(57)【要約】【課題】路面形状に倣って変化した脚部関節の実角度を目標角度に追従させるために脚部関節を再び硬くしたときに、脚部関節が実角度と乖離した目標角度に追従することによる脚式移動ロボットの不安定挙動を抑制する。【解決手段】制御部１４は、遊脚（脚部リンクＬＲ）が路面に着地する際に、脚部リンクＬＲが有する足首関節１２２が柔らかくなるように足首関節１２２を駆動するアクチュエータ１５を制御し、足首関節１２２の実角度を予め設定された目標角度に追従させることなく路面の形状に応じて変化させる。また、制御部１４は、脚部リンクＬＲが着地した後に、足首関節１２２の実角度と目標角度との差分を打ち消すように足首関節１２２の目標角度の軌道を補正する。さらに、制御部１４は、足首関節１２２が硬くなるようにアクチュエータ１５を制御することで、支持脚となった脚部リンクＬＲの足首関節１２２の実角度を補正後の目標角度の軌道に追従させる。【選択図】図３
2008264942.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の脚部リンクを備える脚式移動ロボットの歩行制御方法であって、
前記複数の脚部リンクのうち遊脚である第１脚部リンクが路面に着地する際に、前記第１脚部リンクが有する第１脚部関節が柔らかくなるように前記第１脚部関節を駆動する駆動部を制御することで、前記路面に着地する前記第１脚部リンクの前記第１関節の実角度を予め定められた目標角度の軌道に追従させることなく前記路面の形状に応じて変化させ、
前記第１脚部リンクが着地した後に、前記第１脚部関節の実角度と前記目標角度との差分を打ち消すように前記目標角度の軌道を補正し、
前記第１脚部関節が硬くなるように前記駆動部を制御することで、支持脚となった前記第１脚部リンクの前記第１関節の実角度を補正後の前記目標角度の軌道に追従させる、歩行制御方法。
【請求項２】
前記第１関節の柔らかさの変更は、前記第１関節の前記目標角度への追従速度を変更することにより行われる、請求項１に記載の歩行制御方法。
【請求項３】
前記第１関節の柔らかさの変更は、前記駆動部の出力トルクを増減することにより行われる、請求項１に記載の歩行制御方法。
【請求項４】
前記目標角度の補正は、前記第１関節を硬くする際の前記第１関節の実角度と前記目標角度との差分を前記目標角度に加算することにより行われる、請求項１に記載の歩行制御方法。
【請求項５】
前記目標角度の補正は、前記第１関節を硬くする際の前記第１関節の実角度と前記目標角度との差分、及び、前記複数の脚部リンクが連結される前記脚式移動ロボットの体幹部の目標姿勢角度と実姿勢角度との差分を、前記目標角度に加算することにより行われる、請求項１に記載の歩行制御方法。
【請求項６】
前記目標角度に対する補正量を、前記第１脚部リンクが再び遊脚期間となった後にゼロとする、請求項１に記載の歩行制御方法。
【請求項７】
前記脚部リンクの先端に足平が設けられており、
前記脚部関節は、前記足平を回動可能に支持する足首関節である、請求項１乃至６のいずれかに記載の歩行制御方法。
【請求項８】
前記脚部リンクの先端に足平が設けられ、前記足平は、足平基部と、爪先部と、前記爪先部を回動可能に前記足平基部に結合する爪先関節を備えており、前記脚部関節は前記爪先関節である、請求項１乃至６のいずれかに記載の歩行制御方法。
【請求項９】
体幹部と、
少なくとも１つの脚部関節を有し、前記体幹部に連結される複数の脚部リンクと、
前記脚部関節を駆動する駆動部と、
前記脚部関節の実角度が予め設定された目標角度の軌道に追従するように前記駆動部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記複数の脚部リンクのうち遊脚である第１脚部リンクが路面に着地する際に、前記第１脚部リンクの前記脚部関節である第１脚部関節が柔らかくなるように前記駆動部を制御することで、前記第１関節の実角度を前記目標角度の軌道に追従させることなく前記路面の形状に応じて変化させ、
前記第１脚部リンクが着地した後に、前記第１脚部関節の実角度と予め設定された前記目標角度との差分に基づいて前記目標角度の軌道を補正するとともに、前記第１脚部関節が硬くなるように前記駆動部を制御することで、支持脚となった前記第１脚部リンクの前記第１関節の実角度を補正された後の前記目標角度の軌道に追従させる、脚式移動ロボット。
【請求項１０】
前記制御部は、前記第１関節を硬くする際の前記第１関節の実角度と前記目標角度との差分を前記目標角度に加算することにより前記目標角度を補正する、請求項９に記載の脚式移動ロボット。
【請求項１１】
前記制御部は、前記第１関節を硬くする際の前記第１関節の実角度と前記目標角度との差分、及び、前記複数の脚部リンクが連結される前記脚式移動ロボットの体幹部の目標姿勢角度と実姿勢角度との差分を、前記目標角度に加算することにより前記目標角度を補正する、請求項９に記載の脚式移動ロボット。
【請求項１２】
前記制御部は、前記第１脚部リンクが再び遊脚期間となった後に、前記目標角度に対する補正量をゼロとする、請求項９に記載の脚式移動ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の脚部リンクを動作させることで歩行する脚式移動ロボットに関し、特に、脚部リンクを路面に着地させる際の脚式移動ロボットの動作制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、体幹部と、体幹部に連結される２本の脚部リンクを有し、２本の脚部リンクを交互に前方に振り出して路面に着地させることで歩行する脚式移動ロボットが開示されている。一般に、脚式移動ロボットは、既知の路面を前提として作成された歩容データをもとに逆運動学計算を行って、歩容データに記述された各部位の軌道を実現するための足首関節や膝関節などの脚部関節の目標角度を算出する。なお、歩容データとは、脚式移動ロボットのＺＭＰ（Zero Moment Point）軌道、重心軌道、体幹部の軌道、及び脚部リンクの先端に足首関節を介して設けられた足平の軌道などを含む時系列データである。そして、脚式移動ロボットは、時系列に沿って算出された目標角度の軌道に追従するように、脚部関節を駆動することで歩行動作を行う。つまり、脚式移動ロボットは、脚部関節の実角度を目標角度の軌道に追従させるためのサーボ機構を備えている。
【特許文献１】特開平５−２４５７８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、未知の凹凸が存在する不整地路面を脚式移動ロボットが歩行する場合には、既知の路面形状に基づいて予め設定された目標角度の軌道は、安定した歩行動作を行うために最適な軌道であるとは限らない。つまり、脚部関節の実角度を既知の路面形状に基づいて設定された目標角度に追従させても、脚式動ロボットに歩行を安定的に継続させることは困難であり、最悪の場合にはロボットの転倒を招く可能性がある。
【０００４】
このような未知の凹凸が存在する不整地路面上を脚式動ロボットに歩行させるための有効な制御手法の１つは、例えば脚部関節の１つである足首関節を柔らかい状態にして足平を路面に着地させ、足平に作用する路面からの反力によって足首関節角度を受動的に変化させることで、足首関節角度を路面形状に倣わせることである。
【０００５】
しかし、脚部関節を受動的に路面形状に対して倣わせると、着地した直後の脚部関節の実角度と予め設定された目標角度との間にズレが生じる。このズレがロボットの歩行に与える影響が適切に補償されなければ、着地した脚部リンクを新たな支持脚とするその後の歩行を安定して行うことはできない。具体的には、着地後に支持脚となった脚部リンクの関節が目標角度に急激に追従することで、脚式移動ロボットの重心位置の急激な変化を招くおそれがある。また、上述の通り、既知の路面形状に基づいて予め設定された目標角度の軌道は適切な軌道でない場合がある。この場合、脚部関節を元の目標角度に追随させても、脚式移動ロボットは安定した歩行動作を行うことができない。
【０００６】
本発明は、上述した問題点を考慮してなされたものであり、路面形状に倣って変化した脚部関節の実角度を目標角度に追従させるために再び脚部関節を硬くしたときに、脚部関節が実角度と乖離した目標角度に追従することによる脚式移動ロボットの不安定挙動の発生を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様にかかる方法は、複数の脚部リンクを備える脚式移動ロボットの歩行制御方法であり、以下に延べる処理を行う。まず、前記複数の脚部リンクのうち遊脚である第１脚部リンクが路面に着地する際に、前記第１脚部リンクが有する第１脚部関節が柔らかくなるように前記第１脚部関節を駆動する駆動部を制御することで、前記路面に着地する前記第１脚部リンクの前記第１関節の実角度を予め定められた目標角度の軌道に追従させることなく前記路面の形状に応じて変化させる。また、前記第１脚部リンクが着地した後に、前記第１脚部関節の実角度と前記目標角度との差分を打ち消すように前記目標角度の軌道を補正する。さらに、前記第１脚部関節が硬くなるように前記駆動部を制御することで、支持脚となった前記第１脚部リンクの前記第１関節の実角度を補正後の前記目標角度の軌道に追従させる。
【０００８】
上述したように、本発明の第１の態様にかかる方法は、脚部関節を柔らかくした状態で脚部リンクを着地させた場合に生じる脚部関節の実角度と制御目標である目標角度との差分を打ち消すように、予め設定された目標角度の軌道を補正することとした。これによって、路面形状に倣って変化した脚部関節の実角度を目標角度に追従させるために脚部関節を再び硬くした場合に、脚部関節が実角度と異なる目標角度に急激に追従することによる脚式移動ロボットの不安定挙動の発生を抑制することができる。
【０００９】
なお、上述した第１の態様において、前記第１関節の柔らかさの変更は、前記第１関節の前記目標角度への追従速度を変更することにより行えばよい。また、前記第１関節の柔らかさの変更は、前記駆動部の出力トルクを増減することにより行ってもよい。
【００１０】
また、上述した第１の態様における前記目標角度の補正は、前記第１関節を硬くする際の前記第１関節の実角度と前記目標角度との差分を前記目標角度に加算することにより行うとよい。これにより、脚部関節の実角度と予め設定された目標角度とのずれを容易に補正することができる。
【００１１】
なお、上述した第１の態様における前記目標角度の補正は、前記第１関節を硬くする際の前記第１関節の実角度と前記目標角度との差分、及び、前記複数の脚部リンクが連結される前記脚式移動ロボットの体幹部の目標姿勢角度と実姿勢角度との差分を、前記目標角度に加算することにより行ってもよい。これにより、第１関節を硬くする際の第１関節の実角度の計測値に誤差が含まれる場合、第１関節の実角度と目標角度との差分に誤差が含まれる場合、又は、第１関節の実角度と目標角度との差分を算出した後に支持脚とされる脚部リンクと路面の接触状態が変化した場合に、第１脚部リンクを支持脚として次に着地させる脚部リンクの位置誤差の発生を抑制でき、歩行動作を安定させることができる。
【００１２】
また、上述した第１の態様において、前記目標角度に対する補正量を、前記第１脚部リンクが再び遊脚期間となった後にゼロとするとよい。これにより、第１脚部リンクを再び遊脚として着地させる際の第１脚部リンクの姿勢（第１関節角度により定まる姿勢）を予め設定される目標角度θｒｅｆ（ｔ）に従った一定の姿勢とすることができる。したがって、過去の路面の凹凸等によって変化した第１脚部リンクの姿勢が継続されることによって生じる第１脚部リンクと歩行環境内の物体との予期せぬ接触などを防止できる。
【００１３】
なお、上述した第１の態様における脚部関節の一例は、前記脚部リンクの先端を回動可能に支持する足首関節である。また脚部関節の他の例は、足平に設けられた爪先部を足平基部に対して動作させるための爪先関節である。
【００１４】
本発明の第２の態様にかかる脚式移動ロボットは、体幹部と、少なくとも１つの脚部関節を有し、前記体幹部に連結される複数の脚部リンクと、前記脚部関節を駆動する駆動部と、前記脚部関節の実角度が予め設定された目標角度の軌道に追従するように前記駆動部を制御する制御部とを備える。ここで、前記制御部は、前記複数の脚部リンクのうち遊脚である第１脚部リンクが路面に着地する際に、前記第１脚部リンクの前記脚部関節である第１脚部関節が柔らかくなるように前記駆動部を制御することで、前記第１関節の実角度を前記目標角度の軌道に追従させることなく前記路面の形状に応じて変化させる。さらに、前記制御部は、前記第１脚部リンクが着地した後に、前記第１脚部関節の実角度と予め設定された前記目標角度との差分に基づいて前記目標角度の軌道を補正するとともに、前記第１脚部関節が硬くなるように前記駆動部を制御することで、支持脚となった前記第１脚部リンクの前記第１関節の実角度を、補正された後の前記目標角度の軌道に追従させる。
【００１５】
上述したように、本発明の第２態様の脚式移動ロボットも、脚部関節を柔らかくした状態で脚部リンクを着地させた場合に生じる脚部関節の実角度と制御目標である目標角度との差分に基づいて、予め設定された目標角度の軌道を補正することとした。これによって、路面形状に倣って変化した脚部関節の実角度を目標角度に追従させるために脚部関節を再び硬くした場合に、脚部関節が実角度と異なる目標角度に急激に追従することによる脚式移動ロボットの不安定挙動の発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、路面形状に倣って変化した脚部関節の実角度を目標角度に追従させるために脚部関節を再び硬くしたときに、脚部関節が実角度と乖離した目標角度に追従することによる脚式移動ロボットの不安定挙動の発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下では、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略される。
【００１８】
実施の形態１．
本実施の形態にかかるロボット１００は、２つの脚部リンクを有する脚式移動ロボットである。まず始めに図１を参照してロボット１００の関節自由度について説明する。図１は、関節と関節間を繋ぐリンクによってロボット１００を示したモデル図である。ロボット１００は、頭部１０１、２本の脚部リンクＬＲ及びＬＬ、２本の腕部リンクＡＲ及びＡＬ、並びに、これらが連結される体幹部ＢＤにより構成されている。
【００１９】
ロボット１００の頭部１０１には、外界の３次元の点群データ、つまり距離画像データを取得する視覚センサ１０１が設けられている。頭部１０１を支持する首関節は、ロール方向の関節１０２、ピッチ方向の関節１０３及びヨー方向の関節１０３を有する。右腕部リンクＡＲは、肩のピッチ方向の関節１０５、肩のロール方向の関節１０６、上腕のヨー方向の関節１０７、肘のピッチ方向の関節１０８、手首のヨー方向の関節１０９を有し、右腕部リンクＡＲの末端には手部１４１Ｒが設けられている。なお、手部１４１Ｒの機構は、保持する物体の形状、種別等によっては決定すればよく、例えば、複数本の指を有する多関節かつ多自由度を有する構造としてもよい。
【００２０】
左腕部リンクＡＬは、右腕部リンクＡＲと同様の構造を有する。具体的には、左腕部リンクＡＬは、５つの関節１１０乃至１１４を有し、その末端に手部１４１Ｌを有する。
【００２１】
右脚部リンクＬＲは、腰のヨー方向の関節１１８、腰のピッチ方向の関節１１９、腰のロール方向の関節１２０、膝のピッチ方向の関節１２１、足首のピッチ方向の関節１２２、足首のロール方向の関節１２３を有する。足首関節１２２及び１２３の下部には、足平１３１Ｒが設けられている。
【００２２】
左脚部リンクＬＬは、右脚部リンクＬＲと同様の構造を有する。具体的には、左脚部リンクＬＬは、６個の関節１２４乃至１２９を有し、その末端に足平１３１Ｌを有する。
【００２３】
体幹部１４３は、ヨー方向の関節１１５、ロール方向の関節１１６及びピッチ方向の関節１１７を有する。
【００２４】
続いて以下では、ロボット１００を歩行させるための制御系について説明する。ロボット１００の制御系の構成を図２に示す。図２において、視覚センサ１０は、上述したように、ロボット１００の外界の距離画像データを取得する。具体的には、レーザレンジファインダ等のアクティブ距離センサによって距離画像データを取得する。なお、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ又はＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ等の撮像素子を備えた複数のカメラを備え、これら複数のカメラによって撮影した画像データを用いて距離画像データを生成してもよい。具体的には、複数のカメラによって撮影した画像データから対応点を検出し、ステレオ視によって対応点の３次元位置を復元する。ここで、複数の撮影画像における対応点の探索は、複数の撮影画像に対する時空間微分の拘束式を用いた勾配法や相関法等の公知の手法を適用して行えばよい。
【００２５】
環境地図生成部１１は、距離画像データを用いてロボット１００が位置する環境に関する環境地図を生成する。環境地図は、例えば、距離画像データから検出された複数の平面の集合として生成される。
【００２６】
歩容データ生成部１２は、環境地図生成部１１によって作成された環境地図を参照して目標到達位置を決定し、決定した目標到達位置に到達するための歩容データを生成する。ここで歩容データとは、ロボット１００のＺＭＰ軌道、ロボット１００の重心軌道、足平１３１Ｒ及びＬの着地位置の軌道等を含む。
【００２７】
動作生成部１３は、歩容データを入力して逆運動学計算を実行し、歩容データを実現するための各関節の目標角度の軌道を生成する。ここで生成される目標角度の軌道には、足平１３１Ｒ及びＬを支持するピッチ方向の足首関節１２２及び１２８の目標角度軌道θｒｅｆ（ｔ）が含まれる。
【００２８】
制御部１４は、算出された各関節の目標角度軌道と、エンコーダ１６によって計測される各関節の実角度とを入力してフィードバック制御を実行し、各関節を駆動するためのトルク制御値を算出する。制御部１４によって算出されたトルク制御値に従ってアクチュエータ１５が各関節を駆動することにより、ロボット１００の歩行動作が行われる。
【００２９】
なお、上述したように、ロボット１００が歩行する路面上に未知の凹凸が存在する可能性があることや、ロボット１００自身の撓みによる脚部リンクＬＲ及びＬＬ等の位置誤差の発生を考慮すると、予め算出された目標角度の軌道に完全に従ってロボット１００を歩行させることは困難である。そこで、ロボット１００は、遊脚側の足平１３１Ｒ又はＬを路面に着地させる際に、予め足首関節１２２又は１２８を柔らかい状態にしておき、路面に着地した足平１３１Ｒ又はＬに作用する路面からの反力によって足首関節角度を受動的に変化させる。つまりロボット１００は、遊脚の着地の際に足首関節角度を路面形状に倣わせる。なお、足首関節１２２及び１２８の柔らかい状態とは、足首関節１２２及び１２８が予め設定された目標角度θｒｅｆ（ｔ）に追従することなく、これらの実角度が足平１３１Ｒ及びＬに接する路面の形状に応じて変化する状態を意味する。具体的には、遊脚側の足首関節１２２又は１２８を目標角度に追従させるために制御部１４に適用されるフィードバック制御ゲインを小さくし、遊脚側の足首関節の目標角度への追従速度を低下させればよい。又は、遊脚側の足首関節１２２又は１２８を駆動するアクチュエータ１５の出力トルクの最大値を制限することで、遊脚側の足首関節の目標角度への追従速度を低下させてもよい。
【００３０】
以下では、足首関節を柔らかくした状態で遊脚側の脚部リンクの足平を路面に着地させた後、着地させた脚部リンクを支持脚に切り替えて歩行動作を継続するために、制御部１４を主体として実行される処理について説明する。図３は、遊脚側の脚部リンクを着地させる際に制御部１４が実行する制御手順を示したフローチャートである。なお、以下の説明では、遊脚期にある脚部リンクＬＲを着地させる場合を例にとって説明する。
【００３１】
ステップＳ１０では、制御部１４が、遊脚期にある脚部リンクＬＲの足首関節１２２に対するフィードバック制御ゲインを下げることで、足首関節１２２の目標角度θｒｅｆ（ｔ）への追従速度を低下させる。つまり、足首関節１２２が路面形状に倣って柔軟に変化可能な状態とする。
【００３２】
ステップＳ１１では、脚部リンクＬＲの着地が完了した後に、足首関節１２２の目標関節軌道θｒｅｆ（ｔ）に対する補正量Ａ１（ｔ）が算出される。なお、脚部リンクＬＲの着地完了時点は、歩容データによって規定される足平１３１Ｒの着地時点をもとに決定すればよい。また、足平１３１Ｒに接触センサ（不図示）や力センサ（不図示）を設け、これらの検出結果を用いて足平１３１Ｒの底面と路面との接触状態を検知することで着地完了時点を判定してもよい。
【００３３】
本実施の形態では、ある時刻ｔにおける補正量Ａ１（ｔ）を以下の（１）式により算出する。（１）式において、時刻ｔ０は着地終了時点である。また、θｒｅａｌは、エンコーダ１６によって計測される足首関節１２２の実角度である。つまり、本実施の形態では、着地完了時点ｔ０における路面形状に倣って変化した足首関節１２２の実角度θｒｅａｌ（ｔ０）と、予め設定された目標角度θｒｅｆ（ｔ０）との差分Δｉｎｉを補正量Ａ１（ｔ）とする。
Ａ１（ｔ）＝Δｉｎｉ＝θｒｅａｌ（ｔ０）−θｒｅｆ（ｔ０）  ・・・・（１）
【００３４】
図４（ａ）は、路面５０に未知の段差がなく、着地完了時点ｔ０における足首関節１２２の実角度θｒｅａｌ（ｔ０）が予め設定された目標角度θｒｅｆ（ｔ０）に一致する理想的な状態を示している。一方、図４（ｂ）は、足平１３１Ｒの着地場所に未知の凸段差５１が存在する場合を示している。図４（ｂ）のように、足平１３１Ｒの爪先側に凸段差５１が存在すると、足首関節は凸段差５１の形状に応じて変化する。このため、着地完了時点ｔ０における足首関節１２２の実角度θｒｅａｌ（ｔ０）は、目標角度θｒｅｆ（ｔ０）より小さくなる。したがって、図４（ｂ）の場合、（１）式の定義に従って算出される差分Δｉｎｉ、つまり補正量Ａ１（ｔ）は、負の値である。
【００３５】
図３に戻り、ステップＳ１２では、制御部１４が、足首関節１２２の制御ゲインを上げ、足首関節１２２の実角度θｒｅａｌ（ｔ）が、補正された目標角度θｒｅｆ＿ｃ１（ｔ）に追従するよう制御する。ここで、補正された目標角度θｒｅｆ＿ｃ１（ｔ）は、以下の（２）式により表される。足首関節１２２を補正された目標角度θｒｅｆ＿ｃ１（ｔ）に追従させる制御は、少なくとも脚部リンクＬＲが支持脚とされている間継続される。
θｒｅｆ＿ｃ１（ｔ）＝θｒｅｆ（ｔ）−Ａ１（ｔ）  ・・・・（２）
【００３６】
なお、目標角度θｒｅｆ（ｔ）に対する補正量Ａ１（ｔ）は、支持脚とされた脚部リンクＬＲが再び路面から離れて遊脚とされた後に、遊脚期間内において所定の時定数によりゼロに収束させるとよい。これにより、脚部リンクＬＲを再び着地させる際の足平１３１Ｒの姿勢を予め設定される目標角度θｒｅｆ（ｔ）に従った一定の姿勢とすることができる。つまり、路面の凹凸によって変化した足平１３１Ｒの姿勢が継続されることによって歩行環境内の物体と足平１３１Ｒとの予期せぬ接触が発生することを防止できる。
【００３７】
図５は、足首関節１２２の実角度θｒｅａｌ（ｔ）、目標角度θｒｅｆ（ｔ）及び補正された目標角度θｒｅｆ＿ｃ１（ｔ）の関係を示すグラフである。図５の一点鎖線は実角度θｒｅａｌ（ｔ）の時間変化を示しており、図５の破線は目標角度θｒｅｆ（ｔ）の軌道を示している。また、図５の実線は、補正された目標角度θｒｅｆ＿ｃ１（ｔ）の軌道を示している。
【００３８】
図５において、脚部リンクＬＲが遊脚期にあるときは、実角度θｒｅａｌ（ｔ）が予め設定された目標角度θｒｅｆ（ｔ）に追従するよう制御が行われる。次に、脚部リンクＬＲを着地させる着地期間を見ると、足首関節１２２は柔らかい状態とされているために、実角度θｒｅａｌ（ｔ）は路面形状に応じて変化する。このため、実角度θｒｅａｌ（ｔ）は目標角度θｒｅｆ（ｔ）から乖離する。そして脚部リンクＬＲの着地が完了した時点ｔ０を経過すると、脚部リンクＬＲが支持脚とされるために、足首関節１２２が硬い状態とされる。これにより、足首関節１２２が、補正された目標角度θｒｅｆ＿ｃ１（ｔ）に追随する。なお、足首関節１２２が補正された目標角度θｒｅｆ＿ｃ１（ｔ）への追従を開始する開始時点ｔ０において、実角度θｒｅａｌ（ｔ０）と補正された目標角度θｒｅｆ＿ｃ１（ｔ）は連続である。
【００３９】
上述したように、本実施の形態にかかるロボット１００は、足首関節１２２を柔らかくして足平１３１Ｒを着地させた後に、路面形状に倣って変化した足首関節１２２の実角度を目標角度に追従させるために足首関節１２２を硬くするとき、足首関節１２２を追従させる目標角度θｒｅｆ（ｔ）を、（１）式に示す補正量Ａ１（ｔ）によって補正することとした。補正された目標角度θｒｅｆ＿ｃ１（ｔ）は、足首関節１２２を硬くする開始時点ｔ０において実角度θｒｅａｌ（ｔ０）と連続であるため、足首関節１２２が急激に変化することによるロボット１００の不安定な挙動は生じない。つまり、本実施の形態にかかるロボット１００は、足首関節１２２が実角度θｒｅａｌ（ｔ０）と異なる当初の目標角度θｒｅｆ（ｔ０）に急激に追従することによる不安定な挙動の発生を抑制することができる。
【００４０】
実施の形態２．
上述した発明の実施の形態１では、目標角度θｒｅｆ（ｔ）に加算する補正量Ａ１（ｔ）を、路面形状に倣って変化した実角度θｒｅａｌ（ｔ０）によって定まる一定値Δｉｎｉとした。差分Δｉｎｉが路面形状を正確に表している場合には、（１）式で定まる補正量Ａ１（ｔ）による目標角度θｒｅｆ（ｔ）の補正は適切である。しかしながら、脚部リンクＬＲの着地は、例えば０．１秒程度の短時間で行われる現象であるため、歩行中に常に正確な実角度θｒｅａｌ（ｔ０）及び差分Δｉｎｉを算出することは困難な場合が考えられる。また、図９に示すように、足平１３１Ｒの着地がいったん完了して差分Δｉｎｉを決定した後で脚部リンクＬＲが支持脚とされている間に、足平１３１Ｒの底面と路面５０との接触状態が変化した場合にも、差分Δｉｎｉによる目標角度θｒｅｆ（ｔ）の補正は妥当性を欠くことになる。
【００４１】
そこで、ロボット１００の歩行安定性をさらに向上させるために、本実施の形態にかかる脚式移動ロボットは、目標角度θｒｅｆ（ｔ）に対する補正量Ａ２（ｔ）を、以下の（３）式により算出する。
Ａ２（ｔ）＝Δｉｎｉ＋Δφ（ｔ）  ・・・・（３）
【００４２】
ここで、Δφは、体幹部ＢＤの姿勢角の実角度φｒｅａｌ（ｔ）と目標角度φｒｅｆ（ｔ）との差分である。目標角度φｒｅｆ（ｔ）、実角度φｒｅａｌ（ｔ）及び差分Δφ（ｔ）の関係を図６（ａ）及び（ｂ）に示す。図６（ａ）に示すように、目標角度φｒｅｆ（ｔ）は、既知の路面５０を歩行するために予め計画された体幹部ＢＤの姿勢角軌道である。ここでは、φｒｅｆ（ｔ）は、重力方向を原点とし、そこから前傾する方向を正方向、後傾する方向を負方向としている。一方、φｒｅａｌ（ｔ）は、体幹部ＢＤの姿勢角の実角度である。体幹部ＢＤの姿勢角の実角度φｒｅａｌ（ｔ）は、例えば、ジャイロセンサ（不図示）によって検出すればよい。図５（ｂ）に示す未知の凸段差５１等の外乱要因がある場合に、実角度φｒｅａｌ（ｔ）と目標角度φｒｅｆ（ｔ）の間にズレが生じる。このズレが、差分Δφ（ｔ）であり、以下の（４）式によって定義される。
Δφ（ｔ）＝φｒｅａｌ（ｔ）−φｒｅｆ（ｔ）  ・・・・（４）
【００４３】
（３）式に示した補正量Ａ２（ｔ）の時間変化の一例を図７に示す。図７の実線で示したグラフが補正量Ａ２（ｔ）である。つまり、本実施の形態では、時刻ｔ０におけるΔｉｎｉを算出し、足首関節１２２を硬くするよう制御ゲインを大きくした後に、体幹部ＢＤの絶対座標に対する姿勢角の実角度φｒｅａｌ（ｔ）と目標角度φｒｅｆ（ｔ）との差分Δφ（ｔ）を足首関節角度に対する補正量に反映させている。
【００４４】
（３）式に示した補正量Ａ２（ｔ）によって補正された目標角度θｒｅｆ＿ｃ２（ｔ）は、以下の（５）式により表される。つまり、目標角度よりも体幹部ＢＤが前傾しているときは、体幹部ＢＤが後傾する方向に足首関節の目標角が修正される。逆に、目標角度よりも体幹部ＢＤが後傾しているときは、体幹部ＢＤが前傾する方向に足首関節の目標角が修正される。
θｒｅｆ＿ｃ２（ｔ）＝θｒｅｆ（ｔ）＋Ａ２（ｔ）
＝θｒｅｆ＿ｃ１（ｔ）＋Δφ（ｔ）  ・・・・（５）
【００４５】
発明の実施の形態１で採用した足首関節１２２の目標角θｒｅｆ＿ｃ１（ｔ）と、本実施の形態で採用される目標角θｒｅｆ＿ｃ２（ｔ）を対比すると図８のようになる。図８（ａ）に示す側面図は、足首関節１２２が目標角θｒｅｆ＿ｃ１（ｔ）に追随しているが、Δｉｎｉに誤差があるために、姿勢角差分Δφが生じた状態を示している。このように、θｒｅｆ＿ｃ１（ｔ）に誤差が含まれていると、次に着地する脚部リンクＬＬの足平１３１Ｌの路面５０に対する高さにズレが生じる。このため、着地のタイミングが予定時刻に対してずれるうえ、足平１３１Ｌ着地時の衝撃が大きくなり不安定な歩行動作となる。
【００４６】
一方、図８（ｂ）に示す側面図は、姿勢角のずれΔφ（ｔ）を足首関節の目標角θｒｅｆ＿ｃ２（ｔ）に反映させ、足首関節１２２を目標角θｒｅｆ＿ｃ２（ｔ）に追従させた状態を示している。このように、姿勢角のずれΔφ（ｔ）を反映して足首関節の目標角を修正することによって、次に着地させる脚部リンクＬＬの位置誤差の発生を抑制でき、歩行動作を安定させることができる。
【００４７】
なお、本実施の形態にかかる脚式移動ロボットの構成や遊脚を着地させる際の全体制御手順は、制御部１４における脚部リンクの着地制御において上述した補正量Ａ２（ｔ）を使用する点を除いて、上述した発明の実施の形態１と同様である。
【００４８】
その他の実施の形態．
上述した実施の形態１及び２では、説明簡略化のために、ピッチ方向の足首関節１２２及び１２８の制御に関して詳しく説明した。しかしながら、ピッチ方向の関節１２２及び１２８だけでなく、ロール方向の足首関節１２３及び１２９の制御にも本発明を適用可能であることはもちろんである。また、足首関節に限らず、膝関節等の他の脚部関節の制御に対しても本発明は適用可能である。また、実施の形態１及び２では、足平１３１Ｒ及びＬが関節を有していないものとして説明したが、足平１３１Ｒ及びＬは爪先関節を有してもよい。つまり、足平１３１Ｒ及びＬはそれぞれ、足平基部と爪先部とに分割され、爪先部が爪先関節を介して回動可能に足平基部に結合される構成としてもよい。このように構成された脚式移動ロボットでは、爪先関節の制御に本発明を適用することもできる。
【００４９】
また、上述した発明の実施の形態１及び２は、ロボット１００自身が環境を認識して環境地図を生成し、生成した環境地図に基づいて歩容データを生成し、生成した歩容データに基づいて脚部関節の目標角度軌道を生成するものとして説明した。しかしながら、環境地図データ、歩容データ及び脚部関節の目標角度軌道データは、外部から入力することでロボット１００に保持させてもよい。
【００５０】
さらに、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】発明の実施の形態１にかかる脚式移動ロボットのモデル図である。
【図２】発明の実施の形態１にかかる脚式移動ロボットの制御系を示すブロック図である。
【図３】発明の実施の形態１にかかる脚式移動ロボットにおける脚部リンクの着地制御処理を示すフローチャートである。
【図４】発明の実施の形態１にかかる脚式移動ロボットの脚部拡大図である。
【図５】発明の実施の形態１にかかる脚式移動ロボットの足首関節角度の時間変化を示すグラフである。
【図６】発明の実施の形態２において使用されるパラメータの定義を説明するために参照される脚式移動ロボットの側面図である。
【図７】発明の実施の形態２における足首関節目標角度の補正量を示すグラフである。
【図８】発明の実施の形態２における足首関節目標角度の補正の詳細を説明するために参照される脚式移動ロボットの側面図である。
【図９】足平と路面との設置状態の変化を説明するために参照される脚式移動ロボットの側面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１００  脚式移動ロボット
１０  視覚センサ
１１  環境地図作成部
１２  歩容データ生成部
１３  動作生成部
１４  制御部
１５  アクチュエータ
１６  エンコーダ
１２２、１２８  足首関節（ピッチ方向）
１３１Ｒ、１３１Ｌ  足平
５０  路面
５１  段差
ＢＤ  体幹部
ＡＲ  右腕部リンク
ＡＬ  左腕部リンク
ＬＲ  右脚部リンク
ＬＬ  左脚部リンク
【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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