects the bottom surface).
  • a known 6-axis force sensor 34 is interposed between the foot 22R (L) below the ankle joints 18R (L) and 20R (L) of each leg 2. ing.
  • the six-axis force sensor 34 is for detecting the presence / absence of the foot 22R (L) of each leg 2 and the floor reaction force (ground load) acting on each leg 2.
  • the detection signals of the three-direction components Fx, Fy, Fz of the translational force of the floor reaction force and the three-way components Mx, My, Mz of the moment are output to the control unit 26.
  • the body 24 is provided with an inclination sensor 36 for detecting the inclination (posture angle) of the body 24 with respect to the Z axis (vertical direction (gravity direction)) and its angular velocity, and the detection signal is The tilt sensor 36 force is also output to the control unit 26.
  • Each joint of the robot 1 detects the electric motor 32 (see Fig. 3) and the rotation amount of each electric motor 32 (rotation angle of each joint) to drive it.
  • an encoder (rotary encoder) 33 (see FIG. 3) for performing the operation.
  • a detection signal of the encoder 33 is output from the encoder 33 to the control unit 26.
  • a spring mechanism 38 is provided between each foot 22R (L) and the 6-axis force sensor 34, and the sole (each foot 22R (L The bottom elastic body 40 is also attached to the bottom of).
  • a compliance mechanism 42 is constituted by the spring mechanism 38 and the sole elastic body 40.
  • the spring mechanism 38 includes a rectangular guide member (not shown) attached to the upper surface of the foot 22R (L), an ankle joint 18R (L) (in FIG. 2, the ankle joint 20R (L )) And a 6-axis force sensor 34, which is attached to the side of the piston, and is a piston-like member that is housed in the guide member via a coasting material (rubber or spring) so that it can move finely. (Not shown).
  • the foot 22R (L) indicated by a solid line in FIG. 2 shows a state when the floor reaction force is not received.
  • the spring mechanism 38 of the compliance mechanism 42 and the sole elastic body 40 bend, and the foot 22R (L) moves to the position and posture illustrated by the dotted line in the figure.
  • the structure of the compliance mechanism 42 is also important for improving the controllability of the robot 1 not only to reduce the landing impact. The details are described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-305584 previously proposed to the applicant, and thus detailed description thereof is omitted.
  • a force not shown in FIG. 1 is provided outside the robot 1 with a joystick (operator) 44 (see FIG. 3) for operating the robot 1, and the joystick 44 is operated.
  • the request that can be input includes, for example, a gait form (walking, running, etc.) when the robot 1 is moving, landing position / posture and landing time of the free leg, or command data that defines the landing position / posture and landing time. (For example, the moving direction and moving speed of the robot 1).
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of the control unit 26.
  • the control unit 26 is composed of a microcomputer, and the first arithmetic unit 60 and the second arithmetic unit 62, which also have CPU power, an AZD variable ⁇ 50, a counter 56, a DZA variable ⁇ 66, a RAM 54, a ROM 64, In addition, a bus line 52 for exchanging data between them is provided.
  • the output signals of the 6-axis force sensor 34, the tilt sensor 36, the joystick 44, etc. of each leg 2 are converted into digital values by AZD conversion and then sent to RA ⁇ 54 via the bus line 52. Entered.
  • the output of the encoder 33 (rotary encoder) of each joint of the robot 1 is input to the RAM 54 via the counter 56.
  • the first arithmetic device 60 generates a target gait as described later, calculates a joint angle displacement command (a command value of a displacement angle of each joint or a rotation angle of each electric motor 32), and Send to RAM54.
  • the second arithmetic unit 62 reads out the joint angle displacement command from the RAM 54 and the actual value of the joint angle detected based on the output signal of the encoder 33, and calculates the operation amount necessary for driving each joint. Then, the output is output to the electric motor 32 that drives each section via the DZA conversion 66 and the servo amplifier 32a.
  • FIG. 4 is a block diagram generally showing the functional configuration of the gait generator and the controller of the robot 1 in the present embodiment.
  • the parts other than the “real robot” part in FIG. 4 are constituted by processing functions (mainly functions of the first arithmetic unit 60 and the second arithmetic unit 62) executed by the control unit 26.
  • processing functions mainly functions of the first arithmetic unit 60 and the second arithmetic unit 62
  • the symbols R and L are omitted when it is not necessary to distinguish between the left and right of the leg 2.
  • the control unit 26 includes a gait generator 100 that generates and outputs a desired gait freely and in real time as will be described later.
  • the gait generator 100 constitutes each means of the present invention by its function.
  • the target gait output by the gait generator 100 is the target body position / posture trajectory (the trajectory of the target position and target posture of the upper body 24), the target foot position / posture trajectory (the target position and target trajectory of each foot 22). Posture trajectory), target arm posture trajectory (target posture trajectory of each arm), target total floor reaction force center point (target ZMP) trajectory, and target total floor reaction force trajectory.
  • the target position / posture trajectory of the movable part is added to the target gait.
  • the “trajectory” in the gait means a temporal change pattern (time-series pattern), and in the following description, it may be referred to as “pattern” instead of “trajectory”.
  • “Attitude” means spatial orientation.
  • the body posture is the inclination angle (posture angle) of the body 24 in the roll direction (around the X axis) with respect to the Z axis (vertical axis) and the body 24 in the pitch direction (around the Y axis).
  • the foot posture is represented by a biaxial spatial azimuth that is fixedly set on each foot 22.
  • the body posture is sometimes called the body posture angle.
  • the desired floor reaction force is generally expressed by an action point and a translational force and a moment acting on the point. Since the action point is good for everywhere, countless expressions can be considered even with the same target floor reaction force, but in particular, the target floor reaction force is set with the target floor reaction force center point (target position of the center point of all floor reaction forces) as the action point. Expressing force, the moment component of the desired floor reaction force is zero except for the vertical component (the moment around the vertical axis (Z axis)). In other words, the horizontal component (moment about the horizontal axis (X axis and Y axis)) of the moment of the target floor reaction force around the target floor reaction force center point becomes zero.
  • ZMP is calculated as the target motion orbital force of robot 1 (the resultant force of inertial force and gravity that also calculates the target motion orbital force acts around that point. Since the point where the moment becomes zero except for the vertical component) and the target floor reaction force center point coincide, it is the same even if the target ZMP trajectory is given instead of the target floor reaction force center point trajectory ( (For details, see Japanese Patent Application No. 2000-352011 by the applicant of the present application).
  • the target gait was defined as follows.
  • a target gait in a broad sense is a set of a target motion trajectory and its target floor reaction force trajectory for a period of one step! / or multiple steps.
  • the target gait in the narrow sense is a set of the target motion trajectory for the period of one step and its ZMP trajectory.
  • a series of gaits shall be a combination of several gaits.
  • the target trajectory of the robot 1 is determined after explicitly setting the target trajectory of the floor reaction force vertical component. Therefore, in this specification, the following b ′) is used as the definition of the target gait in a narrow sense.
  • the target gait in the narrow sense is a set of the target motion trajectory for the period of one step, its target ZMP trajectory and the target translational floor reaction force vertical component trajectory.
  • the target gait will be used in the meaning of the target gait in the narrow sense of b ') unless otherwise specified.
  • “1 step” of the target gait is used in the meaning from the time when one leg 2 of the robot 1 is landed until the other leg 2 is landed.
  • “floor reaction force vertical component” means “translational floor reaction force vertical component”
  • the vertical component of moment of the floor reaction force (vertical axis component) is And the term “floor reaction force vertical component”.
  • floor reaction force water ration means “translational floor reaction force horizontal component”.
  • the period in which both legs are supported in the gait is a period in which the robot 1 supports its own weight with both legs 2 and 2, and the one leg supporting period is the weight of the robot 1 in only one leg 2.
  • the period during which the legs are supported, the air period refers to the period during which the legs 2 and 2 are separated from each other (floating in the air).
  • the leg 2 on the side that does not support the weight of the robot 1 during the one-leg support period is called “free leg”.
  • the one-leg support period (landing period) and the aerial period are alternately repeated without the both-leg support period.
  • both legs 2 and 2 do not support the dead weight of mouth bot 1 in the air period, but were leg 2 and support legs that were free legs in the single leg support period immediately before the air period.
  • Leg 2 is also referred to as a free leg and a supporting leg, respectively, even during the aerial period.
  • the outline of the target gait generated by the gait generator 100 will be described using the running gait shown in FIG. 5 as an example. Other definitions and details regarding the gait are also described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-86081 previously proposed by the applicant of the present application, and are described below in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-86081. The contents that are not mainly explained.
  • This running gait is the same gait as a normal human running gait.
  • the leg 2 (support leg) of the robot 1 on either the left or right side of the robot 1 is in the single leg support period when the foot 22 lands (grounds), and both legs 2 and 2 float in the air.
  • the air phase is repeated alternately.
  • the left leg 2L in front of the right leg 2R is swung forward as shown in FIG.
  • the left leg 2L is in front of the right leg 2R, and both legs are out of bed, as shown in Fig. 5 (g).
  • a basic outline of the target gait generated by the gait generator 100 will be described in consideration of the running gait of FIG. Although details will be described later, when the gait generator 100 generates the target gait, the target gait such as the landing position / posture (scheduled landing position / posture) and landing time (scheduled landing time) of the foot 22 on the free leg side
  • a basic request value (request parameter) for generation is given to the gait generator 100 according to a required operation of the joystick 44 or the like.
  • the gait generator 100 generates a desired gait using the required parameters. More specifically, the gait generator 100 defines some components of the desired gait, such as the desired foot position / posture trajectory of the desired gait and the desired floor reaction force vertical component trajectory, according to the required parameters. After determining the parameters to be used (gait parameters), the instantaneous values of the desired gait are sequentially determined using the gait parameters, and a time series pattern of the desired gait is generated.
  • the desired foot position / posture trajectory (more specifically, the target trajectory of each spatial component (X-axis component etc.) of the foot position and posture) is, for example, as disclosed in Japanese Patent No. 3233450.
  • This finite-time settling filter is a first-order lag filter with a variable time constant, that is, a filter whose transfer function is expressed as 1 ⁇ (1 + ⁇ s), where ⁇ is a variable time constant. Filters) are connected in series in multiple stages (in this embodiment, three or more stages), and can generate and output a trajectory that reaches a specified value at a desired specified time.
  • the time constants ⁇ of the unit filters at each stage are variably set sequentially according to the remaining time from the start of output generation of the finite time settling filter to the specified time. More specifically, as the remaining time becomes shorter, the value is decreased by a predetermined initial value (> 0), and finally, at the specified time when the remaining time becomes 0, It is set to become power ⁇ .
  • the finite time settling filter is given a step input having a height corresponding to the specified value (more specifically, the amount of change from the initial value of the finite time settling filter output to the specified value).
  • Such a finite time settling filter can reduce the rate of change of the finite time settling filter output at the specified time to zero or almost zero, as well as generating an output that reaches the specified value at the specified time.
  • the change acceleration (differential value of the change speed) of the output of the finite time settling filter can be made zero or almost zero.
  • the generation of the foot position / posture trajectory using such a finite time settling filter (the position / posture trajectory from the landing of the foot 22 to the next landing) is performed, for example, as follows.
  • the desired foot position trajectory in the X-axis direction (front-back direction) is generated as follows. That is, the X-axis direction position of the next planned landing position of each foot 22 determined by the required parameters (more specifically, the amount of change in the X-axis direction relative to the landing position immediately before the next planned landing position (movement amount This corresponds to the specified value), and the step input height to the finite time settling filter is determined and the time constant is initialized to a predetermined initial value and then determined.
  • the step input is given to the finite time settling filter, and trajectory generation of the foot 22 in the X-axis direction is started.
  • the time constant ⁇ is sequentially variably set so as to decrease to the initial value force 0 by the scheduled landing time of the foot 22 (which corresponds to the specified time). .
  • a trajectory of the foot 22 in the X-axis direction is generated so that the planned landing position is reached at the scheduled landing time.
  • the desired foot position trajectory in the Z-axis direction (vertical direction) is generated as follows, for example.
  • the position of the foot 22 in the Z-axis direction when the height (vertical position) of the foot 22 is maximized according to the next scheduled landing position and the scheduled landing time of the foot 22 (hereinafter, The highest point position) and the time to reach the highest point position are determined.
  • the height of the step input to the finite time settling filter is determined according to the highest point position (which corresponds to the specified value), and the time constant is initialized and then determined.
  • the step input is given to the finite time settling filter, and the foot position trajectory in the Z-axis direction up to the highest point position is sequentially generated.
  • the time constant ⁇ is sequentially variably set so that the initial value force also decreases to 0 by the time of arrival at the highest point position (corresponding to the specified time). Furthermore, when generation of the trajectory in the axial direction up to the highest point position is completed, the time constant is initialized and the step input with the opposite polarity to the previous step input (more specifically, the highest point position force The amount of change in the vertical axis direction to the planned position (this is the step input with the reverse polarity corresponding to the specified value) is input to the finite time settling filter, and the maximum point position force is also applied to the planned landing position. The trajectory of the foot position in the heel axis direction is generated sequentially. At this time, the time constant ⁇ is set to be variable so that the initial force also decreases to 0 by the scheduled landing time of the foot 22.
  • the time constant ⁇ is variable so that it continuously decreases from the time when the trajectory is generated to the scheduled landing time of the foot 22 to the initial force of 0.
  • the foot position trajectory in the heel axis direction may be generated by switching the polarity of the step input to the reverse polarity at the time of arrival at or near the highest point position. In this case, the foot 22 cannot reach the desired highest point position with high accuracy, but can reach the planned landing position at the planned landing time without any problem.
  • the foot posture trajectory can also be generated using a finite time settling filter in the same manner as the foot position trajectory described above.
  • the components whose angle change of the posture is monotonic (monotonic increase or monotonic decrease)
  • the foot posture trajectory may be generated in the same manner as the foot position trajectory in the X-axis direction described above.
  • a foot posture trajectory may be generated in the same manner as the generation of the foot position trajectory in the Z-axis direction described above.
  • a posture posture trajectory in the Z-axis direction is generated so as to change as shown in Figs. 6 and 8 from the side of the left foot 22L in the running gait of Fig. 5.
  • the soles of the floor at the time of getting out of bed are tilted continuously so that the tip is lowered from a state where the tip (toe) is higher than the rear end (heel) relative to the floor.
  • the inclination state of the foot 22L changes so that the force at the time of leaving the bed is almost parallel to the floor immediately before the transition to the next landing phase.
  • the angle ⁇ is defined as negative (one) when the sole rises forward relative to the floor, and positive (+) when the sole falls forward.
  • the angle ⁇ may be defined as a function ⁇ (d) of the distance d.
  • the angle ⁇ force ⁇ may be controlled in the middle of the air phase, and the angle ⁇ may be maintained at 0 until the transition time to the landing phase.
  • the desired foot position / posture trajectory generated by the finite time settling filter as described above is the target position / posture trajectory of each foot 22 in the later-described support leg coordinate system fixed to the floor surface. .
  • the position of each foot 22 is gradually accelerated from its initial ground contact state (initial time state of the target gait) toward the planned landing position. While starting to move.
  • the target foot position / posture trajectory then gradually decelerates the change speed of the saddle position to 0 or almost 0 by the scheduled landing time, reaches the planned landing position and stops at the planned landing time. To be generated. For this reason,
  • the ground speed at the moment of landing of each foot 22 (the changing speed of the position of each foot 22 in the support leg coordinate system fixed to the floor) becomes zero or almost zero. Therefore, even if the landing gait is in a state where all the legs 2 and 2 are present in the air at the same time (the state in the air), the landing impact is reduced.
  • the vertical velocity of the aerial latter half force upper body 24 is downward due to the gravity acting on the robot 1, and remains downward even when landing. Therefore, as described above, the desired foot position posture trajectory is generated so that the ground speed at the moment of landing of each foot 22 is 0 or almost 0, and the dynamic equilibrium condition is satisfied as described later.
  • the target position / posture trajectory of the body 24 is generated, immediately before landing, the relative speed of the foot 22 on the free leg side with respect to the upper body 24 becomes upward. That is, at the moment of landing of the running gait, the target gait of mouth bot 1 is a gait that makes landing while retracting the leg 22 on the free leg side to the upper body 24 side.
  • the robot 1 sees from the upper body 24 so that the ground speed of the foot 22 on the free leg side becomes 0 or almost 0 at the moment of landing. Land with the foot 22 raised. This reduces the landing impact and prevents the landing impact from becoming excessive.
  • the finite time settling filter is a unit filter having three or more stages (for example, three stages) connected in series, so that the speed of each foot 22 (foot)
  • Each foot 22 that stops only when the speed of change of the flat position is 0 or almost zero, and its acceleration also becomes 0 or almost 0 at the scheduled landing time, and stops.
  • the ground force velocity at the moment of landing is also zero or almost zero. Therefore, the landing impact is further reduced. In particular, even if the actual landing time of the mouth bot 1 deviates from the target landing time force, the impact does not increase so much.
  • the number of stages of the unit filter of the finite time settling filter may be two, but in this case, the planned landing time
  • the acceleration of each foot 22 is generally not zero.
  • the foot posture is maintained constant for a while after each foot 22 has landed on almost the entire bottom surface at the scheduled landing time. Therefore, the time at which the substantially entire bottom surface of the foot 22 contacts the floor is set as the designated time, and the foot posture trajectory is generated by the finite time settling filter.
  • the speed of change of the foot position at the estimated landing time when the foot position trajectory is generated using the finite time settling filter is 0 or almost 0 (the time of the foot position).
  • a function such as a polynomial set so that the change acceleration of the foot position (time differential value of the change speed) at the scheduled landing time is 0 or almost 0 so that the derivative value becomes 0).
  • the desired floor reaction force vertical component trajectory is set as shown in FIG. 9, for example.
  • the shape of the desired floor reaction force vertical component trajectory in the running gait (specifically, the shape in the single leg support period) is defined as a trapezoid (a shape convex to the increase side of the floor reaction force vertical component).
  • the gait parameters are determined using the height of the trapezoid and the time of the break point as the gait parameters that define the desired floor reaction force vertical component trajectory.
  • the desired floor reaction force vertical component is constantly set to zero.
  • the target floor reaction force vertical component trajectory should be set to be substantially continuous (so that the value does not become discontinuous).
  • substantially continuous means that the jump of the value that inevitably occurs when digitally representing an analog continuous trajectory (a true continuous trajectory) in a discrete time system is It is not something that loses continuity.
  • the target ZMP trajectory is set as follows. In the running gait shown in Fig. 5, as described above, the vehicle lands on almost the entire bottom surface of the supporting leg side foot 22, then kicks with the toes of the supporting leg side foot 22 and jumps into the air. Land on almost the entire bottom surface of the side foot 22. Therefore, the target ZMP trajectory during the single leg support period is shown in the upper diagram of FIG. 10, with the intermediate position between the heel and toes of the support leg side foot 22 as the initial position, and then the support leg side foot 22 It is set to remain constant during the period when almost the entire bottom surface is in contact with the ground, and then moved to the toes of the supporting leg side foot 22 before leaving the floor.
  • the top diagram of Figure 10 shows the X axis
  • the target ZMP trajectory in the direction front-rear direction
  • the lower diagram in Fig. 10 shows the target ZMP trajectory in the Y-axis direction (left-right direction). Note that the target ZMP trajectory in the Y-axis direction during the one-leg support period is set to the same position as the center position of the ankle joint of the support leg side leg 2 in the Y-axis direction, as shown in the lower diagram of FIG.
  • the target ZMP trajectory in the Y-axis direction during the one-leg support period is set to the same position as the center position of the ankle joint of the support leg side leg 2 in the Y-axis direction, as shown in the lower diagram of FIG.
  • the target ZMP may be set discontinuously.
  • the target ZMP is set so that the target ZMP position force at the time of getting out of bed (at the end of the one-leg support period) does not move, and at the end of the aerial period, it is discontinuous at the target ZMP position at the time of landing (stepped The target ZMP trajectory may be set so as to move to).
  • the target ZMP trajectory may be set so as to move to.
  • the X-axis direction position of the target ZMP trajectory in the aerial phase is from the toe of the supporting leg side foot 22 until the landing of the next free leg side leg 2. It was made to move continuously to the middle position of the heel and toes of the foot 22 on the free leg side.
  • the Y-axis position of the target ZMP trajectory in the mid-air period is the center of the ankle joint of the supporting leg side leg 2 until the landing of the next leg leg 2 Y-axis direction position force It was made to move continuously to the Y-axis direction position of the center of the ankle joint of the free leg side leg 2.
  • the target ZMP trajectory was made continuous (substantially continuous) throughout the gait. Then, as will be described later, the target gait is generated so that the resultant momentum (excluding the vertical component) of gravity and inertial force around the target ZMP becomes zero (more specifically, the target body position / posture trajectory). Adjusted).
  • the position and time of the break point of the target ZMP trajectory as shown in FIG. 10 are set as ZMP trajectory parameters (parameters that define the target ZMP trajectory).
  • the meaning of “substantially continuous” in the ZMP trajectory described above is that of the floor reaction force vertical component trajectory. Same as the case.
  • the ZMP trajectory parameters are determined so that the stability margin is high and no sudden change occurs.
  • a state in which the target ZMP exists near the center of the smallest convex polygon (so-called support polygon) including the contact surface of the robot 1 is said to have a high stability margin (for details, refer to Japanese Patent Laid-Open No. 10-86081). reference).
  • the target ZMP trajectory in Fig. 10 is set to satisfy these conditions.
  • the target arm posture is expressed as a relative posture with respect to the upper body 24.
  • the target body position / posture, the target foot position / posture, and a later-described reference body posture are described in a global coordinate system.
  • the Groinole coordinate system is a coordinate system fixed to the floor as described above. More specifically, as the global coordinate system, the support leg coordinate system described later is used.
  • the gait generator 100 in the present embodiment is a target gait for one step from the landing of one leg 2 of the robot 1 to the landing of the other leg 2 (meaning in the narrow sense)
  • the desired gait for one step is generated in turn in units of the desired gait at). Therefore, in the running gait shown in FIG. 5 generated in the present embodiment, the target gait is from the start of the one-leg support period to the end of the subsequent air period (at the start of the next one-leg support period).
  • the desired gaits up to are generated in order.
  • the new target gait to be generated is called “current gait”, the next target gait is “next gait”, and the next target gait is “next gait”. Call it like this.
  • the target gait generated immediately before the “current time gait” is referred to as the “previous gait”.
  • the gait generator 100 When the gait generator 100 newly generates the current time's gait, the gait generator 100 includes the planned landing position / posture of the free leg side foot 22 up to two steps ahead of the robot 1, The required value (request) of the scheduled landing time is input as a request parameter for the gait (or the gait generator 100 reads the request parameter from the storage device). The gait generator 100 uses these required parameters to calculate the target body position / posture trajectory, target foot position / posture trajectory, target ZMP trajectory, target floor reaction force vertical component trajectory, target arm posture trajectory, etc. Generate. At this time, some of the gait parameters that define these trajectories are appropriately modified to ensure the continuity of walking.
  • FIG. 11 is a flowchart (structure flowchart) showing gait generation processing executed by the gait generator 100.
  • This process is performed when the gait generator 100 is activated. Next, the process proceeds to SO 14 via S012, and the gait generator 100 waits for a timer interrupt for each control cycle (the calculation processing cycle in the flowchart of FIG. 11). The control period is ⁇ t.
  • the process proceeds to S016, where it is determined whether or not the force is a gait change point.
  • the process proceeds to S018, and when it is not the change point, the process proceeds to S030.
  • the above “gait changeover” means the timing when generation of the previous time's gait is completed and generation of the current time's gait starts. The control cycle becomes the gait change point.
  • time t is initialized to 0, then proceeding to S020, where the next gait support leg coordinate system, the next gait support leg coordinate system, the current gait cycle and the next gait cycle are read. Is included.
  • These supporting leg coordinate systems and gait cycles are determined by the required parameters. That is, in this embodiment, the required parameters given to the gait generator 100 from the joystick 44 and the like are the predicted landing position posture of the free leg side foot 22 up to two steps ahead (the foot 22 has landed and The foot position and posture in a state where the floor is rotated without sliding so that the bottom is almost entirely in contact with the floor surface), and the required value for the expected landing time.
  • the requested values for the gait correspond to the current time's gait and the next time's gait, respectively, and are given to the gait generator 100 before the start of generation of the current time's gait (the gait change in S016). It is what was done. These required values can be changed during the generation of the current time's gait.
  • the system is determined.
  • the gait generator 100 determines a gait parameter of a normal turning gait as a virtual periodic gait following the current time's gait.
  • the gait parameter is a foot trajectory parameter that defines the target foot position / posture trajectory in a normal turning gait, Reference body posture trajectory parameter that defines body posture trajectory, arm trajectory parameter that defines target arm posture trajectory, ZMP trajectory parameter that defines target ZMP trajectory, target floor reaction force lead Floor reaction force vertical component that defines direct component trajectory Includes trajectory parameters.
  • the parameters that define the target floor reaction force horizontal component tolerance range are also included in the gait parameters.
  • the “steady turning gait” is the motion state of the robot 1 at the gait boundary (in this embodiment, the gait boundary for each step) when the gait is repeated ( It is used to mean a periodic gait that does not cause discontinuities in the foot position / posture, body position / posture, etc.
  • the “normal turning gait” may be abbreviated as “normal gait”.
  • the normal turning gait is provisional in order for the gait generator 100 to determine the motion state of the robot 1, such as the divergent component at the end of the current gait, the body vertical position velocity, the body posture angle, and the angular velocity.
  • the gait generator 100 does not output the gait generator 100 as it is.
  • divergence means that the position of the upper body 24 of the bipedal mobile robot 1 shifts to a position far from the positions of both feet 22 and 22.
  • the value of the divergent component is the position of the upper body 24 of the biped mobile robot 1 at the positions of both feet 22 and 22 (more specifically, the global coordinate system set on the ground of the supporting leg side foot 22 ( It is a numerical value that indicates how far away from the origin of the support leg coordinate system).
  • the foot trajectory parameter of the gait parameters of the normal gait is connected so that the foot position / posture trajectory is connected in the order of the current time gait, the first turning gait, and the second turning gait. Is determined.
  • a specific setting method will be described below.
  • the foot 22 of the leg 2 on the support leg side is referred to as the support leg foot
  • the foot 2 of the leg 2 on the free leg side is referred to as the free leg foot.
  • “initial” and “end” of the gait mean the gait start time, end time, or instantaneous gait at those times, respectively.
  • the foot trajectory parameters are the positions and orientations of the supporting leg foot and the free leg foot in the initial stage and the end of the first turning gait and the second turning gait, respectively It consists of a gait cycle.
  • the first swing gait initial free leg The foot position / posture is the foot position / posture at the end of the current time's gait viewed from the next time's gait support leg coordinate system. In this case, in the running gait, the supporting leg foot 22 at the end of the current time gait is moving in the air.
  • Required values for the planned landing position / posture of the leg foot 22 (support for the current time's gait) (required values for the expected landing position / posture for the next time's gait of the foot foot 22) or the next gait supporting leg coordinates corresponding to the required value
  • the foot position / posture trajectory (specifically, the trajectory seen from the next time's gait supporting leg coordinate system) to the gait end position of the next time's gait is determined according to the system. It is calculated
  • a reference body posture trajectory parameter that defines a reference body posture trajectory that the target body posture should follow is determined.
  • the reference body posture is connected at the beginning of the normal gait (the initial of the first turning gait) and the end (the end of the second turning gait) (the reference body posture at the beginning and end of the normal gait)
  • the reference body posture is an upright posture (vertical posture). ). That is, in the present embodiment, the reference body posture is set to the upright posture during the entire period of the normal gait. Therefore, in the present embodiment, the angular velocity and angular acceleration of the posture angle of the reference body posture are zero.
  • arm posture trajectory parameters more specifically, arm posture trajectory parameters other than those relating to changes in angular momentum of both arms around the vertical axis (or upper body trunk axis) are determined.
  • arm posture trajectory parameters such as the relative height of the hand of the arm with respect to the upper body 24 and the relative center of gravity of the entire arm are determined.
  • the relative center-of-gravity position of the entire arm is set to be kept constant with respect to the upper body.
  • floor reaction force vertical component trajectory parameters are set.
  • the floor reaction force vertical component trajectory defined by the parameter is substantially continuous as shown in FIG. 9 even if the first turning gait and the second turning gait are misaligned.
  • the floor reaction force vertical component trajectory parameters are set so that In that pattern, in both the first and second turning gaits, the vertical component of the floor reaction force changes to a trapezoidal shape during the one-leg support period and maintains the floor reaction force vertical component force ⁇ during the aerial period. Is done. And this par The turning point time and the height (peak value) of the trapezoidal part are set as the floor reaction force vertical component trajectory parameters.
  • the allowable range [Fxmin, Fxmax] of the floor reaction force horizontal component (more specifically, the parameters defining this) is It is set as shown in FIG.
  • the negative broken line in Fig. 13 represents the floor reaction force horizontal component allowable lower limit value Fxmin
  • the positive broken line represents the floor reaction force horizontal component allowable upper limit value Fxmax. The following is a supplement on these setting methods. Below, the case where a floor is horizontal is demonstrated.
  • the horizontal component of the floor reaction force has a limit that cannot generate any force friction generated by the friction between the floor and the foot 22. Therefore, the floor reaction force horizontal component of the target gait must always be within the friction limit in order to prevent slipping when the actual robot 1 moves according to the generated target gait. Therefore, in order to satisfy this condition, a floor reaction force horizontal component allowable range is set, and the target gait is set so that the floor reaction force horizontal component of the target gait is within this allowable range as described later. It was decided to generate.
  • Fxmin ka * ⁇ * Floor reaction force vertical component
  • the floor reaction force horizontal component permissible range in Fig. 13 is an example set according to Equation 12.
  • the value and time at the break point such as trapezoidal waveform in Fig. 1713 may be set, but when determining the floor reaction force horizontal component allowable range using Equation 12
  • the value of (ka *) in Equation 12 may be set as a parameter.
  • a trajectory parameter that defines the trajectory of the normal gait combining the first turning gait and the second turning gait is set.
  • the target heel trajectory is set so that the stability margin is high and does not change suddenly as described above.
  • the almost entire bottom surface of the supporting leg foot 22 is maintained in contact with the ground. After that, only the toes of the support leg foot 22 are grounded. Then, kick with the toes of the support foot 22 Then it jumps into the air and finally lands on almost the entire bottom surface of the free leg foot 22.
  • the target ZMP must be within the ground plane. Therefore, in the present embodiment, the positions of the target ZMP in the X axis direction of the first turning gait and the second turning gait of the normal gait are as shown in the upper diagram of FIG.
  • the intermediate position of the heel and toes of the flat 22 is maintained at a constant position for a while and then moved to the toes until the foot 22 comes into contact with the toes. Set to stay on flat 22 toes.
  • the target ZMP continues until the landing of the next free leg foot 22 as described above, and the target ZMP continues from the toe of the supporting leg foot 22 to the intermediate position of the heel and toe of the free leg foot 22.
  • the time and position force of the target ZMP trajectory are set as the MP trajectory parameters.
  • the time of the break point is set according to the gait cycle of the first turning gait and the second turning gait determined according to the required parameters, and the position of the break point is the next time's gait.
  • Support leg coordinate system and next gait support Depending on the position and orientation of the leg coordinate system or the required parameters for the first and second steps of the free leg side foot landing planned position and orientation of the required parameters that define these coordinate systems Is set.
  • the position of the Z MP trajectory in the Y-axis direction is set in the same manner as that shown in the lower diagram of FIG. More specifically, the trajectory of the target ZMP position in the Y-axis direction in the first turning gait is set in the same pattern as in the lower diagram of FIG. 10, and the target ZMP position in the Y-axis direction in the second turning gait is set.
  • the trajectory is set to the same shape as that of the first turning gait and connected to the end of the trajectory.
  • the initial state calculated here is the initial body horizontal position speed (initial body position and initial body speed in the horizontal direction) of the normal gait, initial body vertical position speed (the initial body position in the vertical direction) Body position and initial body velocity), initial divergence component, initial body posture angle and its angular velocity. This initial state is calculated exploratoryly.
  • the foot position / posture trajectory of the current time's gait is the foot position of the normal gait.
  • the foot trajectory parameters of the current time's gait are set so as to lead to the force trajectory.
  • the invention of the present application is characterized in that the trajectory parameters of the foot 22 are set so that the robot can stably walk or run while mitigating the impact of landing on the robot and avoiding slipping and spinning of the sole.
  • the process proceeds to S602, where the reference body posture trajectory parameter force of the current time's gait is determined in the same manner as the first turning gait of the normal gait and the second turning gait.
  • the reference body posture trajectory of the current time's gait is continuously connected to the reference body posture trajectory of the normal gait (the reference body posture angle and angular velocity at the end of the current time's gait are on the basis of the initial normal gait, respectively.
  • the above parameters are set to match the body posture angle and angular velocity.
  • the standard body posture is a normal vertical posture even if the current time's gait and normal gait are different or misaligned.
  • the arm posture trajectory parameters of the current time gait are determined in the same manner as the first turning gait and the second turning gait of the normal gait. However, the above parameters are set so that the arm posture trajectory of the current time's gait is continuously connected to the arm posture trajectory of the normal gait.
  • the arm posture trajectory parameters determined here are the changes in the angular momentum of both arms around the vertical axis (or upper trunk axis), as in the determination of the normal gait parameters (S104 in Fig. 12). It is a motion parameter other than that related to this, and it is a parameter that defines the trajectory of the center of gravity of both arms.
  • the floor reaction force vertical component trajectory defined by the parameter is set so as to be a substantially continuous trajectory (value does not fly stepwise) as shown in Fig. 9. .
  • the floor reaction force vertical component trajectory parameters are determined so that the overall center of gravity vertical position velocity and the floor reaction force vertical component trajectory of the current time's gait are continuously connected to the normal gait. .
  • the floor reaction force horizontal component permissible range [Fxmin, Fxmax] (specifically, a parameter defining the pattern of the floor reaction force horizontal component permissible range) is the first turn of the normal gait.
  • the gait is set in the same way as the second turning gait.
  • the floor reaction force horizontal component allowable range is set in the pattern shown in Fig. 15.
  • the floor reaction force horizontal component permissible range is determined based on Equation 12 according to the floor reaction force vertical component pattern previously determined in S606. Is set.
  • the ZMP trajectory of the current time's gait (specifically, the parameters that define the ZMP trajectory, the time and position of the trajectory breakpoint) is the first turning gait of the normal gait. Similar to the second turning gait, the stability margin is high and it is set as shown in Fig. 10 so that there is no sudden change. However, the above parameters are set so that the ZMP trajectory of the current time's gait is continuously connected to the ZMP trajectory of the normal gait. In other words, the ZMP trajectory parameters are determined so that the ZMP position at the end of the current time's gait matches the ZMP position at the beginning of the normal gait.
  • the method for setting the time and position of the break point of the ZMP track during the single leg support period may be the same as the method for setting the ZMP track parameter for the normal gait described above. Then, the ZMP trajectory parameters should be set so that the target ZMP trajectory in the air period changes linearly and continuously from the start of the air period to the ZMP position at the beginning of the normal gait.
  • the ZMP trajectory parameters of the current time's gait determined in S610 are only provisionally determined, and are corrected as described later. Therefore, the ZMP trajectory of the current time gait set as described above will be referred to as the temporary target ZMP trajectory of the current time gait.
  • the process then proceeds to S028, where the gait parameter (ZMP trajectory parameter of the current time's gait) Meter) is modified.
  • the ZMP trajectory parameters are modified so that the body position / posture trajectory is made continuous or close to the normal gait.
  • the process proceeds to S032, where the arm motion for canceling the spin force (the floor reaction force moment vertical component generated around the target ZMP by movement other than the arm of robot 1 is made substantially zero) is determined.
  • the floor reaction force moment vertical component trajectory in the target ZMP when the arm is not shaken (strictly speaking, when the gait is generated without shaking the arm, the resultant force of the robot's gravity and inertial force is The sign of each instantaneous value of the moment vertical component trajectory acting on the target ZMP is obtained).
  • the instantaneous value is obtained from the vertical component of the floor reaction force moment around the target ZMP (instantaneous value) that balances the instantaneous value of the movement (including arm swing motion). Then, by dividing this by the equivalent moment of inertia of the arm swing motion, the angular acceleration of the arm swing motion necessary for canceling the spin force is obtained. In addition, if the swing of the arm is too large, it can be divided by a value larger than the equivalent moment of inertia.
  • this angular acceleration is second-order integrated, and the angle obtained by passing this through a low-cut filter to prevent the integral value from becoming excessive is taken as the arm swinging operation angle.
  • the left and right arms are swung in the reverse direction so that the center of gravity position of both arms is not changed. It is also possible to generate an arm swing motion for canceling the spinner even in a normal gait and determine the arm swing motion in this time's gait so as to connect to this.
  • the above is the target gait generation process in the gait generator 100.
  • the target gait is generated as described above.
  • the target body position / posture (trajectory) and the target arm posture (trajectory) are sent to the robot geometric model (reverse kinematics calculation unit) 102.
  • Target foot position / posture (trajectory), target ZMP trajectory (target total floor reaction force center point trajectory), and target total floor reaction force (trajectory) (target floor reaction force horizontal component and target floor reaction force) (Vertical component) is sent to the composite compliance action determination unit 104 and also to the target floor reaction force distributor 106.
  • the target floor reaction force distributor 106 distributes the floor reaction force to each foot 22R, 22L, and determines the target foot floor reaction force center point and the target foot floor reaction force.
  • the determined target foot floor reaction force center point and the target foot floor reaction force are sent to the composite compliance action determining unit 104.
  • the corrected compliance foot position / posture (trajectory) with mechanism deformation compensation is sent from the composite compliance action determination unit 104 to the robot geometric model 102.
  • the robot geometric model 102 receives 12 joints of legs 2 and 2 that satisfy the target body position / posture (trajectory) and the corrected target foot position / posture (trajectory) with mechanism deformation compensation.
  • (10R (L) etc.) joint displacement finger Command (value) is calculated and sent to the displacement controller 108.
  • the displacement controller 108 performs follow-up control on the displacements of the 12 joints of the robot 1 using the joint displacement command (value) calculated by the robot geometric model 102 as a target value.
  • the robot geometric model 102 calculates the displacement designation (value) of the arm joint that satisfies the target arm posture and sends it to the displacement controller 108.
  • the displacement controller 108 follows and controls the displacement of the 12 joints of the arm body of the mouth bot 1 using the joint displacement command (value) calculated by the robot geometric model 102 as a target value.
  • the floor reaction force generated in the robot 1 (specifically, the actual foot reaction force) is detected by the 6-axis force sensor 34.
  • the detected value is sent to the composite compliance operation determining unit 104.
  • posture tilt deviation ⁇ errx, ⁇ erry (more specifically, deviation of actual posture angle with respect to target body posture angle, posture angle deviation in roll direction (around X axis) is ⁇ errx, and pitch
  • a posture angle deviation in the direction (around the Y axis) is detected by the inclination sensor 36, and the detected value is sent to the posture stabilization control calculation unit 112.
  • This posture stabilization control calculation unit 112 calculates a compensated total floor reaction force moment around the target total floor reaction force center point (target ZMP) for restoring the body posture angle of the robot 1 to the target body posture angle. It is sent to the composite compliance operation determination unit 104.
  • the composite compliance operation determination unit 104 corrects the target floor reaction force based on the input value. Specifically, the target floor reaction force is corrected so that the compensated total floor reaction force moment acts around the target total floor reaction force center point (target ZMP).
  • the composite compliance action determining unit 104 adjusts the corrected target floor reaction force with the mechanism deformation compensation to match the corrected target floor reaction force with the actual robot state and the floor reaction force for which the force such as the sensor detection value is calculated. Determine the flat position (orbit). However, since it is virtually impossible to match all the states to the target, a trade-off relationship is given between them so that they can be compromised. In other words, the control deviation for each target is given a weight, and control is performed so that the weighted average of the control deviation (or the square of the control deviation) is minimized. As a result, the actual foot position / posture and the total floor reaction force are controlled to substantially follow the target foot position / posture and the target total floor reaction force.
  • the gist of the present invention resides in gait generation of the robot 1 in the gait generator 100, and the configuration and operation of the composite compliance operation determination unit 104 and the like described above are disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei. Since it is described in detail in Gazette 10-277969, etc. Stop Ming more than that.
  • the walking gait is a gait in which the one-leg support period and the both-leg support period in the air are repeated alternately.
  • the body vertical position trajectory determined from at least the geometrical conditions (geometric constraints) related to the displacement of the joints of each leg, such as whether the knee bending angle is appropriate ( —
  • the floor reaction force vertical component trajectory is determined so as to satisfy as much as possible the features such as phase and amplitude of the body vertical position trajectory using the body height determination method described in the 86080 publication.
  • the main part of the algorithm for generating gaits can be shared between running and walking, and it is also possible to shift from walking to running or from running to walking.
  • the body horizontal position trajectory assumes that the floor reaction force vertical component coincides with the robot 1's own weight, and that the body vertical position force is a constant value determined by force. Is determined to be the horizontal component force of the floor reaction force moment. Further, the body posture trajectory at this time may be a trajectory having a constant posture (such as a vertical posture).
  • the foot trajectory was determined using the body height determination method previously proposed by the applicant of the present application (Japanese Patent Laid-Open No. 10-86080, more specifically, the method of Fig. 6 of the same publication).
  • the body vertical position trajectory is calculated based on the foot trajectory determined by the parameters, the body horizontal position trajectory determined as described above, and the body posture trajectory, and this is used as the reference body vertical position trajectory.
  • the reference body vertical position is determined.
  • Features such as trajectory amplitude and phase are calculated (extracted).
  • the reference body vertical The amplitude of the position trajectory (difference between the minimum value and the maximum value) is calculated as the feature amount.
  • the body vertical position trajectory generated based on the floor reaction force vertical component trajectory parameters can satisfy the feature amount as much as possible (the reference body vertical position trajectory).
  • the floor reaction force vertical component trajectory parameters (time at the break point and floor reaction force vertical component value) are determined so that the patterns are as similar as possible. More specifically, in the case of a walking gait, the first turning gait and the second turning gait of the normal gait and the floor reaction force vertical component trajectory of the current time gait are, for example, polygonal lines as shown in FIG.
  • the trapezoidal shape is convex (upward) on the floor reaction force vertical component increase side in the both-leg support period, and is convex (downward convex) on the floor reaction force vertical component decrease side in the one-leg support period.
  • this floor reaction force vertical component trajectory is obtained by integrating the floor 1 from the beginning of the gait (start time of the both-leg support period) to the end (end time of the one-leg support period).
  • the floor reaction force vertical component trajectory parameters for example, the height of two trapezoids of the floor reaction force vertical component trajectory, so that the difference between the maximum and minimum values of the body vertical position trajectory corresponding to CI and C2 are determined (in this example, the breakpoint time of the floor reaction force vertical component trajectory is determined according to the required parameters related to the gait cycle).
  • the parameter of the floor reaction force vertical component trajectory of the normal gait is determined so as to satisfy the following conditions as described above.
  • the average value in the entire normal gait period of the floor reaction force vertical component trajectory (the period of both the first and second turning gaits) is matched with the robot's own weight. That is, the average value of the vertical component of the floor reaction force is set to the same magnitude as the gravity acting on the robot and in the opposite direction.
  • the floor reaction force vertical component trajectory parameters of the current time's gait are determined so that the upper body (overall center of gravity) vertical position trajectory is continuously connected to or approaches the normal gait as described above.
  • the desired floor reaction force vertical component trajectory in the walking gait (parameter that defines this) is determined.
  • the gait generation process other than the determination process of the desired floor reaction force vertical component trajectory described above is the same as that in the embodiment related to the traveling gait described above.
  • the present invention reduces the impact at the time of landing of the robot and avoids slipping of the sole so that the robot can stably walk or run so that the robot can stably walk or run.
  • the meter is set (refer to S600 ). This point will be explained below.
  • the inclination angle of the left foot 22L with respect to the floor measured based on the output of the rotary encoder 33 is such that the rear end (buttock) of the left foot 22L is more floor than the tip (toe).
  • the rotation of the left foot 22L with respect to the left leg 2L is controlled so as to increase toward the positive (+) side, which is farther away.
  • the rear end part (heel part) with respect to the floor surface is higher than the front end part (toe part) from the positive side (+) side,
  • the left foot against the left leg 2L so that it gradually approaches 0 after the tip end (toe) changes to the negative (-) side higher than the rear end (buttock) relative to the floor.
  • the rotation of the flat 22L is controlled.
  • the inclination angle of the floor relative to the reference plane such as the basic horizontal plane and horizontal plane of the robot 1 is determined by the inclination angle of the upper body 24 relative to the horizontal plane according to the output of the inclination sensor 36 when one or more legs 2 are landing, It can be measured by analyzing the image of the floor imaged by the camera 92 or the like.
  • the inclination angle ⁇ may be defined as a function ⁇ (d) of the distance d.
  • ⁇ (d) the inclination angle of the foot 22 with respect to the floor surface from the middle point of the landing phase of the leg 2 to the start point of the landing phase so that the inclination angle ⁇ gradually approaches 0.
  • the angle ⁇ may be controlled to 0 in the middle of the air period, and the angle ⁇ force SO may be maintained until the transition time to the landing period.
  • the foot 2 (or the sole) of the leg 2 is separated.
  • the intermediate point force of the floor period is also controlled from the start of the landing period to the rotation of the foot 22 with respect to the leg 2 so that the inclination angle ⁇ of the foot 22 with respect to the floor gradually approaches 0 (Fig. 5). Figure 6 and Figure 8).
  • the landing area on the foot 22 (or the sole) of the leg 2 immediately after the transition from the leaving phase to the landing phase becomes large, so that the impact at the time of landing is widely dispersed on the sole.
  • the impact received by the robot 1 can be reduced.
  • the robot 1 of the present invention can travel stably while mitigating the impact at the time of landing on the foot 22 of the leg 2 and avoiding slip and spin on the foot 22.
  • the rotational movement of the foot 22 with respect to the leg 2 is controlled in such a manner that the tip of the foot 22 (toe) kicks the floor (at times tl to t2 in Fig. 6). (See foot position / posture trajectory).
  • the propulsive force of the robot 1 is increased, and as described above, slipping and spinning at the foot 22 of the robot 1 are prevented when landing, so that the robot 1 can be operated at a high speed while stabilizing its behavior. Can be moved.
  • the turning motion of the foot 22 with respect to the leg 2 is similarly controlled during walking that does not include the aerial period (see Figs. 5 (c) and 5 (f)) when both legs 2 are getting out of bed. May be. That is, even when the robot 1 is walking, as described above with respect to running, for example, the intermediate time force of the leg 2 during the leaving period The inclination angle ⁇ of the foot 22 with respect to the floor gradually increases toward the beginning of the landing period. The movement of the foot 22 relative to the leg 2 may be controlled so as to approach 0.

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Description

明 細 書
脚式移動ロボットおよびその制御プログラム
技術分野
[0001] 本発明は、脚式移動ロボットおよびその制御プログラムに関する。
背景技術
[0002] 従来、脚式移動ロボットの階段昇降時等におけるロボットへの着地衝撃を緩和し、 動作の安定ィ匕させるための技術的手法が提案されている（例えば、特開平 5— 3183 42号公報参照)。
[0003] しかし、全ての脚体が床面力 浮いている空中期と、複数の脚体の先端にある足底 のうちいずれかが床面に接している着床期とを繰り返すことによりロボットが走行する とき、着地時にロボットが受ける衝撃は特に大きくなる。また、空中期におけるロボット の移動速度やョー軸回りの角速度が過大である等のため、着地時にロボットがその 足底においてスリップしたり、スピンしたりするおそれがある。
[0004] そこで、本発明は、脚体の着床時の衝撃を緩和するとともに当該脚体の足底にお けるスリップやスピンを回避して安定に歩行または走行可能な脚式移動ロボット、およ びその制御プログラムを提供することを解決課題とする。
発明の開示
[0005] 前記課題を解決するための本発明の第 1態様の脚式移動ロボットは、基体に連結 される複数の脚体を駆動することにより、複数の脚体のうちいずれかの足部に床反力 が作用している着床期と、全ての脚体の足部に床反力が作用していない空中期とを 繰り返しながら移動する脚式移動ロボットであって、空中期から着床期に移り変わる 際に、着床する予定の脚体の足部の床面に対する傾斜角度が徐々に変化し、該脚 体の着床時に足部の接地面と床面とが平行になるように脚体を駆動することを特徴と する。
[0006] 本発明の第 1態様の脚式移動ロボットによれば、脚体の離床期の中間時点から着 床期の開始時点にかけてこの脚体の足部の床面に対する傾斜角度が徐々に 0に近 づくように脚体の動作が制御される。これにより、離床期から着床期に移行した直後 の脚体の足部 (接地面）における着床面積が大きいものとなるので、その着床時の衝 撃を足底に広く分散させ、ロボットが受ける衝撃が緩和され得る。また、足部 (接地面 )と床面とのフリクションが大きなものとなるので、脚体の着床直前におけるロボットの 移動速度およびョー軸回りの角速度が大きくても、このフリクションによってスリップや スピンを防止することができる。
[0007] 従って、本発明のロボットは、脚体の足部における着床時の衝撃を緩和するととも にこの足部におけるスリップやスピンを回避して安定に歩行または走行することがで きる。
[0008] また、本発明の第 1態様の脚式移動ロボットは、脚体が離床する直前に、該脚体が その足部の先端部において着床したまま、該足部の後端部が床面から徐々に離れる ように該脚体を駆動することを特徴とする。
[0009] 本発明の脚式移動ロボットによれば、足部の先端部 (爪先)で床面を蹴るような形で 脚体の動作が制御される。これにより、ロボットの推進力が増強される一方、前記のよ うに着床時にロボットの足底におけるスリップやスピンが防止されるので、ロボットをそ の挙動を安定なものとしながら高速移動させることができる。
[0010] さらに、本発明の第 1態様の脚式移動ロボットは、脚体の離床期の中間時点から終 了時点にかけて、足部先端部が足部後端部を基準として高い状態から徐々に同じ高 さとなるように、該脚体を駆動することを特徴とする。
[0011] 本発明の脚式移動ロボットによれば、離床期の中間時点から終了時点にかけて、 足部を床面に対して爪先上がりの姿勢から、床面に平行な姿勢に近づけ、前記のよ うにロボットのスリップ等を防止し得る程度に当該足部 (接地面）における着床面積を ½保することができる。
[0012] また、本発明の第 1態様の脚式移動ロボットは、脚体の離床期の開始時点から中間 時点にかけて、足部先端部が足部後端部を基準として低い状態力も徐々に同じ高さ となった後、徐々に高い状態になるように、該脚体を駆動することを特徴とする。
[0013] 本発明の脚式移動ロボットによれば、離床期の開始時点から中間時点にかけて、 足部を床面に対して踵上がりの姿勢力 爪先上がりの姿勢として力 踵上がりの姿勢 に近づけ、その後、前記のようにロボットのスリップ等を防止し得る程度に当該足部（ 接地面）における着床面積を確保することができる。
[0014] 前記課題を解決するための本発明の第 2態様の脚式移動ロボットは、上体と、上体 から下方に延設された複数の脚体とを備え、各脚体に対して回動可能な足平におけ る離床および着床を伴う各脚体の動作により移動する脚式移動ロボットであって、床 面に対する足平の傾斜角度を測定する足平傾斜角度測定手段と、脚体の離床期の 中間時点から着床期の開始時点にかけて、足平傾斜角度測定手段により測定され た床面に対する該脚体の足平の傾斜角度が、徐々に 0に近づくように、該脚体に対 する足平の回動動作を制御する足平動作制御手段とを備えていることを特徴とする
[0015] 本発明の第 2態様の脚式移動ロボットによれば、脚体の離床期の中間時点から着 床期の開始時点にかけてこの脚体の足平 (足底)の床面に対する傾斜角度が徐々に 0に近づくように脚体に対する足平の回動動作が制御される。これにより、離床期から 着床期に移行した直後の脚体の足平 (足底）における着床面積が大き!/、ものとなるの で、その着床時の衝撃を足底に広く分散させ、ロボットが受ける衝撃が緩和され得る 。また、足底と床面とのフリクションが大きなものとなるので、脚体の着床直前における ロボットの移動速度およびョー軸回りの角速度が大きくても、このフリクションによって スリップやスピンを防止することができる。
[0016] 従って、本発明のロボットは、脚体の足平における着床時の衝撃を緩和するととも にこの足平におけるスリップやスピンを回避して安定に歩行または走行することがで きる。
[0017] また、本発明の第 2態様の脚式移動ロボットは、足平動作制御手段が、離床期の直 前に、脚体が足平の先端部において着床したまま、足平傾斜角度測定手段により測 定された床面に対する該足平の傾斜角度が、該足平の後端部が先端部よりも床面 力 遠くなるような正側に増大するように、該脚体に対する足平の回動動作を制御す ることを特徴とする。
[0018] 本発明の脚式移動ロボットによれば、足平の先端部 (爪先)で床面を蹴るような形で 当該足平の脚体に対する回動動作が制御される。これにより、ロボットの推進力が増 強される一方、前記のように着床時にロボットの足底におけるスリップやスピンが防止 されるので、ロボットをその挙動を安定なものとしながら高速移動させることができる。
[0019] さらに、本発明の第 2態様の脚式移動ロボットは、足平動作制御手段が、脚体の離 床期の中間時点から着床期の開始時点にかけて、足平傾斜角度測定手段により測 定された床面に対する足平の傾斜角度が、足平の先端部が後端部よりも床面から遠 くなるような負側の角度力 徐々に減少して 0になるように、該脚体に対する足平の回 動動作を制御することを特徴とする。
[0020] 本発明の脚式移動ロボットによれば、離床期の中間時点から着床期の開始時点に かけて、足平を床面に対して爪先上がりの姿勢から、床面に平行な姿勢に近づけ、 前記のようにロボットのスリップ等を防止し得る程度に当該足底における着床面積を ½保することができる。
[0021] また、本発明の第 2態様の脚式移動ロボットは、足平動作制御手段が、脚体の離床 期の開始時点力も着床期の開始時点にかけて、足平傾斜角度測定手段により測定 された床面に対する足平の傾斜角度力 正側に徐々に増大して力 徐々に減少した 後、足平の先端部が後端部よりも床面力 遠くなるような負側に徐々に増大してから 徐々に減少して 0になるように、該脚体に対する足平の回動動作を制御することを特 徴とする。
[0022] 本発明の脚式移動ロボットによれば、離床期の開始時点から着床期の開始時点に かけて、足平を床面に対して踵上がりの姿勢力 爪先上がりの姿勢としてから、さらに 床面に平行な姿勢に近づけ、前記のようにロボットのスリップ等を防止し得る程度に 当該足底における着床面積を確保することができる。
[0023] さらに、本発明の第 2態様の脚式移動ロボットは、全ての脚体が離床している空中 期を伴って移動することを特徴とする。
[0024] 本発明の脚式移動ロボットによれば、空中期から脚体が着床するとき、他の脚体が 着床している状態で当該脚体が着床する場合よりも当該脚体の着床衝撃が大きくな るものの、前記のように着床面積が大きく確保されることで着床時の衝撃を軽減する ことができる。
[0025] 前記課題を解決するための本発明の第 1態様の制御プラグラムは、基体に連結さ れる複数の脚体を駆動することにより、複数の脚体のうちいずれかの足部に床反力 が作用している着床期と、全ての脚体の足部に床反力が作用していない空中期とを 繰り返しながら移動する脚式移動ロボットを制御する機能を該ロボットに搭載されてい るコンピュータに対して付与するプログラムであって、空中期から着床期に移り変わる 際に、着床する予定の脚体の足部の床面に対する傾斜角度が徐々に変化し、該脚 体の着床時に足部の接地面と床面とが平行になるように前記ロボットの脚体の作動 を制御する機能を該ロボットに搭載されているコンピュータに対して付与することを特 徴とする。
[0026] 本発明の第 1態様の制御プログラムによれば、脚体の足部における着床時の衝撃 を緩和するとともにこの足部におけるスリップやスピンを回避して安定に歩行または走 行するようにロボットを制御する機能力 このロボットに搭載されているコンピュータに 付与される。
[0027] また、本発明の第 1態様の制御プログラムは、脚体が離床する直前に、該脚体がそ の足部の先端部において着床したまま、該足部の後端部が床面から徐々に離れるよ うに前記ロボットの脚体の作動を制御する機能を該ロボットに搭載されて 、るコンビュ ータに対して付与することを特徴とする。
[0028] さらに、本発明の第 1態様の制御プログラムは、脚体の離床期の中間時点から終了 時点にかけて、足部先端部が足部後端部を基準として高い状態から徐々に同じ高さ となるように、前記ロボットの脚体の作動を制御する機能を該ロボットに搭載されてい るコンピュータに対して付与することを特徴とする。
[0029] また、本発明の第 1態様の制御プログラムは、脚体の離床期の開始時点から中間 時点にかけて、足部先端部が足部後端部を基準として低い状態力も徐々に同じ高さ となった後、徐々に高い状態になるように、前記ロボットの脚体の作動を制御する機 能を該ロボットに搭載されているコンピュータに対して付与することを特徴とする。
[0030] 前記課題を解決するための本発明の第 2態様の制御プログラムは、上体と、上体か ら下方に延設された複数の脚体とを備え、各脚体に対して回動可能な足平における 離床および着床を伴う各脚体の動作により移動する脚式移動ロボットを制御する機 能を該ロボットに搭載されているコンピュータに付与するプログラムであって、床面に 対する足平の傾斜角度を測定する足平傾斜角度測定機能と、脚体の離床期の中間 時点から着床期の開始時点にかけて、足平傾斜角度測定機能により測定された床 面に対する該脚体の足平の傾斜角度が、徐々に 0に近づくように、該脚体に対する 足平の回動動作を制御する足平動作制御機能とを前記ロボットに搭載されているコ ンピュータに対して付与することを特徴とする。
[0031] 本発明の第 2態様の制御プログラムによれば、脚体の足部における着床時の衝 撃を緩和するとともにこの足部におけるスリップやスピンを回避して安定に歩行または 走行するようにロボットを制御する機能力 このロボットに搭載されているコンピュータ に付与される。
[0032] また、本発明の第 2態様の制御プログラムは、足平動作制御機能として、離床期の 直前に、脚体が足平の先端部において着床したまま、足平傾斜角度測定機能により 測定された床面に対する該足平の傾斜角度が、該足平の後端部が先端部よりも床 面力 遠くなるような正側に増大するように、該脚体に対する足平の回動動作を制御 する機能を前記ロボットに搭載されているコンピュータに対して付与することを特徴と する。
[0033] さらに、本発明の第 2態様の制御プログラムは、足平動作制御機能として、脚体の 離床期の中間時点から着床期の開始時点にかけて、足平傾斜角度測定機能により 測定された床面に対する足平の傾斜角度が、足平の先端部が後端部よりも床面から 遠くなるような負側の角度力 徐々に減少して 0になるように、該脚体に対する足平の 回動動作を制御する機能を前記ロボットに搭載されているコンピュータに対して付与 することを特徴とする。
[0034] また、本発明の第 2態様の制御プログラムは、足平動作制御機能として、脚体の離 床期の開始時点から着床期の開始時点にかけて、足平傾斜角度測定機能により測 定された床面に対する足平の傾斜角度が、正側に徐々に増大して力 徐々に減少し た後、足平の先端部が後端部よりも床面力 遠くなるような負側に徐々に増大してか ら徐々に減少して 0になるように、該脚体に対する足平の回動動作を制御する機能を 前記ロボットに搭載されているコンピュータに対して付与することを特徴とする。
[0035] さらに、本発明の第 2態様の制御プログラムは、全ての脚体が離床している空中期 を伴って移動するように、前記ロボットの脚体の作動を制御する機能を該ロボットに搭 載されているコンピュータに対して付与することを特徴とする。
図面の簡単な説明
[0036] [図 1]本発明の実施形態における脚式移動ロボットとしての 2足移動ロボットの全体的 構成の概略を示す概略図。
[図 2]図 1のロボットの各脚体の足平部分の構成を示す側面図。
[図 3]図 1のロボットに備えた制御ユニットの構成を示すブロック図。
[図 4]図 3の制御ユニットの機能的構成を示すブロック図。
[図 5]図 1のロボットの走行歩容を例示する説明図。
[図 6]ロボット走行時の足平位置姿勢軌道の説明図。
[図 7]足底と床面との距離 dの説明図。
[図 8]足底と床面とのなす角度 Θの説明図。
[図 9]目標床反力鉛直成分の設定例を示す線図。
[図 10]目標 ZMPの設定例を示す線図。
[図 11]図 3の制御ユニットに備えた歩容生成装置のメインルーチン処理を示すフロー チャート。
[図 12]図 11のフローチャートサブルーチン処理を示すフローチャート。
[図 13]定常歩容の床反力水平成分許容範囲の設定例を示す線図。
[図 14]図 11のフローチャートのサブノレ一チン処理を示すフローチャート。
[図 15]今回歩容の床反力水平成分許容範囲の設定例を示す線図。
[図 16]歩行歩容における目標床反力鉛直成分の設定例を示す線図。
[図 17]歩行歩容における目標床反力鉛直成分の設定処理を例示するフローチャート である。
発明を実施するための最良の形態
[0037] 本発明の脚式移動ロボットおよびその制御プログラムの実施形態について図面を 用いて説明する。
[0038] 図 1に示されている 2足移動ロボット（以下、ロボットという） 1は上体 24から下方に延 設された左右一対の脚体 (脚部リンク） 2, 2を備える。両脚体 2, 2は同一構造であり、 それぞれ 6個の関節を備える。その 6個の関節は上体 24側力も順に、股 (腰部）の回 旋（回転)用（上体 24に対するョー方向の回転用）の関節 10R, 10L (符号 R、 Lはそ れぞれ右側脚体、左側脚体に対応するものであることを意味する符号である。以下 同じ)と、股 (腰部）のロール方向 (X軸まわり）の回転用の関節 12R, 12Lと、股 (腰部 )のピッチ方向（Y軸まわり）の回転用の関節 14R, 14Lと、膝部のピッチ方向の回転 用の関節 16R, 16Lと、足首のピッチ方向の回転用の関節 18R, 18Lと、足首のロー ル方向の回転用の関節 20R, 20Lとから構成される。
[0039] 各脚体 2の足首の 2つの関節 18R (L) , 20R(L)の下部には、各脚体 2の先端部を 構成する足平 (足部） 22R (L)が取着されると共に、両脚体 2, 2の最上位には、各脚 体 2の股の 3つの関節 10R(L) , 12R (L) , 14R(L)を介して前記上体（上体） 24が 取り付けられている。上体 24の内部には、詳細を後述する制御ユニット 26などが格 納されている。なお、図 1では図示の便宜上、制御ユニット 26を上体 24の外部に記 載している。
[0040] 制御ユニット 26は、ハードウェアとしての CPU、 ROM, RAM,信号入力回路、信 号出力回路等と、このハードウ アに対してロボット 1の作動制御機能を付与するソフ トウエアとしての本発明の「制御プログラム」とより構成されている。
[0041] 上記構成の各脚体 2においては、股関節（あるいは腰関節）は関節 10R (L) , 12R
(L) , 14R(L)から構成され、膝関節は関節 16R(L)から構成され、足関節 (足首関 節）は関節 18R(L) , 20R (L)から構成される。また股関節と膝関節とは大腿リンク 28 R (L)で連結され、膝関節と足関節とは下腿リンク 30R(L)で連結される。
[0042] なお、図示は省略するが、上体 24の上部の両側部には左右一対の腕体が取り付 けられると共に、上体 24の上端部には頭部が配置される。これらの腕体および頭部 は、本発明の要旨と直接的な関連を有しないので詳細な説明は省略するが、各腕体 は、それに備える複数の関節によって、該腕体を上体 24に対して前後に振る等の運 動を行なうことが可能となって 、る。
[0043] 各脚体 2の上記構成により、各脚体 2の足平 (本発明の「足部」に相当する。） 22R( L)は、上体 24に対して 6つの自由度を与えられている。そして、ロボット 1の移動に際 して両脚体 2, 2を合わせて 6*2 = 12個（この明細書で「*」はスカラに対する演算に おいては乗算を示し、ベクトルに対する演算においては外積を示す)の関節を適宜 な角度で駆動することで、両足平 22R, 22Lの所望の運動を行なうことができる。これ によりロボット 1は任意に 3次元空間を移動することができる。
[0044] なお、この明細書で後述する上体 24の位置および速度は、上体 24の所定位置、 具体的には上体 24のあら力じめ定めた代表点（例えば左右の股関節の間の中央点 等）の位置およびその移動速度を意味する。同様に、各足平 22R, 22Lの位置およ び速度は、各足平 22R, 22Lのあら力じめ定めた代表点の位置およびその移動速度 を意味する。この場合、本実施形態では各足平 22R, 22Lの代表点は、例えば各足 平 22R, 22Lの底面上 (より具体的には各脚体 2の足首関節の中心力 各足平 22R , 22Lの底面への垂線が該底面と交わる点等）に設定される。
[0045] 図 1に示す如ぐ各脚体 2の足首関節 18R (L) , 20R(L)の下方には足平 22R (L) との間に公知の 6軸力センサ 34が介装されている。該 6軸力センサ 34は、各脚体 2 の足平 22R(L)の着地の有無、および各脚体 2に作用する床反力（接地荷重)などを 検出するためのものであり、該床反力の並進力の 3方向成分 Fx, Fy, Fz並びにモー メントの 3方向成分 Mx, My, Mzの検出信号を制御ユニット 26に出力する。また、上 体 24には、 Z軸 (鉛直方向（重力方向））に対する上体 24の傾き（姿勢角）とその角速 度とを検出するための傾斜センサ 36が設置され、その検出信号が該傾斜センサ 36 力も制御ユニット 26に出力される。また、詳細構造の図示は省略する力 ロボット 1の 各関節には、それを駆動するために電動モータ 32 (図 3参照）と、その電動モータ 32 の回転量 (各関節の回転角）を検出するためのエンコーダ（ロータリエンコーダ） 33 ( 図 3参照）とが設けられ、該エンコーダ 33の検出信号が該エンコーダ 33から制御ュ ニット 26に出力される。
[0046] 図 2に示すように、各足平 22R(L)の上方には、前記 6軸力センサ 34との間にばね 機構 38が装備されると共に、足底 (各足平 22R(L)の底面）にはゴムなど力もなる足 底弾性体 40が貼られている。これらのばね機構 38および足底弾性体 40によりコンプ ライアンス機構 42が構成されている。ばね機構 38は具体的には、足平 22R(L)の上 面部に取り付けられた方形状のガイド部材（図示せず)と、足首関節 18R(L) (図 2で は足首関節 20R(L)を省略している）および 6軸力センサ 34側に取り付けられ、前記 ガイド部材内に弹性材 (ゴムやばね）を介して微動自在に収納されるピストン状部材（ 図示せず)とから構成されて ヽる。
[0047] 図 2に実線で表示された足平 22R(L)は、床反力を受けていないときの状態を示し ている。各脚体 2が床反力を受けると、コンプライアンス機構 42のばね機構 38と足底 弾性体 40とがたわみ、足平 22R (L)は図中に点線で例示したような位置姿勢に移る 。このコンプライアンス機構 42の構造は、着地衝撃を緩和するためだけでなぐロボッ ト 1の制御性を高めるためにも重要なものである。なお、その詳細は本出願人に先に 提案した特開平 5— 305584号に記載されているので、詳細な説明は省略する。
[0048] さらに、図 1では図示を省略する力 ロボット 1の外部には、該ロボット 1の操縦用の ジョイスティック (操作器) 44 (図 3参照）が設けられ、そのジョイスティック 44を操作す ることで、直進移動しているロボット 1を旋回させるなど、ロボット 1の歩容に対する要 求を必要に応じて制御ユニット 26に入力できるように構成される。この場合、入力で きる要求は、例えばロボット 1の移動時の歩容形態 (歩行、走行等）、遊脚の着地位置 姿勢や着地時刻、あるいはこれらの着地位置姿勢や着地時刻を規定する指令デー タ（例えばロボット 1の移動方向、移動速度等)である。
[0049] 図 3は制御ユニット 26の構成を示すブロック図である。該制御ユニット 26はマイクロ コンピュータにより構成されており、 CPU力もなる第 1の演算装置 60および第 2の演 算装置 62、 AZD変^^ 50、カウンタ 56、 DZA変^^ 66、 RAM54、 ROM64、 並びにこれらの間のデータ授受を行なうバスライン 52を備えている。この制御ユニット 26では、前記各脚体 2の 6軸力センサ 34、傾斜センサ 36、ジョイスティック 44等の出 力信号は AZD変 でデジタル値に変換された後、バスライン 52を介して RA Μ54に入力される。また、ロボット 1の各関節のエンコーダ 33 (ロータリエンコーダ）の 出力はカウンタ 56を介して RAM54に入力される。
[0050] 前記第 1の演算装置 60は後述の如ぐ目標歩容を生成すると共に、関節角変位指 令 (各関節の変位角または各電動モータ 32の回転角の指令値)を算出し、 RAM54 に送出する。また第 2の演算装置 62は RAM54から関節角変位指令と、前記ェンコ ーダ 33の出力信号に基づいて検出された関節角の実測値とを読み出し、各関節の 駆動に必要な操作量を算出して DZA変翻 66とサーボアンプ 32aとを介して各関 節を駆動する電動モータ 32に出力する。 [0051] 図 4は、本実施形態におけるロボット 1の歩容生成装置および制御装置の機能的構 成を全体的に示すブロック図である。この図 4中の「実ロボット」の部分以外の部分が 制御ユニット 26が実行する処理機能 (主として第 1の演算装置 60および第 2の演算 装置 62の機能）によって構成されるものである。なお、以下の説明では、脚体 2の左 右を特に区別する必要がないときは、前記符号 R, Lを省略する。
[0052] 以下説明すると、制御ユニット 26は、後述の如く目標歩容を自在かつリアルタイム に生成して出力する歩容生成装置 100を備えている。該歩容生成装置 100は、その 機能によって、本願発明の各手段を構成するものである。この歩容生成装置 100が 出力する目標歩容は、目標上体位置姿勢軌道 (上体 24の目標位置および目標姿勢 の軌道)、目標足平位置姿勢軌道 (各足平 22の目標位置および目標姿勢の軌道)、 目標腕姿勢軌道 (各腕体の目標姿勢の軌道)、目標全床反力中心点（目標 ZMP)軌 道、および目標全床反力軌道から構成される。なお、脚体 2や腕体以外に、上体 24 に対して可動な部位を備える場合には、その可動部位の目標位置姿勢軌道が目標 歩容に加えられる。
[0053] ここで、上記歩容における「軌道」は時間的変化のパターン（時系列パターン）を意 味し、以下の説明では、「軌道」の代わりに「パターン」と称することもある。また、「姿 勢」は空間的な向きを意味する。具体的には、例えば上体姿勢は Z軸 (鉛直軸）に対 するロール方向（X軸まわり）の上体 24の傾斜角（姿勢角）とピッチ方向（Y軸まわり） の上体 24の傾斜角（姿勢角）とで表され、足平姿勢は各足平 22に固定的に設定さ れた 2軸の空間的な方位角で表される。本明細書では、上体姿勢は上体姿勢角とい うことちある。
[0054] なお、以下の説明では、誤解を生じるおそれがない場合には、しばしば「目標」を省 略する。また、歩容のうちの、床反力に係わる構成要素以外の構成要素、すなわち 足平位置姿勢、上体位置姿勢等、ロボット 1の運動に係わる歩容を総称的に「運動」 という。また、各足平 22に作用する床反力（並進力およびモーメントからなる床反力） を「各足平床反力」と呼び、ロボット 1の全て（2つ）の足平 22R, 22Lについての「各 足平床反力」の合力を「全床反力」という。但し、以下の説明においては、各足平床 反力はほとんど言及しないので、特に断らない限り、「床反力」は「全床反力」と同義と して扱う。
[0055] 目標床反力は、一般的には、作用点とその点に作用する並進力およびモーメント によって表現される。作用点はどこにとっても良いので、同一の目標床反力でも無数 の表現が考えられるが、特に目標床反力中心点 (全床反力の中心点の目標位置)を 作用点にして目標床反力を表現すると、目標床反力のモーメント成分は、鉛直成分（ 鉛直軸 (Z軸)まわりのモーメント）を除いて零になる。換言すれば、目標床反力中心 点まわりの目標床反力のモーメントの水平成分 (水平軸 (X軸および Y軸）回りのモー メント）は零になる。
[0056] なお、動力学的平衡条件を満足する歩容では、ロボット 1の目標運動軌道力 算出 される ZMP (目標運動軌道力も算出される慣性力と重力との合力がその点まわりに 作用するモーメントが、鉛直成分を除いて零になる点）と目標床反力中心点は一致 することから、目標床反力中心点軌道の代わりに目標 ZMP軌道を与えると言っても 同じことである（詳細は、本願出願人による特願 2000— 352011号等を参照)。
[0057] このような背景から、上記特願 2000— 352011号の明細書では目標歩容を、次の ように定義していた。
a)広義の目標歩容とは、 1歩な!/、しは複数歩の期間の目標運動軌道とその目標床 反力軌道との組である。
b)狭義の目標歩容とは、 1歩の期間の目標運動軌道とその ZMP軌道との組である。 c)一連の歩容は、いくつかの歩容がつながったものとする。
[0058] 歩行においては、本出願人が先に特開平 10— 86080号公報で提案した上体高さ 決定手法によってロボット 1の上体 24の鉛直位置（上体高さ）が決定されると、並進床 反力鉛直成分は従属的に決定される。さらに、目標歩容の運動による慣性力と重力 との合力が目標 ZMPまわりに発生するモーメントの水平成分が零になるようにロボッ ト 1の上体水平位置軌道を決定することで、並進床反力水平成分も決定される。この ため、特願 2000— 352011号の明細書では、目標歩容の床反力に関して明示的に 設定すべき物理量としては、目標 ZMPだけで十分であった。従って、狭義の目標歩 容の定義としては、上記の b)で十分であった。それに対し、本実施形態で説明する ロボット 1の走行歩容 (詳細は後述する）においては、床反力鉛直成分 (並進床反力 鉛直成分)も制御上重要である。このため本発明では、この床反力鉛直成分の目標 軌道を明示的に設定した上で、ロボット 1の目標上体鉛直位置等の軌道を決定する。 そこで、本明細書では、狭義の目標歩容の定義として、次の b' )を用いる。
b ' )狭義の目標歩容とは、 1歩の期間の目標運動軌道とその目標 ZMP軌道と目標 並進床反力鉛直成分軌道との組である。
[0059] この明細書では以降、理解を容易にするために、特にことわらない限り、目標歩容 は上記 b' )の狭義の目標歩容の意味で使用する。この場合、目標歩容の「1歩」は、 ロボット 1の片方の脚体 2が着地してからもう一方の脚体 2が着地するまでの意味で使 用する。なお、以下の説明では、「床反力鉛直成分」は「並進床反力鉛直成分」を意 味するものとし、床反力のうちのモーメントの鉛直成分 (鉛直軸回り成分）は、「モーメ ント」という用語を用いて「床反力鉛直成分」と区別をする。同様に、「床反力水平成 分」は「並進床反力水平成分」を意味するものとする。
[0060] また、歩容における両脚支持期とは言うまでもなぐロボット 1がその自重を両脚体 2 , 2で支持する期間、片脚支持期とはいずれか一方のみの脚体 2でロボット 1の自重 を支持する期間、空中期とは両脚体 2, 2が床力 離れている（空中に浮いている)期 間を言う。片脚支持期においてロボット 1の自重を支持しない側の脚体 2を「遊脚」と 呼ぶ。なお、本実施形態で説明する走行歩容では、両脚支持期は無ぐ片脚支持期 (着地期）と空中期とが交互に繰り返される。この場合、空中期では両脚 2, 2とも、口 ボット 1の自重を支持しないこととなるが、該空中期の直前の片脚支持期において遊 脚であった脚体 2、支持脚であった脚体 2をそれぞれ該空中期においても遊脚、支 持脚と呼ぶ。
[0061] 図 5に示す走行歩容を例にして、歩容生成装置 100が生成する目標歩容の概要を 説明する。なお、歩容に関するその他の定義および詳細は、先に本願出願人が提案 した特開平 10— 86081号公報にも記載されているので、以下では、特開平 10— 86 081号公報に記載されていない内容を主に説明する。
[0062] まず、図 5に示す走行歩容を説明する。この走行歩容は、人間の通常的な走行歩 容と同様の歩容である。この走行歩容では、ロボット 1の左右いずれか一方のみの脚 体 2 (支持脚)の足平 22が着地 (接地)する片脚支持期と、両脚体 2, 2が空中に浮く 空中期とが交互に繰り返される。
[0063] この走行歩容は、図 5 (a)に示されて 、るように左脚体 2Lの後方にある右脚体 2R が前方に振られ、左脚体 2Lの足平 22Lがその底面のほぼ全面で着床して 、る片脚 支持期の中間時点 (t = 1 )、図 5 (b)に示されているように左脚体 2Lの前方にある右 脚体 2Rが前方に振られ、左脚体 2Lの足平 22Lが着床しながらもその後端側が上昇 するように傾動している片脚支持期の終了時点（〜次の空中期の開始時点）（t=t2) 、図 5 (c)に示されているように右脚体 2Rが左脚体 2Lより前にあって両脚体が離床し て 、る空中期（t = t3)、図 5 (d)に示されて!/、るように右脚体 2Rの足平 22Lがその底 面のほぼ全面で着床する片脚支持期の開始時点（〜前の空中期の終了時点）（t = t 4)、図 5 (e)に示されて 、るように右脚体 2Rより前方にある左脚体 2Lが前方に振ら れ、左脚体 2Rの足平 22Rが着床しながらもその後端側が上昇するように傾動して ヽ る片脚支持期の終了時点 (〜次の空中期の開始時点）（t=t5)、図 5 (f)に示されて V、るように左脚体 2Lが右脚体 2Rより前にあって両脚体が離床して 、る空中期（t=t 6)、および図 5 (g)に示されているように左脚体 2Lの足平がその底面のほぼ全面で 着床する片脚支持期の開始時点 (〜前の空中期の終了時点）（t=t7)へと変化する ようなものである。
[0064] 図 5の走行歩容を考慮しつつ、前記歩容生成装置 100が生成する目標歩容の基 本的な概要を説明する。詳細は後述するが、歩容生成装置 100が目標歩容を生成 するとき、遊脚側の足平 22の着地位置姿勢 (着地予定位置姿勢)や着地時刻 (着地 予定時刻）等の目標歩容生成用の基本的な要求値 (要求パラメータ）が、前記ジョイ スティック 44の所要の操作等に応じて歩容生成装置 100に与えられる。そして、歩容 生成装置 100は、その要求パラメータを用いて目標歩容を生成する。より詳しく言え ば、歩容生成装置 100は、上記要求パラメータに応じて、目標歩容の目標足平位置 姿勢軌道、目標床反力鉛直成分軌道等、目標歩容の一部の構成要素を規定するパ ラメータ (歩容パラメータと 、う）を決定した上で、その歩容パラメータを用いて目標歩 容の瞬時値を逐次決定し、該目標歩容の時系列パターンを生成する。
[0065] この場合、目標足平位置姿勢軌道 (より詳しくは、足平の位置および姿勢の空間的 な各成分 (X軸成分等)の目標軌道）は、例えば本出願人が特許第 3233450号にて 提案した有限時間整定フィルタを用いて各足平 22毎に生成される。この有限時間整 定フィルタは、可変時定数の 1次遅れフィルタ、すなわち、伝達関数が 1Ζ (1 + τ s) の形で表されるフィルタ（ τは可変の時定数。以下、このフィルタを単位フィルタという )を複数段 (本実施形態では 3段以上)、直列に接続したものであり、所望の指定時 刻に指定値に到達するような軌道を生成'出力することができるものである。この場合 、各段の単位フィルタの時定数 τは、いずれも、有限時間整定フィルタの出力生成を 開始してから、上記指定時刻までの残時間に応じて逐次可変的に設定される。より 詳しくは、該残時間が短くなるに伴いての値が所定の初期値（>0)力 減少されて いき、最終的には、該残時間が 0になる指定時刻にて、 ての値力^になるように設定 される。そして、有限時間整定フィルタには、前記指定値 (より詳しくは、有限時間整 定フィルタの出力の初期値から前記指定値への変化量）に応じた高さのステップ入 力が与えられる。このような有限時間整定フィルタは、指定時刻にて指定値に達する ような出力が生成されるだけでなぐ指定時刻における有限時間整定フィルタの出力 の変化速度を 0またはほぼ 0にすることができる。特に、単位フィルタを 3段以上（3段 でよい）、接続した場合には、有限時間整定フィルタの出力の変化加速度 (変化速度 の微分値)をも 0またはほぼ 0にすることができる。
このような有限時間整定フィルタを用いる足平位置姿勢軌道 (足平 22が着地してか ら次に着地するまでの位置姿勢軌道）の生成は、例えば次のように行なわれる。例え ば X軸方向（前後方向）の目標足平位置軌道は次のように生成される。すなわち、前 記要求パラメータにより定まる各足平 22の次の着地予定位置の X軸方向位置 (より詳 しくは、次の着地予定位置のひとつ前の着地位置に対する X軸方向の変化量 (移動 量)。これは前記指定値に相当する）に応じて有限時間整定フィルタへのステップ入 力の高さが決定されると共に前記時定数てが所定の初期値に初期化された後、その 決定されたステップ入力が有限時間整定フィルタに与えられ、足平 22の X軸方向位 置の軌道生成が開始される。そして、この軌道生成時には、前記時定数 τは、足平 2 2の着地予定時刻（これは前記指定時刻に相当する）までに初期値力 0まで減少し ていくように、逐次可変設定される。これにより、着地予定時刻で着地予定位置に達 するような、足平 22の X軸方向の位置の軌道が生成される。 [0067] また、 Z軸方向（鉛直方向）の目標足平位置軌道は、例えば次のように生成される。 すなわち、まず、足平 22の次の着地予定位置および着地予定時刻に応じて、該足 平 22の高さ (鉛直位置）が最大になるときの該足平 22の Z軸方向位置 (以下、最高 点位置という）とその最高点位置への到達時刻とが決定される。そして、その最高点 位置 (これは前記指定値に相当する）に応じて有限時間整定フィルタへのステップ入 力の高さが決定されると共に時定数てが初期化された後、その決定されたステップ 入力が有限時間整定フィルタに与えられ、前記最高点位置までの Z軸方向の足平位 置軌道が逐次生成される。この際、時定数 τは、最高点位置への到達時刻（前記指 定時刻に相当）までに初期値力も 0まで減少するように逐次可変設定される。さらに、 最高点位置までの Ζ軸方向位置の軌道の生成が終了したら、時定数てを初期化す ると共にいままでのステップ入力と逆極性のステップ入力（より詳しくは、最高点位置 力 次の着地予定位置までの Ζ軸方向の変化量 (これは前記指定値に相当する）に 応じた高さの逆極性のステップ入力）が有限時間整定フィルタに入力され、該最高点 位置力も着地予定位置までの Ζ軸方向の足平位置の軌道が逐次生成される。この際 、時定数 τは足平 22の着地予定時刻までに初期値力も 0まで減少するように逐次可 変設定される。
[0068] これにより、図 5の走行歩容における左脚体 2Lの足底と床面との距離 dが、図 6およ び図 7に示されているように変化するように、 Z軸方向（鉛直方向）の目標足平位置軌 道が生成される。
[0069] なお、 Z軸方向の足平位置軌道の生成においては、時定数 τを軌道生成開始時 刻から足平 22の着地予定時刻まで、初期値力 0まで継続的に減少するように可変 設定すると共に、最高点位置への到達時刻またはその近傍時刻で、ステップ入力の 極性を逆極性に切り替えることで、 Ζ軸方向の足平位置軌道を生成するようにしても よい。この場合には、足平 22を所望の最高点位置に精度よく到達させることはできな いが、着地予定時刻での着地予定位置への到達は問題なく行なうことができる。
[0070] 足平姿勢軌道についても、上述した足平位置軌道と同様に有限時間整定フィルタ を用いて生成することができる。この場合、足平姿勢の空間的な各成分のうち、その 姿勢の角度変化が単調的 (単調増加または単調減少)なものとなる成分については 、前記した X軸方向の足平位置軌道の生成と同様に足平姿勢軌道を生成すればよ い。また、姿勢の角度変化が極大値または極小値をもつような成分については、前記 した Z軸方向の足平位置軌道の生成と同様に足平姿勢軌道を生成すればよい。
[0071] これにより、図 5の走行歩容における左足平 22Lの横から見た姿勢力 図 6および 図 8に示されているように変化するように Z軸方向の足平姿勢軌道が生成される。具 体的には、離床期における足底が床面に対して先端部 (爪先部）が後端部 (踵部)よ りも高い傾斜状態から、先端部を下降させるように連続的に傾動しながらこの離床期 力も次の着床期への移行直前にその床面に対して略平行になるように、足平 22Lの 傾斜状態が変化する。当該角度 Θは、足底が床面に対して前方上がりのときは負（ 一）、前方下がりのときは正（+ )であると定義されて 、る。
[0072] 本発明のロボット 1は、空中期（図 5 (c) (f)参照）において、足底と床面とのなす角 度 Θが 0となるように足平 22の傾斜状態が制御される。すなわち、図 5 (g)および図 6 に示されているように、遅くとも空中期から着床期に移行する時刻 t=t7には左足平 2 2Lの当該角度 Θ力^に制御されている。
[0073] なお、角度 Θが距離 dの関数 Θ (d)として定義されてもよい。前記のように離床期に おける足底が連続的に傾動しながら次の着床期への移行直前にその床面に対して 略平行になるように、足平 22の傾斜状態が制御されている場合（図 6参照）、 Θ (d= 0) =0、離床期から着床期への移行直前において δ θ Ζ δ d>0となる。また、空中 期の途中で角度 Θ力^に制御され、そのまま着床期への移行時刻まで角度 Θが 0に 維持されてもよい。
[0074] なお、上記のように有限時間整定フィルタにより生成される目標足平位置姿勢軌道 は、床面に固定された後述の支持脚座標系での各足平 22の目標位置姿勢軌道で ある。
[0075] 上述のように生成される目標足平位置姿勢軌道は、各足平 22の位置が、その初期 接地状態（目標歩容の初期時刻の状態)から着地予定位置に向かって徐々に加速 しながら移動を開始するように生成される。そして、該目標足平位置姿勢軌道は、最 終的に着地予定時刻までに徐々〖こ位置の変化速度を 0またはほぼ 0にまで減速し、 着地予定時刻にて着地予定位置に到達して停止するように生成される。このため、 各足平 22の着地瞬間における対地速度 (床に固定された支持脚座標系での各足平 22の位置の変化速度）が 0またはほぼ 0になる。従って、走行歩容において同時に全 脚体 2, 2が空中に存在する状態 (空中期での状態)から着地しても、着地衝撃が小 さくなる。
[0076] 前記走行歩容においては、ロボット 1に作用する重力によって空中期後半力 上体 24の鉛直速度は下向きになり、着地時でも下向きのままである。従って、上記のよう に各足平 22の着地瞬間における対地速度が 0またはほぼ 0になるように目標足平位 置姿勢軌道を生成すると共に、後述する如く動力学的平衡条件を満たすように上体 24の目標位置姿勢軌道を生成したとき、着地直前において、上体 24に対する遊脚 側の足平 22の相対速度は、上向きになる。すなわち、走行歩容の着地瞬間では、口 ボット 1の目標歩容は遊脚側の脚体 22を上体 24側に引っ込めながら着地するような 歩容となる。言い換えれば、本実施例での目標歩容では、ロボット 1は、着地瞬間に おいて、遊脚側の足平 22の対地速度が 0またはほぼ 0になるように、上体 24から見 て該足平 22を引き上げるようにして着地する。これによつて、着地衝撃は小さくなり、 着地衝撃が過大になるのを防止するようにして 、る。
[0077] また、本実施形態では、有限時間整定フィルタは、単位フィルタを 3段以上 (例えば 3段）、直列に接続したものであるため、着地予定時刻までに各足平 22の速度 (足平 位置の変化速度）が 0またはほぼ 0になるだけでなぐ各足平 22は、その加速度も着 地予定時刻にて 0またはほぼ 0になって停止する。つまり、着地瞬間における対地力口 速度も 0またはほぼ 0になる。従って、着地衝撃がより一層小さくなる。特に、実際の口 ボット 1の着地時刻が目標の着地時刻力もずれても、衝撃があまり増大しなくなる。補 足すると、着地予定時刻にて各足平 22の対地速度を 0またはほぼ 0にする上では、 有限時間整定フィルタの単位フィルタの段数は 2段でもよいが、この場合には、着地 予定時刻での各足平 22の加速度は一般には 0にならない。
[0078] なお、足平姿勢に関しては、各足平 22が着地予定時刻にてその底面のほぼ全面 で着地した後、しばらく一定に維持される。このため、該足平 22の底面のほぼ全面が 床に接地する時刻を前記指定時刻に設定して、前記有限時間整定フィルタにより足 平姿勢軌道が生成される。 [0079] また、本実施形態では、有限時間整定フィルタを用いて足平位置軌道を生成した 力 着地予定時刻での足平位置の変化速度が 0またはほぼ 0になる（足平位置の時 間微分値が 0になる）ように、さらには、該着地予定時刻での足平位置の変化加速度 (変化速度の時間微分値）が 0またはほぼ 0になるように設定された多項式などの関 数を用いて目標足平位置軌道を生成するようにしても良い。このことは、目標足平姿 勢軌道の生成に関しても同様である。但し、該目標足平姿勢軌道の生成に関しては 、上述の如ぐ各足平 22の底面のほぼ全面が床に設置する時刻にて、各足平 22の 姿勢の変化速度、さらにはその変変化加速度が 0またはほぼ 0になるように多項式な どの関数が設定される。
[0080] 目標床反力鉛直成分軌道は、例えば図 9のように設定される。本実施形態では、走 行歩容における目標床反力鉛直成分軌道の形状 (詳しくは片脚支持期での形状)は 、台形状 (床反力鉛直成分の増加側に凸の形状）に定められており、その台形の高さ 、折れ点の時刻を目標床反力鉛直成分軌道を規定する歩容パラメータとして、それ らの歩容パラメータ (床反力鉛直成分軌道パラメータ）が決定される。なお、走行歩容 の空中期では、目標床反力鉛直成分は定常的に 0に設定される。この例のように、目 標床反力鉛直成分軌道は、実質的に連続になるように (値が不連続にならな 、ように )設定するのが良い。これは床反力を制御する際のロボット 1の関節の動作を滑らか にするためである。なお、「実質的に連続」というのは、アナログ的に連続な軌道 (真 の意味での連続な軌道）を離散時間系でデジタル表現したときに必然的に生じる値 の飛びは、該軌道の連続性を失わせるものではな ヽと 、うことを意味するものである
[0081] 目標 ZMP軌道は次のように設定される。図 5の走行歩容においては、前記したよう に支持脚側足平 22の底面のほぼ全面で着地し、次にその支持脚側足平 22の爪先 で蹴って空中に飛び上がり、最後に遊脚側足平 22の底面のほぼ全面で着地する。 従って、片脚支持期での目標 ZMP軌道は、図 10の上段図に示すように、支持脚側 足平 22の踵および爪先の中間位置を初期位置として、次に支持脚側足平 22の底 面のほぼ全面が接地する期間において一定に維持され、その後、離床時までに支 持脚側足平 22の爪先に移動するように設定される。ここで、図 10の上段図は、 X軸 方向（前後方向）の目標 ZMP軌道を示すものであり、図 10の下段図は Y軸方向（左 右方向）の目標 ZMP軌道を示すものである。なお、片脚支持期における Y軸方向の 目標 ZMP軌道は、図 10の下段図に示すように、 Y軸方向での支持脚側脚体 2の足 首関節の中心位置と同じ位置に設定される。
[0082] 走行歩容では、さらに片脚支持期の終了後、両脚体 2, 2が床から離れ、床反力鉛 直成分が 0になる。床反力鉛直成分が 0の時、すなわち空中期には、ロボット 1の全 体重心は自由落下運動をし、全体重心まわりの角運動量変化は零である。この時、 床の任意の点において、ロボット 1に作用する重力と慣性力との合力のモーメントは 0 であるので、目標 ZMPは不定である。すなわち、床のいずれの点も、「重力と慣性力 との合力が作用するモーメントの水平成分が 0である作用点」という ZMPの条件を満 たす。言いかえれば、任意の点に目標 ZMPを設定しても、上記合力が目標 ZMP回 りに作用するモーメントの水平成分力^であるという動力学的平衡条件を満足する。 従って、目標 ZMPを不連続に設定しても構わない。例えば、空中期では、目標 ZMP を、離床時 (片脚支持期の終了時)の目標 ZMP位置力も移動しないように設定し、空 中期終端において、着地時の目標 ZMP位置に不連続 (ステップ状）に移動するよう に該目標 ZMP軌道を設定しても構わない。しかし本実施形態では、図 10の上段図 に示すように、空中期における目標 ZMP軌道の X軸方向位置は、次の遊脚側脚体 2 の着地までに支持脚側足平 22の爪先から遊脚側足平 22の踵および爪先の中間位 置まで連続的に移動するようにした。また、図 10の下段図に示すように、空中期にお ける目標 ZMP軌道の Y軸方向位置は、次の遊脚側脚体 2の着地までに支持脚側脚 体 2の足首関節の中心の Y軸方向位置力 遊脚側脚体 2の足首関節の中心の Y軸 方向位置まで連続的に移動するようにした。すなわち、歩容の全期間において目標 ZMP軌道を連続 (実質的に連続）にした。そして、後述するように、目標 ZMPまわり の重力と慣性力との合力のモーメント (鉛直成分を除く）が零になるように目標歩容を 生成する (より具体的には目標上体位置姿勢軌道を調整する)ようにした。
[0083] なお、本実施形態では、図 10に示したような目標 ZMP軌道の折れ点の位置や時 刻が、 ZMP軌道パラメータ（目標 ZMP軌道を規定するパラメータ）として設定される。 また、上記した ZMP軌道の「実質的に連続」の意味は、前記床反力鉛直成分軌道の 場合と同様である。
[0084] ZMP軌道パラメータは、安定余裕が高ぐかつ急激な変化をしないように決定され る。ここで、ロボット 1の接地面を含む最小の凸多角形 (いわゆる支持多角形)の中央 付近に目標 ZMPが存在する状態を安定余裕が高いと言う（詳細は特開平 10— 860 81号公報を参照)。図 10の目標 ZMP軌道はこのような条件を満たすように設定した ものである。
[0085] また、目標腕姿勢は、上体 24に対する相対姿勢で表す。
[0086] また、目標上体位置姿勢、目標足平位置姿勢および後述の基準上体姿勢はグロ 一バル座標系で記述される。グロ一ノ レ座標系は前述のごとく床に固定された座標 系である。グローバル座標系としては、より具体的には、後述する支持脚座標系が用 いられる。
[0087] 本実施形態における歩容生成装置 100は、ロボット 1の片方の脚体 2が着地してか ら他方の脚体 2が着地するまでの 1歩分の目標歩容 (前記狭義の意味での目標歩容 )を単位として、その 1歩分の目標歩容を順番に生成する。従って、本実施形態で生 成する図 5の走行歩容では、該目標歩容は片脚支持期の開始時から、これに続く空 中期の終了時 (次の片脚支持期の開始時)までの目標歩容が順番に生成される。こ こで、新たに生成しょうとしている目標歩容を「今回歩容」、その次の目標歩容を「次 回歩容」、さらにその次の目標歩容を「次次回歩容」、というように呼ぶ。また、「今回 歩容」の一つ前に生成した目標歩容を「前回歩容」と呼ぶ。
[0088] また、歩容生成装置 100が今回歩容を新たに生成するとき、該歩容生成装置 100 には、ロボット 1の 2歩先までの遊脚側足平 22の着地予定位置姿勢、着地予定時刻 の要求値 (要求）が歩容に対する要求パラメータとして入力される（あるいは歩容生成 装置 100が記憶装置から要求パラメータを読み込む)。そして、歩容生成装置 100は 、これらの要求パラメータを用いて、目標上体位置姿勢軌道、目標足平位置姿勢軌 道、目標 ZMP軌道、目標床反力鉛直成分軌道、目標腕姿勢軌道等を生成する。こ のとき、これらの軌道を規定する歩容パラメータの一部は、歩行の継続性を確保する ように適宜修正される。
[0089] 以下に図 5の走行歩容を生成することを例にして、歩容生成装置 100の歩容生成 処理の詳細を図 11〜図 15を参照しつつ説明する。図 11は、その歩容生成装置 10 0が実行する歩容生成処理を示すフローチャート (構造ィ匕フローチャート）である。
[0090] まず S010において時刻 tを 0に初期化するなど種々の初期化作業が行なわれる。
この処理は、歩容生成装置 100の起動時等に行なわれる。次いで、 S012を経て SO 14に進み、歩容生成装置 100は、制御周期（図 11のフローチャートの演算処理周期 )毎のタイマ割り込みを待つ。制御周期は Δ tである。
[0091] 次いで、 S016に進み、歩容の切り替わり目である力否かが判断され、歩容の切り 替わり目であるときは S018に進むと共に、切り替わり目でないときは S030に進む。こ こで、上記「歩容の切り替わり目」は、前回歩容の生成が完了し、今回歩容の生成を 開始するタイミングを意味し、例えば前回歩容の生成を完了した制御周期の次の制 御周期が歩容の切り替わり目になる。
[0092] S018に進むときは時刻 tが 0に初期化され、次いで S020に進み、次回歩容支持 脚座標系、次次回歩容支持脚座標系、今回歩容周期および次回歩容周期が読み 込まれる。これらの支持脚座標系および歩容周期は、前記要求パラメータにより定ま るものである。すなわち、本実施形態では、歩容生成装置 100にジョイスティック 44 等から与えられる要求パラメータは、 2歩先までの遊脚側足平 22の着地予定位置姿 勢 (足平 22が着地して力 足底を床面にほぼ全面的に接触させるように、滑らさずに 回転させた状態での足平位置姿勢)、着地予定時刻の要求値を含んでおり、その 1 歩目の要求値、 2歩目の要求値がそれぞれ、今回歩容、次回歩容に対応するものと して、今回歩容の生成開始時 (前記 S016の歩容の切り替わり目）以前に歩容生成装 置 100に与えられたものである。なお、これらの要求値は今回歩容の生成途中でも 変更することは可能である。
[0093] そして、上記要求パラメータにおける 1歩目の遊脚側足平 22 (今回歩容での遊脚 側足平 22)の着地予定位置姿勢の要求値に対応して次回歩容支持脚座標系が定 まる。
[0094] 次いで S022に進み、歩容生成装置 100は、今回歩容に続く仮想的な周期的歩容 としての定常旋回歩容の歩容パラメータを決定する。該歩容パラメータは、定常旋回 歩容における目標足平位置姿勢軌道を規定する足平軌道パラメータ、基準とする上 体姿勢軌道を規定する基準上体姿勢軌道パラメータ、目標腕姿勢軌道を規定する 腕軌道パラメータ、目標 ZMP軌道を規定する ZMP軌道パラメータ、目標床反力鉛 直成分軌道を規定する床反力鉛直成分軌道パラメータを含む。さらに、目標床反力 水平成分許容範囲を規定するパラメータも歩容パラメータに含まれる。
[0095] なお、この明細書で「定常旋回歩容」は、その歩容を繰り返したときに歩容の境界（ 本実施形態では 1歩毎の歩容の境界）においてロボット 1の運動状態 (足平位置姿勢 、上体位置姿勢等の状態）に不連続が生じないような周期的歩容を意味するものとし て使用する。以降、「定常旋回歩容」を「定常歩容」と略す場合もある。
[0096] 定常旋回歩容は、歩容生成装置 100で今回歩容の終端における発散成分や上体 鉛直位置速度、上体姿勢角およびその角速度等のロボット 1の運動状態を決定する ために暫定的に作成されるものであり、歩容生成装置 100からそのまま出力されるも のではない。
[0097] なお、「発散」とは、 2足移動ロボット 1の上体 24の位置が両足平 22, 22の位置から 力け離れた位置にずれてしまうことを意味する。発散成分の値とは、 2足移動ロボット 1の上体 24の位置が両足平 22, 22の位置 (より具体的には、支持脚側足平 22の接 地面に設定されたグローバル座標系（支持脚座標系）の原点)からかけ離れていく具 合を表す数値である。
[0098] 本題に戻り、 S022では、図 12に示すフローチャートに従って、以下の処理が行わ れる。
[0099] まず、 S100において、今回歩容、第 1旋回歩容、第 2旋回歩容の順に足平位置姿 勢軌道がつながるように、定常歩容の歩容パラメータのうちの足平軌道パラメータが 決定される。以下に具体的な設定方法を説明する。なお、以降の説明では、支持脚 側の脚体 2の足平 22を支持脚足平と称し、遊脚側の脚体 2の足平 2を遊脚足平を称 する。また、歩容の「初期」、「終端」はそれぞれ歩容の開始時刻、終了時刻またはそ れらの時刻における瞬時歩容を意味する。
[0100] 足平軌道パラメータは、第 1旋回歩容および第 2旋回歩容の初期および終端のそ れぞれにおける支持脚足平および遊脚足平のそれぞれの位置姿勢、各旋回歩容の 歩容周期等から構成される。この足平軌道パラメータのうち、第 1旋回歩容初期遊脚 足平位置姿勢は、次回歩容支持脚座標系から見た今回歩容終端支持脚足平位置 姿勢とされる。この場合、走行歩容では、今回歩容終端における支持脚足平 22は、 空中に移動している。そして、今回歩容終端支持脚足平位置姿勢は、今回歩容初期 支持脚足平位置姿勢（ =前回歩容終端遊脚足平位置姿勢)から、前記要求パラメ一 タにおける 2歩目の遊脚側足平 22の着地予定位置姿勢の要求値 (今回歩容の支持 脚足平 22の次回歩容における着地予定位置姿勢の要求値)または該要求値に対応 する次次回歩容支持脚座標系に応じて定まる次回歩容終端遊脚足平位置姿勢に 至る足平位置姿勢軌道 (詳しくは次回歩容支持脚座標系から見た軌道)を、今回歩 容終端まで前記有限時間整定フィルタを用いて生成することにより求められる。
[0101] 次に、 S102に進み、目標上体姿勢が追従すべき基準上体姿勢軌道を規定する基 準上体姿勢軌道パラメータが決定される。基準上体姿勢は、定常歩容の初期 (第 1 旋回歩容の初期）と終端 (第 2旋回歩容の終端)とでつながるように（定常歩容の初期 、終端での基準上体姿勢の姿勢角およびその角速度が一致するように）に設定され ている限り、一定姿勢である必要はないが、本実施形態では理解を容易にするため 、基準上体姿勢は、直立姿勢 (鉛直姿勢）に設定される。つまり、本実施形態では、 基準上体姿勢は、定常歩容の全期間において直立姿勢に設定される。従って、本実 施形態では、基準上体姿勢の姿勢角の角速度および角加速度は 0である。
[0102] 次に、 S104に進み、腕姿勢軌道パラメータ、より詳しくは鉛直軸 (あるいは上体体 幹軸)まわりの両腕体の角運動量変化に関すること以外の腕姿勢軌道パラメータが 決定される。たとえば、上体 24に対する腕体の手先の相対高さや腕全体の相対重心 位置などの腕姿勢軌道パラメータが決定される。なお、本実施形態では、腕全体の 相対重心位置は、上体に対して一定に維持されるように設定される。
[0103] 次に、 S106に進み、床反力鉛直成分軌道パラメータが設定される。この場合、該 パラメータにより規定される床反力鉛直成分軌道が、第 1旋回歩容および第 2旋回歩 容の 、ずれにぉ 、ても図 9のように実質的に連続な (値がステップ状に飛ばな 、)も のとなるように床反力鉛直成分軌道パラメータが設定される。そのパターンでは、第 1 旋回歩容および第 2旋回歩容のいずれにおいても、片脚支持期では床反力鉛直成 分が台形状に変化し、空中期では床反力鉛直成分力^に維持される。そして、このパ ターンの折れ点の時刻や、台形部分の高さ (ピーク値)が床反力鉛直成分軌道パラメ ータとして設定される。
[0104] 次に、 S108に進み、上記のごとく設定された床反力鉛直成分軌道に応じて、床反 力水平成分の許容範囲 [Fxmin, Fxmax] (より詳しくはこれを規定するパラメータ）が図 13のように設定される。図 13の負側の折れ線が床反力水平成分許容下限値 Fxmin 、正側の折れ線が床反力水平成分許容上限値 Fxmaxを表す。これらの設定方法に 関して以下に補足する。以下では、床面が水平である場合について説明する。
[0105] 床反力水平成分は、床と足平 22との間の摩擦によって発生する力 摩擦はいくら でも発生できるわけではなぐ限界がある。従って、生成された目標歩容に従って実 際のロボット 1が移動した時にスリップしな 、ようにするためには、目標歩容の床反力 水平成分が、常に摩擦限界以内になければならない。そこで、この条件を満足させる ために、床反力水平成分許容範囲を設定し、後述するように、目標歩容の床反力水 平成分がこの許容範囲内になるように、目標歩容を生成することとした。
[0106] 床と足平 22との間の摩擦係数を とすると、 Fxminは、常に一 μ *床反力鉛直成分 以上に、 Fxmaxは/ ζ *床反力鉛直成分以下に設定されなければならない。最も単純 な設定方法は、次式による設定である。但し、 kaは 1より小さい正の定数である。
[0107] Fxmin = ka * μ *床反力鉛直成分
Fxmax = ka * *床反力鉛直成分 · ·式 12
図 13の床反力水平成分許容範囲は、式 12に従って設定した例である。床反力水 平成分許容範囲を規定するパラメータとして、図 1713の台形波形などの折れ点での 値と時刻を設定してもよいが、式 12により床反力水平成分許容範囲を決定するとき には、単に式 12における (ka * ）の値をパラメータとして設定するだけでも良い。
[0108] 次に、 S 110に進み、第 1旋回歩容および第 2旋回歩容を合わせた定常歩容の ΖΜ Ρ軌道を規定する ΖΜΡ軌道パラメータが設定される。この場合、目標 ΖΜΡ軌道は、 前述したように安定余裕が高くかつ急激な変化をしな 、ように設定される。
[0109] さらに詳細には、図 5の走行歩容においては、支持脚足平 22の底面のほぼ全面が 着地した後、該支持脚足平 22の底面のほぼ全面が接地した状態が維持され、その 後、支持脚足平 22の爪先だけが接地する。そして、次に支持脚足平 22の爪先で蹴 つて空中に飛び上がり、最後に遊脚足平 22の底面のほぼ全面で着地する。また、目 標 ZMPは接地面内に存在しなければならない。そこで、本実施形態では、定常歩容 の第 1旋回歩容および第 2旋回歩容のそれぞれの目標 ZMPの X軸方向の位置は、 前記図 10の上段図に示したように、支持脚足平 22の踵および爪先の中間位置を初 期位置として、しばらくの間一定に維持された後、該足平 22が爪先接地状態になる までに爪先に移動し、その後、離床時まで支持脚足平 22の爪先に留まるように設定 される。さらにその後は、目標 ZMPは、前述のごとぐ次の遊脚足平 22の着地までに 目標 ZMPが、支持脚足平 22の爪先から遊脚足平 22の踵および爪先の中間位置ま で連続的に移動するように設定される。そして、この目標 ZMP軌道の折れ点の時刻 および位置力 ¾MP軌道パラメータとして設定される。この場合、折れ点の時刻は、前 記要求パラメータに応じて定めた第 1旋回歩容および第 2旋回歩容の歩容周期に応 じて設定され、該折れ点の位置は、次回歩容支持脚座標系および次次回歩容支持 脚座標系の位置姿勢あるいはこれらの座標系を規定する要求パラメータの 1歩目お よび 2歩目の遊脚側足平着地予定位置姿勢の要求値に応じて設定される。なお、 Z MP軌道の Y軸方向の位置は、前記図 10の下段図に示したものと同様に設定される 。より詳しくは、第 1旋回歩容における目標 ZMPの Y軸方向位置の軌道は、図 10の 下段図のものと同一パターンで設定され、第 2旋回歩容における目標 ZMPの Y軸方 向位置の軌道は、第 1旋回歩容のものと同じ形の軌道で、該軌道の終端につながる ものに設定される。
[0110] 図 11の S010から S022までに示す処理が行われた後、 S024に進み、定常歩容の 初期状態が算出される。ここで算出される初期状態は、定常歩容の初期上体水平位 置速度 (水平方向での初期上体位置および初期上体速度)、初期上体鉛直位置速 度 (鉛直方向での初期上体位置および初期上体速度)、初期発散成分、初期上体 姿勢角およびその角速度である。この初期状態の算出は、探索的に行なわれる。
[0111] 次いで、図 11の S026に進み、今回歩容の歩容パラメータを決定 (一部は仮決定） する。 S026では、より具体的には、図 14に示すフローチャートに従って、以下の処 理が行われる。
[0112] まず、 S600において、今回歩容の足平位置姿勢軌道が定常歩容の足平位置姿 勢軌道につながるように、今回歩容の足平軌道パラメータが設定される。
[0113] 本願発明は、ロボットの着地時の衝撃を緩和するとともに足底のスリップやスピンを 回避して、ロボットが安定に歩行または走行できるように足平 22の軌道パラメータが 設定される点に特徴があるがこの点については後で詳述する。
[0114] 次いで、 S602に進み、今回歩容の基準上体姿勢軌道パラメータ力 定常歩容の 第 1旋回歩容ゃ第 2旋回歩容と同様に決定される。但し、今回歩容の基準上体姿勢 軌道が前記定常歩容の基準上体姿勢軌道に連続してつながる (今回歩容終端での 基準上体姿勢角および角速度がそれぞれ定常歩容初期の基準上体姿勢角および 角速度に一致する）ように上記パラメータが設定される。なお、本実施形態では、基 準上体姿勢は、今回歩容および定常歩容の!、ずれでも定常的な鉛直姿勢である。
[0115] 次いで、 S604に進み、今回歩容の腕姿勢軌道パラメータが、定常歩容の第 1旋回 歩容ゃ第 2旋回歩容と同様に決定される。但し、今回歩容の腕姿勢軌道が前記定常 歩容の腕姿勢軌道に連続してつながるように上記パラメータを設定する。なお、ここ で決定される腕姿勢軌道パラメータは、定常歩容パラメータの決定（図 12の S104) の場合と同様、鉛直軸 (あるいは上体体幹軸)まわりの両腕体の角運動量変化に関 すること以外の運動パラメータであり、両腕体の重心位置の軌道を規定するパラメ一 タである。
[0116] 次いで、 S606に進み、該パラメータにより規定される床反力鉛直成分軌道が前記 図 9のように実質的に連続な (値がステップ状に飛ばない）軌道になるように設定され る。
[0117] 但し、床反力鉛直成分軌道パラメータは、今回歩容の全体重心鉛直位置速度と床 反力鉛直成分軌道とのいずれもが、前記定常歩容と連続してつながるように決定さ れる。
[0118] 次いで、 S608に進み、床反力水平成分許容範囲 [Fxmin, Fxmax] (具体的には該 床反力水平成分許容範囲のパターンを規定するパラメータ）が、定常歩容の第 1旋 回歩容ゃ第 2旋回歩容と同様に設定される。たとえば図 15に示すようなパターンで 床反力水平成分許容範囲が設定される。本実施形態では、先に S606で決定した床 反力鉛直成分パターンに応じて前記式 12に基づいて床反力水平成分許容範囲が 設定される。
[0119] 次いで、 S610〖こ進み、今回歩容の ZMP軌道（具体的には ZMP軌道を規定する パラメータで、軌道の折れ点の時刻や位置）が、定常歩容の第 1旋回歩容ゃ第 2旋 回歩容と同様、安定余裕が高くかつ急激な変化をしないように、前記図 10に示すご とく設定される。但し、今回歩容の ZMP軌道が前記定常歩容の ZMP軌道に連続し てつながるように上記パラメータを設定される。つまり、今回歩容終端における ZMP の位置が定常歩容初期の ZMP位置に一致するように、 ZMP軌道パラメータが決定 される。この場合、走行歩容では、片脚支持期における ZMP軌道の折れ点の時刻 や位置の設定の仕方は、前述した定常歩容の ZMP軌道パラメータの設定の仕方と 同様でよい。そして、空中期における目標 ZMP軌道が、空中期開始時から、定常歩 容初期の ZMP位置まで、直線的に連続して変化するように ZMP軌道パラメータを設 定すればよい。
[0120] なお、 S610で決定される今回歩容の ZMP軌道パラメータは、仮決定されただけで あり、後述するように修正される。そこで、上記のごとく設定した今回歩容の ZMP軌道 を、以降、今回歩容の仮目標 ZMP軌道と呼ぶこととする。
[0121] 図 11の説明に戻って、上記のごとく S026に示す処理 (今回歩容の歩容パラメータ 決定処理)を行って後、次いで S028に進み、今回歩容の歩容パラメータ (ZMP軌道 ノ メータ）が修正される。この処理では、上体位置姿勢軌道を定常歩容に連続させ 、または近づけるべく ZMP軌道パラメータが修正される。
[0122] 図 11に戻って、上記のごとく S028において今回歩容パラメータを修正した後、ある いは S016の判断結果が NOである場合には、 S030に進み、修正された今回歩容 パラメータに基づき、今回歩容瞬時値が決定される。
[0123] 次いで S032に進み、スピン力をキャンセルする（ロボット 1の腕以外の運動によって 目標 ZMP回りに発生する床反力モーメント鉛直成分を略零にする）ための腕動作が 決定される。具体的には、腕を振らなかった場合の目標 ZMPにおける床反力モーメ ント鉛直成分軌道 (厳密には、腕を振らずに歩容を生成した場合において、ロボット の重力と慣性力の合力が目標 ZMPに作用するモーメント鉛直成分軌道の各瞬時値 の符号を反転したもの）が求められる。すなわち、 S030の処理によって生成された歩 容の運動（これには腕振りの運動は含まれて 、な 、）の瞬時値に釣り合う目標 ZMP ( 瞬時値）回りの床反力モーメント鉛直成分で瞬時値が求められる。そして、これを、腕 振り運動の等価慣性モーメントで割ることにより、スピン力キャンセルに必要な腕振り 動作の角加速度が求められる。なお、補足すると、腕の振りが大き過ぎる場合には、 等価慣性モーメントよりも大きな値で割れば良 、。
[0124] 次に、この角加速度を 2階積分し、これを積分値が過大になるのを防ぐためのロー カットフィルタに通して得た角度を腕振り動作角とする。但し、腕振り動作では、左右 の腕を前後逆方向に振り、両腕体の重心位置を変化させないようにする。なお、スピ ンカをキャンセルするための腕振り運動を定常歩容でも生成しておき、これにつなが るように、今回歩容における腕振り運動を決定するようにしてもょ 、。
[0125] 次いで S034に進み、歩容生成用時刻 tを A tだけ増やし、 S014に戻り、以上のご とく歩容生成を続ける。
[0126] 以上が、歩容生成装置 100における目標歩容生成処理である。
[0127] 図 4を参照して本実施形態に係る装置の動作をさらに説明すると、歩容生成装置 1 00において、上記したように目標歩容が生成される。生成された目標歩容のうち、目 標上体位置姿勢 (軌道)、目標腕姿勢 (軌道)が、ロボット幾何学モデル (逆キネマテ イクス演算部） 102に送出される。
[0128] また、目標足平位置姿勢 (軌道)、目標 ZMP軌道 (目標全床反力中心点軌道)、お よび目標全床反力 (軌道） (目標床反力水平成分と目標床反力鉛直成分)は、複合コ ンプライアンス動作決定部 104に送られると共に、目標床反力分配器 106にも送られ る。そして、目標床反力分配器 106で、床反力は各足平 22R, 22Lに分配され、目 標各足平床反力中心点および目標各足平床反力が決定される。この決定された目 標各足平床反力中心点および目標各足平床反力は複合コンプライアンス動作決定 部 104に送られる。
[0129] 複合コンプライアンス動作決定部 104から、機構変形補償付き修正目標足平位置 姿勢（軌道）がロボット幾何学モデル 102に送られる。ロボット幾何学モデル 102は、 目標上体位置姿勢 (軌道)と機構変形補償付き修正目標足平位置姿勢 (軌道)を入 力されると、それらを満足する脚体 2, 2の 12個の関節（10R(L)など)の関節変位指 令 (値）を算出して変位コントローラ 108に送る。変位コントローラ 108は、ロボット幾何 学モデル 102で算出された関節変位指令 (値)を目標値としてロボット 1の 12個の関 節の変位を追従制御する。また、ロボット幾何学モデル 102は、目標腕姿勢を満足す る腕関節の変位指定 (値)を算出して変位コントローラ 108に送る。変位コントローラ 1 08は、ロボット幾何学モデル 102で算出された関節変位指令 (値)を目標値として口 ボット 1の腕体の 12個の関節の変位を追従制御する。
[0130] ロボット 1に生じた床反力（詳しくは実各足床反力）は 6軸力センサ 34によって検出 される。その検出値は前記複合コンプライアンス動作決定部 104に送られる。また、口 ボット 1に生じた姿勢傾斜偏差 Θ errx, Θ erry (詳しくは目標上体姿勢角に対する実 姿勢角の偏差で、ロール方向（X軸回り）の姿勢角偏差が Θ errxであり、ピッチ方向（ Y軸回り）の姿勢角偏差が Θ erryである）が傾斜センサ 36を介して検出され、その検 出値は姿勢安定化制御演算部 112に送られる。この姿勢安定化制御演算部 112で 、ロボット 1の上体姿勢角を目標上体姿勢角に復元するための目標全床反力中心点 (目標 ZMP)まわり補償全床反力モーメントが算出されて複合コンプライアンス動作 決定部 104に送られる。複合コンプライアンス動作決定部 104は、入力値に基づい て目標床反力を修正する。具体的には、目標全床反力中心点（目標 ZMP)回りに補 償全床反力モーメントが作用するように目標床反力を修正する。
[0131] 複合コンプライアンス動作決定部 104は、修正された目標床反力に、センサ検出値 など力も算出される実ロボットの状態および床反力を一致させようと上記機構変形補 償付き修正目標足平位置姿勢 (軌道)を決定する。但しすベての状態を目標に一致 させることは事実上不可能であるので、これらの間にトレードオフ関係を与えて妥協 的になるベく一致させる。すなわち、各目標に対する制御偏差に重みを与えて、制御 偏差 (あるいは制御偏差の 2乗）の重み付き平均が最小になるように制御する。これ により、実際の足平位置姿勢と全床反力とが目標足平位置姿勢と目標全床反力とに 概ね従うように制御される。
[0132] なお、この発明の要旨は歩容生成装置 100におけるロボット 1の歩容生成にあり、 上記した複合コンプライアンス動作決定部 104などの構成および動作は、本出願人 が先に出願した特開平 10— 277969号公報などに詳細に記載されているので、説 明を以上に止める。
[0133] 次に、ロボット 1の歩行歩容の生成に関して説明する。なお、ここで、歩行歩容は、 空中期がなぐ片脚支持期と両脚支持期とが交互に繰り返される歩容である。
[0134] 歩行歩容を生成する場合には、 S106および S606において以下のような処理を行 う。すなわち、膝の曲げ角度が適切であるかなど、少なくとも各脚体の関節の変位に 関する幾何学的条件 (幾何学的制約条件)から決定した上体鉛直位置軌道 (本出願 人による特開平 10— 86080号公報に示される上体高さ決定手法などを用いた上体 鉛直位置軌道)の位相や振幅などの特徴量をできる限り満足するように床反力鉛直 成分軌道を決定する。
[0135] これにより、歩容生成のアルゴリズムの主要部を走行と歩行とで共通化しつつ、歩 行途中から走行へ、または走行途中から歩行に移行することもできるようになる。
[0136] 図 17を用いてその処理を説明すると、まず、 S1300において、本出願人が先に特 開平 10— 86080号公報に提案した上体高さ決定法などを用いて、少なくとも各脚体 2の関節の変位に関する所定の幾何学的制約条件を満足する上体鉛直位置軌道を 求める。以降、これを基準上体鉛直位置軌道と呼ぶ。より具体的には、まず、要求パ ラメータに応じて決定した足平軌道パラメータや目標 ZMP軌道パラメータなどを基に 、本出願人が先に提案した特願 2000— 352011号の第 1実施形態を用いて、上体 水平位置軌道が求められる。なお、この場合、上体水平位置軌道は、床反力鉛直成 分がロボット 1の自重に一致し、また、上体鉛直位置力 あら力じめ定めた一定値であ るとして、目標 ZMP回りの床反力モーメントの水平成分力^になるように決定される。 また、このときの上体姿勢軌道は例えば一定姿勢 (鉛直姿勢等)の軌道でよい。
[0137] 次に、本願出願人が先に提案した上体高さ決定法 (特開平 10— 86080号公報。よ り具体的には同公報の図 6の手法等)を用いて、足平軌道パラメータにより定まる足 平軌道や上記の如く決定した上体水平位置軌道、上体姿勢軌道を基に上体鉛直位 置軌道が算出され、これをもって前記基準上体鉛直位置軌道とする。
[0138] 次に S1302に進み、基準上体鉛直位置軌道になるべく似た目標上体鉛直位置軌 道を生成することが可能な床反力鉛直成分軌道を決定するために、基準上体鉛直 位置軌道の振幅や位相などの特徴量が算出 (抽出）される。例えば、基準上体鉛直 位置軌道の振幅 (最小値と最大値との差)が特徴量として算出される。
[0139] 次に S1304に進み、床反力鉛直成分軌道パラメータを基に生成される上体鉛直位 置軌道が、前記特徴量をできる限り満足し得るように (前記基準上体鉛直位置軌道 にできるだけ似たパターンになるように）、床反力鉛直成分軌道パラメータ (折れ点で の時刻や床反力鉛直成分の値)が決定される。より具体的には、歩行歩容の場合、 定常歩容の第 1旋回歩容と第 2旋回歩容、および今回歩容の床反力鉛直成分軌道 は、例えば、図 16のような折れ線状に設定される。すなわち、両脚支持期では、床反 力鉛直成分の増加側に凸 (上に凸)の台形状に設定され、片脚支持期では床反力 鉛直成分の減少側に凸（下に凸)の台形状に設定される。そして、この床反力鉛直成 分軌道を歩容初期（両脚支持期の開始時刻)から終端 (片脚支持期の終了時刻)ま で 2階積分して得られるロボット 1の全体重心鉛直位置軌道に対応する上体鉛直位 置軌道の最大値と最小値との差が前記特徴量に一致するように、床反力鉛直成分 軌道パラメータ、例えば該床反力鉛直成分軌道の 2つの台形の高さ CI, C2が決定さ れる (この例では床反力鉛直成分軌道の折れ点の時刻は歩容周期に関する要求パ ラメータに応じて決定される）。
[0140] 但し、定常歩容の床反力鉛直成分軌道のパラメータは、前述のごとく以下の条件も 満足するように決定される。
(条件)床反力鉛直成分軌道の定常歩容全期間 (第 1旋回歩容と第 2旋回歩容両方 の期間）における平均値をロボットの自重と一致させる。すなわち、床反力鉛直成分 の平均値がロボットに作用する重力と同じ大きさで反対向きになるようにする。
[0141] また、今回歩容の床反力鉛直成分軌道のパラメータは、前述のごとぐ上体 (全体 重心)鉛直位置軌道が定常歩容に連続してつながるあるいは近づくように決定される
[0142] 以上により、歩行歩容における目標床反力鉛直成分軌道 (これを規定するパラメ一 タ）が決定されることとなる。以上説明した目標床反力鉛直成分軌道の決定処理以外 の歩容生成処理は、前記した走行歩容に係る実施形態と同一でょ ヽ。
[0143] 前記のように本願発明は、ロボットの着地時の衝撃を緩和するとともに足底のスリツ プゃスピンを回避して、ロボットが安定に歩行または走行できるように足平 22の軌道 ノ メータが設定される点に特徴があるが（S600参照）、以下この点について説明す る。
[0144] 図 5の走行歩容における左足平 22Lの横から見た姿勢は図 6に示されているように 変化する。これに伴って左足平 22 (または足底）と床面との距離 dが図 7に示されてい るように変化し、且つ、床面に対する足平 22 (または足底）の傾斜角度 Θが図 8に示 されて 、るように変化するように足平 22の脚体 2に対する回動動作が制御される。具 体的には、まず、離床期の初期 (t=tl〜t2)に、左脚体 2Lが左足平 22Lの先端部（ 爪先部）において着床したまま、足関節 18L (または足関節 18Lおよび 20L)のロー タリエンコーダ 33の出力に基づいて測定された床面に対する左足平 22Lの傾斜角 度が、左足平 22Lの後端部 (踵部）が先端部 (爪先部)よりも床面力 遠くなるような 正（+ )側に増大するように、左脚体 2Lに対する左足平 22Lの回動動作を制御する 。また、左脚体 2Lの離床期における床面に対する左足平 22Lの傾斜角度 Θ力 床 面に対して後端部 (踵部）が先端部 (爪先部)より高 ヽ正（ + )側から、床面に対して先 端部 (爪先部）が後端部 (踵部)よりも高い負（-)側に変化してから、徐々に 0に近づ くように、左脚体 2Lに対する左足平 22Lの回動動作が制御されている。ロボット 1の 基本水平面や水平面等の基準面に対する床面の傾斜角度は、脚体 2の一または複 数の着床時における傾斜センサ 36の出力に応じた水平面に対する上体 24の傾斜 角度や、カメラ 92により撮像された床面の画像解析等によって測定され得る。
[0145] 本発明のロボット 100は、遅くとも空中期から着床期に移行する時刻（着床期の開 始時点) t=t7には床面に対する左足平 22Lの当該傾斜角度 Θ力^になるように左 脚体 2Lに対する左足平 22Lの回動動作が制御されている。
[0146] なお、傾斜角度 Θが距離 dの関数 Θ (d)として定義されてもよい。前記のように脚体 2の離床期の中間時点から着床期の開始時点にかけて、床面に対する足平 22の傾 斜角度 Θが徐々に 0に近づくように、脚体 2に対する足平 22の回動動作が制御され ている場合（図 6、図 8参照）、 Θ (d=0) =0、離床期から着床期への移行直前にお いて I δ 0 Z δ d I >0となる。また、空中期の途中で角度 Θが 0に制御され、その まま着床期への移行時刻まで角度 Θ力 SOに維持されてもよい。
[0147] 前記機能を発揮するロボット 1によれば、脚体 2の足平 22 (または足底）における離 床期の中間時点力も着床期の開始時点にかけて、床面に対する足平 22の傾斜角度 Θが徐々に 0に近づくように脚体 2に対する足平 22の回動動作が制御される（図 5、 図 6および図 8参照)。これにより、離床期から着床期に移行した直後の脚体 2の足平 22 (または足底）における着床面積が大きいものとなるので、その着床時の衝撃を足 底に広く分散させ、ロボット 1が受ける衝撃が緩和され得る。また、足平 22と床面との フリクションが大きなものとなるので、脚体 2の着床直前におけるロボット 1の移動速度 およびョー軸回りの角速度が大きくても、このフリクションによって着床期移行後の口 ボット 1のスリップやスピンを防止することができる。従って、本発明のロボット 1は、脚 体 2の足平 22における着床時の衝撃を緩和するとともに足平 22におけるスリップや スピンを回避して安定に走行することができる。
[0148] また、足平 22の先端部 (爪先)で床面を蹴るような形で当該足平 22の脚体 2に対す る回動動作が制御される（図 6の時刻 tl〜t2における足平位置姿勢軌道参照)。こ れにより、ロボット 1の推進力が増強される一方、前記のように着床時にロボット 1の足 平 22におけるスリップやスピンが防止されるので、ロボット 1をその挙動を安定なもの としながら高速移動させることができる。
[0149] さらに、離床期の開始時点力 着床期の開始時点にかけて、足平 22を床面に対し て踵上がりの姿勢（図 6の時刻 t2〜t4の足平位置姿勢軌道参照）から爪先上がりの 姿勢（図 6の時刻 t5〜t6の足平位置姿勢軌道参照）として力 、さらに床面に平行な 姿勢に近づけ、前記のようにロボット 1のスリップやスピンを防止し得る程度に当該足 平 22における着床面積を確保することができる。
[0150] なお、両脚体 2がともに離床している空中期（図 5 (c) (f)参照）を含まない歩行時に おいても同様に脚体 2に対する足平 22の回動動作が制御されてもよい。すなわち、 ロボット 1の歩行時においても、走行に関して前述したように、例えば、脚体 2の離床 期の中間時点力 着床期の開始時点にかけて、床面に対する足平 22の傾斜角度 Θ が徐々に 0に近づくように、脚体 2に対する足平 22の回動動作が制御されてもよい。
[0151] これにより、離床期から着床期に移行した直後の脚体 2の足平 22 (または足底）に おける着床面積が大きいものとなるので、その着床時の衝撃を足底に広く分散させ、 ロボット 1が受ける衝撃が緩和され得る。また、足平 22と床面とのフリクションが大きな ものとなるので、脚体 2の足着床直前におけるロボット 1の移動速度およびョー軸回り の角速度が大きくても、このフリクションによって着床期移行後のロボット 1のスリップ やスピンを防止することができる。従って、本発明のロボット 1は、着床時の衝撃を緩 和するとともに足平 22におけるスリップやスピンを回避して安定に歩行することができ る。

Claims

請求の範囲
[1] 基体に連結される複数の脚体を駆動することにより、複数の脚体のうちいずれかの足 部に床反力が作用して 、る着床期と、全ての脚体の足部に床反力が作用して!/、な 、 空中期とを繰り返しながら移動する脚式移動ロボットであって、
空中期から着床期に移り変わる際に、着床する予定の脚体の足部の床面に対する 傾斜角度が徐々に変化し、該脚体の着床時に足部の接地面と床面とが平行になる ように脚体を駆動することを特徴とする脚式移動ロボット。
[2] 脚体が離床する直前に、該脚体がその足部の先端部において着床したまま、該足部 の後端部が床面から徐々に離れるように該脚体を駆動することを特徴とする請求項 1 記載の脚式移動ロボット。
[3] 脚体の離床期の中間時点から終了時点にかけて、足部先端部が足部後端部を基準 として高い状態から徐々に同じ高さとなるように、該脚体を駆動することを特徴とする 請求項 1記載の脚式移動ロボット。
[4] 脚体の離床期の開始時点から中間時点にかけて、足部先端部が足部後端部を基準 として低い状態力 徐々に同じ高さとなった後、徐々に高い状態になるように、該脚 体を駆動することを特徴とする請求項 1記載の脚式移動ロボット。
[5] 上体と、上体から下方に延設された複数の脚体とを備え、各脚体に対して回動可能 な足平における離床および着床を伴う各脚体の動作により移動する脚式移動ロボット であって、
床面に対する足平の傾斜角度を測定する足平傾斜角度測定手段と、
脚体の離床期の中間時点から着床期の開始時点にかけて、足平傾斜角度測定手 段により測定された床面に対する該脚体の足平の傾斜角度力 徐々に 0に近づくよう に、該脚体に対する足平の回動動作を制御する足平動作制御手段とを備えているこ とを特徴とする脚式移動ロボット。
[6] 足平動作制御手段が、離床期の直前に、脚体が足平の先端部において着床したま ま、足平傾斜角度測定手段により測定された床面に対する該足平の傾斜角度が、該 足平の後端部が先端部よりも床面力 遠くなるような正側に増大するように、該脚体 に対する足平の回動動作を制御することを特徴とする請求項 5記載の脚式移動ロボ ッ卜。
[7] 足平動作制御手段が、脚体の離床期の中間時点から着床期の開始時点にかけて、 足平傾斜角度測定手段により測定された床面に対する足平の傾斜角度が、足平の 先端部が後端部よりも床面力 遠くなるような負側の角度力 徐々に減少して 0にな るように、該脚体に対する足平の回動動作を制御することを特徴とする請求項 5記載 の脚式移動ロボット。
[8] 足平動作制御手段が、脚体の離床期の開始時点から着床期の開始時点にかけて、 足平傾斜角度測定手段により測定された床面に対する足平の傾斜角度が、正側に 徐々に増大して力 徐々に減少した後、足平の先端部が後端部よりも床面力 遠く なるような負側に徐々に増大して力 徐々に減少して 0になるように、該脚体に対する 足平の回動動作を制御することを特徴とする請求項 6記載の脚式移動ロボット。
[9] 全ての脚体が離床している空中期を伴って移動することを特徴とする請求項 5記載 の脚式移動ロボット。
[10] 基体に連結される複数の脚体を駆動することにより、複数の脚体のうちいずれかの足 部に床反力が作用して 、る着床期と、全ての脚体の足部に床反力が作用して!、な 、 空中期とを繰り返しながら移動する脚式移動ロボットを制御する機能を該ロボットに搭 載されているコンピュータに対して付与するプログラムであって、
空中期から着床期に移り変わる際に、着床する予定の脚体の足部の床面に対する 傾斜角度が徐々に変化し、該脚体の着床時に足部の接地面と床面とが平行になる ように前記ロボットの脚体の作動を制御する機能を該ロボットに搭載されて 、るコンビ ユータに対して付与することを特徴とする制御プログラム。
[11] 脚体が離床する直前に、該脚体がその足部の先端部において着床したまま、該足部 の後端部が床面から徐々に離れるように前記ロボットの脚体の作動を制御する機能 を該ロボットに搭載されているコンピュータに対して付与することを特徴とする請求項 10記載の制御プログラム。
[12] 脚体の離床期の中間時点から終了時点にかけて、足部先端部が足部後端部を基準 として高い状態から徐々に同じ高さとなるように、前記ロボットの脚体の作動を制御す る機能を該ロボットに搭載されているコンピュータに対して付与することを特徴とする 請求項 10記載の制御プログラム。
[13] 脚体の離床期の開始時点から中間時点にかけて、足部先端部が足部後端部を基準 として低い状態力 徐々に同じ高さとなった後、徐々に高い状態になるように、前記口 ボットの脚体の作動を制御する機能を該ロボットに搭載されているコンピュータに対し て付与することを特徴とする請求項 10記載の制御プログラム。
[14] 上体と、上体から下方に延設された複数の脚体とを備え、各脚体に対して回動可能 な足平における離床および着床を伴う各脚体の動作により移動する脚式移動ロボット を制御する機能を該ロボットに搭載されているコンピュータに付与するプログラムであ つて、
床面に対する足平の傾斜角度を測定する足平傾斜角度測定機能と、
脚体の離床期の中間時点から着床期の開始時点にかけて、足平傾斜角度測定機 能により測定された床面に対する該脚体の足平の傾斜角度力 徐々に 0に近づくよう に、該脚体に対する足平の回動動作を制御する足平動作制御機能とを前記ロボット に搭載されているコンピュータに対して付与することを特徴とする制御プログラム。
[15] 足平動作制御機能として、離床期の直前に、脚体が足平の先端部において着床し たまま、足平傾斜角度測定機能により測定された床面に対する該足平の傾斜角度が 、該足平の後端部が先端部よりも床面力 遠くなるような正側に増大するように、該脚 体に対する足平の回動動作を制御する機能を前記ロボットに搭載されているコンビュ ータに対して付与することを特徴とする請求項 14記載の制御プログラム。
[16] 足平動作制御機能として、脚体の離床期の中間時点から着床期の開始時点にかけ て、足平傾斜角度測定機能により測定された床面に対する足平の傾斜角度が、足平 の先端部が後端部よりも床面力 遠くなるような負側の角度力 徐々に減少して 0に なるように、該脚体に対する足平の回動動作を制御する機能を前記ロボットに搭載さ れているコンピュータに対して付与することを特徴とする請求項 14記載の制御プログ ラム。
[17] 足平動作制御機能として、脚体の離床期の開始時点から着床期の開始時点にかけ て、足平傾斜角度測定機能により測定された床面に対する足平の傾斜角度が、正側 に徐々に増大して力 徐々に減少した後、足平の先端部が後端部よりも床面力 遠 くなるような負側に徐々に増大して力 徐々に減少して 0になるように、該脚体に対す る足平の回動動作を制御する機能を前記ロボットに搭載されているコンピュータに対 して付与することを特徴とする請求項 15記載の制御プログラム。
全ての脚体が離床している空中期を伴って移動するように、前記ロボットの脚体の作 動を制御する機能を該ロボットに搭載されているコンピュータに対して付与することを 特徴とする請求項 10記載の制御プログラム。
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