(57)【要約】【課題】  歩行ロボットの固有周波数に合う歩行パターンを生成し、その生成された歩行パターンによって脚部の駆動部の剛性を調節することで、エネルギー効率の高い歩行を行える歩行ロボット及びその制御方法を提供する。【解決手段】  複数の脚部と、前記複数の脚部にそれぞれ設けられて各脚部を駆動する駆動部と、前記複数の脚部にそれぞれ設けられて各脚部の駆動状態を検出する検出部と、予め設定された制御因子を用いて歩行パターンを生成する歩行パターン生成部と、前記歩行パターンによって駆動される前記複数の脚部の駆動状態によって前記駆動部の剛性を調節する剛性調節部と、を含んで歩行ロボットを構成する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の脚部と、
前記複数の脚部にそれぞれ設けられて各脚部を駆動する駆動部と、
前記複数の脚部にそれぞれ設けられて各脚部の駆動状態を検出する検出部と、
予め設定された制御因子を用いて歩行パターンを生成する歩行パターン生成部と、
前記歩行パターンによって駆動される前記複数の脚部の駆動状態によって前記駆動部の剛性を調節する剛性調節部と、を含む歩行ロボット。
【請求項２】
前記剛性調節部は、前記歩行ロボットの重心に基づいて前記脚部の底部の変位と前記脚部の端部の変位を用いて前記駆動部の剛性を調節することを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボット。
【請求項３】
前記剛性調節部は、前記歩行パターン生成部で生成された歩行パターンによって前記脚部の底部の変位と前記脚部の端部の変位を用いて各脚部の剛性調節パターンを生成することを特徴とする請求項２に記載の歩行ロボット。
【請求項４】
前記各脚部の駆動状態は、歩行ロボットの荷重を支持する荷重支持段階と、脚部が地面から離れる蹴り出し段階と、スイング段階と、脚部が地面に着地する着地段階と、を含み、
前記剛性調節部は、前記荷重支持段階、蹴り出し段階、スイング段階及び着地段階によって前記駆動部の剛性を調節することを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボット。
【請求項５】
前記剛性調節部は、前記スイング段階と着地段階での前記駆動部の剛性を、前記荷重支持段階と蹴り出し段階での前記駆動部の剛性より低く設定することを特徴とする請求項４に記載の歩行ロボット。
【請求項６】
前記歩行パターン生成部は、二つのモデル化されたニューロンを有し、各ニューロン間の相互作用によって振動パターンを生成するニューラル発振器を含み、
前記ニューラル発振器は、前記検出部から前記各脚部の駆動状態に対するデータを受け、前記歩行ロボットの固有周波数に合う歩行パターンを生成することを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボット。
【請求項７】
前記剛性調節部は、前記歩行パターン生成部で生成された歩行パターンによって各脚部の剛性調節パターンを生成し、
前記剛性調節パターンによって各脚部の剛性を調節することを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボット。
【請求項８】
複数の脚部と、各脚部を駆動する駆動部とを含む歩行ロボットの制御方法において、
予め設定された制御因子を用いて歩行パターンを生成し、
前記歩行パターンによって駆動される前記脚部の駆動状態によって各脚部の剛性を調節し、
前記歩行パターンと前記各脚部の剛性によって前記各脚部の制御量を算出し、
前記制御量によって各脚部の駆動を制御することを特徴とする歩行ロボットの制御方法。
【請求項９】
前記剛性調節過程では、前記歩行ロボットの重心に基づいて前記脚部の底部の変位と前記脚部の端部の変位を用いて各脚部の剛性を調節することを特徴とする請求項８に記載の歩行ロボットの制御方法。
【請求項１０】
前記剛性調節過程では、前記歩行パターンによって前記脚部の底部の変位と前記脚部の端部の変位を用いて各脚部の剛性調節パターンを生成し、前記剛性調節パターンを用いて各脚部の剛性を調節することを特徴とする請求項９に記載の歩行ロボットの制御方法。
【請求項１１】
各脚部の駆動状態を、歩行ロボットの荷重を支持する荷重支持段階と、脚部が地面から離れる蹴り出し段階と、スイング段階と、脚部が地面に着地する着地段階とに区分し、
前記荷重支持段階、蹴り出し段階、スイング段階及び着地段階によって前記駆動部の剛性を調節することを特徴とする請求項８に記載の歩行ロボットの制御方法。
【請求項１２】
前記剛性調節過程では、前記スイング段階と着地段階での前記駆動部の剛性を、前記荷重支持段階と蹴り出し段階での前記駆動部の剛性より低く設定することを特徴とする請求項１１に記載の歩行ロボットの制御方法。
【請求項１３】
各ニューロンの相互作用によって二つのモデル化されたニューロンを有して振動パターンを生成し、前記歩行パターンを生成するニューラル発振器を提供し、
各脚部の駆動状態を検出し、
各脚部の駆動状態に対するデータを前記ニューラル発振器に伝送し、
前記歩行ロボットの固有周波数に合う歩行パターンを生成することを特徴とする請求項８に記載の歩行ロボットの制御方法。
【請求項１４】
前記剛性調節過程では、
前記歩行パターンによって各脚部の剛性調節パターンを生成し、
前記剛性調節パターンによって各脚部の剛性を調節することを特徴とする請求項８に記載の歩行ロボットの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行ロボット及びその制御方法に関するもので、より詳しくは、各脚部の歩行状態によって各脚部を駆動する駆動部の剛性を調節し、歩行ロボットの固有周波数に合う歩行パターンを生成する歩行ロボット及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、電気的若しくは磁気的な作用を用いてヒトの動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の“ＲＯＢＯＴＡ（奴隷機械）”に由来すると言われている。韓国では、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボットであった。
【０００３】
最近では、ヒトやサルなどの２足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作を模した歩行ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。２足直立による歩行は、クローラ式や、４足又は６足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。
【０００４】
従来の２足歩行ロボットには、ヒトのような一対の脚部が提供される。上記のような２足歩行ロボットの制御時、歩幅、歩速及び歩行方向などの制御因子が予め設定されると、その設定された制御因子によって各脚部の歩行パターンが生成され、その歩行パターンによって歩行軌跡が決定される。前記決定された歩行軌跡に各脚部が追従するように、各脚部の関節部の現在位置が逆運動方程式から導出され、各関節部が目標位置に移動するように、各関節部に設けられた各駆動部の制御量が計算される。
【０００５】
上記のような２足歩行はサーボ制御によって行われる。したがって、２足歩行時、歩行パターンによって決定された歩行軌跡に各脚部が正確に追従するかを検出し、各脚部が歩行軌跡から逸脱する場合、サーボトルクが調節される。すなわち、駆動部に伝達される制御量での逸脱に対応するトルクを調節することで、歩行軌跡を正確に追従するように各脚部が制御される。
【非特許文献１】Ｍ．Ｗｉｌｌｉａｎｍｓｏｎ、“Ｎｅｕｒａｌ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｒｈｙｔｈｍｉｃ  ａｒｍ  ｍｏｖｅｍｅｎｔｓ”Ｎｅｕｒａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋｓ、ｖｏｌ、１１、ｎｏ．７―８、ｐｐ．１３７９―１３９４、１９８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の歩行ロボットの制御方法においては、ロボットの歩行時ごとに歩行軌跡が導出され、その歩行軌跡と各脚部の実際位置との誤差が算出され、各脚部の駆動部が歩行軌跡に連続的に追従するようにサーボ制御されることで、消費電力が非常に大きくなるという問題点がある。
【０００７】
また、駆動部の連続的な制御によって、歩行ロボットの固有周波数が高くなり、ヒトの自然な歩行動作との差が大きくなることで、歩行が効率的に行われないという問題点がある。
【０００８】
また、歩行パターンが、歩行ロボットの固有周波数と関係なしに予め設定された歩幅及び歩速などによって生成されるので、エネルギー消費が大きくなるという問題点がある。
【０００９】
本発明は、上述した問題点を解決するためのもので、その目的は、歩行ロボットの固有周波数に合う歩行パターンを生成し、その生成された歩行パターンによって脚部の駆動部の剛性を調節することで、エネルギー効率の高い歩行を行える歩行ロボット及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した目的を達成するための本発明に係る歩行ロボットは、複数の脚部と、前記複数の脚部にそれぞれ設けられて各脚部を駆動する駆動部と、前記複数の脚部にそれぞれ設けられて各脚部の駆動状態を検出する検出部と、予め設定された制御因子を用いて歩行パターンを生成する歩行パターン生成部と、前記歩行パターンによって駆動される前記複数の脚部の駆動状態によって前記駆動部の剛性を調節する剛性調節部と、を含む。
【００１１】
また、前記剛性調節部は、前記歩行ロボットの重心に基づいて前記脚部の底部の変位と前記脚部の端部の変位を用いて前記駆動部の剛性を調節することを特徴とする。
【００１２】
また、前記剛性調節部は、前記歩行パターン生成部で生成された歩行パターンによって前記脚部の底部の変位と前記脚部の端部の変位を用いて各脚部の剛性調節パターンを生成することを特徴とする。
【００１３】
また、前記各脚部の駆動状態は、歩行ロボットの荷重を支持する荷重支持段階と、脚部が地面から離れる蹴り出し段階と、スイング段階と、脚部が地面に着地する着地段階と、を含み、前記剛性調節部は、前記荷重支持段階、蹴り出し段階、スイング段階及び着地段階によって前記駆動部の剛性を調節することを特徴とする。
【００１４】
また、前記剛性調節部は、前記スイング段階と着地段階での前記駆動部の剛性を、前記荷重支持段階と蹴り出し段階での前記駆動部の剛性より低く設定することを特徴とする。
【００１５】
また、前記歩行パターン生成部は、二つのモデル化されたニューロンを有し、各ニューロン間の相互作用によって振動パターンを生成するニューラル発振器を含み、前記ニューラル発振器は、前記検出部から前記各脚部の駆動状態に対するデータを受け、前記歩行ロボットの固有周波数に合う歩行パターンを生成することを特徴とする。
【００１６】
また、前記剛性調節部は、前記歩行パターン生成部で生成された歩行パターンによって各脚部の剛性調節パターンを生成し、前記剛性調節パターンによって各脚部の剛性を調節することを特徴とする。
【００１７】
上述した目的を達成するための本発明に係る歩行ロボットの制御方法は、複数の脚部と、各脚部を駆動する駆動部とを含む歩行ロボットの制御方法において、予め設定された制御因子を用いて歩行パターンを生成し、前記歩行パターンによって駆動される前記脚部の駆動状態によって各脚部の剛性を調節し、前記歩行パターンと前記各脚部の剛性によって前記各脚部の制御量を算出し、前記制御量によって各脚部の駆動を制御することを特徴とする。
【００１８】
また、前記剛性調節過程では、前記歩行ロボットの重心に基づいて前記脚部の底部の変位と前記脚部の端部の変位を用いて各脚部の剛性を調節することを特徴とする。
【００１９】
また、前記剛性調節過程では、前記歩行パターンによって前記脚部の底部の変位と前記脚部の端部の変位を用いて各脚部の剛性調節パターンを生成し、前記剛性調節パターンを用いて各脚部の剛性を調節することを特徴とする。
【００２０】
また、各脚部の駆動状態を、歩行ロボットの荷重を支持する荷重支持段階と、脚部が地面から離れる蹴り出し段階と、スイング段階と、脚部が地面に着地する着地段階とに区分し、前記荷重支持段階、蹴り出し段階、スイング段階及び着地段階によって前記駆動部の剛性を調節することを特徴とする。
【００２１】
また、前記剛性調節過程では、前記スイング段階と着地段階での前記駆動部の剛性を、前記荷重支持段階と蹴り出し段階での前記駆動部の剛性より低く設定することを特徴とする。
【００２２】
また、各ニューロンの相互作用によって二つのモデル化されたニューロンを有して振動パターンを生成し、前記歩行パターンを生成するニューラル発振器を提供し、各脚部の駆動状態を検出し、各脚部の駆動状態に対するデータを前記ニューラル発振器に伝送し、前記歩行ロボットの固有周波数に合う歩行パターンを生成することを特徴とする。
【００２３】
また、前記剛性調節過程では、前記歩行パターンによって各脚部の剛性調節パターンを生成し、前記剛性調節パターンによって各脚部の剛性を調節することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る歩行ロボット及びその制御方法によると、自然な歩行に近い高効率の歩行を行えるという効果がある。また、歩行ロボットの固有周波数に合う歩行パターンが形成されるので、エネルギー効率の高い歩行を行えるという効果がある。
【００２５】
さらに、歩行時に駆動部の剛性を調節することで、歩行ロボットの固有周波数を低下できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の好適な実施例を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の一実施例に係る歩行ロボットの脚部及び駆動部を概略的に示した図である。図１に示すように、歩行ロボットの脚部及び駆動部は、腰関節部１８を通して上体部分（図示せず）に連結される。大腿関節の駆動部１０ａ〜ｂ，１２ａ〜ｂは、旋回方向、ｘ軸方向及びｚ軸方向に各脚部を移動する。例えば、旋回方向移動のための大腿関節の駆動部１０ａ〜ｂを駆動することで、歩行ロボットの歩行方向が調節される。さらに、膝関節の駆動部１４ａ〜ｂと足関節の駆動部１６ａ〜ｂを駆動することで、各脚部の位置が調節される。
【００２８】
各脚部の全ての関節の駆動部は、制御部５０によって制御される。図２は、本発明の一実施例に係る歩行ロボットを示した制御ブロック図である。歩幅、歩速及び歩行方向などの制御因子が設定されると、歩行パターン生成部２０は、その制御因子に対応する歩行パターンを生成し、生成された歩行パターンに対応する所定の周波数を有する位相信号を出力する。歩行パターンは、歩行の初期段階のみならず、歩行中にも実時間で生成される。出力された位相信号は、各脚部の駆動状態を示すもので、例えば、歩行ロボットの重心に基づいて各脚部の底部の変位（ｚ軸上の変位）と各脚部の端部の変位（ｘ軸上の変位）を示す。また、歩行パターン生成部２０は、各駆動部の検出された駆動状態によって、出力された位相信号を調整し、歩行ロボットの固有周波数に合う歩行パターンを生成する。これに対しては、後ほどで詳細に説明する。
【００２９】
歩行パターン生成部２０で生成された歩行パターンが剛性調節部２５に伝送されると、剛性調節部２５は、歩行パターンによって導出される各脚部の駆動状態によって剛性を調節する。歩行軌跡に正確に追従するためには、脚部の実際の位置と、決定された歩行軌跡との間の誤差が最小化されるべきで、その結果、誤差を補償するために、強い力が駆動部（駆動モータ部）４０に印加される。したがって、駆動モータ部４０の位置は、高い周波数を有して歩行軌跡に沿って変動する。このような状態は、脚部の関節部に高い弾性のコイルばねを設けたことと同じ原理であり、フックの法則に基づいてコイルばねの変形のために強い力が必要となるので、各脚部の関節部は力の平衡位置に置かれ、コイルばねの変形時にも、コイルばねが極微細な範囲内で迅速に振動するようになる。一般的に、上記のような状態は、剛性の高い状態と言われる。
【００３０】
上記のような剛性の高い状態とは異なり、自然で効率の高い歩行を行うために各脚部の剛性が適切に調節されることで、ヒトは歩行動作を自然に行えるようになる。例えば、一つの脚部がスイング動作をするとき、他の脚部はヒトの荷重（重さ）を支持すべきであるが、このように荷重を支持する脚部は、高い剛性を維持すべきである。また、脚部が地面から離れた後、膝関節を基準にして脹脛部がスイングすると、重力と慣性の平衡状態でも各脚部が歩行軌跡から大いに逸脱しないので、スイングする脚部の剛性が低下する。このように各脚部の駆動状態によって各脚部の剛性を調節することで、駆動モータ４０のサーボ制御量が減少し、高効率の歩行が可能になる。
【００３１】
各脚部の駆動状態に対応する剛性の調節は、多様な形態で行われる。その一例として、歩行段階を複数の段階（例えば４段階）に分け、実験（この実験は、一種のチューニング過程であり、ロボットのスペックによって変化する）を通して各段階ごとに最適の剛性を算出し、算出された最適の剛性を各段階に与える、量子化された剛性制御方法を提供する。
【００３２】
図４は、剛性調節のために区分された歩行時の各脚部の駆動状態を示した図である。図４に示すように、右側の脚部が歩行段階にある場合、左側の脚部は荷重支持段階にある。歩行段階は、蹴り出し段階、スイング段階及び着地段階を含む。荷重支持段階での各脚部は、荷重を支持するために高い剛性を維持すべきである。また、各脚部の初期移動が蹴り出し段階で固定されるので、蹴り出し段階での各脚部は、決定された歩行軌跡に追従するように非常に高い剛性を維持すべきである。その後、重力と慣性によって各脚部がスイング及び着地する場合にも問題にならないので、剛性はスイング段階や着地段階で低くまたは非常に低く維持される。スイング段階での剛性は低いレベルに維持され、着地段階での剛性は非常に低いレベルに維持されることが好ましい。荷重支持段階での剛性は、蹴り出し段階での剛性と同じであるかそれより高く設定され、スイング段階での剛性は、着地段階での剛性と同じであるかそれより低く設定される。
【００３３】
他の例としては、各脚部の歩行軌跡が歩行パターンによって算出される剛性制御方法を提供し、各脚部の剛性は、歩行軌跡のｘ軸またはｚ軸上の距離を用いて連続的に調節される。この制御方法は、上述した各脚部の駆動状態による制御方法に比べて、エネルギー効率を上昇できるが、制御過程が複雑であるという短所を有する。
【００３４】
図５は、歩行軌跡のｘ軸及びｚ上の距離を用いて各脚部の剛性が連続的に調節される制御方法において、時間の経過による剛性調節パターンを示すグラフである。図５に示した剛性調節パターンは、ｘ軸上の距離を考慮してｚ軸上の距離に反比例するという特性を有する。このような剛性調節パターンは、実験を通して得られるもので、ロボットのスペックによって多様に変化される。
【００３５】
制御部５０は、歩行パターンと剛性調節部２５で調節された剛性を受けて歩行軌跡を決定し、逆運動方程式を計算することで各関節部の駆動モータ部４０の駆動量を算出する。算出された駆動量によって、制御部５０は、駆動モータドライバー３０にモータ制御信号を伝送し、制御部５０からのモータ制御信号に応答して、駆動モータドライバー３０は駆動モータ部４０を駆動する。検出部４５は、各脚部に設けられて駆動モータ部４０の駆動状態（位置及び駆動トルクなど）を検出し、検出された値を歩行パターン生成部２０に伝送し、歩行パターンによる位相信号を調整する。
【００３６】
図３は、歩行パターン生成部の一実施例のニューラル発振器を示した図である。図３に示すように、ニューラル発振器は、二つのモデル化されたニューロンを含み、二つのニューロンは、ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ（Ａ）によって互いに連結され、各ニューロンはｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ（Ｂ）を有する。ニューラル発振器は、ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ（Ａ）及び（Ｂ）を通して歩行ロボットの固有周波数に合う（引き込み（ｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔ））歩行パターン（発振パターン）を生成する。ヒトの実際の歩行パターンと類似した自然な歩行パターンを形成するためには、歩行ロボットの固有周波数を低いレベルに維持する必要がある。本発明の制御方法を用いて歩行時の剛性を適切に調節することで、歩行ロボットの固有周波数が低くなり、ニューラル発振器の引き込み（ｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔ）が可能になるので、結果として、自然な歩行パターンが形成され、エネルギー効率も高くなる。ニューラル発振器に対しては、引用文献に開示されているので、これに対する説明は省略する。ニューラル発振器を歩行制御に適用することで、剛性が適切に調節され、自然な歩行動作の固有周波数に合う歩行パターンが形成される。
【００３７】
図６は、本発明の一実施例に係る歩行ロボットの制御方法を示したフローチャートである。まず、歩幅、歩速及び歩行方向などの制御因子が設定・入力される（Ｓ６１０）。歩行パターン生成部２０は、制御因子と駆動部の駆動状態のフィードバックデータを受け、歩行ロボットの固有周波数に合う歩行パターンを生成する（Ｓ６２０）。剛性調節部２５は、生成された歩行パターンによって剛性調節パターンを生成する（Ｓ６３０）。制御部５０は、歩行パターンと剛性調節パターンを受け、逆運動方程式を用いて各関節部の駆動モータの制御量を算出する（Ｓ６４０）。モータ駆動部３０は、制御量を受け、剛性調節パターンを考慮して各関節部の駆動モータ４０の駆動トルクを算出する（Ｓ６５０）。検出部４５は、各駆動モータ４０の位置及び駆動トルクなどの駆動状態を検出し、検出された値を歩行パターン生成部２０に伝送する（Ｓ６６０）。その結果、歩行パターン生成部２０は、歩行ロボットの固有周波数に合う歩行パターンを生成するようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施例に係る歩行ロボットの脚部及び駆動部を概略的に示した図である。
【図２】本発明の一実施例に係る歩行ロボットを概略的に示した制御ブロック図である。
【図３】歩行パターン生成部の一実施例のニューラル発振器を示した図である。
【図４】剛性調節のために区分された歩行時の各脚部の駆動状態を示した図である。
【図５】歩行パターンによる各脚部の駆動状態及び剛性調節パターンを示したグラフである。
【図６】本発明の一実施例に係る歩行ロボットの制御方法を示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００３９】
１０ａ〜ｂ、１２ａ〜ｂ  大腿関節の駆動部
１４ａ〜ｂ              膝関節の駆動部
１６ａ〜ｂ              足関節の駆動部
１８                    腰関節部
２０                    ニューラル発振器
２５                    剛性調節部
４５                    検出部
５０                    制御部
【図１】
2008012657.tif 000003
【図２】
2008012657.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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