(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
脚式移動装置の歩行運動および走行運動の制御を行う脚式移動装置の歩行・走行制御方法において、
前記脚式移動装置の歩行運動と走行運動とを同一の制御モデルを用いてモデル化し、前記制御モデルで使用する制御パラメータを切り替えることによって歩行運動制御と走行運動制御を制御し、
前記制御モデルは、前記脚式移動装置の脚の運動によって発生するモーメントおよび力を質点本体に対する外乱として処理し、前記脚式移動装置を三次元の一質点系飛行体として見做してモデル化したこと、
を特徴とする脚式移動装置の歩行・走行制御方法。
【請求項２】
前記制御モデルは、前記脚式移動装置の運動を、前記脚式移動装置に推進力を与える第１の運動期間と、前記脚式移動装置の空中姿勢および脚を用いた支持姿勢を目標状態に保つ第２の運動期間と、前記脚式移動装置が着地する際の衝撃を和らげる第３の運動期間との３つの運動期間に分けて、前記３つの運動期間毎に使用する制御パラメータを変更する構成であることを特徴とする請求項１に記載の脚式移動装置の歩行・走行制御方法。
【請求項３】
前記制御モデルは、前記第１の運動期間において、
前記脚式移動装置の接地点から重心までの重心位置ベクトルと、その時の重心速度ベクトルと、その時の重心加速度ベクトルとの３つを制御パラメータとして用いることを特徴とする請求項２に記載の脚式移動装置の歩行・走行制御方法。
【請求項４】
前記制御モデルは、前記第２の運動期間において、
前記第１の運動期間における前記脚式移動装置の最終姿勢状態を初期姿勢状態として用いると共に、前記脚式移動装置の角運動量および運動量の２つを制御パラメータとして用いることを特徴とする請求項２または３に記載の脚式移動装置の歩行・走行制御方法。
【請求項５】
前記制御モデルは、前記第２の運動期間において、さらに、前記脚式移動装置の姿勢角度が目標姿勢角度となるように制御することを特徴とする請求項４に記載の脚式移動装置の歩行・走行制御方法。
【請求項６】
前記制御モデルは、前記第３の運動期間において、
前記第２の運動期間における前記脚式移動装置の最終姿勢状態を初期姿勢状態として用いると共に、前記脚式移動装置の接地点から重心までの重心位置ベクトルと、その時の重心速度ベクトルと、その時の重心加速度ベクトルとの３つを制御パラメータとして用いることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一つに記載の脚式移動装置の歩行・走行制御方法。
【請求項７】
脚式移動装置の歩行運動および走行運動の制御を行う脚式移動装置の歩行・走行制御装置において、
前記脚式移動装置の並進移動速度を入力して、その時の運動に最適な前記脚式移動装置の接地点から重心までの重心位置ベクトル、その時の重心速度ベクトルおよびその時の重心加速度ベクトルを生成して出力するベクトル生成手段と、
前記脚式移動装置が脚を用いて推進力を生成する第１の運動期間において、前記ベクトル生成手段で生成された前記重心位置ベクトル、重心速度ベクトルおよび重心加速度ベクトルの３つを制御パラメータとして入力し、前記第１の運動期間における前記脚式移動装置の初期姿勢状態から前記第１の運動期間の最終目標姿勢状態を生成して、前記最終目標姿勢状態へ遷移させる制御を行う第１の制御手段と、
前記脚式移動装置の空中姿勢または脚を用いた支持姿勢を目標状態に保つ第２の運動期間において、前記第１の運動期間における前記脚式移動装置の最終目標姿勢状態を初期姿勢状態として、前記脚式移動装置の角運動量および運動量の２つを制御パラメータとして入力し、前記角運動量および運動量から前記第２の運動期間の制御目標となる角運動量および運動量を生成し、生成した角運動量および運動量へ遷移させる制御を行う第２の制御手段と、
前記脚式移動装置の脚が接地する際の衝撃を和らげる第３の運動期間において、前記第２の運動期間における前記脚式移動装置の最終姿勢状態を初期姿勢状態として、その時の重心位置ベクトル、その時の重心速度ベクトルおよびその時の重心加速度ベクトルの３つを制御パラメータとして用い、前記初期姿勢状態から前記第３の運動期間の最終目標姿勢状態を生成し、前記最終目標姿勢状態へ遷移させる制御を行う第３の制御手段と、
前記脚式移動装置の運動状態に基づいて、前記第１の制御手段、第２の制御手段または第３の制御手段に切り替える切替制御手段と、
を備えたことを特徴とする脚式移動装置の歩行・走行制御装置。
【請求項８】
脚式移動装置の歩行運動および走行運動の制御を行う脚式移動装置の歩行・走行制御装置において、
前記脚式移動装置の並進移動速度を検出する速度検出手段と、
前記速度検出手段から並進移動速度を入力して、その時の運動に最適な前記脚式移動装置の接地点から重心までの重心位置ベクトル、その時の重心速度ベクトルおよびその時の重心加速度ベクトルを生成して出力するベクトル生成手段と、
前記脚式移動装置の２つの脚の接地状態を検出する接地検出手段と、
前記脚式移動装置の角運動量を検出する角運動量検出手段と、
前記脚式移動装置の運動量を検出する運動量検出手段と、
前記速度検出手段および接地検出手段の検出結果に基づいて、前記脚式移動装置の脚の接地状態が２脚の接地状態から１脚の接地状態へ移行する期間または１脚の接地状態から接地なしの状態へ移行する期間で、かつ、前記脚式移動装置の並進移動速度が増加する期間を第１の運動期間として、前記ベクトル生成手段で生成された前記重心位置ベクトル、重心速度ベクトルおよび重心加速度ベクトルの３つを制御パラメータとして入力し、前記第１の運動期間における前記脚式移動装置の初期姿勢状態から前記第１の運動期間の最終目標姿勢状態を生成して、前記最終目標姿勢状態へ遷移させる制御を行う第１の制御手段と、
前記接地検出手段の検出結果に基づいて、前記脚式移動装置の脚の接地状態が１脚の接地状態から２脚の接地状態へ移行する期間または接地なしの状態から１脚の接地状態へ移行する期間を第２の運動期間として、前記第１の運動期間における前記脚式移動装置の最終目標姿勢状態を初期姿勢状態として、前記角運動量検出手段および運動量検出手段から前記脚式移動装置の角運動量および運動量の２つを制御パラメータとして入力し、前記角運動量および運動量から前記第２の運動期間の制御目標となる角運動量および運動量を生成し、生成した角運動量および運動量へ遷移させる制御を行う第２の制御手段と、
前記速度検出手段および接地検出手段の検出結果に基づいて、前記脚式移動装置の脚の接地状態が２脚の接地状態または１脚の接地状態である期間で、かつ、前記脚式移動装置の並進移動速度を低下させる期間を第３の運動期間として、前記第２の運動期間における前記脚式移動装置の最終姿勢状態を初期姿勢状態として、その時の重心位置ベクトル、その時の重心速度ベクトルおよびその時の重心加速度ベクトルの３つを制御パラメータとして用い、前記初期姿勢状態から前記第３の運動期間の最終目標姿勢状態を生成し、前記最終目標姿勢状態へ遷移させる制御を行う第３の制御手段と、
前記脚式移動装置の運動状態に基づいて、前記脚式移動装置の運動が前記第１の運動期間、第２の運動期間または第３の運動期間のいずれであるかを判定して、前記第１の制御手段、第２の制御手段および第３の制御手段の切り替え制御を行う切替制御手段と、
を備えたことを特徴とする脚式移動装置の歩行・走行制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、脚式移動装置の歩行運動および走行運動の制御を行う脚式移動装置の歩行・走行制御方法および脚式移動装置の歩行・走行制御装置に関し、より詳細には、脚式移動装置の歩行運動と走行運動をシームレスに制御して運動の連続性を実現する脚式移動装置の歩行・走行制御方法および脚式移動装置の歩行・走行制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、脚を用いて移動する装置（以降、脚式移動装置と記載する）の研究が長足の進歩を遂げている。一般的に、脚式移動装置は、装置本体を支持すると共に装置本体に推進力を与えて移動させるための複数の脚が装置本体の下部に設けられている。なお、脚式移動装置の具体例としては、例えば、２本の脚を有する人間型のロボットや、装置本体の下部に４本の足を設けた装置などを挙げることができる。
【０００３】
また、従来の脚式移動装置として、例えば、特開２００１−１２９７７５号公報「ロボット、及び、ロボットの重心位置制御方法」に開示されるように、人やサルなどの直立歩行型の身体メカニズムや動作を模した構造を有する脚式移動型ロボットにおいて、歩行運動や、その他体幹や上肢などを含んだ全身協調運動時において好適な重心位置を設定可能な直立歩行・脚式移動型ロボットが提供されている。
【０００４】
なお、このような従来の脚式移動装置では、ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ  ＭｏｍｅｎｔＰｏｉｎｔ：総慣性力のモーメントがゼロとなる点）規範に基づいて、歩行制御を行っている。すなわち、脚式移動装置が歩行するときの床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点を目標値に一致させるように制御することにより、脚式移動装置の歩行運動を実現している。
【０００５】
一方、歩行運動が可能な脚式移動装置とは別に、走行運動を実現した脚式移動装置も提供されている。ここで、走行運動とは、脚式移動装置の移動において両脚が同時に床から離れている（浮いている）期間がある移動運動のことである。歩行運動では脚式移動装置の何れか一方の脚が常に床に接地しているので前述したＺＭＰ規範を適用することが可能であるが、走行運動では両脚が浮いている期間があることでＺＭＰ規範を適用することができないため、歩行運動とは完全に異なる運動として扱われている。
【０００６】
したがって、歩行運動と走行運動では、それぞれの制御における制御モデルおよび各種式が異なることになるため、１つの脚式移動装置で連続して歩行運動と走行運動を行わせる場合には、歩行運動時と走行運動時とで制御モデルや各種式を切り替える必要があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術によれば、脚式移動装置の歩行運動と走行運動とを異なる運動と捕らえて、歩行制御と走行制御とを別々の制御方法で行う構成であるため、１つの脚式移動装置で歩行運動と走行運動を行わせる場合には運動の切り分けにより、複雑な制御が要求されるという問題点や、切り分けることによって運動の連続性が損なわれ、歩いている状態から走り出すことや、走っている状態から歩く状態へ移ることができないという問題点が発生する。
【０００８】
この発明は上記に鑑みてなされたものであって、歩行運動制御と走行運動制御を切り替えるための複雑な制御を行うことなく、歩行運動と走行運動とを連続的に実現して、立ち止まっている状態から歩き出して徐々に速度アップ走行にいたり、また止まるという動作を可能とすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る脚式移動装置の歩行・走行制御方法は、脚式移動装置の歩行運動および走行運動の制御を行う脚式移動装置の歩行・走行制御方法において、前記脚式移動装置の歩行運動と走行運動とを同一の制御モデルを用いてモデル化し、前記制御モデルで使用する制御パラメータを切り替えることによって歩行運動制御と走行運動制御を制御し、前記制御モデルは、前記脚式移動装置の脚の運動によって発生するモーメントおよび力を質点本体に対する外乱として処理し、前記脚式移動装置を三次元の一質点系飛行体として見做してモデル化したことを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、歩行運動と走行運動とを同一の制御モデルを用いてモデル化し、該制御モデルで使用する制御パラメータを切り替えることによって、歩行運動制御と走行運動制御を制御し、該制御モデルは、脚式移動装置の脚の運動によって発生するモーメントおよび力を質点本体に対する外乱として処理し、脚式移動装置を三次元の一質点系飛行体として見做してモデル化したので、制御パラメータの切り替えのみで、歩行運動と走行運動とを制御する。換言すれば、複雑な制御を行うことなく、歩行運動と走行運動とを連続的に実現する。
【００１２】
また、請求項２に係る脚式移動装置の歩行・走行制御方法は、請求項１に記載の脚式移動装置の歩行・走行制御方法において、前記制御モデルは、前記脚式移動装置の運動を、前記脚式移動装置に推進力を与える第１の運動期間と、前記脚式移動装置の空中姿勢および脚を用いた支持姿勢を目標状態に保つ第２の運動期間と、前記脚式移動装置が着地する際の衝撃を和らげる第３の運動期間との３つの運動期間に分けて、前記３つの運動期間毎に使用する制御パラメータを変更する構成であることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項３に係る脚式移動装置の歩行・走行制御方法は、請求項２に記載の脚式移動装置の歩行・走行制御方法において、前記制御モデルが、前記第１の運動期間において、前記脚式移動装置の接地点から重心までの重心位置ベクトルと、その時の重心速度ベクトルと、その時の重心加速度ベクトルとの３つを制御パラメータとして用いることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項４に係る脚式移動装置の歩行・走行制御方法は、請求項２または３に記載の脚式移動装置の歩行・走行制御方法において、前記制御モデルが、前記第２の運動期間において、前記第１の運動期間における前記脚式移動装置の最終姿勢状態を初期姿勢状態として用いると共に、前記脚式移動装置の角運動量および運動量の２つを制御パラメータとして用いることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項５に係る脚式移動装置の歩行・走行制御方法は、請求項４に記載の脚式移動装置の歩行・走行制御方法において、前記制御モデルが、前記第２の運動期間において、さらに、前記脚式移動装置の姿勢角度が目標姿勢角度となるように制御することを特徴とする。
【００１６】
また、請求項６に係る脚式移動装置の歩行・走行制御方法は、請求項２〜５のいずれか一つに記載の脚式移動装置の歩行・走行制御方法において、前記制御モデルが、前記第３の運動期間において、前記第２の運動期間における前記脚式移動装置の最終姿勢状態を初期姿勢状態として用いると共に、前記脚式移動装置の接地点から重心までの重心位置ベクトルと、その時の重心速度ベクトルと、その時の重心加速度ベクトルとの３つを制御パラメータとして用いることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項７に係る脚式移動装置の歩行・走行制御装置は、脚式移動装置の歩行運動および走行運動の制御を行う脚式移動装置の歩行・走行制御装置において、前記脚式移動装置の並進移動速度を入力して、その時の運動に最適な前記脚式移動装置の接地点から重心までの重心位置ベクトル、その時の重心速度ベクトルおよびその時の重心加速度ベクトルを生成して出力するベクトル生成手段と、前記脚式移動装置が脚を用いて推進力を生成する第１の運動期間において、前記ベクトル生成手段で生成された前記重心位置ベクトル、重心速度ベクトルおよび重心加速度ベクトルの３つを制御パラメータとして入力し、前記第１の運動期間における前記脚式移動装置の初期姿勢状態から前記第１の運動期間の最終目標姿勢状態を生成して、前記最終目標姿勢状態へ遷移させる制御を行う第１の制御手段と、前記脚式移動装置の空中姿勢または脚を用いた支持姿勢を目標状態に保つ第２の運動期間において、前記第１の運動期間における前記脚式移動装置の最終目標姿勢状態を初期姿勢状態として、前記脚式移動装置の角運動量および運動量の２つを制御パラメータとして入力し、前記角運動量および運動量から前記第２の運動期間の制御目標となる角運動量および運動量を生成し、生成した角運動量および運動量へ遷移させる制御を行う第２の制御手段と、前記脚式移動装置の脚が接地する際の衝撃を和らげる第３の運動期間において、前記第２の運動期間における前記脚式移動装置の最終姿勢状態を初期姿勢状態として、その時の重心位置ベクトル、その時の重心速度ベクトルおよびその時の重心加速度ベクトルの３つを制御パラメータとして用い、前記初期姿勢状態から前記第３の運動期間の最終目標姿勢状態を生成し、前記最終目標姿勢状態へ遷移させる制御を行う第３の制御手段と、前記脚式移動装置の運動状態に基づいて、前記第１の制御手段、第２の制御手段または第３の制御手段に切り替える切替制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項８に係る脚式移動装置の歩行・走行制御装置は、脚式移動装置の歩行運動および走行運動の制御を行う脚式移動装置の歩行・走行制御装置において、前記脚式移動装置の並進移動速度を検出する速度検出手段と、前記速度検出手段から並進移動速度を入力して、その時の運動に最適な前記脚式移動装置の接地点から重心までの重心位置ベクトル、その時の重心速度ベクトルおよびその時の重心加速度ベクトルを生成して出力するベクトル生成手段と、前記脚式移動装置の２つの脚の接地状態を検出する接地検出手段と、前記脚式移動装置の角運動量を検出する角運動量検出手段と、前記脚式移動装置の運動量を検出する運動量検出手段と、前記速度検出手段および接地検出手段の検出結果に基づいて、前記脚式移動装置の脚の接地状態が２脚の接地状態から１脚の接地状態へ移行する期間または１脚の接地状態から接地なしの状態へ移行する期間で、かつ、前記脚式移動装置の並進移動速度が増加する期間を第１の運動期間として、前記ベクトル生成手段で生成された前記重心位置ベクトル、重心速度ベクトルおよび重心加速度ベクトルの３つを制御パラメータとして入力し、前記第１の運動期間における前記脚式移動装置の初期姿勢状態から前記第１の運動期間の最終目標姿勢状態を生成して、前記最終目標姿勢状態へ遷移させる制御を行う第１の制御手段と、前記接地検出手段の検出結果に基づいて、前記脚式移動装置の脚の接地状態が１脚の接地状態から２脚の接地状態へ移行する期間または接地なしの状態から１脚の接地状態へ移行する期間を第２の運動期間として、前記第１の運動期間における前記脚式移動装置の最終目標姿勢状態を初期姿勢状態として、前記角運動量検出手段および運動量検出手段から前記脚式移動装置の角運動量および運動量の２つを制御パラメータとして入力し、前記角運動量および運動量から前記第２の運動期間の制御目標となる角運動量および運動量を生成し、生成した角運動量および運動量へ遷移させる制御を行う第２の制御手段と、前記速度検出手段および接地検出手段の検出結果に基づいて、前記脚式移動装置の脚の接地状態が２脚の接地状態または１脚の接地状態である期間で、かつ、前記脚式移動装置の並進移動速度を低下させる期間を第３の運動期間として、前記第２の運動期間における前記脚式移動装置の最終姿勢状態を初期姿勢状態として、その時の重心位置ベクトル、その時の重心速度ベクトルおよびその時の重心加速度ベクトルの３つを制御パラメータとして用い、前記初期姿勢状態から前記第３の運動期間の最終目標姿勢状態を生成し、前記最終目標姿勢状態へ遷移させる制御を行う第３の制御手段と、前記脚式移動装置の運動状態に基づいて、前記脚式移動装置の運動が前記第１の運動期間、第２の運動期間または第３の運動期間のいずれであるかを判定して、前記第１の制御手段、第２の制御手段および第３の制御手段の切り替え制御を行う切替制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の脚式移動装置の歩行・走行制御方法および脚式移動装置の歩行・走行制御装置の一実施の形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において脚式移動装置として二足歩行・走行のロボットを例として説明するが、本発明は特にこれに限定されるものではなく、脚を用いて移動する装置であれば本発明の範疇であることは勿論である。
【００２０】
〔本実施の形態の概要〕
本実施の形態の脚式移動装置の歩行・走行制御方法は、同一の制御モデルを用いて脚式移動装置の歩行運動と走行運動とをモデル化することにより、制御モデル（制御手法）を切り替えることなくシームレスに脚式移動装置に運動を行わせるものである。すなわち、歩行運動でも走行運動でも同一の制御モデルを使用することにより、複雑な切り替え制御を行わないで済むようにしたものである。
【００２１】
ところで、歩行運動と走行運動を比較した場合、歩行運動は常に何れかの脚が床に接地している状態の移動運動であるが、走行運動は全ての脚が同時に床から離れている（浮いている）期間がある移動運動である。このため、従来の歩行運動の制御に使用しているＺＭＰ規範のみを適用して、歩行運動と走行運動との両方を制御可能な制御モデルを作成することは困難である。
【００２２】
このため、本実施の形態では、歩行運動制御と走行運動制御を同一の制御モデルで実現するために、歩行運動および走行運動中に制御パラメータを切り替えるようにしたものである。すなわち、走行運動におけるＺＭＰ規範が適用できない期間（全ての脚が床から離れている期間）に着目して、この期間をＺＭＰ規範に制約されない制御パラメータを使用して制御し、同時に歩行運動における前記ＺＭＰ規範が適用できない期間に対応する期間（後述する歩行運動での単脚支持期間に相当する）でも前記ＺＭＰ規範に制約されない制御パラメータを用いて制御する。
【００２３】
なお、本実施の形態では、脚式移動装置の運動状態を、脚式移動装置に推進力を与える蹴力発生期（本発明の第１の運動期間）と、脚式移動装置の空中姿勢および脚を用いた支持姿勢を目標状態に保つ姿勢制御期（本発明の第２の運動期間：上記ＺＭＰ規範が適用できない期間に相当）と、脚式移動装置が着地する際の衝撃を和らげる衝撃吸収期（本発明の第３の運動期間）との３つの運動期間に分けて定義し、脚式移動装置の運動状態がこの３つの運動期間の何れの期間に相当するかに基づいて、使用する制御パラメータを変えている。
【００２４】
さらに、本実施の形態では、歩行運動および走行運動中に制御パラメータを切り替えることによって歩行運動と走行運動とで同一の制御モデルを実現する一例として、脚式移動装置を三次元の一質点系飛行体として見做してモデル化するものである。
【００２５】
ここで、本実施の形態における脚式移動装置のモデル化の方法とその運動方程式について具体的に説明する。本実施の形態では、前述したように歩行運動と走行運動とで同一の制御モデルを用いるために、脚式移動装置を三次元の一質点系飛行体として見做してモデル化している。この際に、脚式移動装置の脚の運動によって発生するモーメントおよび力を質点本体に対する外乱として処理する。
【００２６】
図１は、脚式移動装置を一質点系飛行体モデル化する際の座標系の関係を示す説明図である。図において、１０１は脚式移動装置を示し、Ｏ−ＸＹＺは慣性空間における固定座標系を示し、Ｇ−ｘｙｚは脚式移動装置の重心Ｇに原点を持ち機体に固定された回転座標系を示している。
【００２７】
この回転座標系Ｇ−ｘｙｚに対して脚式移動装置１０１の重心Ｇの絶対速度ＶGは、（１）式で表すことができ、脚式移動装置１０１に働く外力ＦGは、（２）式で表すことができ、重心Ｇに働く外力モーメントＭGは、（３）式で表すことができる。
【数１】
0003660332.tif 000002
【００２８】
ここで、脚式移動装置１０１の質量をＭとした場合、機体の重心の運動方程式は回転座標系に対する換算式を用いて、（４）式に示すように表すことができる。さらに、（５）式および（６）式を用いて書き改めると（７）式〜（９）式を得ることができる。
【数２】
0003660332.tif 000003
【００２９】
また、重心まわりの回転運動の運動方程式は、ｘｙｚの軸を慣性主軸と一致するように選べば、（１０）式〜（１２）式となる。なお、図１のＦは駆動点に掛かる力を示している。
【数３】
0003660332.tif 000004
【００３０】
次に、脚式移動装置の位置と姿勢を求めるために、固定座標系Ｏ−ＸＹＺに対して回転座標系Ｇ−ｘｙｚの位置と角度を表すと（１３）式のようになる。なお、図２（ａ）〜（ｃ）は、機体の姿勢角度（θ、φ、ψ）を定義する説明図である。
【数４】
0003660332.tif 000005
【００３１】
これによって固定座標系Ｏ−ＸＹＺと回転座標系Ｇ−ｘｙｚの間のオイラー角を定めることができる。また、脚式移動装置の位置とオイラー角の関係は（１４）式で求めることができる。さらに、ωとオイラー角との関係は（１５）式に示すようになり、これを積分することで、（１６）式の現在ｔの姿勢角度θ、φ、ψを得ることができる。
【数５】
0003660332.tif 000006
【００３２】
ここで、外力について追記すると、外力は、脚式移動装置の駆動点にかかる力（脚からの力など）Ｆ（Ｆx、Ｆy、Ｆz）の他にも、Ｍｇがかかるので、（１７）式のように表すことができる。
【数６】
0003660332.tif 000007
【００３３】
次に、図３（ａ）、（ｂ）および表１を参照して、本実施の形態において歩行運動および走行運動をどのように３つの運動期間に分けて制御するかについて具体的に説明する。本実施の形態では、図３に示すように、運動の機能に基づいて、歩行運動および走行運動を飛行体（脚式移動装置）に推進力を与える蹴力発生期、飛行姿勢を目標姿勢に保つ姿勢制御期および着地衝撃を和らげる衝撃吸収期の３つの運動期間に統一的に切り分けて制御する。
【００３４】
蹴力発生期の場合、歩行運動では、脚式移動装置の両脚が床面に接地しており、脚式移動装置は両脚で支持された状態で脚を用いて移動のための推進力を生成している。この期間は、走行運動のための初速度を準備する期間と定義することもできる。一方、走行運動では、すでに所定の並進移動速度（歩行から走行に切り替わる閾値となる速度）以上を脚式移動装置が有している状態であり、この所定の並進移動速度以上を維持して、かつ、飛距離を与えるように飛行体（脚式移動装置）を移動方向の上方へ射出している。この期間において、両方の運動とも脚式移動装置のエネルギーは増加する。
【００３５】
また、姿勢制御期の場合、歩行運動では、単脚で床面に接地しており、脚式移動装置は単脚で支持した状態で装置本体を移動方向へ移動させる。一方、走行運動では、蹴力発生期で射出されて、両脚が空中に浮いている状態であり、この空中での姿勢を目標状態（着地時の理想の状態）に保っている。この期間において、両方の運動とも脚式移動装置のエネルギーは保存されている。
【００３６】
衝撃吸収期の場合、運動によって前段の姿勢制御期の状態は異なるものの、両方の運動とも、蹴力発生期で生成した推進力によって移動方向へ投げ出された脚式移動装置の着地の衝撃を和らげる機能を果たしている。この期間において、両方の運動とも脚式移動装置のエネルギーは減少（損失）する。
【００３７】
次に、３つの運動期間で使用する制御パラメータについて説明する。本実施の形態では、運動を３つに切り分けているが、そのうちの蹴力発生期と衝撃吸収期では、制御パラメータとして、脚式移動装置の接地点から重心までのベクトルＰと、その時の重心速度ベクトルＶと、その時の重心加速度ベクトルＶ'（以下、式および図面中のＶポイントを明細書中で必要に応じてＶ'と記載する）とを用いる。
【００３８】
蹴力発生期において、上記３つの制御パラメータを用いることにより、歩行運動と走行運動をシームレスに切り分けることが可能である。具体的には、（１８）式、（１９）式に示すように制御パラメータを用いれば歩行／走行状態を判別／明示することができる。なお、本実施の形態において、各ベクトル（Ｐ、Ｖ、Ｖ'）の下添字ｋは蹴力発生期を示し、上添字ｏは目標値を示す。また、各ベクトル（Ｐ、Ｖ、Ｖ'）の下添字ｌは衝撃吸収期を示し、上添字ｉは初期値を示す。
【００３９】
【数７】
0003660332.tif 000008
【００４０】
一方、姿勢制御期では、姿勢を制御するために、脚式移動装置の角運動量ＨG および運動量ＭｖGの２つを制御パラメータとして用いる。
【００４１】
次に、蹴力発生期において目標となるＰ，Ｖベクトルで射出された後の脚式移動装置１０１の飛距離と浮遊時間の関係を導出する。浮遊時間ＴAPは、（２０）式に示すように、射出ベクトル垂直成分との関係によって一意に決定される。同様に飛距離は、（２１）式に示すように、浮遊時間ＴAPと射出ベクトル水平成分によって決定される。この飛距離が歩行／走行系でいう一歩の歩幅となる。
【００４２】
【数８】
0003660332.tif 000009
【００４３】
ここで、本実施の形態の脚式移動装置の歩行・走行制御方法による３つの運動期間と歩行／走行運動の切り分けおよび機能を纏めて表１に示す。
【表１】
0003660332.tif 000010
【００４４】
〔本実施の形態の歩行・走行制御装置〕
図４は、本実施の形態の歩行・走行制御装置２００を適用した脚式移動装置１０１の全体構成図を示す。なお、ここでは、説明を分かりやすくするために歩行・走行制御装置２００と制御対象となる脚式移動装置１０１とを分けて図示するが、特に限定するものではなく、必要に応じて脚式移動装置１０１内に搭載することも別装置として構成することも可能である。
【００４５】
歩行・走行制御装置２００は、脚式移動装置１０１の並進移動速度を検出する速度検出センサー２０１と、速度検出センサー２０１から並進移動速度を入力して、その時の運動に最適な脚式移動装置１０１の接地点から重心までの重心位置ベクトルＰ、その時の重心速度ベクトルＶおよびその時の重心加速度ベクトルＶ'を生成して出力するベクトル生成手段としてのオプティマイザー２０３と、脚式移動装置１０１の２つの脚の接地状態を検出する接地検出センサー２０２と、脚式移動装置１０１の角運動量ＨGを検出する角運動量検出手段および脚式移動装置１０１の運動量ＭｖGを検出する運動量検出手段として機能するセンサー群２０４と、速度検出センサー２０１および接地検出センサー２０２の検出結果に基づいて、脚式移動装置１０１の脚の接地状態が２脚の接地状態から１脚の接地状態へ移行する期間または１脚の接地状態から接地なしの状態へ移行する期間で、かつ、脚式移動装置１０１の並進移動速度が増加する期間を蹴力発生期として、オプティマイザー２０３で生成された重心位置ベクトルＰ、重心速度ベクトルＶおよび重心加速度ベクトルＶ'の３つを制御パラメータとして入力し、蹴力発生期における脚式移動装置１０１の初期姿勢状態から蹴力発生期の最終目標姿勢状態を生成して、最終目標姿勢状態へ遷移させる制御を行う第１の制御手段としてのＰＶＶ'コントローラ２０５と、接地検出センサー２０２の検出結果に基づいて、脚式移動装置１０１の脚の接地状態が１脚の接地状態から２脚の接地状態へ移行する期間または接地なしの状態から１脚の接地状態へ移行する期間を姿勢制御期として、蹴力発生期における脚式移動装置１０１の最終目標姿勢状態を初期姿勢状態として、センサー群２０４から脚式移動装置１０１の角運動量ＨGおよび運動量ＭｖGの２つを制御パラメータとして入力し、角運動量ＨGおよび運動量ＭｖGから姿勢制御期の制御目標となる角運動量および運動量を生成し、生成した角運動量および運動量へ遷移させる制御を行う第２の制御手段としての角運動量コントローラ２０６と、速度検出センサー２０１および接地検出センサー２０２の検出結果に基づいて、脚式移動装置１０１の脚の接地状態が２脚の接地状態または１脚の接地状態である期間で、かつ、脚式移動装置１０１の並進移動速度を低下させる期間を衝撃吸収期として、姿勢制御期における脚式移動装置１０１の最終姿勢状態を初期姿勢状態として、その時の重心位置ベクトルＰ、その時の重心速度ベクトルＶおよびその時の重心加速度ベクトルＶ'の３つを制御パラメータとして用い、初期姿勢状態から衝撃吸収期の最終目標姿勢状態を生成し、最終目標姿勢状態へ遷移させる制御を行う第３の制御手段としてのコンプライアンスコントローラ２０７と、脚式移動装置１０１の運動状態に基づいて、脚式移動装置１０１の運動が蹴力発生期、姿勢制御期または衝撃吸収期のいずれであるかを判定して、ＰＶＶ'コントローラ２０５、角運動量コントローラ２０６およびコンプライアンスコントローラ２０７の切り替え制御を行う切替制御手段としての状態監視部２０８と、を備えている。
【００４６】
すなわち、オプティマイザー２０３は、脚式移動装置１０１の並進移動速度υGHを与えられ、その運動に適切な重心位置ベクトルＰ、重心速度ベクトルＶおよび重心加速度ベクトルＶ'を出力する。
【００４７】
また、モーションジェネレータは、ＰＶＶ'コントローラ２０５、角運動量コントローラ２０６およびコンプライアンスコントローラ２０７の３つの制御則から構成され、状況に応じて状態監視部２０８により切り替えられる。
【００４８】
また、脚式移動装置１０１は、歩行、走行両方を行うことができるロボットハードウェアおよび様々なセンサーを搭載している。
【００４９】
さらに、状態監視部２０８は、脚式移動装置１０１の状態を絶えず監視して、条件により、モーションジェネレータ内のＰＶＶ'コントローラ２０５、角運動量コントローラ２０６およびコンプライアンスコントローラ２０７を切り替える信号（Ｅｎａｂｌｅ／Ｄｉｓａｂｌｅ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を出力する。
【００５０】
次に、図５〜図９を参照して、ＰＶＶ'コントローラ２０５、角運動量コントローラ２０６およびコンプライアンスコントローラ２０７のそれぞれの制御則について詳細に説明する。
【００５１】
図５は、ＰＶＶ'コントローラ２０５の制御則の概略ブロック図を示す。ＰＶＶ'コントローラ２０５は、蹴力発生期の運動制御を担っており、その機能は、オプティマイザー２０３からベクトルＰ、Ｖ、Ｖ'を入力して、（２２）式で示す初期姿勢状態から（２３）式で示す目標となる射出状態へ遷移させるものである。
また、図５の制御則における誤差拡散方程式は、（２４）式のようになり、この式に基づいて、安定になるようにＫv、Ｋpを選べば良いことになる。
【００５２】
【数９】
0003660332.tif 000011
【００５３】
角運動量コントローラ２０６は、蹴力発生期での射出時の姿勢を初期状態とし、巻き込み関数および最終目標姿勢に従って軌道を生成し、姿勢制御を行う。
ここで、ポイントを列挙すると、まず、着地するべき脚を目標着地体制になるように位置制御する。このとき巻き込み関数ε（υGH，τ）に従う。
巻き込み関数ε（υGH，τ）の運動によって発生した並進力（（２５）式参照）およびモーメント（（２６）式参照）のカウンターバランシングを行い、その差などにより姿勢を目標姿勢に制御する。
【数１０】
0003660332.tif 000012
【００５４】
ここで、図６のロボットモデルを参照して、カウンターバランシングの方法の一例を示す。上記発生したモーメントに対しては、左右の腕を鉛直軸鏡関係で駆動して疑似リアクションホールとして利用し、腰の回転コリオリ力を利用してカウンター用モーメント（（２７）式参照）を発生させる。また、着地しない側の脚では巻き込み関数ε（υGH，τ）により発生した並進力に対するカウンターバランシングのための力（（２８）式参照）を発生させる。
【数１１】
0003660332.tif 000013
【００５５】
この時の角運動量ＨGおよび運動量ＭｖGは、（２９）式〜（３１）式で表される。
【数１２】
0003660332.tif 000014
【００５６】
角運動量コントローラ２０６の制御則としては、（２９）式に従って以下のものを実現する。
脚式移動装置の角運動量ＨG→制御目標角運動量ＨGO
脚式移動装置の運動量ＭｖG→制御目標運動量ＭｖGO
【００５７】
また、角運動量コントローラ２０６は、同時に姿勢制御期間（浮遊時間ＴAPと同じ）で（３２）式を達成するように制御する。なお、（θO，φO，ψO）は目標姿勢角度を示す。従って、これらの制御則をブロック図で表すと図７に示すようになる。
【数１３】
0003660332.tif 000015
【００５８】
次に、コンプライアンスコントローラ２０７による衝撃吸収期の制御則について説明する。衝撃吸収期では、着地によって角運動量が不連続にならないように図８に示すような仮想のコンプライアンス系を用いてエネルギーの吸収を行う。すなわち、コンプライアンスコントローラ２０７は、着地姿勢状態（（３３）式参照）から与えられた目標の状態（（３４）式参照）へ遷移させる制御を行う。具体的には、例えば、インピーダンス制御を用いて、（３５）式に従って系を制御する。
【００５９】
【数１４】
0003660332.tif 000016
【００６０】
コンプライアンスコントローラ２０７の制御則をブロック図で示すと図９のようになる。ただし、（３５）式中のＤ，Ｋ（（３６）式参照）は以下の方法によって求められる。まず、吸収すべきエネルギーＥδは（３７）式で求めることができる。
【数１５】
0003660332.tif 000017
【００６１】
この任意のエネルギーを失わせるには、（３８）式に従って仮想のインピーダンスを求めればよいことになる。
【数１６】
0003660332.tif 000018
【００６２】
以上の構成において、図１０および図１１を参照して、その動作を説明する。図１０は本実施の形態の歩行・走行制御装置２００の歩行・走行制御フローチャートを示し、図１１は、脚式移動装置１０１が停止状態（立ち止まっている状態）から歩行運動を開始して、徐々に速度を上げて、並進移動速度が所定の閾値を超えて、走行運動へ移行し、さらに走行運動から並進移動速度を落として歩行運動へ移行する状態を示す説明図である。
【００６３】
まず、脚式移動装置１０１が停止状態から脚を踏み出して移動を開始すると、速度検出センサー２０１によって並進移動速度υGHが検出され、オプティマイザー２０３に並進移動速度が与えられる（Ｓ３０１）。
【００６４】
オプティマイザー２０３は並進移動速度υGHから最適な重心位置ベクトルＰ、重心速度ベクトルＶおよびその時の重心加速度ベクトルＶ'を算出する（Ｓ３０２）。このとき、状態監視部２０８は脚式移動装置１０１の動作状態を監視しており、そのときの条件からモードセレクターを切り替える。ここでは、停止状態から歩行を開始したので、蹴力発生期に移行すべく、ＰＶＶ'コントローラ２０５へＥｎａｂｌｅ信号を出力する（他のコントローラはＤｉｓａｂｌｅとなる）。なお、次回からは前段の処理（運動期間）に基づいて、蹴力発生期→姿勢制御期→衝撃吸収期→蹴力発生期→姿勢制御期，，，と運動期間が移行するように切り替える。これによって、制御パラメータが切り替えられたことになる。
【００６５】
ＰＶＶ'コントローラ２０５は、オプティマイザー２０３で生成された重心位置ベクトルＰ、重心速度ベクトルＶおよび重心加速度ベクトルＶ'の３つを制御パラメータとして入力し、蹴力発生期における脚式移動装置１０１の初期姿勢状態（衝撃吸収期の着地終了状態と一致）から蹴力発生期の最終目標姿勢状態を生成して、最終目標姿勢状態へ遷移させる（Ｓ３０３）。
【００６６】
次に、センサー群２０４からの検出信号によって重心回りの角運動量ＨG（ここでは、蹴力発生期の終了時の角運動量ＨGk）が検出されると（Ｓ３０４）、状態監視部２０８は姿勢制御期に移行すべく、角運動量コントローラ２０６へ制御を切り替える。
【００６７】
角運動量コントローラ２０６は、重心回りの運動量ＭｖGおよび角運動量ＨGが目標値に収束するように脚式移動装置１０１の関節の力制御を行い、各関節の軌道を生成する。また遊脚の軌道は巻き込み関数ε（υGH，τ）に従う（Ｓ３０５）。このとき、オプティマイザー２０３は、次段の衝撃吸収期で使用するために重心位置ベクトルＰ、重心速度ベクトルＶを最新の状態に更新する（Ｓ３０６）。その後、着地衝撃を検知するまで（Ｓ３０７）、Ｓ３０５、Ｓ３０６を繰り返す。
【００６８】
Ｓ３０７で着地衝撃を検知すると、オプティマイザー２０３の最新のデータ（着地直前の重心位置ベクトルＰ、重心速度ベクトルＶ）から吸収すべきエネルギーを算出し（Ｓ３０８）、続いて、コンプライアンスコントローラ２０７が、衝撃吸収後に残る速度ベクトルＶを算出し（Ｓ３０９）、算出した速度ベクトルＶから蹴力発生期に遷移するために必要な重心位置ベクトルＰを算出し（Ｓ３１０）、インピーダンス制御（コンプライアンス制御）により着地直前の重心位置ベクトルＰ、重心速度ベクトルＶから目標着地終了状態を実現する（Ｓ３１１）。
【００６９】
衝撃吸収期におけるエネルギーの吸収（損失）によって並進移動速度が「０」になったか否か判定し（Ｓ３１２）、「０」でなければ、すなわち、脚式移動装置１０１が歩行または走行運動の状態であれば、Ｓ３０１へ戻って同様の処理を繰り返す。
【００７０】
以上の処理から、図１１（ａ）に示すように、停止状態から歩行運動を開始し、図１１（ｂ）に示すように、並進移動速度が徐々に大きくなって予め設定されている閾値を超えると、運動の状態は歩行運動から走行運動へ移行する。このとき、図１１（ｄ）に示すように、制御モデルは歩行運動と走行運動で同一の制御モデルが使用される。一方、運動期間は、図１１（ｃ）に示すように、蹴力発生期→姿勢制御期→衝撃吸収期→蹴力発生期→姿勢制御期，，，，と順番に切り替えられる。これによって運動期間に応じて制御パラメータが切り替えられることになる。
【００７１】
同様に走行運動から歩行運動へ移行する場合にも、運動期間に応じて制御パラメータを切り替えることで、同一の制御モデルを使用して制御を行うことができる。換言すれば、歩行運動制御と走行運動制御を切り替えるための複雑な制御を行うことなく、歩行運動と走行運動とを連続的に実現して、立ち止まっている状態から歩き出して徐々に速度アップ走行にいたり、また止まるという動作を実現することができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の脚式移動装置の歩行・走行制御方法および脚式移動装置の歩行・走行制御装置によれば、歩行運動と走行運動とを同一の制御モデルを用いてモデル化し、該制御モデルで使用する制御パラメータを切り替えることによって、歩行運動制御と走行運動制御を制御するので、制御パラメータの切り替えのみで、歩行運動と走行運動とを制御することができる。換言すれば、歩行運動制御と走行運動制御を切り替えるための複雑な制御を行うことなく、歩行運動と走行運動とを連続的に実現して、立ち止まっている状態から歩き出して徐々に速度アップ走行にいたり、また止まるという動作が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態において脚式移動装置を一質点系飛行体モデル化する際の座標系の関係を示す説明図である。
【図２】機体（脚式移動装置）の姿勢角度を定義する説明図である。
【図３】本実施の形態において歩行運動および走行運動をどのように３つの運動期間に分けて制御するかを示す説明図である。
【図４】本実施の形態の歩行・走行制御装置を適用した脚式移動装置の全体構成図である。
【図５】本実施の形態のＰＶＶ'コントローラの制御則の概略ブロック図である。
【図６】カウンターバランシングの方法の一例を示す説明図である。
【図７】本実施の形態の角運動量コントローラの制御則の概略ブロック図である。
【図８】衝撃吸収期の仮想のコンプライアンス系を示す説明図である。
【図９】本実施の形態のコンプライアンスコントローラの制御則の概略ブロック図である。
【図１０】本実施の形態の歩行・走行制御フローチャートである。
【図１１】本実施の形態において、歩行運動から走行運動への移行および走行運動から歩行運動への移行時における制御モデルとその時の運動期間の状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１０１  脚式移動装置
２００  歩行・走行制御装置
２０１  速度検出センサー
２０２  接地検出センサー
２０３  オプティマイザー
２０４  センサー群
２０５  ＰＶＶ'コントローラ
２０６  角運動量コントローラ
２０７  コンプライアンスコントローラ
２０８  状態監視部
【図１】
0003660332.tif 000019
【図２】
0003660332.tif 000020
【図３】
0003660332.tif 000021
【図４】
0003660332.tif 000022
【図５】
0003660332.tif 000023
【図６】
0003660332.tif 000024
【図７】
0003660332.tif 000025
【図８】
0003660332.tif 000026
【図９】
0003660332.tif 000027
【図１０】
0003660332.tif 000028
【図１１】
0003660332.tif 000029