(57)【要約】【課題】脚式ロボットの転倒合力を検出し、補償するための技術を提供する。【解決手段】脚式ロボットの胴体に関する３軸の並進加速度と３軸の回転角加速度のうちの少なくとも１軸についてのロボット慣性力、あるいはそのロボット慣性力を等価的に算出できる慣性力検出装置を備え、想定する床面に対してロボットが転倒しない動作を生成するとともに、生成した動作で発生しようとしている足裏力を出力する動作生成装置を備えた脚式ロボットにおいて、慣性力検出装置で検出される慣性力と、上記動作生成装置で発生しようとしている足裏力の加減算から、動作生成装置が想定していた床面と脚式ロボットが実際に立脚している床面の誤差を起因として床面が脚式ロボットを転倒させようとする力である床起因転倒力と、外部から胴体に作用する力である外部起因転倒力との合力である転倒合力を検出し、補償する。【選択図】図１５
2008290247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
脚式ロボットの脚が接続された脚式ロボットの胴体に関する３軸の並進加速度と３軸の回転角加速度のうちの少なくとも１軸についてのロボット慣性力、あるいはそのロボット慣性力を等価的に算出できる３軸の並進速度と３軸の回転角速度のうちの少なくとも１軸のロボットの胴体速度もしくは３軸の並進位置と３軸の回転姿勢のうちの少なくとも１軸のロボットの胴体位置を検出する慣性力検出装置と、
想定する床面に対してロボットが転倒しない動作を生成するとともに、生成した動作で発生しようとしている足裏力を出力する動作生成装置
を備えた脚式ロボットにおいて、
上記慣性力検出装置で検出される慣性力と、上記動作生成装置で発生しようとしている足裏力の加減算から、
上記動作生成装置が想定していた床面と脚式ロボットが実際に立脚している床面の誤差を起因として、脚式ロボットの床面に接地している足裏を介して床面が脚式ロボットを転倒させようとする力である床起因転倒力と、脚式ロボットの胴体に作用する力の内、足裏を介して胴体に作用する力を除き、外部から胴体に作用する力である外部起因転倒力との合力である転倒合力を検出する
ことを特徴とする脚式ロボットの動作制御のための外乱検出方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法を実施するための装置であって、
脚式ロボットの脚が接続された脚式ロボットの胴体に関する３軸の並進加速度と３軸の回転角加速度のうちの少なくとも１軸についてのロボット慣性力、あるいはそのロボット慣性力を等価的に算出できる３軸の並進速度と３軸の回転角速度のうちの少なくとも１軸のロボットの胴体速度もしくは３軸の並進位置と３軸の回転姿勢のうちの少なくとも１軸のロボットの胴体位置を検出する慣性力検出装置と、
想定する床面に対してロボットが転倒しない動作を生成するとともに、生成した動作で発生しようとしている足裏力を出力する動作生成装置
を備え、
上記慣性力検出装置で検出される慣性力と、上記動作生成装置で発生しようとしている足裏力の加減算から、
上記動作生成装置が想定していた床面と脚式ロボットが実際に立脚している床面の誤差を起因として、脚式ロボットの床面に接地している足裏を介して床面が脚式ロボットを転倒させようとする力である床起因転倒力と、脚式ロボットの胴体に作用する力の内、足裏を介して胴体に作用する力を除き、外部から胴体に作用する力である外部起因転倒力との合力である転倒合力を検出する
ことを特徴とする脚式ロボットの動作制御のための外乱検出装置。
【請求項３】
脚式ロボットの脚が接続された脚式ロボットの胴体に関する３軸の並進加速度と３軸の回転角加速度のうちの少なくとも１軸についてのロボット慣性力、あるいはそのロボット慣性力を等価的に算出できる３軸の並進速度と３軸の回転角速度のうちの少なくとも１軸のロボットの胴体速度もしくは３軸の並進位置と３軸の回転姿勢のうちの少なくとも１軸のロボットの胴体位置を検出する慣性力検出装置と、
想定する床面に対してロボットが転倒しない動作を生成する動作生成装置と、
上記動作生成装置からの指令を補正するとともに、補正により修正した動作で発生しようとしている足裏力を出力する動作補償装置
を備えた脚式ロボットにおいて、
上記慣性力検出装置で検出される慣性力と、上記動作補償装置で発生しようとしている足裏力の加減算から、
上記動作生成装置が想定していた床面と脚式ロボットが実際に立脚している床面の誤差を起因として、脚式ロボットの床面に接地している足裏を介して床面が脚式ロボットを転倒させようとする力である床起因転倒力と、脚式ロボットの胴体に作用する力の内、足裏を介して胴体に作用する力を除き、外部から胴体に作用する力である外部起因転倒力との合力である転倒合力を検出すると同時に、
その検出した転倒合力を他のセンサ情報と共にフィードバックし、動作生成装置の指令を動作補償装置にて補正し、転倒合力を補償する
ことを特徴とする脚式ロボットの動作制御のための外乱検出方法。
【請求項４】
脚式ロボットの脚が接続された脚式ロボットの胴体に関する３軸の並進加速度と３軸の回転角加速度のうちの少なくとも１軸についてのロボット慣性力、あるいはそのロボット慣性力を等価的に算出できる３軸の並進速度と３軸の回転角速度のうちの少なくとも１軸のロボットの胴体速度もしくは３軸の並進位置と３軸の回転姿勢のうちの少なくとも１軸のロボットの胴体位置を検出する慣性力検出装置と、
想定する床面に対してロボットが転倒しない動作を生成する動作生成装置と、
上記動作生成装置からの指令を補正するとともに、補正により修正した動作で発生しようとしている足裏力を出力する動作補償装置
を備えた脚式ロボットにおいて、
動作補償装置は、上記動作生成装置からの指令を他のセンサ情報を用いて補正する第一動作補償装置と、第一動作補償装置の出力を再補正する第二動作補償装置からなり、
上記慣性力検出装置で検出される慣性力と、上記動作補償装置で発生しようとしている足裏力の加減算を行い、その加減算値に基づき、第一動作補償装置の出力を第二動作補償装置で再補正することによって、
上記動作生成装置が想定していた床面と脚式ロボットが実際に立脚している床面の誤差を起因として、脚式ロボットの床面に接地している足裏を介して床面が脚式ロボットを転倒させようとする力である床起因転倒力と、脚式ロボットの胴体に作用する力の内、足裏を介して胴体に作用する力を除き、外部から胴体に作用する力である外部起因転倒力との合力である転倒合力を補償すると同時に、
その第一動作補償装置の出力を再補正する値から、転倒合力を検出する、
ことを特徴とする脚式ロボットの動作制御のための外乱検出方法。
【請求項５】
請求項３または４に記載の方法を実施するための装置であって、
脚式ロボットの脚が接続された脚式ロボットの胴体に関する３軸の並進加速度と３軸の回転角加速度のうちの少なくとも１軸についてのロボット慣性力、あるいはそのロボット慣性力を等価的に算出できる３軸の並進速度と３軸の回転角速度のうちの少なくとも１軸のロボットの胴体速度もしくは３軸の並進位置と３軸の回転姿勢のうちの少なくとも１軸のロボットの胴体位置を検出する慣性力検出装置と、
想定する床面に対してロボットが転倒しない動作を生成する動作生成装置と、
上記動作生成装置からの指令を補正するとともに、補正により修正した動作で発生しようとしている足裏力を出力する動作補償装置
を備え、
上記慣性力検出装置で検出される慣性力と、上記動作補償装置で発生しようとしている足裏力の加減算から、
上記動作生成装置が想定していた床面と脚式ロボットが実際に立脚している床面の誤差を起因として、脚式ロボットの床面に接地している足裏を介して床面が脚式ロボットを転倒させようとする力である床起因転倒力と、脚式ロボットの胴体に作用する力の内、足裏を介して胴体に作用する力を除き、外部から胴体に作用する力である外部起因転倒力との合力である転倒合力を検出すると同時に、
その検出した転倒合力を他のセンサ情報と共にフィードバックし、動作生成装置の指令を動作補償装置にて補正し、転倒合力を補償する
ことを特徴とする脚式ロボットの動作制御のための外乱検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脚式ロボットの転倒の要因を検出して脚式ロボットの動作を制御するための外乱検出方法及びその装置に関するものであり、更に具体的には、例えば、脚式ロボットが立っている不整地等の予期せぬ床面がロボットを転倒させようとする力（以下、床起因転倒力という。）、脚式ロボットが立っている不整地等の予期せぬ段差や傾斜がある床面の状況（以下、床面状況という。）、人間や環境等の外部から脚式ロボットに作用し転倒させようとする力（以下、外部起因転倒力という。）、それらの床起因転倒力及び外部起因転倒力の合力として脚式ロボットに作用し転倒させようとする力（以下、転倒合力という。）等を検出・補償して、脚式ロボットの動作を制御する方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボットの姿勢制御や転倒防止制御では、ロボットの関節センサから算出したロボットの姿勢や、慣性力センサで検出された姿勢の信号をフィードバックし、ロボットの姿勢制御や転倒防止制御を行っている。また、足裏に力センサなどを配備した高価なロボットでは、ＺＭＰ（ゼロモーメントポイント）を検出し、姿勢の安定化制御を行っている。
ところが、ロボットの姿勢の安定化制御は、ロボットの姿勢から得られる情報だけでは、脚式ロボットが立っている不整地や脚式ロボットが歩行している不整地等の状態により、例えば、脚式ロボットが片脚を踏み出そうした場合において、不整地の状態等が原因して上記床起因転倒力が大きく作用すると、脚式ロボットは容易に転倒を起こす問題がある。また、人間や環境等の外部から脚式ロボットに作用する力の状態により、例えば、脚式ロボットが人間と協調してテーブルを搬送しようとした場合において、人間が加えた不用意な力等が原因して上記外部起因転倒力が大きく作用すると、やはり脚式ロボットは容易に転倒を起こす問題がある。
【０００３】
このような問題を解決する方法としては、例えば、外部起因転倒力を補償するため、足裏に配備された足裏力センサによる情報を利用して、姿勢を安定制御する方法がある。
しかしながら、この足裏力センサのフィードバック制御により外部起因転倒力を補償する解決方法では、常に平地上にある脚式ロボットには有効であるものの、例えば、不整地等の予期せぬ段差や傾斜した床面上にある状態の脚式ロボットにおいては、床起因転倒力までもがフィードバックされるため、より一層転倒を起こし易くなる問題がある。
【０００４】
また、例えば、床起因転倒力を補償するため、足裏に配備された力センサによる情報を利用して、姿勢制御を安定制御する方法もある。
しかしながら、足裏力センサのフィードバック制御により床起因転倒力を補償する解決方法では、常に単体で動作を行っている脚式ロボットには有効であるものの、例えば、人間との協調作業や、環境との接触を伴う作業を行っている脚式ロボットにおいては、これら外部から脚式ロボットに作用して転倒させようとする外部起因転倒力までもがフィードバックされるため、より一層転倒を起こし易くなる問題がある。
【０００５】
図２４の具体例によりこれを説明すると、同図は、転倒要因となる脚式ロボットに対する床からの床起因転倒力と外部からの外部起因転倒力の関係を説明するためのもので、例えば、図示の脚式ロボットＲが片脚Ｌを踏み出そうとした場合に、不整地等の予期せぬ段差があり、床面からの転倒力Ａが脚式ロボットに足裏から作用した場合、脚式ロボットＲには、それが転倒モーメントＢとして作用する。これに対応するためには、例えば、前屈みの姿勢を取る必要がある。つまり、この場合に、転倒モーメントＢを補償するためには、つま先を上げるようにして対応しなければならない。
また、脚式ロボットの後ろから、人間や環境等により脚式ロボットに作用し転倒させようとする外部力Ｃが作用すると、この場合には、逆方向の転倒モーメントＤとして作用するため、これに対応するためには、つまり、この転倒モーメントＤを補償するには、つま先を下げるようにして対応しなければならない。
【０００６】
ところが、図から分かるように、転倒モーメントＢが作用した時の力センサの出力符号と、転倒モーメントＢとは逆方向の転倒モーメントＤが作用した時の力センサの出力符号は同じであり、足裏に配備された力センサのみの情報だけでは、転倒モーメントＢを検出しているのか転倒モーメントＤを検出しているのか判断ができず、すなわち、つま先を上げるべきなのか下げるべきなのかも判断することができない。
前記のように、床起因転倒力（転倒モーメントＢ）に対して脚式ロボットが対応しなければならない挙動と、外部起因転倒力（転倒モーメントＤ）に対して脚式ロボットが対応しなければならない挙動は、相反する挙動であるため、足裏力センサのフィードバック制御によって床起因転倒力もしくは外部起因転倒力のどちらかを補償する制御系では、床起因転倒力と外部起因転倒力の両者が脚式ロボットに作用する場合、相反する挙動によって、より一層転倒を起こし易くなる問題が発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の第１の技術的課題は、脚式ロボットの転倒の一要因である床起因外乱（例えば、前記力床起因転倒力や床面状況）と、他の転倒の要因である外部起因外乱（例えば、外部起因転倒力）を分離して検出するための技術を提供することにある。
本発明の第２の技術的課題は、第１の技術的課題の解決に加えて、床起因転倒力のみを検出し、それを補償するための技術を提供することにある。
本発明の第３の技術的課題は、第１の技術的課題の解決に加えて、床面状況のみを検出し、それを補償するための技術を提供することにある。
本発明の第４の技術的課題は、第１の技術的課題の解決に加えて、外部起因転倒力のみを検出し、それを補償するための技術を提供することにある。
本発明の第５の技術的課題は、床起因外乱や外部起因外乱を分離して検出・補償する必要が無い場合に、脚式ロボットに作用し転倒させようとする転倒合力を検出し、それを補償するための技術を提供することにある。
【０００８】
本発明の第６の技術的課題は、第１の技術的課題の解決に加えて、各脚に作用する外乱（床起因転倒力、床面状況、外部起因転倒力など）を検出し、それを補償するための技術を提供することにある。
本発明の第７の技術的課題は、床起因外乱や外部起因外乱を分離して検出・補償する必要が無い場合に、各脚に作用する外乱（床起因転倒力、床面状況、外部起因転倒力など）を検出し、それを補償するための技術を提供することにある。
本発明の第８の技術的課題は、脚式ロボットの足裏が床面に完全に接地していない場合に、上記外乱（床起因転倒力、床面状況、外部起因転倒力など）の誤差を低減して検出し、それを補償し、同時に脚式ロボットの足裏が床面から浮くのを防止するための技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
＜床起因転倒力と外部起因転倒力の分離検出＞
上記第１の課題を解決するため、本発明によれば、脚式ロボットが床面から受ける３軸の並進力と３軸の回転モーメントのうちの少なくとも１軸の足裏力によって変位する力分離装置を備え、上記力分離装置により床起因転倒力と外部起因転倒力とを分離して検出するまたは検出・補償することを特徴とする脚式ロボットの動作制御のための外乱検出方法及び装置が提供される。
【００１０】
＜床起因転倒力検出・補償＞
上記第２の課題を解決するため、本発明によれば、足裏から受ける３軸の並進力と３軸の回転モーメントのうちの少なくとも１軸を検出する足裏力検出装置と、ロボットの動作を生成する動作生成装置と、脚式ロボットが床面から受ける足裏力によって変位する力分離装置とを備えた脚式ロボットにおいて、足裏力検出装置と動作生成装置の出力から床起因転倒力を検出することを特徴とする床起因転倒力検出方法及び装置が提供される。
このような本発明の方法及び装置によれば、足裏力検出装置と動作生成装置により床起因転倒力のみを検出することが可能となる。
上記本発明の具体的な実施形態によれば、足裏力検出装置で検出される力と、動作生成装置で作り出される足裏の力の加減算により床起因転倒力が検出される。
【００１１】
また、上記第２の課題を解決するため、本発明によれば、足裏から受ける３軸の並進力と３軸の回転モーメントのうちの少なくとも１軸を検出する足裏力検出装置と、ロボットの動作を生成する動作生成装置と、動作生成装置からの指令を補正する動作補償装置と、ロボットが床面から受ける足裏力によって変位する力分離装置を備えた脚式ロボットにおいて、足裏力検出装置で検出される足裏力と動作補償装置で発生しようとしている足裏力に基づいて、脚式ロボットが立っている不整地等の予期せぬ床面がロボットを転倒させようとする床起因転倒力を検出しつつ、その転倒力を補償することを特徴とする脚式ロボットの動作制御のための外乱検出方法及び装置が提供される。
このような本発明の方法及び装置によれば、足裏力検出装置と動作生成装置と動作補償装置により床起因転倒力のみを検出し、補償することが可能となる。
【００１２】
上記本発明の一つの具体的な実施形態によれば、上記足裏力検出装置で検出される力と、動作補償装置で発生しようとしている足裏の力の加減算により、床起因転倒力を検出すると同時に、その検出した床起因転倒力を他のセンサ情報と共にフィードバックし、動作生成装置の指令を動作補償装置にて補正し、転倒力が補償される。
【００１３】
上記本発明の他の具体的な実施形態によれば、上記足裏力検出装置で検出される力と、他のセンサ情報により動作生成装置の指令を補正した動作補償装置で発生しようとしている足裏の力を加減算し、その加減算値が零となるようにフィードバックゲインを介して動作補償装置の出力を再補正することにより転倒力を補償すると同時に、その動作補償装置の出力を再補正する値から床起因転倒力が検出される。
【００１４】
＜床面状況の検出・補償＞
また、上記第３の課題を解決するため、本発明によれば、先ず動作生成装置で作り出される足裏から受ける３軸の並進力と３軸の回転モーメントのうちの少なくとも１軸を検出する足裏力検出装置と、ロボットの動作を生成する動作生成装置と、脚式ロボットが床面から受ける足裏力によって変位する力分離装置を備えた脚式ロボットにおいて、力分離装置モデルと足裏力検出装置と動作生成装置の出力から、脚式ロボットが立っている不整地等の予期せぬ段差や傾斜の床面状況を検出することを特徴とする脚式ロボットの動作制御のための外乱検出方法及び装置が提供される。
このような本発明の方法及び装置によれば、力分離装置モデルと足裏力検出装置と動作生成装置により床面状況のみを検出することが可能となる。
【００１５】
上記本発明の具体的な一つの実施形態によれば、先ず動作生成装置で作り出される足裏位置と力分離装置モデルの剛性との積を求め、次のその積と上記足裏力検出装置で検出される力を加減算し、その加減算値と力分離装置モデルのコンプライアンスとの積により上記床面状況が検出される。
上記本発明の具体的な他の実施形態によれば、上記足裏力検出装置で検出される力と力分離装置モデルのコンプライアンスとの積を求め、その積と動作生成装置で動かそうとしている足裏の位置の加減算により、上記床面状況が検出される。
【００１６】
また、上記第３の課題を解決するため、本発明によれば、足裏から受ける３軸の並進力と３軸の回転モーメントのうちの少なくとも１軸を検出する足裏力検出装置と、ロボットの動作を生成する動作生成装置と、動作生成装置からの指令を補正する動作補償装置と、脚式ロボットが床面から受ける足裏力によって変位する力分離装置を備えた脚式ロボットにおいて、力分離装置モデルと、足裏力検出装置で検出される力と、動作補償装置で発生しようとしている足裏の力に基づいて、脚式ロボットが立っている不整地等の予期せぬ段差や傾斜の床面状況を検出しつつ、その床面状況による転倒を補償することを特徴とする脚式ロボットの動作制御のための外乱検出方法及び装置が提供される。
このような本発明の方法及び装置によれば、力分離装置モデルと足裏力検出装置と動作生成装置と動作補償装置により床面状況を検出し、補償することが可能となる。
【００１７】
上記本発明の第１の具体的な実施形態によれば、先ず動作生成装置で作り出される足裏位置と力分離装置モデルの剛性との積を求め、次のその積と上記足裏力検出装置で検出される力を加減算し、その加減算値と力分離装置モデルのコンプライアンスとの積により、上記床面状況を検出すると同時に、その検出した床面状況を他のセンサ情報と共にフィードバックし、動作生成装置の指令を動作補償装置にて補正し、床面状況による転倒が補償される。
【００１８】
上記本発明の第２の具体的な実施形態によれば、足裏力検出装置で検出される力と力分離装置モデルのコンプライアンスとの積を求め、その積と動作補償装置で動かそうとしている足裏の位置の加減算により、上記床面状況を検出すると同時に、その検出した床面状況を他のセンサ情報と共にフィードバックし、動作生成装置の指令を動作補償装置にて補正し、床面状況による転倒が補償される。
【００１９】
上記本発明の第３の具体的な実施形態によれば、先ず他のセンサ情報により動作生成装置を補正した動作補償装置で動かそうとしている足裏位置と力分離装置モデルの剛性との積を求め、次にその積と足裏力検出装置で検出される力を加減算し、その加減算値が零となるようにフィードバックゲインを介して動作補償装置の出力を再補正することによって、床面状況による転倒を補償すると同時に、その動作補償装置の出力を再補正する値から上記床面状況が検出される。
【００２０】
また、上記本発明の第４の具体的な実施形態によれば、先ず他のセンサ情報により動作生成装置を補正した動作補償装置で動かそうとしている足裏位置と、足裏力検出装置で検出される力と力分離装置モデルのコンプライアンスとの積を加減算し、次にその加減算値が零となるようにフィードバックゲインを介して動作補償装置の出力を再補正することによって、上記床面状況による転倒を補償すると同時に、その動作補償装置の出力を再補正する値から上記床面状況が検出される。
【００２１】
＜外部起因転倒力検出・補償＞
上記第４の課題を解決するため、本発明によれば、足裏から受ける３軸の並進力と３軸の回転モーメントのうちの少なくとも１軸を検出する足裏力検出装置と、３軸の並進加速度と３軸の回転角加速度のうちの少なくとも１軸についてのロボット慣性力、あるいはそのロボット慣性力を等価的に算出できる３軸の並進速度と３軸の回転角速度のうちの少なくとも１軸のロボット速度若しくは３軸の並進位置と３軸の回転姿勢のうちの少なくとも１軸のロボット位置を検出する慣性力検出装置と、脚式ロボットが床面から受ける足裏力によって変位する力分離装置を備えた脚式ロボットにおいて、上記足裏力検出装置と慣性力検出装置の出力から、外部から脚式ロボットに作用して転倒させようとする外部起因転倒力を検出することを特徴とする脚式ロボットの動作制御のための外乱検出方法及び装置が提供される。
このような本発明の方法及び装置によれば、足裏力検出装置と慣性力検出装置により外部起因転倒力のみを検出することが可能となる。
上記本発明の具体的な実施形態によれば、上記慣性力検出装置で検出される力と、足裏力検出装置で検出される力の加減算により、外部起因転倒力が検出される。
【００２２】
また、上記第４の課題を解決するため、本発明によれば、足裏から受ける３軸の並進力と３軸の回転モーメントのうちの少なくとも１軸を検出する足裏力検出装置と、３軸の並進加速度と３軸の回転角加速度のうちの少なくとも１軸についてのロボット慣性力、あるいはそのロボット慣性力を等価的に算出できる３軸の並進速度と３軸の回転角速度のうちの少なくとも１軸のロボット速度若しくは３軸の並進位置と３軸の回転姿勢のうちの少なくとも１軸のロボット位置を検出する慣性力検出装置と、ロボットの動作を生成する動作生成装置と、動作生成装置からの指令を補正する動作補償装置と、脚式ロボットが床面から受ける足裏力によって変位する力分離装置を備えた脚式ロボットにおいて、上記慣性力検出装置と足裏力検出装置の出力から、外部から脚式ロボットに作用し転倒させようとする外部起因転倒力を検出しつつ、その転倒力を補償することを特徴とする脚式ロボットの動作制御のための外乱検出方法及び装置が提供される。
このような本発明の方法及び装置によれば、足裏力検出装置と慣性力検出装置と動作生成装置と動作補償装置により外部起因転倒力のみを検出し、補償することが可能となる。
【００２３】
上記本発明の一つの具体的な実施形態によれば、上記慣性力検出装置で検出される力と、足裏力検出装置で検出される力の加減算により、外部起因転倒力を検出すると同時に、その検出した外部起因転倒力を他のセンサ情報と共にフィードバックし、動作生成装置の指令を動作補償装置にて補正し、転倒力が補償される。
【００２４】
＜転倒合力検出・補償＞
上記第５の課題を解決するため、本発明によれば、ロボットの動作を生成する動作生成装置と、３軸の並進加速度と３軸の回転角加速度のうちの少なくとも１軸についてのロボット慣性力、あるいはそのロボット慣性力を等価的に算出できる３軸の並進速度と３軸の回転角速度のうちの少なくとも１軸のロボット速度若しくは３軸の並進位置と３軸の回転姿勢のうちの少なくとも１軸のロボット位置を検出する慣性力検出装置を備えた脚式ロボットにおいて、動作生成装置と慣性力検出装置から、脚式ロボットが立っている不整地等の予期せぬ床面がロボットを転倒させようとする床起因転倒力と、外部から脚式ロボットに作用し転倒させようとする外部起因転倒力との合力である転倒合力を検出することを特徴とする脚式ロボットの動作制御のための外乱検出方法及び装置が提供される。
このような本発明の方法及び装置によれば、動作生成装置と慣性力検出装置により脚式ロボットに作用し転倒させようとする転倒合力を検出することが可能となる。
【００２５】
上記本発明の具体的な実施形態によれば、上記慣性力検出装置で検出される力と、動作生成装置で作り出そうとしている力の加減算により、脚式ロボットに作用する転倒合力が検出される。
【００２６】
また、上記第５の課題を解決するため、本発明によれば、ロボットの動作を生成する動作生成装置と、動作生成装置からの指令を補正する動作補償装置と、３軸の並進加速度と３軸の回転角加速度のうちの少なくとも１軸についてのロボット慣性力、あるいはそのロボット慣性力を等価的に算出できる３軸の並進速度と３軸の回転角速度のうちの少なくとも１軸のロボット速度若しくは３軸の並進位置と３軸の回転姿勢のうちの少なくとも１軸のロボット位置を検出する慣性力検出装置を備えた脚式ロボットにおいて、上記慣性力検出装置と動作補償装置の出力から、脚式ロボットが立っている不整地等の予期せぬ床面がロボットを転倒させようとする床起因転倒力と、外部から脚式ロボットに作用し転倒させようとする外部起因転倒力との合力である転倒合力を検出しつつ、その転倒力を補償することを特徴とする脚式ロボットの動作制御のための外乱検出方法及び装置が提供される。
このような本発明の方法及び装置によれば、動作生成装置と動作補償装置と慣性力検出装置により、脚式ロボットに作用し転倒させようとする転倒合力を検出し、補償することが可能となる。
【００２７】
上記本発明の一つの具体的な実施形態によれば、上記慣性力検出装置で検出される力と、動作補償装置で発生しようとしている力の加減算により、脚式ロボットに作用する転倒合力を検出すると同時に、その検出した転倒合力を他のセンサ情報と共にフィードバックし、動作生成装置の指令を動作補償装置にて補正し、転倒合力が補償される。
【００２８】
上記本発明の他の具体的な実施形態によれば、他のセンサ情報により動作生成装置の指令を補正した動作補償装置で発生しようとしている足裏の力と、慣性力検出装置で検出される力を加減算し、その加減算値が零となるようにフィードバックゲインを介して動作補償装置の出力を再補正することにより転倒力を補償すると同時に、その動作補償装置の出力を再補正する値から転倒合力が検出される。
【００２９】
＜各脚の外乱検出・補償＞
上記第６の課題と第７の課題を解決するため、本発明によれば、上述した方法及び装置において、各脚への力配分装置もしくは各脚の力検出装置を介設し、それにより各脚に作用する外乱（床起因転倒力、床面、外部起因転倒力など）を検出し、補償することを特徴とする各脚外乱検出方法、及び各脚外乱検出装置が提供される。
このような本発明の方法及び装置によれば、各脚に作用する外乱（床起因転倒力、床面、外部起因転倒力など）を検出し、補償することが可能となる。
【００３０】
＜検出外乱誤差低減の検出・補償＞
上記第８の課題を解決するため、本発明によれば、上述した方法及び装置において、動作生成装置に検出誤差低減装置を介設し、それにより床起因転倒力、床面状況または外部起因転倒力などの外乱の検出誤差を低減しながら、上記外乱を検出すると同時に、脚式ロボットの足裏が床面から浮くのを防止することを特徴とする脚式ロボットの動作制御のための外乱検出方法及び装置が提供される。
このような本発明の方法及び装置によれば、検出する外乱の誤差を低減して、外乱を検出すると同時に、脚式ロボットの足裏が床面から浮くのを防止することが可能となる。
【００３１】
また、本発明においては、前記力分離装置として、ゴム弾性を有する筒または柱状の低剛性部材であり、脚式ロボットが床面から受ける足裏力に応じた上記低剛性部材の歪変位を検出する手段を備えたものを用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
＜１．脚式ロボットの基本構成及び床起因転倒力や外部起因転倒力の分離検出＞
図１は、本発明に基づいて床起因転倒力と外部起因転倒力とを分離して検出する装置等を備えた脚式ロボットの構成を原理的に示すものである。
この脚式ロボットは、胴体７に慣性力検出装置５を備え、その胴体７を支える脚リンク６ａ，６ｂの下端の足部に足裏力検出装置４及び力分離装置１を設け、上記脚リンク６ａ，６ｂ及び足部を、アクチュエータ８ａ，８ｂ，８ｃを介して相互に連結したものである。
【００３３】
上記慣性力検出装置５は、ロボット慣性力（３軸の並進加速度と３軸の回転角加速度）、あるいはロボット慣性力を等価的に算出できるロボット速度（３軸の並進速度と３軸の回転角速度）や、ロボット位置（３軸の並進位置と３軸の回転姿勢）を、少なくとも１軸検出できる装置として構成されるものである。
【００３４】
上記足裏力検出装置４は、足裏から受ける３軸の並進力と３軸の回転モーメントの少なくとも１軸を検出する装置であり、上記力分離装置は、脚式ロボットが足裏から受ける３軸の並進力と３軸の回転モーメントの少なくとも１軸によって変位して力分離する装置である。
これらの足裏力検出装置４及び力分離装置１に関しては、それぞれ任意の機構を採用することができるが、以下に説明するように、それらが一体化された装置とすることができる。この一体化された装置は、本発明者らが先に低剛性力検出装置（特願２００２−１００１８）として提案しているものである。
【００３５】
すなわち、図１に示すように、上記足部に設けた力分離装置１は、相対する一対の基板２ａ，２ｂと、これらの基板２ａ，２ｂの間に介設された変位機構部を構成する低剛性部材３とを有している。上記低剛性部材３は、ゴムブッシュのようなゴム弾性を有する筒状または柱状の部材（衝撃吸収部材）により形成されていて、それが上記両基板２ａ，２ｂ間に取り付けられ、脚式ロボットが床面から受ける足裏力に応じて、それら相互間の間隔が変化する方向（Ｚ軸方向）に歪変位が生じるようにしている。
【００３６】
そして、その筒状の低剛性部材３内に、基板２ａ，２ｂ間に作用する力を検出する検出器（変位センサー）１１を設け、それによって足裏力検出装置を構成させている。この変位センサー１１で上記低剛性部材３の長さ方向の歪みを計測することにより、両基板２ａ，２ｂ間に加わるＺ軸方向の直動力（足裏力）を検出することができる。
【００３７】
上記力分離装置は、二つの基板２ａ，２ｂが、それらの一側に位置するＸ軸を中心にして相互間の角度が変わる方向に相対的に変位自在にしておけば、Ｘ軸の周りの回転方向の力を分離検出することができる。また、基板２ａ，２ｂと筒状の低剛性部材３によって囲まれる部分を圧力チャンバーとして、検出器を圧力センサーにより構成することもできる。
このような力分離装置１は、３軸の並進力と３軸のモーメントを含む足裏力から特定軸の力のみを検出できるものであり、しかも、足裏力検出装置４の機能をも備え、また、低剛性部材３により衝撃吸収機能をも兼備するものである。
【００３８】
図２は、上記足裏力検出装置４を兼ねる力分離装置１の他の構成例を示すもので、この装置では、二つの基板２ａ，２ｂの間に、上記低剛性部材３及び検出器（図示省略）の複数を設けている。この例では、両基板２ａ，２ｂの間に４組の低剛性部材３が、４角形の４隅に位置するような位置関係に設置され、基板２ａの相対する一対の側辺の中央部に、それぞれ円弧状の凹部３０が形成され、基板２ｂには上記凹部３０に係合する円柱状のストッパー３１が設けられ、これらの凹部３０とストッパー３１とによって、両基板２ａ，２ｂのＺ軸の回りの相対的な回転と、Ｘ軸方向及びＹ軸方向への相対的な平行移動が規制されている。また、上記凹部３０の内周面の一部には、上記ストッパー３１の外周面に円弧接触する弧状の断面を有する突条３４が設けられている。
【００３９】
従って、両基板２ａ，２ｂは、Ｚ軸方向には相対的に変位自在であり、また、Ｘ軸回り及びＹ軸の回りの相対的な回転変位については、上記突条３４によってある程度の自由度が与えられ、剛性が低くなっている。
この足裏力検出装置では、４組の低剛性部材３内の検出器において検出した検出信号に基づき、簡単に特定軸の力あるいはトルクを算出することができる。
更に、高剛性方向であるＸ軸方向及びＹ軸方向に働く水平力や、高剛性回転成分である鉛直軸（Ｚ軸）の回りのトルクは、例えば、ストッパー３１に歪ゲージを貼り付けて計測することが可能である。
このような力分離装置１を足部と床面との間に介設することにより、以下に示す制御系の実施例に示すごとく、床起因転倒力と外部起因転倒力を分離して検出することが可能となる。
【００４０】
＜２．床起因転倒力検出・補償＞
図３は、本発明に基づいて床起因転倒力の検出を行なう第１の制御系の構成を示すものである。
同図は、脚式ロボットの動作を生成する動作生成装置１１と、アクチュエータ８ａ，８ｂ，８ｃによって構成される力発生装置１２と、脚式ロボットが床面から受ける足裏力によって変位する力分離装置１と、足裏から受ける３軸の並進力と３軸の回転モーメントの少なくとも１軸を検出する足裏力検出装置４との間の信号の授受関係を示すもので、具体的には、足裏力検出装置４と動作生成装置１１からの信号の加減算に基づき床起因転倒力を検出する態様を示している。
【００４１】
ロボットは、アクチュエータ８ａ，８ｂ，８ｃで各関節がロバストに制御されていれば、低剛性部材３を備える力分離装置１の圧縮力は、
（低剛性部材３を備える力分離装置１の圧縮力）
＝（床からロボットを押す力）＋（ロボットが基板２ａを引き上げようとする力）
により発生している。
【００４２】
ここで、左辺は足裏力検出装置４が介設されていれば検出可能であり、右辺第２項もロボットの動作生成装置１１で発生しようとしている足裏力から知ることができるため、右辺第１項に関して整理した式：
（床からロボットを押す力）
＝（低剛性部材３を備える力分離装置１の圧縮力）
−（ロボットが基板２ａを引き上げようとする力）
＝（足裏力検出装置４で検出される足裏力）
−（動作生成装置１１で発生しようとしている足裏力）
により、床からロボットを押す力（床起因転倒力）のみを検出することができる。
すなわち、図３のようなアルゴリズムで、床からロボットを押す力（床起因転倒力）のみを検出することができる。
なお、図３においてフィルター１３を図示しているが、これは足裏力検出装置４の出力にノイズが激しくのっている場合に介設するものであり、ノイズが激しくない場合はフィルター１３を取り外しても良い。これは以下に説明する各制御系において備えているフィルター１３についても同様である。
【００４３】
図４は、本発明に基づいて床起因転倒力の検出を行なうと同時に、床起因転倒力の補償を行なう第２の制御系の構成を示している。
図４について説明すると、この脚式ロボットの制御系では、足裏から受ける３軸の並進力と３軸の回転モーメントのうちの少なくとも１軸を検出する足裏力検出装置４と、ロボットの動作を生成する動作生成装置１１と、動作生成装置からの指令を補正する動作補償装置１４と、前記アクチュエータ８ａ〜８ｃによって構成される力発生装置１２と、ロボットが床面から受ける足裏力によって変位する力分離装置１とを備えている。
この制御系でも、図３の原理と同じく、足裏力検出装置４で検出される足裏力と、動作補償装置１４で発生しようとしている足裏力との加減算から、床起因転倒力の検出・補償値のみを検出し、この検出・補償値を他のセンサ情報（フィードバック信号）１５と共に動作生成装置にフィードバックして、動作生成装置の指令を動作補償装置１４にて補正すると同時に、床起因転倒力の補償が行なわれる。
【００４４】
なお、図４において他のセンサフィードバック信号１５を図示しているが、これは動作生成装置１１では発生しないような足裏力を生成するフィードバック信号、例えばロボットが転倒しかけた際に足裏によるふんばり力を増強するフィードバック信号などであり、目標となる足裏力が動作生成装置１１のみで生成される場合には、他のセンサ情報（フィードバック信号）１５を取外しても良い。これは、以下に説明する各制御系においても同様である。
【００４５】
図５は、本発明に基づいて床起因転倒力の検出を行なうと同時に、床起因転倒力の補償を行なう第３の制御系の構成を示している。
この制御系では、図４とほぼ同様の構成を備えているが、床起因転倒力の検出アルゴリズムと床起因転倒力の補償アルゴリズムに違いがある。図４の第２の制御系の床起因転倒力の検出アルゴリズムは、図３と同様のアルゴリズムで直接的に床起因転倒力を検出し、検出した床起因転倒力を用いて前向き補償的に動作生成装置を補正することにより床起因転倒力を補償している。一方、図５の第３の制御系の床起因転倒力の検出アルゴリズムは、先ず動作生成装置からの指令を他のセンサ情報を用いて補正する動作補償装置１４ａを設け、次に床起因転倒力を閉ループ補償的に補償するために動作補償装置１４ａの出力を再補正する動作補償装置１４ｂを設けて、床起因転倒力を補償し、床起因転倒力の補償信号である再補正値から間接的に床起因転倒力を検出している。
【００４６】
図５の具体例を用い、第３の制御系の床起因転倒力の検出アルゴリズム原理を説明する。この制御系では、ロボットの各関節が、アクチュエータ８ａ，８ｂ，８ｃによりロバストに制御されていれば、低剛性部材３を備える力分離装置１の圧縮力は、
（低剛性部材３を備える力分離装置１の圧縮力）
＝（床からロボットを押す力）
＋（動作生成装置１１により基板２ａを引き上げようとする力）
＋（他のセンサフィードバック信号１５により基板２ａを引き上げようとする力）
＋（動作補償装置１４ａを再補正する信号により基板２ａを引き上げようとする力）
により発生している。
【００４７】
この式で、左辺は足裏力検出装置４が介設されていれば検出可能であり、右辺第２項と第３項の加減算は動作補償装置１４ａの出力であることから、
（足裏力検出装置４で検出される力）
＝（床からロボットを押す力）
＋（動作補償装置１４ａにより基板２ａを引き上げようとする力）
＋（動作補償装置１４ａを再補正する信号により基板２ａを引き上げようとする力）
なる関係が、この制御系では常に成立している。
【００４８】
ここで、床起因転倒力を補償するために閉ループ補償的に、動作補償装置１４ａの出力に加減算される再補正信号によって、足裏力検出装置４で検出される「力分離装置１の圧縮力」が、動作補償動作補償装置１４ａにより基盤２ａを引き上げようとする力に追従しているとすると、前記式から
（床からロボットを押す力）
＝−（動作補償装置１４ａを再補正する信号により基板２ａを引き上げようとする力）
なる関係が、この制御系では常に成立していることになり、動作補償装置１４ａの出力に加減算される再補正信号によって、床起因転倒力が検出することが出きることが分かる。
【００４９】
すなわち、図５の第３の制御系では、足裏力検出装置４で検出される足裏力と、動作補償装置１４ａで発生しようとしている足裏力とを加減算し、その加減算値とフィードバックゲインであるゲイン１６の積により動作補償装置１４ａの出力を再補正している。ゲイン１６は周波数特性を持つゲインで、理想的には低周波数で無限大のゲイン（例えば、積分器）に設定すると、足裏力検出装置４で検出される足裏力と動作補償装置１４ａで発生しようとしている足裏力との差がゼロとなり、定常状態においてゲイン１６の出力は、床からのロボットを押す力と一致する。従って、ゲイン１６の出力を、閉ループ補償的に、動作補償装置１４ａの出力に加減算することにより床起因転倒力を補償し、同時にゲイン１６の出力から床起因転倒力の検出が行なわれている。
【００５０】
＜３．床面状況の検出・補償＞
図６は、本発明に基づいて床面状況の検出を行なう第１の制御系の構成を示したものである。
図６について説明すると、この制御系では、足裏から受ける３軸の並進力と３軸の回転モーメントのうちの少なくとも１軸を検出する足裏力検出装置４と、ロボットの動作を生成する動作生成装置１１と、脚式ロボットが床面から受ける足裏力によって変位する力分離装置１と、アクチュエータ８ａ，８ｂ，８ｃによって力分離装置１の基板２ａを位置制御する基板２ａ制御装置を備え、先ず動作生成装置１１で作り出される足裏位置と力分離装置１の剛性モデルとの積から動作生成装置１１で作り出そうとしている床面への操作力を求め、次にその積である床面への操作力と足裏力検出装置４の出力との加減算値から脚式ロボットが立っている不整地等の予期せぬ段差や傾斜からロボットを転倒させようとしている力（床起因転倒力）を求めた後、その検出した床起因転倒力と力分離装置１のコンプライアンスモデルとの積から床面状況を検出している。
なお、図６において力分離装置１剛性を図示しているが、これは基板２ａ位置制御装置１７による足裏での動作や床面の段差や傾斜角によって、ロボットの足裏と床面の間に発生する力を表現するため、力分離装置１の一部を抽出して図示しているものである。これは、以下に説明する各制御系においても同様である。
【００５１】
この制御系を備えた脚式ロボットにおいて、アクチュエータ８ａ，８ｂ，８ｃで各関節がロバストに制御されていれば、低剛性部材３を備える力分離装置１の圧縮力は、図３と同様に、
（低剛性部材３を備える力分離装置１の圧縮力）
＝（床からロボットを押す力）＋（ロボットが基板２ａを引き上げようとする力）
により発生している。
ここで、左辺は足裏力検出装置４が介設されていれば検出可能であり、右辺第２項もロボットの動作生成装置１１で作り出される足裏位置と力分離装置１の剛性モデルとの積から知ることができるため、図示のようなアルゴリズムで、床からロボットを押す力（床起因転倒力）のみを検出することができる。
【００５２】
また、床起因転倒力は、
（床起因転倒力）＝（力分離装置１の剛性）×（床面の予期せぬ段差や傾斜角）
により発生している。
ここで、右辺第１項の力分離装置１の剛性は、力分離装置１を構成している低剛性部材３の弾性係数を予め測定しておけば、力分離装置１の弾性を知ることができる。具体的には、例えば低剛性部材３がｎ個、同心円上に等間隔に配置されている力分離装置１では、その力分離装置１の平進及び回転の剛性は、それぞれ、
（力分離装置１の平進剛性）＝ｎ×（低剛性部材３の平進剛性）
（力分離装置１の回転剛性）＝（ｎ／２）×（低剛性部材３の平進剛性）
×（低剛性部材３の配置半径）２
により求めることができ、また力分離装置１のコンプライアンスは、
（力分離装置１の平進コンプライアンス）＝（力分離装置１の平進剛性）−１
（力分離装置１の回転コンプライアンス）＝（力分離装置１の回転剛性）−１
により求めることができる。そのため、図示のようなアルゴリズムで、床面（基板２ｂ）の段差や傾斜などの床面状況のみを検出することができる。
【００５３】
図７は、本発明に基づいて床面状況の検出を行なう第２の制御系の構成を示したものである。
図７について説明すると、この制御系は、上記図６と同様の構成を備えているが、図６では前記のように床起因転倒力を一旦検出してから床面状況を検出しているのに対し、図７では力分離装置１のコンプライアンスモデルのみを用いて直接的に床面状況を検出している点で相違している。
【００５４】
この制御系においては、ロボットはアクチュエータ８ａ，８ｂ，８ｃで各関節がロバストに制御されていれば、低剛性部材３を備える力分離装置１の圧縮力は、
（低剛性部材３の分離装置１の圧縮力）
＝（低剛性部材３の弾性）×（両基板２ａ，２ｂの歪量）
により発生している。
ここで、左辺は足裏力検出装置４が介設されていれば検出可能であり、右辺第１項も低剛性部材３の弾性係数を予め測定しておけばその弾性を知ることができるため、両基板２ａ，２ｂ間の歪量を検出することができる。さらには、両基板２ａ，２ｂ間の歪量は、
（両基板２ａ，２ｂの歪量）
＝（基板２ｂの位置）−（基板２ａの位置）
であり、右辺第二項は動作生成装置１１で発生しようとしている足裏（基板２ａ）の位置から知ることができるため、図示のようなアルゴリズムで、足裏の基板２ｂの位置、すなわち、床面の段差や傾斜などの床面状況のみを検出することができる。
【００５５】
図８は、本発明に基づいて床面状況の検出・補償を行なう第３の制御系の構成を示したものである。
図８の検出・補償及び装置について説明すると、この制御系は、図６の制御系において出力される床面の段差や傾斜などの床面状況を、他のセンサ情報（フィードバック信号）１５と共に動作生成装置１１にフィードバックするようにしたものであり、このフィードバックにより、図４の場合と同様にフィードバック制御されるので、それらの説明を援用してここでは詳細な説明を省略する。
【００５６】
図９は、本発明に基づいて床面状況の検出・補償を行なう第４の制御系の構成を示したものである。
この制御系は、図７の制御系において出力される床面の段差や傾斜などの床面状況を、他のセンサ情報（フィードバック信号）１５と共に動作生成装置１１にフィードバックするようにしたものであり、このフィードバックにより、図４の場合と同様にフィードバック制御されるので、それらの説明を援用してここでは詳細な説明を省略する。
【００５７】
図１０は、本発明に基づいて床面状況の検出・補償を行なう第５の制御系の構成を示したものである。
この制御系は、図５の制御系を床面状況の検出・補償に適用したものであり、ゲイン１６において出力される床面の段差や傾斜角などの床面状況を動作補償装置１４ａにフィードバックするようにし、また、上記床面状況の検出・補償への適用に伴って、制御系内に力分離装置１の剛性モデルの介装を行なっている。
【００５８】
即ち、この制御系では、上記足裏力検出装置４と、動作生成装置１１と、動作生成装置からの指令を補正する動作補償装置１４と、床面から受ける足裏力によって変位する力分離装置１を備え、足裏力検出装置４で検出される力と、動作補償装置１４ａで発生しようとしている足裏の位置（基板２ａの位置）と力分離装置１の剛性モデルとの積により求まるロボットが発生しようとしている足裏の力とを加減算し、その加減算値がゼロとなるように動作補償装置１４ａの出力を動作補償装置１４ｂにて再補正することにより、その床面状況による転倒を補償すると同時に、動作補償装置１４ａの出力を再補正する値から脚式ロボットが立っている不整地等の予期せぬ段差や傾斜の床面状況を検出するようにしている。
なお、この制御系の基本的構成は図５の制御系と原理的に共通性があるので、それらの点に関しては図５の制御系の説明を援用し、ここでは詳細な説明を省略する。
【００５９】
図１１は、本発明に基づいて床面状況の検出・補償を行なう第６の制御系の構成を示したものである。
この制御系は、図５の制御系を床面状況の検出・補償に適用したものであり、足裏力検出装置４で検出される力と力分離装置１のコンプライアンスモデルの積により求まる力分離装置の歪量（両基板２ａ，２ｂの歪量）と、動作補償装置１４ａで発生しようとしている足裏の位置（基板２ａの位置）とを加減算し、その加減算値がゼロとなるように動作補償装置１４ａの出力を動作補償装置１４ｂにて再補正することにより、その床面状況による転倒を補償すると同時に、動作補償装置１４ａの出力を再補正する値から脚式ロボットが立っている不整地等の予期せぬ段差や傾斜の床面状況を検出するようにしている。
なお、この制御系も基本的構成が図５の制御系と原理的に共通性があるので、それらの点に関しては図５の制御系の説明を援用し、ここでは詳細な説明を省略する。
【００６０】
＜４．外部起因転倒力検出・補償＞
図１２は、本発明の外部起因転倒力検出を行なう第１の制御系の構成を示したものである。
図１２について説明すると、この制御系では、足裏力検出装置４と、３軸の並進加速度と３軸の回転角加速度のうちの少なくとも１軸についてのロボット慣性力、あるいはそのロボット慣性力を等価的に算出できる３軸の並進速度と３軸の回転角速度のうちの少なくとも１軸のロボット速度若しくは３軸の並進位置と３軸の回転姿勢のうちの少なくとも１軸のロボット位置を検出する慣性力検出装置５と、脚式ロボットが床面から受ける足裏力によって変位する力分離装置１を備え、上記足裏力検出装置４と慣性力検出装置５の出力から、外部から脚式ロボットに作用して転倒させようとする外部起因転倒力を検出し、更に具体的には、上記慣性力検出装置５で検出される力と、足裏力検出装置４で検出される力の加減算により、外部起因転倒力を検出するようにしている。
【００６１】
更に詳しく説明すると、この制御系を備えたロボットの胴体７の運動は、
（ロボットの慣性）×（ロボットの加速度）
＝（低剛性部材３を備える力分離装置１の圧縮力）
＋（ロボットの胴体７に印加される外部起因力）
なる（６次元の）運動方程式で記述される運動を行なう。
ここで、左辺はロボットの胴体７に慣性力検出装置５が介設されていれば検出可能であり、右辺第１項も足裏力検出装置４が介設されていれば検出可能であることから、右辺第２項に関して整理した式：
（ロボットの胴体７に印加される外部起因力）
＝（ロボットの慣性）×（ロボットの加速度）
−（低剛性部材３を備える力分離装置１の圧縮力）
＝（慣性力検出装置５で検出される慣性力）
−（足裏力検出装置４で検出される足裏力）
により、ロボットに印加される外部起因力（外部起因転倒力）のみを検出することができる。
すなわち、図１２のような制御系のアルゴリズムで、ロボットに印加される外部起因力（外部起因転倒力）を検出することができる。
【００６２】
図１３は、本発明の外部起因転倒力検出・補償を行なう第２の制御系の構成を示したものである。
この制御系について詳しい説明は、図４の制御系において図３の制御系にフィードバック系を付したのと同様に、図１２の制御系にフィードバック系を付したものであり、そのため、それらの説明を援用してここでは説明を省略する。
【００６３】
＜２．床起因転倒力検出・補償＞＆＜４．外部起因転倒力検出・補償＞
図１４は、本発明に基づいて床起因転倒力と外乱起因転倒力を個々に検出し、これら外乱を補償する制御系についての構成図である。
この制御系は、本発明に基づいて床起因転倒力の検出・補償を行なう第２の制御系（図４）と、本発明に基づいて外部起因転倒力の検出・補償を行なう第２の制御系（図１３）を統合したものである。従って、床起因転倒力と外部起因転倒力を分離して個別に検出し、補償をすることができる。
個々の外乱の検出・補償の原理に関しては、図４と図１３の制御系の場合と全く同じ原理であり、その説明を援用してここでは説明を省略する。
なお、図５と図１３、図８と図１３、図９と図１３、図１０と図１３、図１１と図１３等のような組み合わせでも、脚式ロボットの転倒の一要因である床起因外乱と他の転倒の要因である外部起因外乱を分離して検出・補償した制御系を構成することができる。この点に関しては、説明の重複になるので、ここでは更なる詳細な説明は省略する。
【００６４】
＜５．転倒合力検出・補償＞
図１５は、本発明の床起因転倒力と外部起因転倒力の合力である転倒合力の検出を行なう第１の制御系の構成を示したものである。
この制御系では、ロボットの動作を生成する動作生成装置１１と、３軸の並進加速度と３軸の回転角加速度のうちの少なくとも１軸についてのロボット慣性力、あるいはそのロボット慣性力を等価的に算出できる３軸の並進速度と３軸の回転角速度のうちの少なくとも１軸のロボット速度若しくは３軸の並進位置と３軸の回転姿勢のうちの少なくとも１軸のロボット位置を検出する慣性力検出装置５とを備え、動作生成装置１１と慣性力検出装置５から、脚式ロボットが立っている不整地等の予期せぬ床面がロボットを転倒させようとする床起因転倒力と、外部から脚式ロボットに作用し転倒させようとする外部起因転倒力との合力である転倒合力を検出するようにしている。更に具体的には、上記慣性力検出装置５で検出される力と、動作生成装置１１で作り出そうとしている力の加減算により、脚式ロボットに作用する転倒合力を検出するようにしている。
【００６５】
更に詳しく説明すると、ロボットの胴体７の運動は、
（ロボットの慣性）×（ロボットの加速度）
＝（ロボットが基板２ａを引き上げようとする力）＋（床からロボットを押す力）
＋（ロボットの胴体７に印加される外部起因力）
なる（６次元の）運動方程式で記述される運動を行なう。
ここで、左辺はロボットの胴体７に慣性力検出装置５が介設されていれば検出可能であり、右辺第１項もロボットの動作生成装置１１で発生しようとしている足裏力から知ることができる。一方、右辺第２項と右辺第３項の和はロボットに作用する転倒合力であり、右辺第２項と右辺第３項に関して整理した式：
（床からロボットを押す力）＋（ロボットの胴体７に印加される外部起因力）
＝（ロボットの慣性）×（ロボットの加速度）
−（ロボットが基板２ａを引き上げようとする力）
∴（ロボットに作用する転倒合力）
＝（慣性力検出装置５で検出される慣性力）
−（動作生成装置１１で作り出そうとしている力）
により、ロボットに作用する転倒合力を検出することができる。
すなわち、図１５の制御系のようなアルゴリズムで、脚式ロボットに作用し転倒させようとする転倒合力、即ち上記床起因転倒力と外部起因転倒力の合力を検出することができる。
【００６６】
図１６は、本発明の転倒合力検出・補償を行なう第２の制御系の構成を示したものである。
この制御系について詳しい説明は、図４の制御系において図３の制御系にフィードバック系を付したのと同様に、図１５の制御系にフィードバック系を付したものであり、そのため、それらの説明を援用してここでは説明を省略する。
【００６７】
図１７は、本発明の転倒合力検出・補償を行なう第３の制御系の構成を示したものである。
この制御系は、図５の制御系を転倒合力の検出・補償に適用したものであり、ゲイン１６において出力される転倒合力を用いて動作補償装置１４ａの出力を動作補償装置１４ｂにて再補正することにより、脚式ロボットに作用し転倒させようとする転倒合力、即ち上記床起因転倒力と外部起因転倒力の合力を補償すると同時に、その再補正値により転倒合力の検出を行っている。
なお、この制御系の基本的構成は図５の制御系と原理的に共通性があるので、それらの点に関しては図５の制御系の説明を援用し、ここでは詳細な説明を省略する。
【００６８】
＜６．各脚の外乱検出・補償＞
図１８は、本発明の各脚外乱検出方法及び装置の第１の制御系を示したもので、特に、ｎ本の脚から構成される多脚ロボットの第１足に作用する床起因転倒力の検出を行なう制御系を示すものである。
この装置における力分配装置２１ａは、脚式ロボットの足裏全体で発生させようとしている指令を各脚に分配し、各脚の足裏で発生させようとする指令を算出するものである。この力配分装置２１ａにより作り出される第ｉ番目（１≦ｉ≦ｎ）の足裏で発生しようとしている力と、第ｉ番目の足裏に介設された足裏力検出装置で検出される力とを加減算することから、第ｉ番目の脚に作用する床起因転倒力が検出される。この力分配装置２１ａにより分配された「各脚の足裏で発生させようとしている指令」の総和は、言うまでもなく、脚式ロボットの足裏全体で発生させようとしている指令となるように力分配装置２１ａは構成されている。
【００６９】
また、図１８において、第１足に作用する床起因転倒力の検出方法及び装置の原理は、図３の制御系の場合と実質的に同じであるから、それらの説明を援用してここでは説明を省略する。
また、図１８の場合と同じように、力分配装置２１ａを介設し、図６や図７に示した制御系の原理に従って制御を行なえば、第１足の足裏の床面状況を検出することができる。この点に関しては、説明の重複になるので、ここでは更なる詳細な説明は省略する。
【００７０】
図１９は、本発明の各脚外乱検出方法及び装置の第２の制御系を示したもので、特に、ｎ本の脚から構成される多脚ロボットの第１足に作用する等価的な外部起因転倒力の検出を行なう制御系を図示している。
この装置における力分配装置２１ｂは、慣性力検出装置５で検出されたロボットの慣性力を各脚に分配し、各脚毎が作り出したロボットの慣性力を算出するものである。等価的に算出された「各脚毎が作り出したロボットの慣性力」の総和は、言うまでもなく、脚式ロボット全体に作用している慣性力となるように力分配装置２１ｂは構成されている。
なお、この図１９の制御系において、第１足に等価的に作用する外部起因転倒力の検出方法及び装置の原理は、図１２の制御系の場合と実質的に同じであるから、その説明を援用してここでは説明を省略する。
【００７１】
図２０は、本発明の各脚外乱検出・補償を行なう第３の制御系を示したもので、特に、ｎ本の脚から構成される多脚ロボットの第１足に作用する床起因転倒力検出・補償を行なう制御系を示している。
この図２０の制御系は、第１足に作用する床起因転倒力の検出・補償を行なう図１８の制御系に、図４と同じフィードバック系を付加したものであるから、ここではそれらの説明を援用して説明を省略する。
なお、図２０の力分配装置２１ａは、図１８の力分配装置２１ａと同じで、脚式ロボットの足裏全体で発生させようとしている指令を、各脚の足裏で発生させようとする指令に分配するものである。各脚の足裏で発生させようとしている指令の総和は、脚式ロボットの足裏全体で発生させようとしている指令である。
【００７２】
また、第１足に作用する床起因転倒力の検出・補償を行なう制御系は、図４と同じ原理を適用した図２０以外にも、図５と同じ原理を適用するものが考えられるが、説明の重複になるのでここでは説明を省略する。更に、図２０と同じように力分配装置２１ａを介設し、図８〜図１１の原理に従って制御すれば、第１足の足裏の床面状況を検出し、補償することができる。
【００７３】
図２１は、本発明の各脚外乱検出・補償を行なう第４の制御系を示したもので、特に、ｎ本の脚から構成される多脚ロボットの第１足に作用する等価的な外部起因転倒力検出・補償方法及び装置を図示したものである。
図２１の制御系は、図１９の制御系にフィードバック系を付加したもので、この制御系における力分配装置２１ｂは、図１９の力分配装置２１ｂと同じであり、慣性力検出装置５で検出されたロボットの慣性力を各脚に分配し、各脚毎が作り出したロボットの慣性力を算出するものである。等価的に算出された「各脚毎が作り出したロボットの慣性力」の総和は、脚式ロボット全体に作用している慣性力である。
図２１において、第１足に等価的に作用する外部起因転倒力の検出・補償の原理は、図１３の制御系の場合と実質的に同じであるから、その説明を援用してここでは説明を省略する。
【００７４】
＜７．検出外乱誤差低減の検出・補償＞
図２２は、本発明の検出外乱誤差低減検出方法及び装置の第１の制御系の構成を示したもので、特に、ｎ本の脚から構成される多脚ロボットの第１足に作用する床起因転倒力検出時にその誤差を低減する検出外乱低減検出を行なう制御系を示している。
【００７５】
図２２の制御系は、前記図１８の制御系に、検出外乱の誤差を低減する働きのある検出誤差低減装置２２ａ，２２ｂを付加したものである。
検出誤差低減装置２２ａの一つの具体的実施例は、動作生成装置１１により脚式ロボットの足裏全体で発生させようとしている指令により、足裏が床面から浮かないように、その指令の上下にリミットで指令を飽和させるように構成される。しかしながら、足裏を浮かないように指令を飽和させておいても、外部起因転倒力等により、脚式ロボットが床面から浮いてしまう場合がある。その際、誤検出をしない働きをするのが、検出誤差低減装置２２ｂである。
検出誤差低減装置２２ｂの一つの具体的実施例は、第ｉ番目（１≦ｉ≦ｎ）の足裏に介設された足裏力検出装置４から、脚式ロボットの第ｉ番目の足裏が浮いてしまったか判断し、第ｉ番目の足裏が浮いてしまった場合には、検出装置の入力信号である「第ｉ番目の足裏で発生させようとする指令」を強制的に零にする。これにより、誤検出を防止することができる。
この制御系により、脚式ロボットは床面から浮き難くなると同時に、例え床面から浮いてしまう場合においても誤検出を避けることができるため、検出外乱誤差の低減が可能となる。
【００７６】
なお、足裏が床面から浮いてしまった場合、脚式ロボットが空中で動作をしても、床面に対して力を発生できないことから、その操作は余計な動作と考えられる。
検出誤差低減装置２２ａの二つ目の具体的実施例は、上記検出誤差低減装置２２ｂの動作内容自身を、この検出誤差低減装置２２ａに持たせる方法である。
これにより、脚式ロボットは床面から浮き難くなると同時に、例え床面から浮いてしまった場合においても誤検出を避けることができ、空中でのロボットの余計な動作を停止することができ、検出外乱誤差の低減が可能となる。
【００７７】
図２２において、第１足に作用する床起因転倒力の検出の原理は、図３の制御系の場合と実質的に同じであるから、その説明を援用してここでは説明を省略する。
また、図２２と同じように、誤差検出低減装置２２を介設し、図６や図７の原理に従って制御すれば、第１足の足裏の床面状況検出誤差を低減して検出することができる。
【００７８】
図２３は、本発明の検出外乱誤差低減の検出・補償を行なうの第２の制御系を示したもので、特に、ｎ本の脚から構成される多脚ロボットの第１足に作用する床起因転倒力検出時にその誤差を低減する検出外乱低減の検出・補償を行なう制御系を示している。
図２３の検出誤差低減装置２３は、検出外乱の誤差を低減する働きのある装置で、具体的には図２２に関連して説明した検出誤差低減装置２２ａの二つ目の具体的実施例として構成できるものであり、他のセンサ情報１５により動作生成装置１１を補正した動作補償装置１４が算出する「脚式ロボットの足裏全体で発生させようとしている指令」によって足裏が床面から浮かないように、その指令の上下にリミットで指令を飽和させると同時に、足裏力検出装置４から足裏が床面から浮いたと判断された場合にはその指令をゼロにする装置である。
これにより、脚式ロボットは床面から浮き難くなると同時に、例え床面から浮いてしまった場合においても誤検出を避けることができ、空中でのロボットの余計な動作を停止することができ、検出外乱誤差の低減が可能となる。
【００７９】
図２３において、図２２の制御系に付加した第１足に作用する床起因転倒力の検出・補償は、図４と同じであることから、ここでは説明を省略する。
また、第１足に作用する床起因転倒力の検出誤差を低減し、第１足に作用する床起因転倒力の検出・補償の他の原理として、図２３以外にも、図５と同じ原理が考えられるが、説明の重複になるのでここでは説明を省略する。
また、図２３と同じように、検出誤差低減装置２３を介設し、図８〜図１１の原理に従えば、第１足の足裏の床面状況検出誤差を低減して検出し、補償することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明に基づいて動作制御する装置を備えた脚式ロボットの模式的構成図である。
【図２】本発明の脚式ロボットにおいて用いる足裏力検出装置を兼ねる力分離装置の他の構成例を示す模式的斜視図である。
【図３】本発明に基づいて床起因転倒力の検出・補償を行なう第１の制御系についての構成図である。
【図４】同第２の制御系についての構成図である。
【図５】同第３の制御系についての構成図である。
【図６】本発明に基づいて床面状況の検出・補償を行なう第１の制御系についての構成図である。
【図７】同第２の制御系についての構成図である。
【図８】同第３の制御系についての構成図である。
【図９】同第４の制御系についての構成図である。
【図１０】同第５の制御系についての構成図である。
【図１１】同第６の制御系についての構成図である。
【図１２】本発明に基づいて外部起因転倒力の検出・補償を行なう第１の制御系についての構成図である。
【図１３】同第２の制御系についての構成図である。
【図１４】本発明に基づいて床起因転倒力と外乱起因転倒力を個々に検出し、これら外乱を補償する制御系についての構成図である。
【図１５】本発明に基づいて転倒合力の検出・補償を行なう第１の制御系についての構成図である。
【図１６】同第２の制御系についての構成図である。
【図１７】同第３の制御系についての構成図である。
【図１８】本発明に基づいて各脚の外乱検出・補償を行なう第１の制御系についての構成図である。
【図１９】同第２の制御系についての構成図である。
【図２０】同第３の制御系についての構成図である。
【図２１】同第４の制御系についての構成図である。
【図２２】本発明に基づいて検出外乱誤差低減の検出・補償を行なう第１の制御系についての構成図である。
【図２３】同第２の制御系についての構成図である。
【図２４】脚式ロボットに対する床からの床起因転倒力と外部からの外部起因転倒力の関係を説明する説明図である。
【符号の説明】
【００８１】
１  力分離装置
４  足裏力検出装置
５  慣性力検出装置
７  胴体
１１  動作生成装置
１２  力発生装置
１３  フィルター
１４  動作補償装置
１６  ゲイン
２１，２１ａ，２１ｂ  力分配装置
【図１】
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【図２】
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【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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