(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
脚式ロボットの歩行制御装置において、検出された接地脚の両脚の足裏を結ぶ方向、接地脚の両脚の足裏を結ぶ方向と直交する方向、および鉛直方向の各方向からなる座標系を歩行制御のための制御座標系として歩行制御を行う制御装置を備えた
ことを特徴とする脚式ロボットの歩行制御装置。
【請求項２】
脚式ロボットの歩行制御装置において、
接地脚の足裏位置を検出する足裏位置センサと、
前記足裏位置センサにより検出した接地脚の足裏位置を基準にした接地脚の両脚の足裏を結ぶ方向、接地脚の両脚の足裏を結ぶ方向と直交する方向、および鉛直方向の各方向からなる座標系を歩行制御のための制御座標系として歩行制御を行う制御装置と、
前記制御装置により制御される脚部アクチュエータと
を備えたことを特徴とする脚式ロボットの歩行制御装置。
【請求項３】
脚式ロボットの歩行制御装置において、
接地脚の足裏位置を検出する足裏位置センサと、
接地脚の状態を検出する接地状態センサと、
検出した接地脚の足裏位置および状態に応じて接地脚の位置を基準にした接地脚の両脚の足裏を結ぶ方向、接地脚の両脚の足裏を結ぶ方向と直交する方向、および鉛直方向の各方向からなる座標系に変更して歩行制御を行う制御装置と、
前記制御装置により制御される脚部アクチュエータと
を備えたことを特徴とする脚式ロボットの歩行制御装置。
【請求項４】
脚式ロボットの歩行制御装置において、
接地脚の足裏位置を検出する足裏位置センサと、
接地脚の状態を生成する動作生成装置と、
検出した接地脚の足裏位置および状態に応じて接地脚の位置を基準にした接地脚の両脚の足裏を結ぶ方向、接地脚の両脚の足裏を結ぶ方向と直交する方向、および鉛直方向の各方向からなる座標系に変更して歩行制御を行う制御装置と、
前記制御装置により制御される脚部アクチュエータと
を備えたことを特徴とする脚式ロボットの歩行制御装置。
【請求項５】
請求項２に記載の脚式ロボットの歩行制御装置において、
制御装置は、足裏位置センサにより検出された接地脚の足裏位置を基準にした接地脚の両脚の足裏を結ぶ方向、接地脚の両脚の足裏を結ぶ方向と直交する方向、および鉛直方向の各方向からなる座標系において制御パラメータの入力を行い、
入力した制御パラメータにより制御特性を設定する
ことを特徴とする脚式ロボットの歩行制御装置。
【請求項６】
請求項３または請求項４に記載の脚式ロボットの歩行制御装置において、
制御装置は、接地状態センサもしくは動作生成装置により検出された接地脚の状態により制御特性を変更する
ことを特徴とする脚式ロボットの歩行制御装置。
【請求項７】
請求項３または請求項４に記載の脚式ロボットの歩行制御装置において、
制御装置は、センサ自身が内蔵している座標系において検出したセンサ情報を接地脚の足裏位置を基準にした接地脚の両脚の足裏を結ぶ方向、接地脚の両脚の足裏を結ぶ方向と直交する方向、および鉛直方向の各方向からなる座標系に変換する座標変換手段を備える
ことを特徴とする脚式ロボットの歩行制御装置。
【請求項８】
請求項３または請求項４に記載の脚式ロボットの歩行制御装置において、
制御装置は、脚式ロボットの進行方向を１軸に持つ直交座標系において記述された動作パターン情報を、接地脚の足裏位置を基準にした接地脚の両脚の足裏を結ぶ方向、接地脚の両脚の足裏を結ぶ方向と直交する方向、および鉛直方向の各方向からなる座標系に変換する座標変換手段を備える
ことを特徴とする脚式ロボットの歩行制御装置。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の脚式ロボットの歩行制御装置において、
更に、接地脚の足裏位置を基準にした接地脚の両脚の足裏を結ぶ方向、接地脚の両脚の足裏を結ぶ方向と直交する方向、および鉛直方向の各方向からなる座標系において生成された信号を、センサ自身が内蔵している座標系であるセンサ座標系、脚式ロボットの進行方向を１軸に持つ直交座標系である進行方向座標系、または脚式移動ロボットのボディーを基準にした座標系であるボディー座標系のいずれかの座標系に変換する座標変換手段を備える
ことを特徴とする脚式ロボットの歩行制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脚式ロボットの歩行制御装置に関し、具体的には、脚式ロボットにおける姿勢を安定制御できる制御装置を備えた歩行制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来における脚式移動ロボットの制御装置は、例えば、特開平１１−３００６６０号公報に記載されているように、脚式移動ロボットの進行方向を１軸に持つ直交座標系（進行方向座標系）を基準として、安定制御系が設計されて、例えば、歩行制御装置が作成されている。
【０００３】
従来においては、脚式ロボットの歩行パターンは、進行方向制御系で設計されてきたことから、当然ながら、進行方向制御系を用いて制御系が設計され、安定制御系の制御装置が作られてきた。このような進行方向制御系は、人間の直感に合致することから、進行方向制御系での制御系の構築は、システムの設計手法からは妥当なものであった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、進行方向制御系で設計された制御装置では、例えば、脚式移動ロボットにおいて、接地脚の移動に伴って、必然的に安定な歩行制御系を構築することは困難である。すなわち、脚式ロボットが歩行する場合において、例えば、二足歩行する場合においては、その歩行状態により姿勢が変化し、姿勢変化により制御パラメータが変動するばかりか、時々刻々変化する姿勢によって、脚部のリンク構造から、必然的にロボット身体の剛性が変化することになり、制御系が発振してしまうこともある。このため、多種多様な歩行パターンに対して安定した歩行制御系を構築することは困難であった。
【０００５】
このため、安定した歩行制御系を構築するには、頻繁に試行錯誤的に制御系のパラメータ調整が必要であった。例えば、進行方向座標系において歩行パターンの安定した制御系を構築するためには、制御信号の入力に重み付けを行い、制御系の剛性を落として発振を回避しながら制御系を構成することになるが、この場合には、逆に制御系の特性を所望の特性に設定することが困難であるという問題点があった。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、脚式ロボットにおける姿勢を安定制御するための制御装置を備えた歩行制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するため、本発明による脚式ロボットの歩行制御装置は、基本的な構成として、脚式ロボットの歩行制御装置において、検出された接地脚の両脚の足裏を結ぶ方向、接地脚の両脚の足裏を結ぶ方向と直交する方向、および鉛直方向の各方向からなる座標系（以下、足裏座標系と称す）を歩行制御のための制御座標系として歩行制御を行う制御装置を備える。
【０００８】
本発明の脚式ロボットの歩行制御装置は、具体的には、制御座標系の基準位置となる足裏位置を検出する足裏位置センサを備えている。この足裏位置センサは、例えば、関節の回転角を検出する回転角センサと、リンク形状データから、運動学を用いて、足裏位置を算出する構成でも良い。また、接地脚の状態を検出する接地脚センサもしくは接地脚の状態を生成する動作生成装置を備え、検出した足裏位置および状態に応じて接地脚の位置を基準にした座標系を歩行制御のための制御座標系として歩行制御を行う制御装置と、前記制御装置により制御される脚部アクチュエータとを備える。
【０００９】
また、本発明による脚式ロボットの歩行制御装置において、制御装置は、足裏座標系において制御パラメータの入力を行い、入力した制御パラメータにより制御特性を設定する。この場合に、接地状態センサもしくは動作生成装置により検出された接地脚の状況に対応して制御特性を変更する。また、座標変換手段を備え、足裏座標系での制御特性を、センサ自身が内蔵している座標系であるセンサ座標系、脚式ロボットが進行する方向を基準にした座標系である進行方向座標系、または脚式ロボットのボディーを基準にした座標系であるボディー座標系のいずれかに変換して制御パラメータを得る。これにより、脚式ロボットが進行する方向を基準にした座標系（以下、進行方向座標系と称す）、もしくは脚式ロボットのボディーを基準にした座標系（以下、ボディー座標系と称す）などに換算して制御を行うことができる。このように、接地脚の状況により、座標系が変更された座標系で、その制御特性を動的に変更し、安定制御を行うようにすることで、脚式ロボットの歩行制御安定性が向上する。
【００１０】
すなわち、本発明による脚式ロボットの歩行制御装置においては、制御装置は、歩行状態（例えば、接地脚の状況）により制御装置自体をを切り替えるのではなく、接地状態センサもしくは動作生成装置により検出された接地脚の状況により、制御装置の制御特性を変更する。
【００１１】
また、本発明の脚式ロボットの歩行制御装置において、制御装置は、センサ自身が内蔵している座標系（以下、センサ座標系）において検出したセンサ情報を、接地脚の位置を基準にした座標系（以下、足裏座標系と称す）に変換する座標変換手段、進行方向座標系において記述された動作パターン情報を、接地脚の位置を基準にした座標系（以下、足裏座標系と称す）に変換する座標変換手段を備え、また、足裏座標系において生成された制御信号を、他の座標系（例えば、センサ座標系、進行方向座標系、ボディー座標系）の信号に変換して歩行制御を行う。
【００１２】
脚式ロボットにおいては、歩行姿勢により制御パラメータ変動が起き、また、歩行の姿勢によりロボットの剛性が変化する。例えば、具体的に二足歩行ロボットを例として説明すると、両脚の足裏を結ぶ方向には、両脚により閉リンク構造ができているため剛性が高く、倒れがたいものとなっている。一方、この両脚の足裏を結ぶ方向に直交する方向については、両脚による閉リンク構造を構成しないため、脚式ロボットの歩行姿勢について剛性が低く、倒れやすいものとなっている。
【００１３】
そこで、本発明による脚式ロボットの歩行制御装置においては、歩行姿勢の制御を行う歩行制御系を、脚式ロボットの歩行制御に適した座標系として、足裏位置を基準にした座標系（足裏座標系）を用いる。この足裏座標系を用いて歩行制御を行う制御装置を備え、脚式ロボットの歩行制御装置を構成する。例えば、前述した接地脚の両脚の足裏を結ぶ方向、接地脚の両脚の足裏を結ぶ方向と直交する方向、および鉛直方向の各方向からなる座標系を用いて、歩行制御系を設計・構築する。これにより、歩行姿勢において安定した制御系を設計・構築することができる。
【００１４】
また、本発明の歩行制御装置においては、足裏座標系を用いて歩行制御を行うので、このため、足裏座標系に座標変換を行う座標変換手段を備えて、例えば、センサ座標系でのセンサ情報や進行方向座標系で記述された歩行パターン等については、足裏座標系に座標変換し、また、足裏座標系において生成された制御信号から逆変換を行い、進行方向座標系で記述された歩行パターンを実現する制御系を設計・構築する。これにより、所望の特性をもった制御系の設計・構築が容易に実現できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施する場合の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明を一態様で実施する脚式ロボットの脚部の構造を概略的に説明する図であり、また、図２は、脚式ロボットの歩行制御を行う場合についての接地脚の位置の状態を説明する図である。図１および図２において、１は左足、２は右足、２ａは右足の上板基板、２ｂは右足の接地基板、３は足部を構成する低剛性部材、４は足部関節設置部、５は姿勢制御装置、６ａは第１脚部，６ｂは第２脚部、７はロボット本体部、８ａは第１の関節モータ，８ｂは第２の関節モータ、８ｃは第３の関節モータである。なお、図示されないが、左足１および右足２には、それぞれ低剛性部材３の中に接地状態センサとして機能する圧力センサが設けられている。また、左足１および右足２の位置は、図示しない姿勢センサ、ならびに、関節角度センサ等から構成される足裏位置を検出する足裏位置センサにより、初期設定位置から歩行制御を行って動作させたロボットの脚部（６ａ〜６ｂ，８ａ〜８ｃ）の移動位置が算出されて求められる。また、図示されないが、姿勢制御装置５の中には、座標変換を行い、制御データ等を生成し、脚部アクチュエータに対して制御信号を出力するコンピュータ装置が設けられている。
【００１６】
脚式ロボットの歩行制御については、ロボット本体部７に設けられた姿勢制御装置５が、ロボットの脚部（６ａ〜６ｂ，８ａ〜８ｃ）を動作させて、つまり、脚部アクチュエータを制御して、左足１および右足２を動作させて、歩行パターンにしたがって歩行制御を行う。また、機能的には、脚部の状態を生成して制御を行う動作生成装置からの制御信号により、脚部アクチュエータを制御して、左足１および右足２を動作させて、歩行パターンにしたがって歩行制御を行う。
【００１７】
脚式ロボットの歩行制御を行う場合、脚式ロボットにおいては、歩行姿勢によりパラメータ変動が起きる。また、歩行の姿勢によっては、ロボット本体部７のメカニカルな剛性が変化する。すなわち、二足歩行ロボットの歩行姿勢については、図２に示すように、接地脚について、両脚（左足１および右足２）の足裏を結ぶ方向（以下、長手方向と称す）には、両脚により閉リンク構造ができているため剛性が高く、倒れがたい状態となっており、また、この長手方向に直交する方向（以下、短手方向と称す）については、両脚による閉リンク構造を構成しないため、剛性が低く、倒れやすいものとなっている。
【００１８】
このため、脚式ロボットの歩行制御における安定制御では、この長手方向および短手方法のそれぞれについて、異なる制御特性を持たせて制御系を設定する。二足歩行ロボットにおいては、上述したように方向（長手方向および短手方向）に応じてのそれぞれの特性があり、これが変化する。そこで、二足歩行ロボットの歩行制御系としては、図３に示すように、接地脚の位置を基準とした直交座標系である足裏座標系を設定し、歩行制御を行う。この足裏座標系は、脚式ロボットを歩行させた場合、接地脚の位置において足裏座標系の座標軸が動的に変化する。このため、歩行制御を行うについては、制御を行うタイミングに応じて、接地脚（左足１および右足２）の位置を検出し、この検出した接地脚の位置に基づいて、足裏座標系を設定し、その足裏座標系に従って歩行制御を行う。姿勢制御では、図４に示すように、長手方向軸まわりの転倒に対しては、強い踏ん張り力で姿勢を復帰するように制御を行う。一方、短手方向軸まわりの転倒に対しては、両足間隔が広い（長い）ことから、弱い踏ん張り力でも、目標ＺＭＰ回りのモーメントを稼げるため、弱い踏ん張り力で姿勢を復帰させるように制御を行う。
【００１９】
また、歩行制御において片脚支持の状態が介在するが、この場合においても、次に説明するように、制御装置を切り替えることなく、両脚支持状態での制御と全く同じに、足裏座標系を設定し、その足裏座標系に従って歩行制御を行う。つまり、片脚の状態においては、図５に示すように、その剛性については、前述した長手方向および短手方向のいずれの方向についても弱いので、これらの方向とも、強い踏ん張り力で姿勢を復帰するように制御を行う。
【００２０】
より具体的には、足裏座標系に基づく姿勢制御に関して説明を行うと、傾いたロボットの胴体を復帰させるため、接地脚の足裏による踏ん張り力により姿勢を復帰しているが、物理的には、足裏から床面に対する補償モーメントを発生することにより姿勢の復帰を行う。前述のように、接地脚の状況により長手方向と短手方向の剛性が異なるため、異方性を持たせて（方向により異なる制御特性を持たせて）、制御系を設計し構築する。その制御系は、例えば、（式１）に示されるように、足裏座標系の各軸が非干渉化された線形システムの制御系を構成し、補償モーメントを発生させる。
【数１】
0003646169.tif 000002
ここで、
左上の添え字Ｆ：足裏座標系を意味する
Ｍ：復帰モーメントベクトル
Δθ：胴体の傾きベクトル
Ｋｐ：胴体の傾きの比例ゲイン
Ｋｖ：胴体の傾きの速度ゲイン
Ｂ：踏ん張り力を決定する重み行列（図４）
である。
なお、この重み行列は、２×２行列の場合、具体的には、
【数２】
0003646169.tif 000003
ただし、ｂは０以上１以下の数値で、長手方向軸まわりの強い踏ん張り力を１とした時の短手方向の踏ん張り力の割合を意味する。
【００２１】
一方、胴体の傾きを検出するセンサ等のフィードバックに使用するセンサは、両脚の位置関係により軸方向が可変となる足裏座標系で検出される訳ではなく、通常、胴体等に固定されたセンサ座標系で検出される。したがって、（式１）における変数の胴体の傾きΔθは、（式３−１）および（式３−２）に示すような「センサ座標系→足裏座標系」間の座標変換を行い算出する。
【数３】
0003646169.tif 000004
ここで、
左上の添え字S：センサ座標系を意味する
R：座標変換を表す記号で、Rの左下の添え字で表記された座標系データを、Rの左上の添え字で表記された座標系データに変換する座標変換行列
【００２２】
一方、歩行パターンは、通常、足裏座標系とは異なる座標系、例えば、ボディー座標系で記述されている。したがって、安定で所望な制御系を構築するためには、（式１）により算出された足裏座標系での補償信号を、（式４）に示すようにボディー座標系の信号に座標変換を行い、最終的には歩行パターンに補償を加え制御を行う。
【数４】
0003646169.tif 000005
【００２３】
以上をまとめると、次の（式５）に示される制御系を構成して、ボディー座標系における補償モーメントを発生させるようにする。
【数５】
0003646169.tif 000006
この（式５）から分かるように、ボディー座標系で考えた場合、歩行姿勢によりゲインが可変となり、多種多様な歩行パターンに対して、（式１）で表現される所望の制御系を、安定に構築することができる。
【００２４】
また、脚式ロボットの歩行制御の場合には、接地脚の状態によりモード切り替える場合が多いが、モード切替は制御システムを複雑にするばかりか、時には、不安定な制御系を構成することになる。そのため、ここでは、（式２）における重み付けを連続的に変えることにより、これに対応して制御系を構成する。具体例として、二足歩行ロボットを例にして説明すると、図５に示すように、片脚支持期については、全ての方向に対して、「強い足裏による踏ん張り力」が必要であるので、（式１）により算出される復帰モーメントを不連続に変化させると、場合によっては、転倒に至る時がある。このため、連続して変化させる必要がある。そこで、接地脚の状態を検出する接地脚センサ、もしくは接地脚の状態を生成する動作生成装置による歩行パターンから、片脚支持期または両脚支持期の判別を行い、この判別に基づき（式２）で与えられる「重みｂ」を連続的に変化させて、片脚支持期においては「ｂ＝１」となるようにする。
【００２５】
以上、説明したように、本発明よる歩行制御装置においては、足裏座標系を用いて歩行制御を行うようにしているので、足裏座標系に座標変換を行うための座標変換手段を備え、例えば、センサ座標系でのセンサ情報や進行方向座標系で記述された歩行パターン等については、足裏座標系に座標変換し、もしくは足裏座標系から逆変換を行い、歩行パターン等を用いた方向制御を行う制御系を設計して構築する。これにより、所望の特性をもった制御系の設計および構築が容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を一態様で実施する脚式ロボットの脚部の構造を概略的に説明する図である。
【図２】脚式ロボットの歩行制御を行う場合について接地脚の位置の状態を説明する図である。
【図３】本発明にかかる足裏座標系を説明する図である。
【図４】足裏座標系による異方向性を持つ復帰モーメントを説明する図である。
【図５】片脚支持期における足裏座標系の復帰モーメントを説明する図である。
【符号の説明】
１…左足
２…右足
２ａ…右足の上板基板
２ｂ…右足の接地基板
３…足部を構成する低剛性部材
４…足部関節設置部
５…姿勢制御装置
６ａ…第１脚部
６ｂ…第２脚部
７…ロボット本体部
８ａ…第１の関節モータ
８ｂ…第２の関節モータ
８ｃ…第３の関節モータ
【図１】
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【図２】
0003646169.tif 000008
【図３】
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【図４】
0003646169.tif 000010
【図５】
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