(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させる駆動手段と、要求動作に対応して、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、を備えた二脚歩行式移動装置において、
上記歩行制御装置が、
各足部における足裏に加わる力を検出する力検出部と、
上記力検出部で検出された力に基づいて、歩容生成部からの歩容データを修正する補償部と、を含んでおり、
上記力検出部が、各足部の足裏から下方に突出するように足裏に配置された少なくとも三個の三軸力センサから構成されており、
上記補償部が、力検出部の各三軸力センサのうち、三軸力センサの検出している力が大きい順に三個の三軸力センサを選択し、この選択した三個の三軸力センサの検出信号に基づいて、歩容データの修正を行なうことを特徴とする、二脚歩行式移動装置。
【請求項２】
各足部が、脚部の下端に直接に取り付けられた足元部と、足元部の先端に上下に揺動可能に取り付けられた爪先としての足先部と、から構成されており、
力検出部の各三軸力センサが、足元部及び足先部に分散配置され、
一つの三軸力センサが足元部の踵付近に配置され、また他の一つの三軸力センサが足先部の先端付近に配置され、さらに二つの三軸力センサが、足元部及び足先部の境界付近の領域にて左右に分散配置され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させる駆動手段と、要求動作に対応して、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、を備えた二脚歩行式移動装置において、
上記歩行制御装置が、
各足部における足裏に加わる力を検出する力検出部と、
上記力検出部で検出された力に基づいて、歩容生成部からの歩容データを修正する補償部と、を含んでおり、
上記力検出部が、各足部の足裏から下方に突出するように足裏に配置された三個の三軸力センサから構成されており、
上記補償部が、力検出部の三個の三軸力センサの検出信号に基づいて、歩容データの修正を行なうことを特徴とする、二脚歩行式移動装置。
【請求項４】
各足部が、脚部の下端に直接に取り付けられた足元部と、足元部の先端に上下に揺動可能に取り付けられた爪先としての足先部と、から構成されており、
力検出部の各三軸力センサが、足元部及び足先部に分散配置されていることを特徴とする、請求項３に記載の二脚歩行式移動装置。
【請求項５】
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から４の何れかに記載の二脚歩行式移動装置。
【請求項６】
三個の三軸力センサが、各足部の足裏にて、二等辺三角形の各頂点位置に配置されていることを特徴とする、請求項１から５の何れかに記載の二脚歩行式移動装置。
【請求項７】
各三軸力センサが、各足部の足裏にて足部の垂直駆動軸を中心とする同一円周上に配置されていることを特徴とする、請求項１から６の何れかに記載の二脚歩行式移動装置。
【請求項８】
前記補償部が、自動キャリブレーションにより、各三軸力センサからの検出信号を自動的に較正することを特徴とする、請求項１から７の何れかに記載の二脚歩行式移動装置。
【請求項９】
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歩容生成部により生成される、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、
各足部における足裏に加わる力を検出する力検出部と、
上記力検出部で検出された力に基づいて、歩容生成部からの歩容データを修正する補償部と、を含んでおり、
上記力検出部が、各足部の足裏から下方に突出するように足裏に配置された少なくとも三個の三軸力センサから構成されており、
上記補償部が、力検出部の各三軸力センサのうち、三軸力センサの検出している力が大きい順に三個の三軸力センサを選択し、この選択した三個の三軸力センサの検出信号に基づいて歩容データの修正を行なう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１０】
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歩容生成部により生成される、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、
各足部における足裏に加わる力を検出する力検出部と、
上記力検出部で検出された力に基づいて、歩容生成部からの歩容データを修正する補償部と、を含んでおり、
上記力検出部が、各足部の足裏から下方に突出するように足裏に配置された三個の三軸力センサから構成されており、
上記補償部が、力検出部の三個の三軸力センサの検出信号に基づいて歩容データの修正を行なうことを特徴とする、二脚歩行式移動装置の歩行制御装置。
【請求項１１】
三個の三軸力センサが、各足部の足裏にて二等辺三角形の各頂点位置に配置されていることを特徴とする、請求項９または１０に記載の二脚歩行式移動装置歩行制御装置。
【請求項１２】
各三軸力センサが、各足部の足裏にて足部の垂直駆動軸を中心とする同一円周上に配置されていることを特徴とする、請求項９から１１の何れかに記載の二脚歩行式移動装置の歩行制御装置。
【請求項１３】
各三軸力センサが、各足部の足裏にて、前後方向及び横方向に関して等分配置されていることを特徴とする、請求項９から１２の何れかに記載の二脚歩行式移動装置の歩行制御装置。
【請求項１４】
前記補償部が、自動キャリブレーションにより、各三軸力センサからの検出信号を自動的に較正することを特徴とする、請求項９から１３の何れかに記載の二脚歩行式移動装置の歩行制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は二脚歩行式移動装置に関し、特に歩行安定化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、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、この歩容データに従って歩行制御を行なって、所定の歩行パターンで脚部を動作させることにより二脚歩行を実現するようにしている。
ところで、このような二脚歩行式ロボットは、例えば路面状況，ロボット自体の物理パラメータの誤差等によって、歩行の際の姿勢が不安定になりやすく、場合によっては転倒してしまう。
【０００３】
これに対して、歩容データを前もって設定せずに、リアルタイムにロボットの歩行状態を認識しながら歩行制御を行なうようにすれば、歩行の際の姿勢を安定させて歩行を行なわせることも可能であるが、このような場合でも、予期しない路面状況等が発生した場合には、歩行姿勢が崩れてロボットが転倒してしまうことになる。
【０００４】
このため、歩行制御によって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補償を行なう必要がある。
このようなＺＭＰ補償のための制御方法としては、例えば特開平５−３０５５８３号公報に示すように、コンプライアンス制御を利用して、ＺＭＰを目標値に収束させ、ロボットの上体を加速させて修正する方法や、ロボットの足の接地場所を修正する制御方法が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような制御方法においては、ＺＭＰ規範により、ロボットの安定化を図るようにしている。そして、このＺＭＰ規範においては、足裏における床反力を正確に検出することが前提条件となっている。
【０００６】
しかしながら、このような構成の二脚歩行式ロボットにおいては、複雑な凹凸がある不安定な路面状況においては、足裏全体が路面に着地しなくなることがあり、足裏における床反力を正確に検出することができず、従ってＺＭＰの補償を正確に行なうことができなくなることがある。このため、ロボットの安定性を確保することができず、ロボットの二脚歩行が困難になってしまう。
【０００７】
本発明は、以上の点にかんがみて、複雑な凹凸がある不安定な路面状況においても、足裏における床反力を正確に検出して、歩行安定性を実現できるようにした二脚歩行式移動装置と、その歩行制御装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【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させる駆動手段と、要求動作に対応して、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、を備えた二脚歩行式移動装置において、上記歩行制御装置が、各足部における足裏に加わる力を検出する力検出部と、上記力検出部で検出された力に基づいて、歩容生成部からの歩容データを修正する補償部と、を含んでおり、上記力検出部が、各足部の足裏から下方に突出するように足裏に配置された少なくとも三個の三軸力センサから構成されており、上記補償部が、力検出部の各三軸力センサのうち、三軸力センサの検出している力が大きい順に三個の三軸力センサを選択し、この選択した三個の三軸力センサの検出信号に基づいて、歩容データの修正を行なうことを特徴とする、二脚歩行式移動装置により、達成される。
【０００９】
本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、各足部が、脚部の下端に直接に取り付けられた足元部と、足元部の先端に上下に揺動可能に取り付けられた爪先としての足先部と、から構成されており、力検出部の各三軸力センサが、足元部及び足先部に分散配置され、一つの三軸力センサが足元部の踵付近に配置され、また他の一つの三軸力センサが足先部の先端付近に配置され、さらに二つの三軸力センサが、足元部及び足先部の境界付近の領域にて左右に分散配置されている。
【００１０】
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させる駆動手段と、要求動作に対応して、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、を備えた二脚歩行式移動装置において、上記歩行制御装置が、各足部における足裏に加わる力を検出する力検出部と、上記力検出部で検出された力に基づいて、歩容生成部からの歩容データを修正する補償部と、を含んでおり、上記力検出部が、各足部の足裏から下方に突出するように足裏に配置された三個の三軸力センサから構成されており、上記補償部が、力検出部の三個の三軸力センサの検出信号に基づいて、歩容データの修正を行なうことを特徴とする、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、各足部が、脚部の下端に直接に取り付けられた足元部と、足元部の先端に上下に揺動可能に取り付けられた爪先としての足先部と、から構成されており、力検出部の各三軸力センサが、足元部及び足先部に分散配置されている。
【００１２】
本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、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。
【００１３】
本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、三個の三軸力センサが、各足部の足裏にて、二等辺三角形の各頂点位置に配置されている。
【００１４】
本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、各三軸力センサが、各足部の足裏にて足部の垂直駆動軸を中心とする同一円周上に配置されている。
【００１５】
本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、前記補償部が、自動キャリブレーションにより各三軸力センサからの検出信号を自動的に較正する。
【００１６】
また、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歩容生成部により生成される、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、各足部における足裏に加わる力を検出する力検出部と、上記力検出部で検出された力に基づいて、歩容生成部からの歩容データを修正する補償部と、を含んでおり、上記力検出部が、各足部の足裏から下方に突出するように足裏に配置された少なくとも三個の三軸力センサから構成されており、上記補償部が、力検出部の各三軸力センサのうち、三軸力センサの検出している力が大きい順に三個の三軸力センサを選択し、この選択した三個の三軸力センサの検出信号に基づいて歩容データの修正を行なうことを特徴とする、二脚歩行式移動装置の歩行制御装置により、達成される。
【００１７】
また、上記目的は、この発明の第四の構成によれば、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歩容生成部により生成される、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、各足部における足裏に加わる力を検出する力検出部と、上記力検出部で検出された力に基づいて、歩容生成部からの歩容データを修正する補償部と、を含んでおり、上記力検出部が、各足部の足裏から下方に突出するように足裏に配置された三個の三軸力センサから構成されており、上記補償部が、力検出部の三個の三軸力センサの検出信号に基づいて歩容データの修正を行なうことを特徴とする、二脚歩行式移動装置の歩行制御装置により、達成される。
【００１８】
本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制御装置は、好ましくは、三個の三軸力センサが、各足部の足裏にて二等辺三角形の各頂点位置に配置されている。
【００１９】
本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制御装置は、好ましくは、各三軸力センサが、各足部の足裏にて足部の垂直駆動軸を中心とする同一円周上に配置されている。
【００２０】
本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制御装置は、好ましくは、上記補償部が、自動キャリブレーションにより各三軸力センサからの検出信号を自動的に較正する。
【００２１】
上記構成によれば、各足部の足裏に設けられた少なくとも三個の三軸力センサから成る力検出部により検出した力に基づいて、補償部により歩容生成部からの歩容データを修正して駆動手段を駆動制御する。
その際、複雑な凹凸を備えた路面に足部が着地しているときでも、好ましくは足裏から下方に突出している三個の三軸力センサが確実に路面に接している。従って、不安定な路面であっても有効な力を検出している三個の三軸力センサの検出信号に基づいて、歩容データを確実に修正することにより、本体、好ましくは人型ロボットの上体の安定化を図るようになっている。
これにより、ロボットの各足部の足裏が、複雑な凹凸を備えた不安定な路面状況であっても、ロボットの安定性を確保することができ、確実に歩行制御を行なうことが可能である。
【００２２】
三個の三軸力センサが、各足部の足裏にて、二等辺三角形の各頂点位置に配置されている場合には、二等辺三角形の底辺の両端の頂点に位置する三軸力センサが左右対称の条件となるので、各三軸力センサにかかる負荷荷重を左右均等に分散することができると共に、各三軸力センサのキャリブレーションを容易に行なうことができる。
【００２３】
各三軸力センサが、各足部の足裏にて、足部の垂直駆動軸を中心とする同一円周上に配置されている場合には、当該垂直駆動軸周りのトルクが同一条件となるので、このトルクに関する負荷を各三軸力センサに均等に分散することができると共に、各三軸力センサのトルクに関するキャリブレーションを容易に行なうことができる。
【００２４】
各足部が、脚部の下端に直接に取り付けられた足元部と、足元部の先端に上下に揺動可能に取り付けられた爪先としての足先部と、から構成されており、力検出部の各三軸力センサが、足元部及び足先部に分散配置されている場合には、足元部のみまたは足先部のみが着地しているときでも、力検出部の各三軸力センサが足裏における床反力を検出することができる。
【００２５】
一つの三軸力センサが足元部の踵付近に配置され、また他の一つの三軸力センサが足先部の先端付近に配置され、さらに二つの三軸力センサが、足元部及び足先部の境界付近の領域にて左右に配置されている場合には、足元部のみまたは足先部のみが着地しているときでも、力検出部の三個の三軸力センサが着地することになり、足裏における床反力を確実に検出することができる。
【００２６】
上記補償部が、自動キャリブレーションにより、各三軸力センサからの検出信号を自動的に較正する場合には、力検出部の個々の三軸力センサが周囲の温度や経年変化によって検出精度が変化したとしても、自動キャリブレーションによって自動較正されることにより、力検出部の各三軸力センサからの検出信号により正確に床反力を検出することができる。
【００２７】
【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。
【００２８】
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により構成されている。
【００２９】
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より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。
【００３０】
さらに、上記足部１４Ｌ，１４Ｒは、足裏（下面）に、力検出部２３Ｌ，２３Ｒを備えている。この力検出部２３Ｌ，２３Ｒは、後述するようにそれぞれ各足部１４Ｌ，１４Ｒにおける力、特に水平床反力Ｆを検出するようになっている。
【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の電気的構成を示している。図２において、二脚歩行式ロボット１０は、要求動作に対応して歩容データを生成する歩容生成部２４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を駆動制御する歩行制御装置３０と、を備えている。
なお、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】
上記歩容生成部２４は、外部から入力される要求動作に対応して、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を生成する。
【００３４】
上記歩行制御装置３０は、角度計測ユニット３１と、補償部３２と、制御部３３と、モータ制御ユニット３４と、から構成されている。
上記角度計測ユニット３１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ベクトルφを計測して、補償部３２に出力するようになっている。
【００３５】
上記補償部３２は、力検出部２３Ｌ，２３Ｒからの検出出力に基づいて、水平床反力Ｆを演算して、この水平床反力Ｆ及び角度計測ユニット３１からの状態ベクトルφに基づいて、歩容生成部２４からの歩容データを修正し、ベクトルθｉ（ｉ＝１からｎ、ただし、ｎはロボット１０の歩行に関する自由度）を制御部３３に出力するようになっている。
【００３６】
上記制御部３３は、補償部３２で修正された歩容データであるベクトルθｉから、ロボットの各関節部における角度ベクトルθ０を減算して、ベクトル（θｉ−θ０）に基づいて、各関節駆動用モータの制御信号、即ちトルクベクトルτを生成するようになっている。
上記モータ制御ユニット３４は、制御部３３からの制御信号（トルクベクトルτ）に従っ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。
【００３７】
ここで、上記力検出部２３Ｌ，２３Ｒは左右対称の構成であるから、力検出部２３Ｌについて、図３を参照して説明する。
図３において、力検出部２３Ｌは、足部１４Ｌの下面である足裏板３５の下側にて、前縁両側及び後縁中央に配置された三個の三軸力センサ３６ａ，３６ｂ，３６ｃから構成されている。
【００３８】
各三軸力センサ３６ａ，３６ｂ，３６ｃは互いに同じ構成であり、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、足裏から下方に突出するように構成されている。さらに、各三軸力センサ３６ａ，３６ｂ，３６ｃは、図４に示すように、足部の足裏にて、後縁が尖った二等辺三角形の各頂点に配置されるようになっている。
【００３９】
各三軸力センサ３６ａ乃至３６ｃは、個々の検出出力のバラツキがあると共に、周囲の温度，経年変化等によって検出出力が変動する。従って、各三軸力センサ３６ａ乃至３６ｃの検出出力は、以下のような自動キャリブレーションにより、補償部３２内にて自動的に較正されるようになっている。
【００４０】
先ず、Ｚ軸方向のキャリブレーションについて説明する。
図５（Ａ）において、足裏にて、力計測の原点Ｏ（Ｏｘ，Ｏｙ）に対して、ｎ個の三軸力センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，・・・，Ｓｎが配置されている。尚、力計測の原点Ｏは、例えば足部の関節の駆動座標系に一致させることが好ましい。
ここで、各三軸力センサＳｉの位置を、Ｓｉ＝（Ｘ（ｉ），Ｙ（ｉ））として、上述したように分散配置された三軸力センサＳ１乃至Ｓｎのうち、任意の三個の三軸力センサ、例えばＳ１，Ｓ２，Ｓ３を選択し、これらの座標位置を、それぞれ、Ｓ１＝Ｘ（１），Ｙ（１），Ｚ（１），Ｓ２＝Ｘ（２），Ｙ（２），Ｚ（２），Ｓ３＝Ｘ（３），Ｙ（３），Ｚ（３）とする。
【００４１】
そして、これらの三軸力センサＳ１乃至Ｓ３のみに負荷がかかるように、三点支持の状態にして、図５（Ｂ）に示すように、これらのうち、適宜の二つの三軸力センサ、例えばＳ１及びＳ２を直線で結び、この直線に対する残りの一個の三軸力センサＳ３からの垂線の足をＣとする。
ここで、上記垂線上にて駆動対象の重心位置をＳ３からＣへ静的に移動させて、そのときのＳ１乃至Ｓ３から出力される電圧値を計測する。その際、移動中の計測ポイントが多いほど、正確な較正を行なうことができる。
【００４２】
ｆを計測した力，Ａ，Ｂをキャリブレーションパラメータ、Ｖをそのときの電圧値とし、Ｍを駆動対象の全質量，ｇを重力の加速度とし、ｋを計測ポイントとすると、以下の関係式
【数１】
0003574952.tif 000002
【数２】
0003574952.tif 000003
【数３】
0003574952.tif 000004
【数４】
0003574952.tif 000005
が成立する。
【００４３】
そして、Ｖ，Ｍ，Ｙを既知として、これらの式をｆの連立方程式として解いて、その結果を、以下の式
【数５】
0003574952.tif 000006
に代入することにより、求めるＦ／Ｖ直線の傾きＡ及び切片Ｂを同時に求めることができる。さらに、ｎ回の計測を行なうことにより、較正のための補正パラメータを算出することができる。
【００４４】
このようにして、上記三つの三軸力センサＳ１乃至Ｓ３に関するＺ軸方向のキャリブレーションが終了する。そして、他の異なる三つの三軸力センサを選択して、同様にして補正パラメータの算出を繰り返し、すべての三軸力センサについて補正パラメータの算出を行なうことにより、すべての三軸力センサのＺ軸方向の較正を行なうことができる。
【００４５】
さらに、ＸＹ軸に関するキャリブレーションの方法について説明する。
先ず、図５（Ｃ）に示すように、分散配置された三軸力センサＳ１乃至Ｓｎのうち、任意の二個の三軸力センサ、例えばＳ１，Ｓ２を選択し、ロボットの上体１１または反対側の脚部１３Ｌまたは１３Ｒを利用して、Ｚ軸周りのモーメントｍを発生させる。このとき、モーメントｍと三軸力センサＳ１，Ｓ２にかかる力Ｆ１，Ｆ２は、Ｆ１＝Ｆ２となり、以下の式
【数６】
0003574952.tif 000007
により表わされる。
従って、個々の三軸力センサＳ１，Ｓ２にかかる力Ｆ１，Ｆ２が計算され、それぞれのＸ成分，Ｙ成分は、以下の式
【数７】
0003574952.tif 000008
により表わされる。
【００４６】
これに対して、各三軸力センサＳ１，Ｓ２から出力される電圧Ｖと力ｆｘ，ｆｙの関係は、計測回数をｋとすると、以下の式
【数８】
0003574952.tif 000009
により表わされる。
これらの式を連立させて、ｎ回の計測を行なうと、以下の行列式
【数９】
0003574952.tif 000010
【数１０】
0003574952.tif 000011
が得られ、補正パラメータＡ，Ｂを算出することができる。
このようにして、Ｘ軸方向及びＹ方向の補正パラメータＡ，Ｂを同時に算出して、ＸＹ軸方向のキャリブレーションを行なうことが可能である。
【００４７】
ところで、上述したキャリブレーションは、各三軸力センサ３６ａ乃至３６ｃがそれぞれ図４に示すような二等辺三角形の頂点に配置されている場合、三角形の前側の底辺の両端に位置する三軸力センサ３６ａ，３６ｂは、左右対称の配置となることから、キャリブレーションによる補正パラメータが同一値となる。従って、キャリブレーションを容易に行なうことができる。
【００４８】
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、図６に示すフローチャートにより以下のように行なわれる。
図６において、先ずステップＳＴ１にて、歩容生成部２４が、入力された要求動作（Ｊ＝Ｊ）に基づいて歩容データを生成し、歩行制御装置３０の補償部３２へ出力する。
そして、ステップＳＴ２にて、双方の足部１４Ｌ，１４Ｒに備えられた力検出部２３Ｌ，２３Ｒがそれぞれ力を検出して、補償部３２へ出力する。
また、ステップＳＴ３にて、角度計測ユニット３１が各関節部１６Ｌ，１６Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒの状態ベクトルφを計測して、補償部３２へ出力する。
【００４９】
これにより、ステップＳＴ４にて、補償部３２が力検出部２３Ｌ，２３Ｒからの検出出力に基づいて水平床反力Ｆを演算する。
そして、ステップＳＴ５にて、補償部３２がこの水平床反力Ｆ及び角度計測ユニット３１からの各関節部１６Ｌ，１６Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒの状態ベクトルφに基づいて歩容データを修正し、ベクトルθｉを制御部３３へ出力する。
【００５０】
次に、ステップＳＴ６にて、制御部３３はベクトルθｉからロボットの各関節部における角度ベクトルθ０を減算して、ベクトル（θｉ−θ０）に基づいて、各関節駆動用モータの制御信号、即ちトルクベクトルτを生成し、モータ制御ユニット３４へ出力する。
そして、ステップＳＴ７にて、モータ制御ユニット３４が、このトルクベクトルτに基づいて各関節部の関節駆動用モータを駆動制御する。
これにより、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。
【００５１】
その後、ステップＳＴ８にて、制御部３３が動作カウンタインクリメントにより、Ｊ＝Ｊ＋１として、所定のサンプリング時間になるまで待機した後、ステップＳＴ９にて、上記Ｊが前以て決められた動作終了カウント以下の場合には、再びステップ２に戻って、上記動作を繰り返す。
そして、ステップＳＴ９にて、上記Ｊが動作終了カウントを超えた場合には、動作を終了する。
【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、歩容データが、補償部３２にて、各足部１４Ｌ，１４Ｒの足裏に設けられた力検出部２３Ｌ，２３Ｒの各三軸力センサ３６ａ，３６ｂ，３６ｃからの検出信号による水平床反力Ｆに基づいて修正され、ベクトルθｉが生成されることにより、この水平床反力Ｆを規範として、ロボット１０の安定性を得るようになっている。
これにより、ロボット１０の各足部１４Ｌ，１４Ｒが、例えば足裏が複雑な凹凸を備えた不安定な路面に着地したとしても、足裏に設けられた力検出部２３Ｌ，２３Ｒの各三軸力センサ３６ａ，３６ｂ，３６ｃが確実に着地して水平床反力Ｆを検出することができるので、要求動作に対する歩行動作を確実に行なうことが可能となる。
【００５３】
図７乃至図８は、それぞれ上述した力検出部２３Ｌ，２３Ｒの各三軸力センサの他の構成例を示している。
先ず、図７においては、各三軸力センサ３６ａ，３６ｂ，３６ｃは、正三角形の頂点に配置されている。このような三軸力センサ３６ａ，３６ｂ，３６ｃの配置によれば、図４による三軸力センサ３６ａ乃至３６ｃと同様に作用すると共に、各三軸力センサ３６ａ，３６ｂ，３６ｃに対する負荷荷重が均等に分散されるので、各三軸力センサ３６ａ，３６ｂ，３６ｃの負荷が軽減される。
【００５４】
図８においては、各三軸力センサ３６ａ，３６ｂ，３６ｃは、図４の場合と同様に二等辺三角形の頂点に配置されていると共に、足部１４Ｌ，１４Ｒの脚部１３Ｌ，１３Ｒに対する垂直駆動軸Ｏを中心とする同一円周上に配置されている。このような三軸力センサ３６ａ，３６ｂ，３６ｃの配置によれば、図４による三軸力センサ３６ａ乃至３６ｃと同様に作用すると共に、上記垂直駆動軸Ｏ周りのトルク較正を容易に行なうことができる。
【００５５】
図９乃至図１１は、それぞれ上述した力検出部２３Ｌ，２３Ｒの各三軸力センサのさらに他の構成例を示しており、これらの構成例においては、各足部１４Ｌ，１４Ｒが、それぞれ脚部１３Ｌ，１３Ｒに直接に取り付けられる足元部１４Ｌａ，１４Ｒａと、各足元部１４Ｌａ，１４Ｒａに対して上下方向に揺動可能に取り付けられた爪先としての足先部１４Ｌｂ，１４Ｒｂと、から構成されている。なお、足先部１４Ｌｂ，１４Ｒｂは、他の関節部と同様にして駆動手段により足元部１４Ｌａ，１４Ｒａに対して能動的に揺動されてもよく、また受動的に揺動されるようにしてもよい。
【００５６】
そして、図９においては、足先部１４Ｌｂ，１４Ｒｂが、その先端の内側に偏った位置に、一つの三軸力センサ３６ｄを、また後端の両端付近の位置に、それぞれ三軸力センサ３６ｅ，３６ｆを、それぞれ備えていると共に、足元部１４Ｌａ，１４Ｒａが、その後端の踵部に一つの三軸力センサ３６ｇを備えている。
これに対して、補償部３２は、力検出部２３Ｌ，２３Ｒの各三軸力センサ３６ｄ乃至３６ｇの検出信号に基づいて、例えばより大きな力を検出している三軸力センサを選択して、有効な力を検出している三個の三軸力センサ３６ｄ乃至３６ｇによる水平床反力に基づいて、歩容データの修正を行なうようになっている。
【００５７】
このような三軸力センサ３６ｄ，３６ｅ，３６ｆ，３６ｇの配置によれば、足部１４Ｌ，１４Ｒの足元部１４Ｌａ，１４Ｒａが路面に着地している場合には、図９（Ａ）に示すように、足先部１４Ｌｂ，１４Ｒｂの後端に備えられた二つの三軸力センサ３６ｅ，３６ｆと足元部１４Ｌａ，１４Ｒａの後端に備えられた一つの三軸力センサ３６ｇの三つの三軸力センサ３６ｅ，３６ｆ，３６ｇが床面に接地して、図９（Ｂ）にて斜線で示すように負荷荷重を受け、床面から水平床反力が加えられることになる。
従って、補償部３２は、上述した三つの三軸力センサ３６ｅ，３６ｆ，３６ｇの検出信号に基づいて水平床反力を演算して、歩容データの修正を行なう。
【００５８】
これに対して、歩行姿勢の変化により、足部１４Ｌ，１４Ｒの足先部１４Ｌｂ，１４Ｒｂのみが路面に着地している場合には、図１０（Ａ）に示すように、足先部１４Ｌｂ，１４Ｒｂの先端及び後端に備えられた三つの三軸力センサ３６ｄ，３６ｅ，３６ｆが床面に接地して、図１０（Ｂ）にて斜線で示すように負荷荷重を受け、床面から水平床反力が加えられることになる。
【００５９】
従って、補償部３２は、上述した三つの三軸力センサ３６ｄ，３６ｅ，３６ｆの検出信号に基づいて水平床反力を演算して、歩容データの修正を行なう。
このようにして、歩行姿勢の変化により、足部１４Ｌ，１４Ｒの床面への接地状態が変化しても、三つの三軸力センサ３６ｅ，３６ｆ，３６ｇまたは３６ｄ，３６ｅ，３６ｆが床面から水平床反力を受けて有効な力を検出するので、補償部３２が正確に歩容データの修正を行なうことができる。
【００６０】
図１１においては、各三軸力センサ３６ｄ乃至３６ｇは、図９の場合と比較して、足先部１４Ｌｂ，１４Ｒｂの後端の両側に備えられた三軸力センサ３６ｅ，３６ｆの代わりに、足元部１４Ｌａ，１４Ｒａの先端の両側にそれぞれ三軸力センサ３６ｈ，３６ｉが備えられていると共に、足先部１４Ｌｂ，１４Ｒｂの先端の三軸力センサ３６ｄが左右方向に関してほぼ中央に配置されている。
これにより、三軸力センサ３６ｈ，３６ｉは、三軸力センサ３６ｄまたは３６ｇに対して、それぞれ二等辺三角形の頂点に配置されることになる。
【００６１】
このような三軸力センサ３６ｄ，３６ｈ，３６ｉ，３６ｇの配置によれば、図９による三軸力センサ３６ｄ乃至３６ｇと同様に作用すると共に、中間の三軸力センサ３６ｈ，３６ｉのキャリブレーションを容易に行なうことができ、さらに中間の三軸力センサ３６ｈ，３６ｉが足先部１４Ｌｂ，１４Ｒｂより大きい足元部１４Ｌａ，１４Ｒａに取り付けられることにより、より強固に足部１４Ｌ，１４Ｒに取り付けられることになる。
【００６２】
なお、図１１においては、中間の三軸力センサ３６ｈ，３６ｉはそれぞれ足元部１４Ｌａ，１４Ｒａの先端の両側に備えられているが、これに限らず、図１１に示すように、足元部１４Ｌａ，１４Ｒａと足先部１４Ｌｂ，１４Ｒｂの連結領域に備えられていてもよい。
【００６３】
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、各足部１４Ｌ，１４Ｒの足裏に設けられた力検出部２３Ｌ，２３Ｒの各三軸力センサ３６ａ乃至３６ｃまたは３６ｄ乃至３６ｇあるいは３６ｄ，３６ｈ，３６ｉ，及び３６ｇが複雑な凹凸を備えた路面に対しても確実に着地することになる。従って、各三軸力センサからの検出信号から演算される水平床反力Ｆに基づいて、歩容データを修正することにより、足裏の床面との摩擦力により生ずる水平床反力Ｆを規範として歩行制御を行ない、複雑な凹凸を備えた不安定な路面状況においても、ロボット１０の歩行安定化を実現することができる。
【００６４】
上述した実施形態においては、例えば図４，図７，図８，図９及び図１１にて、三軸力センサは左右対称に配置されているが、これに限らず、不等辺三角形の頂点に配置されていてもよいことは明らかである。
また、上述した実施形態においては、三軸力センサは、それぞれ足裏を構成する一枚板の下面に取り付けられているが、これに限らず、三軸力センサの下方にも板材が取り付けられることにより、二枚板の間に三軸力センサが介挿されるように構成されてもよい。この場合、三軸力センサが圧縮力だけでなく引張り力も検出することができることになる。
なお、このようなセンサ構造の場合、例えば各三軸力センサが、足裏にて前後方向及び左右方向に関してそれぞれ等分位置に配置されていると、力増幅、キャリブレーションを容易に行なうことができると共に、最も効率よくセンサを活用することができる。
【００６５】
また、上述した実施形態においては、例えば図４，図７，図８にて、力検出部２３Ｌ，２３Ｒは、それぞれ三個の三軸力センサ３６ａ，３６ｂ及び３６ｃを備えており、また図９及び図１１においては、力検出部２３Ｌ，２３Ｒは、歩行姿勢の変化に伴って、常に三個の三軸力センサ３６ｄ，３６ｅ（３６ｈ），３６ｆ（３６ｉ）または３６ｅ（３６ｈ），３６ｆ（３６ｉ），３６ｇが床面に着地するようになっているが、これに限らず、それぞれ三個以上の三軸力センサが設けられていてもよい。
例えば図４にて鎖線で示すように、中間領域に二個の三軸力センサ３６ｊ，３６ｋを備えていてもよい。この場合、補償部３２は各三軸力センサ３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｊ，３６ｋの検出信号を比較して、より大きな力を検出している三個の三軸力センサを選択して、選択した三個の三軸力センサの検出信号から水平床反力を演算するようにすればよい。
【００６６】
さらに、上述した実施形態においては、補償部３２は、力検出部２３Ｌ，２３Ｒの各三軸力センサからの検出信号に基づいて、水平床反力を規範として歩容データの修正を行なうようになっているが、これに限らず、従来と同様に力検出部２３Ｌ，２３Ｒの各三軸力センサからの検出信号に基づいてＺＭＰ規範で歩容データの修正を行なうようにしてもよいことは明らかである。
【００６７】
さらに、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と共に、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。
【００６８】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、各足部の足裏に設けられた少なくとも三個の三軸力センサから成る力検出部による検出信号に基づいて、補償部により歩容生成部からの歩容データを修正して駆動手段を駆動制御する。その際、複雑な凹凸を備えた路面に足部が着地しているときでも、好ましくは足裏から下方に突出している各三軸力センサが確実に路面に接しており、有効な力を検出している三個の三軸力センサの検出信号により水平床反力を検出することができる。従って、不安定な路面であっても有効な力を検出している三個の三軸力センサによる水平床反力に基づいて、歩容データを確実に修正することにより、本体、好ましくは人型ロボットの上体の安定化を図るようになっている。
これにより、ロボットの各足部の足裏が、複雑な凹凸を備えた不安定な路面状況であっても、ロボットの安定性を確保することができ、確実に歩行制御を行なうことが可能である。
このようにして、本発明によれば、複雑な凹凸がある不安定な路面状況においても、足裏における床反力を正確に検出して、歩行安定性を実現できるようにした、極めて優れた二脚歩行式移動装置及びその歩行制御装置が提供される。
【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の電気的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の各足部の足裏に設けられた三軸力センサの構成を示し、（Ａ）は斜め上方から見た概略斜視図、（Ｂ）は斜め下方から見た概略斜視図である。
【図４】図３の三軸力センサの配置を示す足裏の平面図である。
【図５】図５の各三軸力センサと力計測の基点の配置を示すグラフである。
【図６】図１の二脚歩行式ロボットの歩行制御動作を示すフローチャートである。
【図７】図３（Ｃ）の三軸力センサの配置の第一の変形例を示す足裏の平面図である。
【図８】図３（Ｃ）の三軸力センサの配置の第二の変形例を示す足裏の平面図である。
【図９】図３（Ｃ）の三軸力センサの配置の第三の変形例を示し、（Ａ）は足部の側面図、（Ｂ）は足裏の平面図である。
【図１０】図９の変形例における足先部で着地した場合の、（Ａ）は足部の側面図、（Ｂ）は足裏の平面図である。
【図１１】図３（Ｃ）の三軸力センサの配置の第四の変形例を示す足裏の平面図である。
【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
１４Ｌａ，１４Ｒａ    足元部
１４Ｌｂ，１４Ｒｂ    足先部
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
２３Ｌ，２３Ｒ    力検出部
２４    歩容生成部
３０    歩行制御装置
３１    角度計測ユニット
３２    補償部
３３    制御部
３４    モータ制御ユニット
３５    足裏板
３６ａ乃至３６ｉ    三軸力センサ
【図１】
0003574952.tif 000012
【図２】
0003574952.tif 000013
【図３】
0003574952.tif 000014
【図４】
0003574952.tif 000015
【図５】
0003574952.tif 000016
【図６】
0003574952.tif 000017
【図７】
0003574952.tif 000018
【図８】
0003574952.tif 000019
【図９】
0003574952.tif 000020
【図１０】
0003574952.tif 000021
【図１１】
0003574952.tif 000022