(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部を有する二本の脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部と、各脚部，膝部及び足部を揺動可能に支持する関節部と、これらの関節部を揺動させる駆動手段と、要求動作に対応して歩容データを生成して、この歩容データに基づいて上記駆動手段を駆動制御する歩行制御装置と、を備えた二脚歩行式移動装置において、
上記歩行制御装置が、歩行動作中の蹴り出し時に両脚部の膝部及び足部の駆動手段を駆動モードで駆動制御させ、一方の脚部が浮き上がっている時に浮き上がっている脚部の膝部及び足部の駆動手段を受動モードで自由運動を行わせることを特徴とする、二脚歩行式移動装置。
【請求項２】
前記本体が人型ロボットの上体であって、頭部及び両手部を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の二脚歩行式移動装置。
【請求項３】
本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部分を有する二本の脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部と、各脚部，膝部及び足部を揺動可能に支持する関節部と、これらの関節部を揺動させる駆動手段と、から成る二脚歩行式移動装置に関して、要求動作に対応して生成した歩容データに基づいて上記駆動手段を駆動制御する二脚歩行式移動装置の歩行制御装置において、
上記歩行制御装置が、歩行動作中の蹴り出し時に両脚部の膝部及び足部の駆動手段を駆動モードで駆動制御させ、一方の脚部が浮き上がっている時に浮き上がっている脚部の膝部及び足部の駆動手段を受動モードで自由運動を行わせることを特徴とする、二脚歩行式移動装置の歩行制御装置。
【請求項４】
本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部を有する二本の脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部と、各脚部，膝部及び足部を揺動可能に支持する関節部と、これらの関節部を揺動させる駆動手段と、から成る二脚歩行式移動装置に関して、要求動作に対応して生成した歩容データに基づいて上記駆動手段を駆動制御する二脚歩行式移動装置の歩行制御方法において、
上記歩行制御方法が、歩行動作中の蹴り出し時に両脚部の膝部及び足部の駆動手段を駆動モードで駆動制御させ、一方の脚部が浮き上がっている時に浮き上がっている脚部の膝部及び足部の駆動手段を受動モードで自由運動を行わせることを特徴とする、二脚歩行式移動装置の歩行制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は二脚歩行式移動装置に関し、特に安定性及び低エネルギー消費を兼ね備えた歩行を実現するようにした歩行制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、所謂二脚歩行式ロボットは、本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部を有する二本の脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部と、各脚部，膝部及び足部を揺動可能に支持する関節部と、これらの関節部を揺動させる駆動手段と、要求動作に対応して歩容データを生成する歩容生成部と、この歩容データに基づいて上記駆動手段を駆動制御する歩行制御装置と、を備えることにより構成されている。
【０００３】
このように構成された二脚歩行式ロボットによれば、歩容生成部により、前もって設定された歩行パターン（以下、歩容という）データを生成して、歩行制御装置がこの歩容データに従って駆動手段を駆動制御することにより、所定の歩行パターンで脚部，膝部及び足部の各関節部を揺動させることによって二脚歩行を実現するようにしている。
その際、歩行姿勢を安定させるために、ロボットの足裏における床反力と重力の合成モーメントがゼロとなる点（以下、ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ  Ｍｏｍｅｎｔ  Ｐｏｉｎｔ）という）を目標値に収束させる、所謂ＺＭＰ補償を行なうことによってＺＭＰ規範によりロボットの安定化を図るようにしている。
【０００４】
ところで、このような二脚歩行式ロボットにおける各関節部は、それぞれ駆動手段により能動的に駆動する駆動関節、あるいは駆動手段から解放されて自由運動のみを行なう受動関節として構成されている。
【０００５】
駆動関節は、関節部を揺動させる駆動手段としての個々のアクチュエータをアクティブに駆動して、脚部及び足部を移動させて歩行を実現するものである。そして、駆動関節は、アクティブに関節部のアクチュエータを駆動することにより、歩容を比較的自由に生成することができるという利点を有している。
しかしながら、駆動関節は、アクチュエータのトルクを積極的に利用していることから、一般的にエネルギー消費が多くなってしまうと共に、関節部が多くなるにつれて、複雑な制御則になってしまうという問題があった。
また、自由な歩容形成が、ＺＭＰ規範により著しく制約を受けてしまうという問題があった。
【０００６】
これに対して、受動関節は、アクチュエータを使用せずに、重力等の外力により受動的に関節部を揺動させるものである。受動関節は、二脚歩行時に、外力のみによって関節部を揺動させることから、自然安定性を備えており、ＺＭＰが足裏に収まることになる。さらに、受動関節は、消費エネルギーが少なくて済むと共に、制御則が簡単であることから、歩行制御のための計算コストが低減され得る。
しかしながら、受動関節は、重力等の外力に依存して揺動されることから、自由な揺動、そして自由な歩行を実現することが困難である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このようにして、駆動関節及び受動関節は、互いに相反する利点を有しているが、これらに関する研究はそれぞれ別個に独立して行なわれており、従来の殆どの二脚歩行式ロボットはこの駆動関節のみを使用している。従って、駆動関節のみを備えた二脚歩行式ロボットは、関節部を駆動するためのアクチュエータの消費エネルギーが多くなってしまう。
他方、受動関節のみを備えた歩行ロボットは古くから玩具として知られているが、自由な歩行を行なうものではなく十分な歩行安定性を備えていない。
【０００８】
また駆動関節及び受動関節の双方の利点を組み合わせた二脚歩行制御の研究も行なわれているが、これは駆動関節及び受動関節を単純に組み合わせたものであって、駆動関節としての関節部は常に駆動関節として作用し、また受動関節としての関節部は常に受動関節として作用するようになっているため、実用的ではない。
【０００９】
この発明は、以上の点にかんがみて、歩行安定性を高めるようにした二脚歩行式移動装置と、その歩行制御装置及び歩行制御方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、この発明の第一の構成によれば、本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部を有する二本の脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部と、各脚部，膝部及び足部を揺動可能に支持する関節部と、これらの関節部を揺動させる駆動手段と、要求動作に対応して歩容データを生成して、この歩容データに基づいて上記駆動手段を駆動制御する歩行制御装置とを備えた二脚歩行式移動装置において、上記歩行制御装置が、歩行動作中の蹴り出し時に両脚部の膝部及び足部の駆動手段を駆動モードで駆動制御させ、一方の脚部が浮き上がっている時に浮き上がっている脚部の膝部及び足部の駆動手段を受動モードで自由運動を行わせることを特徴とする二脚歩行式移動装置により、達成される。
【００１１】
本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、上記本体が人型ロボットの上体であって頭部及び両手部を備えている。
【００１５】
また、上記目的は、この発明の第二の構成によれば、本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部を有する二本の脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部と、各脚部，膝部及び足部を揺動可能に支持する関節部と、これらの関節部を揺動させる駆動手段とから成る二脚歩行式移動装置に関して、要求動作に対応して生成した歩容データに基づいて上記駆動手段を駆動制御する二脚歩行式移動装置の歩行制御装置において、上記歩行制御装置が、歩行動作中の蹴り出し時に両脚部の膝部及び足部の駆動手段を駆動モードで駆動制御させ、一方の脚部が浮き上がっている時に浮き上がっている脚部の膝部及び足部の駆動手段を受動モードで自由運動を行わせることを特徴とする二脚歩行式移動装置の歩行制御装置により達成される。
【００１９】
さらに、上記目的は、この発明の第三の構成によれば、本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部分を有する二本の脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部と、各脚部，膝部及び足部を揺動可能に支持する関節部と、これらの関節部を揺動させる駆動手段と、から成る二脚歩行式移動装置に関して、要求動作に対応して生成した歩容データに基づいて上記駆動手段を駆動制御する二脚歩行式移動装置の歩行制御方法において、上記歩行制御方法が、歩行動作中の蹴り出し時に両脚部の膝部及び足部の駆動手段を駆動モードで駆動制御させ、一方の脚部が浮き上がっている時に浮き上がっている脚部の膝部及び足部の駆動手段を受動モードで自由運動を行わせることを特徴とする二脚歩行式移動装置の歩行制御方法により達成される。
【００２３】
上記構成によれば、歩行制御装置が、要求動作に対応して歩容データを形成して、この歩容データに基づいて駆動手段を駆動制御する。その際、歩行制御装置は駆動モード及び受動モードを適宜に切り換えて駆動手段を駆動制御するので、駆動モードによって駆動手段により駆動制御される関節部は駆動関節として作用し、また受動モードによって駆動手段により駆動制御される関節部は受動関節として作用することになる。
【００２４】
これにより、同じ関節部が、駆動モードまたは受動モードにより駆動制御されることにより、駆動関節または受動関節として作用することになるので、二脚歩行式移動装置の歩行時に、通常は駆動モードで駆動手段を駆動制御し、必要に応じて膝部や足部の関節部を受動モードで駆動手段を駆動制御することにより、駆動関節及び受動関節の利点のみを利用し、欠点を排除することができる。
【００２６】
歩行動作中の蹴り出し及び着地時に駆動モードに切り換え、遊脚時に受動モードに切り換えて、蹴り出し時に遊脚時に必要なエネルギーの供給を行なうと共に、着地時にはエネルギーの吸収を行なうことにより、衝撃を吸収することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施形態に基づいて、この発明を詳細に説明する。
図１乃至図２は、この発明による二脚歩行式移動装置を適用した二脚歩行式ロボットの一実施形態の構成を示している。
図１において、二脚歩行式ロボット１０は、本体である上体１１と、上体１１の下部両側に取り付けられた中間に膝部１２Ｌ，１２Ｒを備えた二本の脚部１３Ｌ，１３Ｒと、各脚部１３Ｌ，１３Ｒの下端に取り付けられた足部１４Ｌ，１４Ｒと、を含んでいる。
【００２９】
ここで、上記脚部１３Ｌ，１３Ｒは、それぞれ六個の関節部、即ち上方から順に、上体１１に対する腰の脚部回旋用（ｚ軸周り）の関節部１５Ｌ，１５Ｒ、腰のロール方向（ｘ軸周り）の関節部１６Ｌ，１６Ｒ、腰のピッチ方向（ｙ軸周り）の関節部１７Ｌ，１７Ｒ、膝部１２Ｌ，１２Ｒのピッチ方向の関節部１８Ｌ，１８Ｒ、足部１４Ｌ，１４Ｒに対する足首部のピッチ方向の関節部１９Ｌ，１９Ｒ、足首部のロール方向の関節部２０Ｌ，２０Ｒを備えている。
なお、各関節部１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒは、それぞれ関節駆動用モータ（アクチュエータ）により構成されている。
【００３０】
このようにして、腰関節は、上記関節部１５Ｌ，１５Ｒ，１６Ｌ，１６Ｒ，１７Ｌ，１７Ｒから構成され、また足関節は、関節部１９Ｌ，１９Ｒ，２０Ｌ，２０Ｒから構成されることになる。
さらに、腰関節と膝関節との間は、大腿リンク２１Ｌ，２１Ｒにより連結されており、また膝関節と足関節との間は、下腿リンク２２Ｌ，２２Ｒにより連結されている。これにより、二脚歩行式ロボット１０の左右両側の脚部１３Ｌ，１３Ｒ及び足部１４Ｌ，１４Ｒは、それぞれ６自由度を与えられることになり、歩行中にこれらの１２個の関節部をそれぞれ駆動モータにて適宜の角度に駆動制御することにより、脚部１３Ｌ，１３Ｒ，足部１４Ｌ，１４Ｒ全体に所望の動作を与えて、任意に三次元空間を歩行することができるように構成されている。
【００３１】
なお、上記上体１１は、図示の場合、単に箱状に示されているが、実際には、頭部や両手を備えていてもよい。
【００３２】
図２は図１に示した二脚歩行式ロボット１０における歩行制御装置３０の構成を示している。図２において、歩行制御装置３０は、次歩の位置を指定する動作計画部３１と、この次歩の位置に基づいて歩容生成のためのパラメータを算出する歩容安定部３２と、歩容安定部３２からのパラメータに基づいて歩容データを生成する歩容生成部３３と、この歩容データに基づいて駆動手段、即ち上述した各関節部、即ち関節駆動用モータ１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒを駆動制御する制御部３４と、ロボットの各関節部の角度を検出する角度計測ユニット３５と、を備えている。
尚、二脚歩行式ロボット１０の座標系として、前後方向をｘ方向（前方＋），横方向をｙ方向（内方＋）そして上下方向をｚ方向（上方＋）とするｘｙｚ座標系を使用する。
【００３３】
上記動作計画部３１は、要求動作に対応して次歩における支持脚足首中心からの路面平面座標（Ｘ，Ｙ）を指定する。
上記歩容安定部３２は、この路面平面座標（Ｘ，Ｙ）に基づいて歩容生成のためのパラメータを算出するようになっている。
ここで、動作計画部３１及び歩容安定部３２は、対となって動作し、一歩行周期で歩行開始（蹴り出し）時及び着地時の二回サンプリングを行なってサンプリング情報をホールドしている。
そして、歩容安定部３２は、路面平面座標（Ｘ，Ｙ）から歩容生成のためのパラメータを算出する際に、後述する角度計測ユニット３５からの姿勢情報θｒｅａｌを参照して、歩容生成のためのパラメータの算出を行なう。
【００３４】
上記歩容生成部３３は、歩容安定部３２からのパラメータに基づいて、二脚歩行式ロボット１０の歩行に必要な各関節部１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒの目標角度軌道，目標角速度，目標角加速度を含む歩容データとしてのベクトルθｒｅｆ及びモード信号を生成するようになっている。
【００３５】
上記制御部３４は、歩容生成部３３からの歩容データであるベクトルθｒｅｆ及びモード信号に基づいて、各関節駆動用モータの制御信号、即ち角度ベクトルθを生成して、駆動モードまたは受動モードにて各関節駆動用モータを駆動制御するようになっている。
ここで、制御部３４は、駆動モード時には、各関節駆動用モータに対してエネルギーを供給しまたは吸収するように、従来の駆動関節と同様に駆動制御する。また、制御部３４は、受動モード時には、各関節駆動用モータに対して、既に供給されているエネルギーを利用して、自由運動を行なうことにより、従来の受動関節と同様に駆動制御するようになっている。
【００３６】
上記角度計測ユニット３５は、各関節部１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒの関節駆動用モータに備えられた、例えばロータリエンコーダ等により各関節駆動用モータの角度情報が入力されることにより、各関節駆動用モータの角度位置、即ち角度及び角速度に関する状態情報、即ちロボット１０の姿勢情報θｒｅａｌを計測して、歩容安定部３２に出力するようになっている。角度計測ユニット３５は、前述した歩容生成部３３と対となって動作し、サンプリングを行なうようになっている。
【００３７】
ここで、二脚歩行式ロボット１０における歩行は、図３に示すように、一歩行周期に関して、時間的に三つの位相に分解して取り扱うことができる。
図３（Ａ）は、位相１として両足で地面に接地している両脚支持期であって、後方の足を蹴り出しにより前方に移動させようとする蹴り出し時を示している。この位相１は、歩行系に必要なエネルギーの供給を行なうエネルギー供給期である。このとき、両脚の歩行系は、１リンクバネ系として駆動モードで駆動制御される。
【００３８】
図３（Ｂ）は、位相２として片足で地面に接地している単脚支持期であって、一方の足が地面から浮き上がっている遊脚時を示している。この位相２は、遊脚に関して、その前に供給されたエネルギーにより足首部及び膝部の関節部が受動関節として自由運動を行なうように制御される。このとき、両脚の歩行系は、３リンク系として受動モードで駆動制御される。
【００３９】
図３（Ｃ）は、位相３として、再び両足で地面に接地している両脚支持期であって、前方の足を着地させようとする着地時を示している。この位相３は、歩行系から着地時のエネルギーを吸収するエネルギー吸収期である。このとき、両脚の歩行系は、１リンクバネ系として駆動モードで駆動制御される。
また、連続歩行時には、位相３の後の左右の脚交換により、次の位相１が連続することになる。
【００４０】
従って、歩容安定部３２は、上記位相３の終端期にて、次歩の位相２で必要となるエネルギーを、ロボット１０の姿勢や状態を参照して算出するようになっている。
ここで、位相２で必要なエネルギーの算出について説明する。
先ず、歩容安定部３２は、図４に示すように、動作計画部３１からの路面平面座標（Ｘ，Ｙ）と、角度計測ユニット３５からの姿勢情報であるベクトルθｒｅａｌから、位相１におけるパラメータとして、１リンクバネ系のバネ剛性Ｋまたは回転バネ自然長φを決定する。
【００４１】
ここで、位相３における歩行系の損失エネルギー及び獲得エネルギーについて説明する。
位相３で環境により損失するエネルギーを、図５に示す簡単な脚切換えモデルにより求める。
図５において、脚切換えモデルを２リンク一質点モデルとして、幾何学的に脚切換えモデルによるエネルギー損失Ｅｅｘ−ｌｏｓｓを求めると、
【数１】
0003569764.tif 000002
となる。ここで、Ｌｆは脚切換え前の長さ，Ｌｉは脚切換え後の長さ，ｑｆは脚切換え前の角度，ｑｉは脚切換え後の角度である。
【００４２】
より詳細には、一歩行周期におけるエネルギー損失Ｅａｌｌ−ｌｏｓｓは、
【数２】
0003569764.tif 000003
となる。ここで、Ｅｖｉ−ｌｏｓｓは、関節駆動用モータの摩擦によるエネルギー損失であり、Ｅｄｉ−ｌｏｓｓは、内部エネルギーの損失として表わされる外乱である。
そして、上記結果は、ｘｚ平面及びｙｚ平面の何れにも適用することができるので、次歩の位相１において、ｘｚ平面及びｙｚ平面に関して、それぞれ上記Ｅａｌｌ−ｌｏｓｓを補完することによって、歩行運動を続けることができる。
【００４３】
これに対して、例えば下り坂の歩行時等においては、位相２において、歩行系に対してエネルギーが注入される場合には、同様にして余剰分のエネルギーを求めて、上記式（１）を利用して、次の脚位置を求めることにより、着地位置によって任意のエネルギー損失を発生させることも可能である。
【００４４】
このようなエネルギー損失の補完を行なうために、歩容安定部３２は、歩行系のエネルギーを一定に制御するように、着地位置に関係なく上記パラメータＫ及びφを算出することにより、歩行安定性を保持するようになっている。
【００４５】
次に、上記制御部３４による駆動制御について説明する。
上記制御部３４は、モード信号が受動モードの場合には、仮想コンプライアンス制御を行なうと共に、モード信号が駆動モードの場合には、仮想アクチュエータ制御を行なうようになっている。
【００４６】
ここで、上記仮想コンプライアンス制御は、インピーダンス制御の制御手法を利用して、以下のようにして行なわれる。
即ち、図６に示すように、制御部３４に歩容データとしてのベクトルθｒｅｆが入力されており、制御部３４からは角度ベクトルθが関節駆動用モータに出力されるようになっている。そして、この角度情報θが、環境剛性行列（−Ｋｅ）により、τｅｘｔに変換され、外部からのτｒｅｆが加算されて、力制御対角補償器行列Ｇに入力される。
【００４７】
そして、力制御対角補償器行列Ｇにおいては、
【数３】
0003569764.tif 000004
の演算が行なわれ、ベクトルθｒｅｆに加算され、フィードバックされるようになっている。
これにより、例えばτｒｅｆ＝０のとき、
【数４】
0003569764.tif 000005
に示す制御則が得られる。
【００４８】
ここで、受動関節のためには、剛性係数行列Ｋ＝０，粘性係数行列Ｄ＝０として、慣性行列Ｍを実際の運動に合わせる。例えば運動として１リンクモデルを利用すると、上記式（３）は、一次元となり、実時間での計算を容易に行なうことが可能となる。
このようにして、受動モードにおいて、インピーダンス制御の特殊系を利用して、関節駆動用モータの仮想コンプライアンス制御を行なうことにより、対応する駆動関節から成る関節部を、受動関節として動作させることができる。これにより、歩行系をより一層安定化させることが可能となる。
【００４９】
これに対して、仮想アクチュエータ制御は、例えば図７に示すように、符号Ａで示すアクチュエータを実現したい場合、実際には符号Ｂで示すアクチュエータの駆動制御によって、その動きを実現するものである。これにより、例えば自由度を小さくして、同じ動きを実現することが可能となると共に、支持脚足首にトルクを加えて駆動する必要がなくなるので、ＺＭＰ安定性が保証されることになる。
【００５０】
本発明実施形態による二脚歩行式ロボット１０は以上のように構成されており、歩行動作は以下のように行なわれる。
先ず動作計画部３１が、要求動作に対応して、次歩における支持脚足首中心からの路面平面位置（Ｘ，Ｙ）を指定して、歩容安定部３２に出力する。これにより、歩容安定部３２は、この路面平面位置（Ｘ，Ｙ）と、角度計測ユニット３５からの姿勢情報θｒｅａｌとから、歩容生成のためのパラメータを算出して、歩容生成部３３に出力する。
そして、歩容生成部３３は、歩容安定部３２からのパラメータに基づいて、歩容データであるベクトルθｒｅｆを生成して、制御部３４に出力する。
【００５１】
これにより、制御部３４は、ベクトルθｒｅｆに基づいて各関節駆動用モータの制御信号、即ち角度ベクトルθを生成し、この角度ベクトル及びモード信号に基づいて、各関節部の関節駆動用モータを駆動モードまたは受動モードで駆動制御する。このようにして、二脚歩行式ロボット１０は要求動作に対応して歩行動作を行なうことになる。
【００５２】
この場合、二脚歩行式ロボット１０において、各関節駆動用モータの駆動制御の際に、歩容安定部３２が、そのときのロボットの姿勢情報を参照して、路面平面位置（Ｘ，Ｙ）から歩容生成に必要なパラメータを生成するので、歩容生成部３３が生成する歩容データは、そのときのロボットの姿勢及び状態から、必要なエネルギーを供給するように生成されることになる。
従って、二脚歩行において、一方の脚部が地面か浮き上がって遊脚となっている単脚支持期において、当該一方の脚部の膝部及び足部の関節部が受動関節として自由運動を行なうことができる。
【００５３】
その際、受動関節として動作する関節駆動用モータにはエネルギーを供給する必要がないことから、消費エネルギーが低減されることになる。
また、受動関節として動作する関節駆動用モータに関する制御計算を行なう必要がないことから、計算コストが低減され得ると共に、歩容データの生成が容易に行なわれ得ることになる。
【００５４】
次に、本発明による二脚歩行式ロボット１０に関する数値シミュレーション及び実機実験について説明する。
先ず、ｙｚ平面における実際の歩容形成の数値シミュレーションを行なった結果を示す。
上述した二脚歩行式ロボット１０により、ｙｚ平面内での動的足踏み動作を行なわせるように、前記位相１及び位相３にて、バネ定数を１．６２×１０−１（Ｎｍ／度），バネの自然長を６度として、４歩行周期の歩容を形成した。
【００５５】
その結果、図８に示すようなθの変化が得られた。また、形成された歩容のスティック線図は、図９に示す通りである。これにより、各歩行周期の始めと終わりの約１２０ｍ秒の間、両脚支持期になっていることが分かる。従って、単なる一リンク系の軌道とは異なり、各歩行周期の始端及び終端の部分がなめらかなＳ字曲線を示しているので、関節駆動用モータへの負荷が低下して不連続にならないので、歩行系が安定することになる。
【００５６】
次に、実機実験の結果を示す。
実機実験では、二脚歩行式ロボット１０として、下半身の自由度１２，全体質量２．０ｋｇ，全高３５．６ｃｍであって、各関節部の関節駆動用モータとして最大トルク±１．２７Ｎｍの模型用サーボモータを備えたロボットを使用して、８歩行周期の定常足踏み運動を行なわせて、ロボット本体１１のｙｚ平面における角度を測定した。
その結果、図１０に示すように、本発明による位相１，位相２及び位相３による歩行制御（実線図示）の場合には、位相２のみの歩行制御（点線図示）の場合と比較して、安定した各速度軌道を示すことが分かる。即ち、位相１のエネルギー供給による「蹴り出し」によって、連続歩行安定性が保証されていることが分かり、本発明による歩行制御の有効性が確認された。
【００５７】
ここで、上記動作中の足裏の床反力を例えば６軸力センサにより測定したところ、図１０に示すような床反力の変化が得られた。これにより、位相３におけるエネルギー吸収動作が、衝撃吸収と同様に作用していることが分かると共に、床反力が足踏み運動の各歩行周期にて比較的安定した軌道を示すことも分かり、位相３におけるエネルギー吸収動作の有効性が確認された。
【００５８】
このようにして、本発明実施形態による二脚歩行式ロボット１０によれば、例えば膝部及び足部の関節部を駆動関節としてまたは受動関節として、適宜に動作モードを切り換えて駆動制御することによって、歩行制御に柔軟性をもたせて歩行安定性を向上させることができると共に、歩行動作における消費電力を低減することができる。
【００５９】
上述した実施形態においては、本発明を二脚歩行式ロボットに適用した場合について説明したが、これに限らず、他の各種機器を二本足で支持する共に、この二本足で歩行するようにした、二脚歩行式移動装置に対して本発明を適用し得ることは明らかである。
【００６０】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、同じ関節部が、駆動モードまたは受動モードにより駆動制御されて、駆動関節または受動関節として作用することになるので、二脚歩行式移動装置の歩行時に、通常は駆動モードで駆動手段を駆動制御し、必要に応じて膝部や足部の関節部を受動モードで駆動手段を駆動制御することによって駆動関節及び受動関節の利点のみを利用し、欠点を排除することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による二脚歩行式ロボットの一実施形態の機械的構成を示す概略図である。
【図２】図１の二脚歩行式ロボットにおける歩行制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】図１の二脚歩行式ロボットにおける歩行時の三つの位相を示す側面図及び正面図である。
【図４】図１の二脚歩行式ロボットの位相２におけるエネルギー損失を示す概略図である。
【図５】図１の二脚歩行式ロボットにおける脚切換えモデルを示す図である。
【図６】図１の二脚歩行式ロボットの歩行制御装置におけるコンプライアンス制御の制御則を示す図である。
【図７】図１の二脚歩行式ロボットにおける仮想アクチュエータ制御を示す概略図である。
【図８】図１の二脚歩行式ロボットにおける足踏み動作の数値シミュレーションにより算出されたθの変化を示すグラフである。
【図９】図８の数値シミュレーションにおけるスティック線図である。
【図１０】図１の二脚歩行式ロボットの実機実験におけるｙｚ平面におけるロボット本体の角度変化を示す図である。
【図１１】図１０の実機実験におけるロボット足裏の床反力の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１０    二脚歩行式ロボット
１１    本体
１２Ｌ，１２Ｒ  膝部
１３Ｌ，１３Ｒ  脚部
１４Ｌ，１４Ｒ  足部
１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒ  関節部（関節駆動用モータ）
２１Ｌ，２１Ｒ  大腿部
２２Ｌ，２２Ｒ  下腿部
３０    歩行制御装置
３１    動作計画部
３２    歩容安定部
３３    歩容生成部
３４    制御部
３５    角度計測ユニット
【図１】
0003569764.tif 000006
【図２】
0003569764.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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