(57)【要約】【課題】転倒・落下の途上における機体全体の運動時においてアクチュエータ特性を動的又は静的に制御することにより安定且つ高効率な動作を実現する。【解決手段】転倒動作の各段階毎に、安定領域制御に関わる関節部位のアクチュエータの特性を各関節部位のアクチュエータを、低域ゲインを大きく、位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きく維持することで、これらの各関節部位を高精度な位置決め制御が可能とし、姿勢の安定性を増すようにする。これによって、機体の転倒動作を制御する際の規範となるΔＳ／Δｔの量を制御するための主成分となる関節の位置決め精度が確保され、動作の安定性を増すことができる。【選択図】  図２２
2004195554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の可動脚を含む複数の関節部位で構成される脚式移動ロボットであって、各関節部位におけるアクチュエータのサーボ制御器のゲイン及び位相補償制御とアクチュエータ・モータの粘性抵抗の制御とを組み合わせて行なうアクチュエータ特性制御手段と、
転倒時における機体動作を制御する転倒時機体動作制御手段とを備え、
前記アクチュエータ特性制御手段は、転倒動作の各段階毎に、各関節部位のアクチュエータを、低域ゲインを大きく、位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくする第１のアクチュエータ特性と、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする第２のアクチュエータ特性との間で切り替える、
ことを特徴とする脚式移動ロボット。
【請求項２】
前記転倒時機体動作制御手段は、
機体の接地点と路面の形成する支持多角形の面積Ｓの時間Δｔ当たりの変化を探索する着床部位探索手段と、
機体の接地点と路面の形成する支持多角形の面積Ｓの時間Δｔ当たりの変化ΔＳ／Δｔが最小となるように、前記着床部位探索手段により選択された部位が着床すべき目標着床点を設定する目標着床点設定手段と、
前記着床部位探索手段により選択された部位を前記目標着床点設定手段により設定された目標着床点に着床させる部位着床手段と、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボット。
【請求項３】
前記部位着床手段により前記選択された部位を着床させることにより新たに形成された支持多角形をさらに拡大するように着床部位を移動させる支持多角形拡大手段をさらに備える、
ことを特徴とする請求項２に記載の脚式移動ロボット。
【請求項４】
機体の位置エネルギが最小となり、転倒動作が終了するまでの間、前記着床部位探索手段及び目標着床点設定手段による部位の着床動作、及び／又は、前記支持多角形拡大手段による支持多角形の拡大動作を繰り返し行なう、
ことを特徴とする請求項２に記載の脚式移動ロボット。
【請求項５】
前記アクチュエータ特性制御手段は、転倒動作の各段階毎に、安定領域制御に関わる各関節部位のアクチュエータの特性を、低域ゲインを大きく、位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きく維持する、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボット。
【請求項６】
前記アクチュエータ特性制御手段は、転倒動作の各段階毎に、位置エネルギ制御に関わる各関節部位のアクチュエータの特性を、低域ゲインを大きく、位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくした第１のアクチュエータ特性から、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする第２のアクチュエータ特性に切り替える、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボット。
【請求項７】
前記アクチュエータ特性制御手段は、着床時衝撃緩衝に関わる各関節部位のアクチュエータの特性を、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする第２のアクチュエータ特性に切り替える、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットや汎用組立機器、ロボット・ハンド機器、その他の多軸制御装置などのような多軸駆動系の機械装置に係り、特に、直列補償の比例ゲイン、位相補償要素から成り立つ位置制御系を構成するアクチュエータのサーボ制御器によって各関節部位が構成されるロボットに関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、高ゲインＰＤ制御で各軸リンクが制御される２足歩行の脚式移動ロボットに係り、特に、転倒・落下の途上における機体全体の運動時においてアクチュエータそのものの特性とアクチュエータの制御器の特性の２つを動的又は静的に制御することにより安定且つ高効率な動作を実現する脚式移動ロボットに関する。
【０００３】
【従来の技術】
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間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。わが国では、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（industrial robot）であった。
【０００４】
アーム式ロボットのように、ある特定の場所に植設して用いるような据置きタイプのロボットは、部品の組立・選別作業など固定的・局所的な作業空間でのみ活動する。これに対し、移動式のロボットは、作業空間は非限定的であり、所定の経路上または無経路上を自在に移動して、所定の若しくは任意の人的作業を代行したり、ヒトやイヌあるいはその他の生命体に置き換わる種々の幅広いサービスを提供したりすることができる。なかでも脚式の移動ロボットは、クローラ式やタイヤ式のロボットに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、階段や梯子の昇降や障害物の乗り越えや、整地・不整地の区別を問わない柔軟な歩行・走行動作を実現できるという点で優れている。
【０００５】
最近では、イヌやネコのように４足歩行の動物の身体メカニズムやその動作を模したペット型のロボット、あるいは、ヒトのような２足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた「人間形」若しくは「人間型」と呼ばれるロボット（humanoid robot）など、脚式移動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。
【０００６】
２足歩行による脚式移動を行なうタイプのロボットに関する姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に数多提案されている。ここで言う安定な「歩行」とは、「転倒することなく、脚を使って移動すること」と定義することができる。４足歩行よりもヒューマノイドのような２足歩行のロボットの方が、重心位置が高く、且つ、歩行時のＺＭＰ安定領域が狭い。このため、姿勢安定化の問題は、２足歩行ロボットにおいてとりわけ重要となる。
【０００７】
ロボットの姿勢安定制御は、ロボットの転倒を回避する上で非常に重要である。何故ならば、転倒は、ロボットが実行中の作業を中断することを意味し、且つ、転倒状態から起き上がって作業を再開するために相当の労力や時間が払われるからである。また、転倒時に、ロボット本体自体あるいは転倒するロボットと衝突する相手側の物体にも、致命的な損傷を与えてしまう危険があるからである。
【０００８】
歩行時には、重力と歩行運動に伴なって生じる加速度によって、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが作用する。いわゆる「ダランベールの原理」によると、それらは路面から歩行系への反作用としての床反力、床反力モーメントとバランスする。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内側にピッチ及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわち「ＺＭＰ（Zero Moment Point）」が存在する（例えば、非特許文献１）。脚式移動ロボットの姿勢安定制御や歩行時の転倒防止に関する提案の多くは、このＺＭＰを歩行の安定度判別の規範として用いたものである。ＺＭＰ規範に基づく２足歩行パターン生成は、足底着地点をあらかじめ設定することができ、路面形状に応じた足先の運動学的拘束条件を考慮し易いなどの利点がある。また、ＺＭＰを安定度判別規範とすることは、力ではなく軌道を運動制御上の目標値として扱うことを意味するので、技術的に実現可能性が高まる。
【０００９】
ＺＭＰを安定度判別規範に用いたロボットの姿勢安定度制御は、基本的には足底接地点と路面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内側にモーメントがゼロとなる点を探索することにある（例えば、特許文献１〜５を参照のこと）。
【００１０】
勿論、機体が転倒しないように最大限の姿勢安定制御を行なうにも拘らず、制御の不備、あるいは予期できない外的要因（例えば不測の物体との衝突や、床面上の突起や窪みなどの路面状況、障害物の出現など）などにより、姿勢の安定を失って可動脚のみでは支えきれなくなり、ロボットが転倒してしまうことがある
。
【００１１】
例えば、脚式移動ロボットが転倒しそうな状況で、その転倒によりロボットが受ける損傷や、その転倒時にロボットが衝突する相手側の物体の損傷を可能な限り軽減することができる。しかしながら、転倒に伴なう着床時に単にロボットの重心を下げるように制御するのみであり、実際に転倒してしまったときに、損傷を最小限に抑えるために、脚部だけでなく胴体及び腕部を含め機体全体として如何に動作させるべきかといった議論はなされていない。
【００１２】
また、多軸駆動系の機械装置は、一般に、多数の関節自由度を備え、関節の動きをアクチュエータ・モータで実現する。この場合、各モータの回転位置、回転量などを取り出して、サーボ制御により、所望の動作パターンを再現するとともに、姿勢制御を行なうことができる。運動制御理論から見た関節各部位は、高ゲインＰＤ制御で各軸リンクが制御され、それらが一定の特性のまま動作するのが一般的である。
【００１３】
しかしながら、人間の動作研究の結果からも分かるように、安定且つ高効率な動作を実現するには局所的に力を増減させることや関節各部位のコンプライアンス（機械的受動性）を増減させることが重要である。
【００１４】
位置制御系として関節各軸の動作を捉えたときは高ゲイン且つ高帯域なサーボ制御器を使って、制御偏差が少なくなるように制御した方がよいが、力学モデルとして捉えたときはポテンシャル・エネルギーや運動エネルギの作用を考慮してゲインを低くしたり位相補償している周波数帯を上下させたりすることも同時に行なうとよい。
【００１５】
ところが、ロボットの機体上でそのような制御を実現するにはアクチュエータそのものの特性と、アクチュエータの制御器の特性の２つを動的・静的に制御する機能が必要になる。
【００１６】
例えば、既知ないし未知の歩行路面でも安定して歩行することができる脚式移動ロボットの歩行制御装置に関する提案がなされている。すなわち、２足歩行の脚式移動ロボットで上体に腕を備えた人体類似の構造を有するものにおいて、歩行路面で摩擦力が低下して安定性が低下したとき、状態を駆動して安定性を確保ないし回復する（例えば、特許文献７を参照のこと）。しかしながら、これはフィード・フォワード・ゲインを制御することによって実現するものであり、関節の粘性や周波数特性に対する言及はなく、また、コンプライアンスの有無といった概念もない。
【００１７】
【特許文献１】
特開平５−３０５５７９号公報
【特許文献２】
特開平５−３０５５８１号公報
【特許文献３】
特開平５−３０５５８３号公報
【特許文献４】
特開平５−３０５５８５号公報
【特許文献５】
特開平５−３０５５８６号公報
【特許文献６】
特開平１１−４８１７０号公報
【特許文献７】
特開平７−２０５０６９号公報
【非特許文献１】
Miomir Vukobratovic著"LEGGED LOCOMOTION ROBOTS"（加藤一郎外著『歩行ロボットと人工の足』（日刊工業新聞社））
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、転倒・落下の途上における脚部だけでなく胴体及び腕部を含め機体全体の運動制御によりロボットが被る損害を限りなく軽減することができる、優れた脚式移動ロボットを提供することにある。
【００１９】
本発明のさらなる目的は、転倒・落下の途上における機体全体の運動時においてアクチュエータそのものの特性とアクチュエータの制御器の特性の２つを動的又は静的に制御することにより安定且つ高効率な動作を実現することができる、優れた脚式移動ロボットを提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、複数の可動脚を含む複数の関節部位で構成される脚式移動ロボットであって、
各関節部位におけるアクチュエータのサーボ制御器のゲイン及び位相補償制御とアクチュエータ・モータの粘性抵抗の制御とを組み合わせて行なうアクチュエータ特性制御手段を備え、
前記アクチュエータ特性制御手段は、転倒動作の各段階毎に、各関節部位のアクチュエータを、低域ゲインを大きく、位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくする第１のアクチュエータ特性と、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする第２のアクチュエータ特性との間で切り替える、
ことを特徴とする脚式移動ロボットである。
【００２１】
本発明によれば、脚式移動ロボットの各関節部位を構成するアクチュエータのサーボ制御器において、比例ゲインと位相補償要素を調整することにより、ロボットの関節各部位において必要な位置決め精度、機械的受動性（コンプライアンス）、動作速度を任意に設定することができる。
【００２２】
また、アクチュエータ・モータのコイルへの非通電時においてコイルを間歇的に短絡状態又はオープン状態に切り替えることによって、モータの粘性抵抗を調整し振動などの外乱に対するロバスト性を変更することができる。
【００２３】
さらに、これらアクチュエータのサーボ制御器におけるゲイン及び位相補償制御とアクチュエータ・モータの粘性抵抗の制御とを組み合わせることによって、位置決め精度が重要な部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性、あるいは速応性とコンプライアンスが重要となる部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性を得ることができる。
【００２４】
ここで、前記アクチュエータ特性制御手段は、アクチュエータの特性を「低域ゲインを大きく」、「高い周波数領域で位相進み量を小さく」、「関節の粘性抵抗を大きく」する設定を行なうことで、高精度な位置決め制御が可能となり、姿勢の安定性が増す。
【００２５】
また、前記アクチュエータ特性制御手段は、アクチュエータの特性を「低域ゲインを小さく」、「位相進み量を大きく」、「関節の粘性抵抗を小さく」する設定を行なうことで、機械的受動性と速い応答性を持たせることができるので、着床の瞬間の衝撃力を緩和しつつ高い帯域の追従制御を行なうことができる。
【００２６】
脚式移動ロボットは、立位姿勢において脚式作業を行っている間、足底に配設した床反力センサや加速度センサ、あるいは胴体の腰位置に配設した加速度センサなどにより、機体に印加される外力を検出している。そして、これら検出された外力を基に、ＺＭＰ釣合い方程式を立てて、足底接地点と路面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内側に機体に印加されるモーメントが釣り合うＺＭＰを配置するように、常にＺＭＰ軌道を計画することによって、機体の姿勢安定制御を行なっている。
【００２７】
ところが、機体に印加された外力が過大であったり、あるいは路面の状況が好ましくないなどの事情により、ＺＭＰ釣合い方程式上のモーメント・エラーをキャンセルすることができず、ＺＭＰ軌道計画により支持多角形内でのＺＭＰの配置が困難又は不可能となる場合がある。このような場合、本発明に係る脚式移動ロボットは、機体の姿勢安定制御を諦めて、所定の転倒動作を実行することによって、床面への落下時における機体の損傷を最小限に抑えるようになっている。
【００２８】
すなわち、転倒時において、機体の接地点と路面の形成する支持多角形の面積Ｓの時間Δｔ当たりの変化ΔＳ／Δｔが最小となる部位を探索するとともに、機体の接地点と路面の形成する支持多角形の面積Ｓの時間Δｔ当たりの変化ΔＳ／Δｔが最小となるように、選択された部位が着床すべき目標着床点を設定して、該部位を着床する。そして、着床させることにより新たに形成された支持多角形をさらに拡大していく。
【００２９】
そして、機体の位置エネルギが最小となり、転倒動作が終了するまでの間、ΔＳ／Δｔが最小となる部位を探索するとともに該部位をΔＳ／Δｔが最小となる目標着床点に着床する動作や、新たに形成された支持多角形を拡大していく動作を繰り返し実行する。
【００３０】
このように、支持多角形の面積Ｓの時間ｔ当たりの変化量ΔＳ／Δｔを最小にするとともに、床面落下時における支持多角形が最大となるようにすることにより、落下時に床面から受ける衝撃を全身に分散させて、ダメージを最小限に抑えることができる。
【００３１】
ここで、前記アクチュエータ特性制御手段は、転倒動作の各段階毎に、安定領域制御に関わる各関節部位のアクチュエータの特性を、低域ゲインを大きく、位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きく維持することで、これらの各関節部位を高精度な位置決め制御が可能とし、姿勢の安定性を増すようにする。これによって、機体の転倒動作を制御する際の規範となるΔＳ／Δｔの量を制御するための主成分となる関節の位置決め精度が確保され、動作の安定性を増すことができる。
【００３２】
また、前記アクチュエータ特性制御手段は、転倒動作の各段階毎に、位置エネルギ制御に関わる各関節部位のアクチュエータの特性を、低域ゲインを大きく、位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくした第１のアクチュエータ特性から、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする第２のアクチュエータ特性に切り替えることで、これらの関節部位に機械的受動性（コンプライアンス）と速い応答性を持たせるようにする。
【００３３】
この結果、脚が位置エネルギを半利用するような受動的動作を行なうときに、機械的受動性（コンプライアンス）を持ちつつ高い帯域の追従制御を行なうことが可能となる。
【００３４】
さらに、着床時衝撃緩衝に関わる各関節部位のアクチュエータの特性を、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする第２のアクチュエータ特性に切り替えることで、これらの関節部位に機械的受動性（コンプライアンス）と速い応答性を持たせるようにする。
【００３５】
この結果、着床の瞬間に機械的受動性（コンプライアンス）を持たせることで、ロボット全体が柔らかい系になるため、機体全体に加わる衝撃を緩和することができる。
【００３６】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００３８】
Ａ．脚式移動ロボットの機械的構成
図１及び図２には本発明の実施に供される「人間形」又は「人間型」の脚式移動ロボットが直立している様子を前方及び後方の各々から眺望した様子を示している。図示の通り、脚式移動ロボットは、胴体部と、頭部と、左右の上肢部と、脚式移動を行う左右２足の下肢部とで構成され、例えば胴体に内蔵されている制御部（図示しない）により機体の動作を統括的にコントロールするようになっている。
【００３９】
左右各々の下肢は、大腿部と、膝関節と、脛部と、足首と、足平とで構成され、股関節によって体幹部の略最下端にて連結されている。また、左右各々の上肢は、上腕と、肘関節と、前腕とで構成され、肩関節によって体幹部の上方の左右各側縁にて連結されている。また、頭部は、首関節によって体幹部の略最上端中央に連結されている。
【００４０】
制御部は、この脚式移動ロボットを構成する各関節アクチュエータの駆動制御や各センサ（後述）などからの外部入力を処理するコントローラ（主制御部）や、電源回路その他の周辺機器類を搭載した筐体である。制御部は、その他、遠隔操作用の通信インターフェースや通信装置を含んでいてもよい。
【００４１】
このように構成された脚式移動ロボットは、制御部による全身協調的な動作制御により、２足歩行を実現することができる。かかる２足歩行は、一般に、以下に示す各動作期間に分割される歩行周期を繰り返すことによって行われる。すなわち、
（１）右脚を持ち上げた、左脚による単脚支持期
（２）右足が接地した両脚支持期
（３）左脚を持ち上げた、右脚による単脚支持期
（４）左足が接地した両脚支持期
【００４２】
脚式移動ロボットにおける歩行制御は、あらかじめ下肢の目標軌道を計画し、上記の各期間において計画軌道の修正を行うことによって実現される。すなわち、両脚支持期では、下肢軌道の修正を停止して、計画軌道に対する総修正量を用いて腰の高さを一定値で修正する。また、単脚支持期では、修正を受けた脚の足首と腰との相対位置関係を計画軌道に復帰させるように修正軌道を生成する。
【００４３】
歩行動作の軌道修正を始めとして、機体の姿勢安定制御には、一般に、ＺＭＰに対する偏差を小さくするための位置、速度、及び加速度が連続となるように、５次多項式を用いた補間計算により行う。ＺＭＰ（Zero Moment Point）を歩行の安定度判別の規範として用いている。ＺＭＰによる安定度判別規範は、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが路面から歩行系への反作用としての床反力並びに床反力モーメントとバランスするという「ダランベールの原理」に基づく。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形（すなわちＺＭＰ安定領域）の辺上あるいはその内側にピッチ軸及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわち「ＺＭＰ（Zero Moment Point）」が存在する。
【００４４】
図３には、この脚式移動ロボットが具備する関節自由度構成を模式的に示している。同図に示すように、脚式移動ロボットは、２本の腕部と頭部１を含む上肢と、移動動作を実現する２本の脚部からなる下肢と、上肢と下肢とを連結する体幹部とで構成された、複数の肢を備えた構造体である。
【００４５】
頭部を支持する首関節（Ｎｅｃｋ）は、首関節ヨー軸１と、第１及び第２の首関節ピッチ軸２Ａ及び２Ｂと、首関節ロール軸３という４自由度を有している。
【００４６】
また、各腕部は、その自由度として、肩（Ｓｈｏｕｌｄｅｒ）における肩関節ピッチ軸４と、肩関節ロール軸５と、上腕ヨー軸６、肘（Ｅｌｂｏｗ）における肘関節ピッチ軸７と、手首（Ｗｒｉｓｔ）における手首関節ヨー軸８と、手部とで構成される。手部は、実際には、複数本の指を含む多関節・多自由度構造体である。
【００４７】
また、体幹部（Ｔｒｕｎｋ）は、体幹ピッチ軸９と、体幹ロール軸１０という２自由度を有する。
【００４８】
また、下肢を構成する各々の脚部は、股関節（Ｈｉｐ）における股関節ヨー軸１１と、股関節ピッチ軸１２と、股関節ロール軸１３と、膝（Ｋｎｅｅ）における膝関節ピッチ軸１４と、足首（Ａｎｋｌｅ）における足首関節ピッチ軸１５と、足首関節ロール軸１６と、足部とで構成される。
【００４９】
Ｂ．脚式移動ロボットの制御システム構成
図４には、脚式移動ロボット１００の制御システム構成を模式的に示している。同図に示すように、脚式移動ロボット１００は、ヒトの四肢を表現した各機構ユニット３０，４０，５０Ｒ／Ｌ，６０Ｒ／Ｌと、各機構ユニット間の協調動作を実現するための適応制御を行う制御ユニット８０とで構成される（但し、Ｒ及びＬの各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下同様）。
【００５０】
脚式移動ロボット１００全体の動作は、制御ユニット８０によって統括的に制御される。制御ユニット８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ等の主要回路コンポーネント（図示しない）で構成される主制御部８１と、電源回路やロボット１００の各構成要素とのデータやコマンドの授受を行うインターフェース（いずれも図示しない）などを含んだ周辺回路８２とで構成される。
【００５１】
本発明を実現する上で、この制御ユニット８０の設置場所は特に限定されない。図４では体幹部ユニット４０に搭載されているが、頭部ユニット３０に搭載してもよい。あるいは、脚式移動ロボット１００外に制御ユニット８０を配備して、脚式移動ロボット１００の機体とは有線若しくは無線で交信するようにしてもよい。
【００５２】
図３に示した脚式移動ロボット１００内の各関節自由度は、それぞれに対応するアクチュエータによって実現される。すなわち、頭部ユニット３０には、首関節ヨー軸１、第１及び第２の首関節ピッチ軸２Ａ及び２Ｂ、首関節ロール軸３の各々を表現する首関節ヨー軸アクチュエータＡ1、第１及び第２の首関節ピッチ軸アクチュエータＡ2A、Ａ2B、首関節ロール軸アクチュエータＡ3がそれぞれ配設されている。
【００５３】
また、体幹部ユニット４０には、体幹ピッチ軸９、体幹ロール軸１０の各々を表現する体幹ピッチ軸アクチュエータＡ9、体幹ロール軸アクチュエータＡ10が配備されている。
【００５４】
また、腕部ユニット５０Ｒ／Ｌは、上腕ユニット５１Ｒ／Ｌと、肘関節ユニット５２Ｒ／Ｌと、前腕ユニット５３Ｒ／Ｌに細分化されるが、肩関節ピッチ軸４、肩関節ロール軸５、上腕ヨー軸６、肘関節ピッチ軸７、手首関節ヨー軸８の各々を表現する肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ4、肩関節ロール軸アクチュエータＡ5、上腕ヨー軸アクチュエータＡ6、肘関節ピッチ軸アクチュエータＡ7、手首関節ヨー軸アクチュエータＡ8が配備されている。
【００５５】
また、脚部ユニット６０Ｒ／Ｌは、大腿部ユニット６１Ｒ／Ｌと、膝ユニット６２Ｒ／Ｌと、脛部ユニット６３Ｒ／Ｌに細分化されるが、股関節ヨー軸１１、股関節ピッチ軸１２、股関節ロール軸１３、膝関節ピッチ軸１４、足首関節ピッチ軸１５、足首関節ロール軸１６の各々を表現する股関節ヨー軸アクチュエータＡ11、股関節ピッチ軸アクチュエータＡ12、股関節ロール軸アクチュエータＡ13、膝関節ピッチ軸アクチュエータＡ14、足首関節ピッチ軸アクチュエータＡ15、足首関節ロール軸アクチュエータＡ16が配備されている。
【００５６】
各関節に用いられるアクチュエータＡ1，Ａ2，Ａ3…は、より好ましくは、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニット内に搭載したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータ（前述）で構成することができる。
【００５７】
頭部ユニット３０、体幹部ユニット４０、腕部ユニット５０、各脚部ユニット６０などの各機構ユニット毎に、アクチュエータ駆動制御用の副制御部３５，４５，５５，６５が配備されている。
【００５８】
機体の体幹部４０には、加速度センサ９５と姿勢センサ９６が配設されている。加速度センサ９５は、Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸方向に配置する。機体の腰部に加速度センサ９５を配設することによって、質量操作量が大きな部位である腰部を制御目標点として設定して、その位置における姿勢や加速度を直接計測して、ＺＭＰに基づく姿勢安定制御を行なうことができる。
【００５９】
また、各脚部６０Ｒ，Ｌには、接地確認センサ９１及び９２と、加速度センサ９３，９４がそれぞれ配設されている。接地確認センサ９１及び９２は、例えば足底に圧力センサを装着することにより構成され、床反力の有無により足底が着床したか否かを検出することができる。また、加速度センサ９３，９４は、少なくともＸ及びＹの各軸方向に配置する。左右の足部に加速度センサ９３，９４を配設することにより、ＺＭＰ位置に最も近い足部で直接ＺＭＰ方程式を組み立てることができる。
【００６０】
主制御部８０は、各センサ９１〜９６の出力に応答して制御目標をダイナミックに補正することができる。より具体的には、副制御部３５，４５，５５，６５の各々に対して適応的な制御を行い、脚式移動ロボット１００の上肢、体幹、及び下肢が協調して駆動する全身運動パターンを実現する。
【００６１】
ロボット１００の機体上での全身運動は、足部運動、ＺＭＰ（Zero Moment Point）軌道、体幹運動、上肢運動、腰部高さなどを設定するとともに、これらの設定内容に従った動作を指示するコマンドを各副制御部３５，４５，５５，６５に転送する。そして、各々の副制御部３５，４５…では、主制御部８１からの受信コマンドを解釈して、各アクチュエータＡ1，Ａ2，Ａ3…に対して駆動制御信号を出力する。ここで言う「ＺＭＰ」とは、歩行中の床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点のことであり、また、「ＺＭＰ軌道」とは、例えばロボット１００の歩行動作期間中にＺＭＰが動く軌跡を意味する。
【００６２】
Ｃ．アクチュエータ特性の制御
Ｃ−１．アクチュエータの動作速度、機械的受動性
本出願人に既に譲渡されている特願２００１−２３３６９１号明細書には、外界や作業対象に対して、閉リンク状態と開リンク状態の繰り替え動作を高速に行なう脚式移動ロボットについて開示されている。すなわち、１以上の回転型関節（１関節当り２自由度以上備えていてもよい）で構成される肢を持つロボットにおいて、各肢に動的閉合誤差を除去するに最低限必要な受動自由度（減速機のバックラッシュなど）を配し、さらに各肢の可動範囲を適切に管理する。たとえ、関節部を駆動するアクチュエータがトルク情報を取得する手段を持たない場合であっても、閉リンク状態と開リンク状態の高速切替え動作を安定に実現する。
【００６３】
これは、２足歩行ロボットにおいて、腰部基準座標に近い部位にバックラッシュ量が少ないギアードモータを配置、手先・足先に近い部位にバックラッシュ量が多いギアードモータを配置し最適な特性を得るというものである。そして、ロボットを最適化する第２の方法として、各関節軸アクチュエータにおける位置サーボ補償器の開ループ・ゲインを任意に調整することで、位置エラー偏差量を制御する。すなわち、バックラッシュ量が均一の場合にはサーボゲインの大小によるサーボ偏差をバックラッシュ量に見立て、それを制御する。
【００６４】
本実施形態では、このような脚式移動ロボットの最適化方法をさらに拡張し、サーボ制御器の比例ゲインだけでなく位相補償要素も関節各部位で調整する。
【００６５】
図５には、アクチュエータのサーボ制御器の構成を示している。同図に示すように、サーボ制御器は、直列補償の比例ゲインＫと位相補償要素Ｃ（ｓ）という２つの制御要素を持ち、比例ゲインだけでなく位相補償要素も関節各部位で調整する。また、図６には、図５に示したモータと減速機の伝達関数表現モデルゲイン及び位相の周波数特性を示している。
【００６６】
ここで、位相補償要素は以下の式で表される。但し、ｎ、ｍは任意の自然数であり、また、ａi、ｂiは任意の実数であり、状態変数を表現した場合はフィードバック・ゲインに相当する。また、ｓはラプラス演算子である。
【００６７】
【数１】
2004195554.tif 000003
【００６８】
また、モータと減速器の伝達関数表現モデルＧ（ｓ）は以下の式で表される。但し、Ｋはモータ・ゲインであり、Ｊはモータの慣性モーメントであり、Ｄはモータの粘性抵抗係数である。
【００６９】
【数２】
2004195554.tif 000004
【００７０】
まず、図５に示したサーボ制御器において、位相補償型制御の設計例として位相補償帯域を任意に選択する例（位相補償量が一定で周波数帯域を任意に選ぶ）について、図７を参照しながら説明する。同図において、
【００７１】
▲１▼Ｃ（ｓ）−１：１．０〜１００Ｈｚの帯域で約＋５．６ｄＢのゲイン増幅、約＋１８ｄｅｇの位相進みを与えている。
▲２▼Ｃ（ｓ）−２：０．１〜１０Ｈｚの帯域で約＋５．６ｄＢのゲイン増幅、約＋１８ｄｅｇの位相進みを与えている。
▲３▼Ｃ（ｓ）−３：１０〜１ｋＨｚの帯域で約＋５．６ｄＢのゲイン増幅、約＋１８ｄｅｇの位相進みを与えている。
【００７２】
このように、位相補償を施す周波数帯域を任意に選択することで、アクチュエータの周波数特性を自在に設定することができる。したがって、このようなアクチュエータで構成されるロボットの関節軸は、機体の姿勢や動作の局面に応じて、周波数特性を動的に調整することができる。
【００７３】
なお、図７に示す例では、位相進み補償の例を示したが、位相遅れ補償場合も同様に任意の周波数帯域で任意の位相遅れ量を設定することができる。
【００７４】
次いで、図５に示したサーボ制御器において、位相補償型制御の設計例として位相補償を施す量を任意に選択する例（周波数帯域が一定で位相補償量を任意に選ぶ）について、図８を参照しながら説明する。同図において、
【００７５】
▲４▼Ｃ（ｓ）−４：４．０〜７０Ｈｚの帯域で約＋３．５ｄＢのゲイン増幅、約＋１２ｄｅｇの位相進みを与えている。
▲５▼Ｃ（ｓ）−５：２．０〜７０Ｈｚの帯域で約＋５．６ｄＢのゲイン増幅、約＋１８ｄｅｇの位相進みを与えている。
▲６▼Ｃ（ｓ）−６：１．０〜７０Ｈｚの帯域で約＋６．５ｄＢのゲイン増幅、約＋２１ｄｅｇの位相進みを与えている。
【００７６】
このように、位相補償を施す量を任意に選択することで、アクチュエータの周波数特性を自在に設定することができる。したがって、このようなアクチュエータで構成されるロボットの関節軸は、機体の姿勢や動作の局面に応じて、周波数特性を動的に調整することができる。
【００７７】
なお、図８に示す例では、位相進み補償の例を示したが、位相遅れ補償の場合も同様に任意の周波数帯域で任意の位相遅れ量を設定することができる。
【００７８】
次いで、図５に示したサーボ制御器において、Ｋで示した直列補償ゲインの大小を変更する制御器の設計例について、図９を参照しながら説明する。同図は、図９において、Ｋを±３ｄＢだけ上下させたことに相当する。図示の通り、直列補償ゲインの大小も任意に設定することができる。
【００７９】
図７〜図９に示した内容をロボットの関節軸駆動用のアクチュエータに適用するためには、これらの制御器を構成するパラメータを動的又は静的に変更するための通信プロトコルを実装する。これによって、ロボットの各関節軸にさまざまな特性を与えることができる。
【００８０】
次いで、これらの特性を備えたアクチュエータのサーボ制御器を実装したときのアクチュエータの特性について説明する。
【００８１】
図１０には、図７に示したように位相補償量が一定で周波数帯域を任意に選ぶようにアクチュエータのサーボ制御器を実装したときの開ループ特性を示している。
【００８２】
▲１▼Ｃ（ｓ）−１：１．０〜１００Ｈｚの帯域で約＋５．６ｄＢのゲイン増幅、約＋１８ｄｅｇの位相進みを与える
→  全体的にゲインが高めとなるので、位置決め精度と追従性がよくなるが、エネルギーロスとなり易い。また、負荷が大きくなると不安定になる可能性がある。
▲２▼Ｃ（ｓ）−２：０．１〜１０Ｈｚの帯域で約＋５．６ｄＢのゲイン増幅、約＋１８ｄｅｇの位相進みを与える
→  Ｃ（ｓ）−１とＣ（ｓ）−２の中間的な特性を持つ。
▲３▼Ｃ（ｓ）−３：１０〜１ｋＨｚの帯域で約＋５．６ｄＢのゲイン増幅、約＋１８ｄｅｇの位相進みを与える
→  高域でのみ位相進み補償をしていることになるので、ゆっくりした動作時にはあまり効果が見られないが、走る、飛ぶ、踊るといった速い動作には効果がある。
【００８３】
このように、位相補償を施す周波数帯域を任意に選択することで、アクチュエータの周波数特性を自在に設定することができる。したがって、このようなアクチュエータで構成されるロボットの関節軸は、機体の姿勢や動作の局面に応じて、周波数特性を動的に調整することができる。
【００８４】
また、図１１には、図１０に示したうち高域でのみ位相進み補償を施した例Ｃ（ｓ）−３においてさらに直列補償ゲインの制御を採り入れた様子を示している。この場合、図５に示した例と同様に、同位相においてゲインが上下する。
【００８５】
図１０に示した例では、位相補償例Ｃ（ｓ）−３ではゆっくりした動作時にはあまり効果が見られないが、図１１に示すように、低周波数帯域においてゲインを増やすことにより、低周波数帯域での制御偏差を少なくすることができる。この結果、ゆっくりした動作時でも指令値に対して少ない遅れで応答することが可能となる。
【００８６】
以上、アクチュエータのサーボ制御器においてサーボ制御器の比例ゲインだけでなく位相補償要素も関節各部位で調整するメカニズムについて説明してきた。これによって、安定且つ高効率な動作を実現するには局所的に力を増減させることや関節各部位のコンプライアンス（機械的受動性）を増減させることが可能となる。
【００８７】
例えば、位置制御系として関節各軸の動作を捉えたときは高ゲイン且つ高帯域なサーボ制御器を使って、制御偏差が少なくなるように制御した方がよいが、力学モデルとして捉えたときはポテンシャル・エネルギーや運動エネルギの作用を考慮してゲインを低くしたり位相補償している周波数帯を上下させたりすることも同時に行なうとよい。
【００８８】
Ｃ−２．アクチュエータ・モータの粘性抵抗
上記のＣ−１項で説明したようなアクチュエータの動作速度や動作時の機械的受動性という特性に加え、アクチュエータの粘性抵抗を可変に制御するという方式を採り入れることができる。
【００８９】
例えば、コイルへの供給電流を制御して所定の磁束分布を形成することにより回転トルクを発生させるタイプのモータは、一般に、コイル端子を電源電圧に接続する第１のトランジスタ・スイッチ群と、コイル端子を接地する第２のトランジスタ・スイッチ群からなるスイッチング動作回路をＰＷＭ制御により駆動することによって、コイル電流を制御し、所望のトルク又は回転位置、回転速度などを得るようになっている。
【００９０】
ここで、モータ・コイルが非通電の期間においてオープン状態となるタイミングにおいて、モータ・コイルに通電された電流（厳密には電荷）が抜けてしまうため、トルクのロスになる。またコギングによるトルクむらの影響を受け易くなる。
【００９１】
このような場合、モータ・コイルが非通電の期間においても、コイルがオープン状態とならない短絡（ショート）状態を形成することにより、モータ・コイルに通電された電流（厳密には電荷）が抜けないようにすることができる。このとき、モータのコイルには、永久磁石側からの磁束密度により逆起電力が発生する。この逆起電力により、モータの回転方向の逆方向に力が作用するので、外力による回転に対する粘性抵抗を作り出すことができ、ブレーキに類似した効果を得ることができる。このようなモータへの粘性抵抗により、トルク・ロスがなくコギングによるトルクむらの影響が軽減される。
【００９２】
一方、モータの非通電時において、このようなコイルの短絡状態を形成した場合、上述したように、モータに一種の粘性抵抗を与えることができるが、このようなモータをロボットに使用した場合、コイル・ショートによるブレーキの影響のため、コンプライアンス（機械的受動性）がなくなってしまうという問題を招来する。
【００９３】
そこで、モータ・コイルの非通電時におけるコイルのオープン状態と短絡状態の期間の比率を、所望の機械的特性に応じて調整することにより、モータ・コイルがオープン状態となるタイミングにおけるモータ・コイルに通電された電流（厳密には電荷）が抜けてしまうことによるトルクのロスやコギングによるトルクむらの問題と、モータ・コイルの非通電時におけるコイル・ショートによるブレーキの影響のためコンプライアンス（機械的受動性）がなくなるという問題を、ともに解決することができる。
【００９４】
ここで、モータ・コイルの通電及び非通電状態の比率はＰＷＭ制御により実現することができるが、モータ・コイルの非通電状態におけるコイルのオープン状態と短絡状態の期間の比率も同様にＰＷＭ制御を用いて実現することができる。
【００９５】
図１２には、コイル電流の制御メカニズムを適用したＤＣモータのコイル電流供給用の電流制御回路の等価回路の構成例を示している。
【００９６】
同図に示す電流制御回路は、フルブリッジ構成であり、ｐｎｐ型のトランジスタＡ'とｎｐｎ型のトランジスタＡを順方向接続した回路と、同じくｐｎｐ型のトランジスタＢ'とｎｐｎ型のトランジスタＢを順方向接続した回路を電源電圧ＶccとグランドＧＮＤの間に並列接続し、さらにトランジスタＡ'及びＡの中間点とトランジスタＢ'及びＢの中間点を固定子の単相コイルで接続している。
【００９７】
トランジスタＡ'及びＢをオンにするとともに、トランジスタＡ及びＢ'をオフにすることによって、モータ・コイルには、図示の矢印方向の電流Ｉｍが流れる。また、トランジスタＡ'及びＢをオフにすることによって、コイルはオープン状態となって、電流Ｉｍは流れなくなる。また、トランジスタＡ'及びＢをオフにするとともに、トランジスタＡ'及びＢ'をオンにすることによって、モータ・コイルは短絡（ショート）状態となる。
【００９８】
ＰＷＭ制御論理回路は、図示しない中央制御部からの電流軸電流指令（又はトルク指令）に基づいてコイルへの電流指令を生成し、これら電流指令に基づいて各トランジスタをＰＷＭ方式にてスイッチング制御する。すなわち、トランジスタＡ'及びＢをオンにするとともにトランジスタＡ及びＢ'をオフにしてコイル電流Ｉｍを流す通電期間と、トランジスタＡ'及びＢをオフにしてコイルを非通電にする非通電期間を交互に生成する。
【００９９】
付加論理回路は、さらにＰＷＭ制御論理回路が出力する信号Ａ0及びＡ0'、並びＢ0及びＢ0'をオン／オフ動作を制御する制御論理を付加論理により切り替える。これによって、モータ・コイルの非通電状態におけるコイルのオープン状態と短絡状態の切替動作を行なう。図１３には、付加論理回路の具体的な回路構成を示している。
【０１００】
ＰＷＭ制御論理回路からのトランジスタＡ'制御用の信号Ａ0'とトランジスタＢ0'制御用の信号Ｂ0'の論理積と、トランジスタＡ制御用の信号Ａ0とトランジスタＢ制御用の信号Ｂ0の排他的論理和がとられ、さらにこれらの論理演算値の論理積を反転したものがＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号と論理和される。この論理和の結果を元の各トランジスタ制御用信号との間で論理積を取ったものが、最終的なそれぞれのトランジスタ制御用信号となる。
【０１０１】
付加論理回路は、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号がハイ・レベルが入力されると、コイル非通電時にコイルを短絡させるようにトランジスタ制御用信号を切り替える。通常のコイル非通電時において、ＰＷＭ制御論理回路からは、制御信号Ａ0'及びＡ0をハイ、Ｂ0'及びＢ0をローにするトランジスタ制御用信号が出力される。これに対し、付加論理回路は、ハイ・レベルのＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号が入力されると、ハイ状態のＡ1'及びＡ1をローに転じて、コイルの短絡状態を形成する。
【０１０２】
一方、付加論理回路は、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号がロー状態のときには、コイル非通電時において、ＰＷＭ制御論理回路からのトランジスタ制御用信号をそのまま出力するので、非通電時におけるコイルはオープン状態となる。
【０１０３】
図１４には、ＰＷＭ制御により所定のデューティ比を持つＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号が入力されたときの付加論理回路の各トランジスタ制御用信号の出力特性を、コイル電流波形特性及びトルク出力特性とともに示している。
【０１０４】
コイル非通電時にコイルを短絡状態にすると、過渡応答により、コイル電流がゼロに戻るまでの時間が長くなるが、コイルをオープン状態にするとその時間は短くなる。コイル非通電時の過渡応答特性は、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号のデューティ比に従って、これらの特性が混合されたものとなる。
【０１０５】
したがって、同図に示すように、コイル通電とコイル短絡というスイッチング動作を繰り返した場合、コイル非通電時にコイル電流がゼロに戻る前に次の通電が開始される。このときのコイルの最大電流は、コイル通電及び非通電の動作の度に逐次上昇していくが、その上昇傾向はデューティ比すなわちＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号がハイ・レベルとなる比率にほぼ比例する。同様に、コイル電流の実効値は図示の通り徐々に増加していくことになるが、その上昇傾向はデューティ比すなわちＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号がハイ・レベルとなる比率にほぼ比例する。
【０１０６】
また、モータの出力トルクＴは、コイル電流にモータのトルク定数Ｋｔを乗じた値となるので（Ｔ＝Ｋｔ・Ｉ）、同図からも判るように、コイル通電及び非通電を繰り返したとき、コイル電流の増大に伴って、モータ・トルクの実効値は増大していく。このときの上昇傾向はＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号のデューティ比すなわち同制御信号がハイ・レベルとなる比率にほぼ比例する。モータ・トルクの出力が上昇していく特性が、モータの粘性係数に相当する。言い換えれば、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号のデューティ比によってモータの粘性抵抗を動的に制御することが可能である。
【０１０７】
このようにＰＷＭ制御論理回路が付加論理回路へ供給するＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号のデューティ比をＰＷＭ制御することにより、モータ・コイルの非通電時におけるコイルのオープン状態と短絡状態の期間の比率を、所望の機械的特性に応じて調整することができる。
【０１０８】
したがって、モータ・コイルがオープン状態となるタイミングにおけるモータ・コイルに通電された電流（厳密には電荷）が抜けてしまうことによるトルクのロスやコギングによるトルクむらの問題と、モータ・コイルの非通電時におけるコイル・ショートによるブレーキの影響のためコンプライアンス（機械的受動性）がなくなるという問題を、ともに解決することができる。
【０１０９】
なお、上記の説明ではＤＣモータを例にとって説明したが、３相モータやその他のコイルへの供給電流を制御して所定の磁束分布を形成することにより回転トルクを発生させるタイプのモータにおいても同様に、非通電時のモータ・コイルを間歇的にオープン状態及び短絡状態に切り替えることによって、モータの所望の粘性抵抗を得ることができる。
【０１１０】
Ｃ−３．脚式移動ロボットへの適用
次いで、本実施形態に係るアクチュエータのサーボ制御器の特性制御並びにアクチュエータ自体の特性制御のメカニズムを各関節部位に適用した２足歩行の脚式移動ロボットについて説明する。
【０１１１】
上述したように、アクチュエータのサーボ制御器において、比例ゲインと位相補償要素を調整することにより、ロボットの関節各部位において必要な位置決め精度、機械的受動性（コンプライアンス）、動作速度を任意に設定することができる。また、アクチュエータ・モータのコイルへの非通電時においてコイルを間歇的に短絡状態又はオープン状態に切り替えることによって、モータの粘性抵抗を調整し振動などの外乱に対するロバスト性を変更することができる。
【０１１２】
さらに、これらアクチュエータのサーボ制御器におけるゲイン及び位相補償制御とアクチュエータ・モータの粘性抵抗の制御とを組み合わせることによって、位置決め精度が重要な部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性、あるいは速応性とコンプライアンスが重要となる部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性を得ることができる。
【０１１３】
図１５には、位置決め精度が重要な部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性を示している。
【０１１４】
この場合、サーボ制御器の比例ゲインを大きくとって、系全体のゲインを大きくし、低周波数帯域までゲインを取れるようにする。また、周波数特性を同図に示すように高域で位相進み量が小さくなるようにし、速応性にはあまり寄与しないが安定性を保証できるようにする。また、モータの粘性抵抗を大きくし、振動などの外乱にもロバストになるようにする。要言すれば、図示の特性は、位置決め精度を優先して振動などの外乱にもロバストな特性である。
【０１１５】
また、図１６には、速応性とコンプライアンスが重要となる部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性を示している。
【０１１６】
この場合、比例ゲインを小さくして、系全体のゲインを小さくすることで、低周波数帯域のゲインを小さくし、機械的受動性（コンプライアンス）を得易くする。また、周波数特性を同図に示すように中高域で位相進み量が大きくなるようにし、速応性を得るようにする。また、モータの粘性抵抗を小さくし、機械的受動性（コンプライアンス）を得易いようにする。要言すれば、図示の特性は、機械的受動性（コンプライアンス）と速応性を優先した特性である。
【０１１７】
図１〜３に示した脚式移動ロボットの関節自由度は、上述したサーボ制御器を備えたアクチュエータによって実現される。各関節部位において使用されるアクチュエータのゲイン・位相補償特性の基本的な制御例について、以下に詳解する。
【０１１８】
（１）首部分に適用されるアクチュエータの特性
首部分では、位置決め精度を優先させるため、比例ゲインを高く設定する。また、動作速度を保持しつつ、比例ゲインを上げた分の安定性を損なわないように、位相進み量を少なく設定する。また、胴体より下の部分の動作時に発生する振動外乱に対してロバスト性を得るため、関節の粘性抵抗を大きく設定する。
【０１１９】
（２）肩・肘部分に適用されるアクチュエータの特性
歩行やダンスなどの連続動作を行なうときは、位置決め特性よりも機械的受動性が高くなるような特性をアクチュエータに与える。動作に受動性を持たせるため、関節の粘性抵抗を小さくする。また、動作に受動性を持たせるとともに、エネルギ消費量を減らすため、比例ゲインを低く設定する。また、動作速度を大きくするため、位相進み補償を行なう周波数帯域を高く、位相進み量を大きく設定する。動作によっては振り子のように往復運動を行なうだけのときもある。そのときは、関節の粘性抵抗と比例ゲインを最小にして機械的受動性（コンプライアンス）を得るようにし、力学的なエネルギを動作のために用い易くする。
【０１２０】
一方、物を押したり引っ張ったりするなどの力を使う動作を行なうときには、負荷トルク値により、位置決め精度優先の特性と、機械的受動性の特性を動的に入れ替えるように制御する。負荷トルク値に対してさらに力を発生させたいときは比例ゲインを高く、関節の粘性抵抗を大きくする。また、負荷トルク値に対して定負荷となるように倣わせる動作をする場合には、上位からの位置指令値による調整に加え、アクチュエータ内部トルク・センサで検知した負荷トルクに応じて比例ゲインを低く、関節の粘性抵抗を小さくして、機械的受動性（コンプライアンス）を得るようにする。
【０１２１】
（３）体幹部分に適用されるアクチュエータの特性
自分自身の動作による振動外乱にロバスト性を得るため、関節の粘性抵抗を大きくする。あるいは、位置決め精度を優先させるため、比例ゲインを高く設定する。あるいは、動作速度を保持しつつ比例ゲインを上げた分の安定性を損なわないように、位相進み量を少なく設定する。
【０１２２】
（４）股関節部分に適用されるアクチュエータの特性
自分自身の動作による振動外乱にロバスト性を得るため、関節の粘性抵抗を大きくする。あるいは、位置決め精度を優先させるため、比例ゲインを高く設定する。あるいは、動作速度を保持しつつ比例ゲインを上げた分の安定性を損なわないように、位相進み量を少なく設定する。
【０１２３】
（５）膝部分に適用されるアクチュエータの特性
遊脚時及び着床瞬間時においては、位置決め精度よりも機械的受動性が高くなるような特性に制御する。動作に受動性を持たせるため、関節の粘性抵抗を小さくする。また、動作に受動性を持たせるとともにエネルギ消費量を減らすため、比例ゲインを低く設定する。また、動作速度を大きくするため、位相進み補償を行なう周波数領域を高く、位相進み量を大きく設定する。
【０１２４】
一方、支持脚時においては、機械的受動性よりも位置決め精度が高くなるような特性に制御する。自分自身の動作による振動外乱にロバスト性を得るため、関節の粘性抵抗を大きくする。あるいは、位置決め精度を優先させるため、比例ゲインを高く設定する。あるいは、動作速度を保持しつつ比例ゲインを上げた分の安定性を損なわないように、位相進み量を少なく設定する。
【０１２５】
（６）足首部分に適用されるアクチュエータの特性
遊脚時及び着床瞬間時においては、位置決め精度よりも機械的受動性が高くなるような特性に制御する。足首部分着床による衝撃を緩和するため、関節粘性を小さく設定し、機械的受動性（コンプライアンス）を得るようにする。また、足首部分着床による衝撃を緩和するため、比例ゲインを低く設定し、機械的受動性（コンプライアンス）を得るようにする。また、動作速度を大きくとるため、位相補償を行なう周波数領域を高く、位相進み量を大きく設定する。
【０１２６】
一方、支持脚時において、足首部分の発生トルクを大きくとり、且つ自分自身の動作による振動外乱にロバスト性を得るため、関節の粘性抵抗を大きくとる。また、足首部分の位置決め精度を向上させるため、比例ゲインを高く設定する。また、動作速度を保持しつつ、比例ゲインを上げた分の安定性を損なわないように位相進み量を少なく設定する。
【０１２７】
Ｄ．脚式移動ロボットの姿勢安定制御
次いで、本実施形態に係る脚式移動ロボット１００における、脚式作業時における姿勢安定化処理、すなわち足部、腰、体幹、下肢運動などからなる全身協調運動実行時における姿勢の安定化処理の手順について説明する。
【０１２８】
姿勢安定制御には、ＺＭＰを姿勢安定制御に用いる。本実施形態では、ロボットの機体上の制御目標点として質量操作量が最大となる部位、例えば腰部をローカル座標原点に設定する。そして、この制御目標点に加速度センサなどの計測手段を配置して、その位置における姿勢や加速度を直接計測して、ＺＭＰに基づく姿勢安定制御を行なう。さらに路面との接触部位である足部に加速度センサを配備することにより、制御に用いるローカル座標とその座標を直接的に計測して、ＺＭＰ位置に最も近い足部で直接ＺＭＰ方程式を組み立てる。
【０１２９】
Ｄ−１．ＺＭＰ方程式の導入
本実施形態に係る脚式移動ロボット１００は、無限すなわち連続的な質点の集合体である。但し、ここでは有限数で離散的な質点からなる近似モデルに置き換えることによって、安定化処理のための計算量を削減するようにしている。より具体的には物理的には図３に示す多関節自由度構成を具備する脚式移動ロボット１００を、図１７に示すように多質点近似モデルに置き換えて取り扱う。図示の近似モデルは、線形且つ非干渉の多質点近似モデルである。
【０１３０】
図１０において、Ｏ−ＸＹＺ座標系は絶対座標系におけるロール、ピッチ、ヨー各軸を表し、また、Ｏ'−Ｘ'Ｙ'Ｚ'座標系はロボット１００とともに動く運動座標系におけるロール、ピッチ、ヨー各軸を表している。但し、図中におけるパラメータの意味は以下の通りである。また、ダッシュ（´）付きの記号は運動座標系を記述するものと理解されたい。
【０１３１】
【数３】
2004195554.tif 000005
【０１３２】
図１７に示す多質点モデルでは、ｉはｉ番目に与えられた質点を表す添え字であり、ｍiはｉ番目の質点の質量、ｒi'はｉ番目の質点の位置ベクトル（但し運動座標系）を表すものとする。本実施形態に係る脚式移動ロボット１００の機体重心は腰部付近に存在する。すなわち、腰部は、質量操作量が最大となる質点であり、図１７では、その質量はｍh、その位置ベクトル（但し運動座標系）はｒ'h（ｒ'hx，ｒ'hy，ｒ'hz）とする。また、機体のＺＭＰの位置ベクトル（但し運動座標系）をｒ'zmp（ｒ'zmpx，ｒ'zmpy，ｒ'zmpz）とする。なお、腰部情報における各回転角（θhx，θhy，θhz）は、脚式移動ロボット１００における腰部の姿勢すなわちロール、ピッチ、ヨー軸の回転を規定する。
【０１３３】
世界座標系Ｏ−ＸＹＺは絶対座標系であり、不変である。本実施形態に係る脚式移動ロボット１００は、腰部と両脚の足部にそれぞれ加速度センサ９３、９４、９６が配置されており、これらセンサ出力により腰部並びに立脚それぞれと世界座標系の相対位置ベクトルｒqが直接検出される。これに対し、運動座標系すなわち機体のローカル座標系はＯ−Ｘ’Ｙ’Ｚ’は、ロボットともに動く。
【０１３４】
機体のＺＭＰ方程式は、制御目標点において印加される各モーメントの釣合い関係を記述したものである。図５に示したように、機体を多数の質点ｍiで表わし、これらを制御目標点とした場合、すべての制御目標点ｍiにおいて印加されるモーメントの総和を求める式がＺＭＰ方程式である。
【０１３５】
世界座標系（Ｏ−ＸＹＺ）で記述された機体のＺＭＰ方程式、並びに機体のローカル座標系（Ｏ−Ｘ’Ｙ’Ｚ’）はそれぞれ以下の通りとなる。
【０１３６】
【数４】
2004195554.tif 000006
【０１３７】
上式は、各質点ｍiにおいて印加された加速度成分により生成されるＺＭＰ回り（半径ｒi−ｒzmp）のモーメントの総和と、各質点ｍiに印加された外力モーメントＭiの総和と、外力Ｆkにより生成されるＺＭＰ回り（ｋ番目の外力Ｆkの作用点をｓkとする）のモーメントの総和が釣り合うということを記述している。
【０１３８】
このＺＭＰ釣合い方程式は、総モーメント補償量すなわちモーメント・エラー成分Ｔを含んでいる。このモーメント・エラーをゼロ又は所定の許容範囲内に抑えることによって、機体の姿勢安定性が維持される。言い換えれば、モーメント・エラーをゼロ又は許容値以下となるように機体運動（足部運動や上半身の各部位の軌道）を修正することが、ＺＭＰを安定度判別規範とした姿勢安定制御の本質である。
【０１３９】
本実施形態では、腰部と左右の足部にそれぞれ加速度センサ９６，９３及び９４が配設されているので、これらの制御目標点における加速度計測結果を用いて直接的に且つ高精度に上記のＺＭＰ釣合い方程式を導出することができる。この結果、高速でより厳密な姿勢安定制御を実現することができる。
【０１４０】
Ｄ−２．全身協調型の姿勢安定制御
図１８には、脚式移動ロボット１００において、ＺＭＰを安定度判別規範に用いて安定歩行可能な機体運動を生成するための処理手順をフローチャートの形式で示している。但し、以下の説明では、図１７に示すような線形・非干渉多質点近似モデルを用いて脚式移動ロボット１００の各関節位置や動作を記述するものとする。
【０１４１】
まず、足部運動の設定を行う（ステップＳ１）。足部運動は、２以上の機体のポーズを時系列的に連結されてなるモーション・データである。モーション・データは、例えば、足部の各関節角の変位を表わした関節空間情報と、関節位置を表わしたデカルト空間情報で構成される。
【０１４２】
次いで、設定された足部運動を基にＺＭＰ安定領域を算出する（ステップＳ２）。ＺＭＰは、機体に印加されるモーメントがゼロとなる点であり、基本的には足底接地点と路面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内側に存在する。ＺＭＰ安定領域は、この支持多角形のさらに内側に設定された領域であり、該領域にＺＭＰを収容させることによって機体を高度に安定した状態にすることができる。
【０１４３】
そして、足部運動とＺＭＰ安定領域を基に、足部運動中におけるＺＭＰ軌道を設定する（ステップＳ３）。
【０１４４】
また、機体の上半身（股関節より上側）の各部位については、腰部、体幹部、上肢、頭部などのようにグループ設定する（ステップＳ１１）。そして、各部位グループ毎に希望軌道を設定する（ステップＳ１２）。
【０１４５】
次いで、各部位のグループ設定の調整（再グルーピング）を行ない（ステップＳ１３）、さらにこれらグループに対して優先順位を与える（ステップＳ１４）。ここで言う優先順位とは、機体の姿勢安定制御を行なうための処理演算に投入する順位のことであり、例えば質量操作量に応じて割り振られる。この結果、機体上半身についての各部位についての優先順位付き希望軌道群が出来上がる。
【０１４６】
また、機体上半身の各部位グループ毎に、モーメント補償に利用できる質量を算出しておく（ステップＳ１５）。
【０１４７】
そして、足部運動とＺＭＰ軌道、並びに上半身の各部位グループ毎の希望起動群を基に、ステップＳ１４により設定された優先順位に従って、各部位グループの運動パターンを姿勢安定化処理に投入する。
【０１４８】
この姿勢安定化処理では、まず、処理変数ｉに初期値１を代入する（ステップＳ２０）。そして、優先順位が先頭からｉ番目までの部位グループについての目標軌道設定時における、目標ＺＭＰ上でのモーメント量すなわち総モーメント補償量を算出する（ステップＳ２１）。目標軌道が算出されていない部位については、希望軌道を用いる。
【０１４９】
次いで、ステップＳ１５において算出された当該部位のモーメント補償に利用できる質量を用いて、そのモーメント補償量を設定して（ステップＳ２２）、モーメント補償量を算出する（ステップＳ２３）。
【０１５０】
次いで、算出されたｉ番目の部位のモーメント補償量を用いて、ｉ番目の部位についてのＺＭＰ方程式を導出して（ステップＳ２４）、当該部位のモーメント補償運動を算出することにより（ステップＳ２５）、優先順位が先頭からｉ番目までの部位についての目標軌道を得ることができる。
【０１５１】
このような処理をすべての部位グループについて行なうことにより、安定運動（例えば歩行）が可能な全身運動パターンが生成される。
【０１５２】
腰部と左右の足部にそれぞれ加速度センサ９６，９３及び９４が配設されているので、これらの制御目標点における加速度計測結果を用いて直接的に且つ高精度に上記のＺＭＰ釣合い方程式を導出することができる。この結果、図１２に示すような処理手順に従ってＺＭＰ安定度判別規範に基づく姿勢安定制御を高速でより厳密に実行することができる。
【０１５３】
Ｅ．脚式移動ロボットの転倒オペレーション
前項Ｄで説明したように、本実施形態に係る脚式移動ロボット１００は、基本的には、ＺＭＰ安定度判別規範に基づいて、歩行時やその他の立脚作業時における姿勢安定制御を行ない、機体の転倒という事態の発生を最小限に抑えるようにしている。しかしながら、万一転倒を避けられなくなった場合には、機体へのダメージを極力防止するような動作パターンからなる転倒動作を行なうことにする。例えば、前述したＺＭＰ釣合い方程式において、過大な外力Ｆ又は外力モーメントＭが機体に印加された場合、機体動作のみによってモーメント・エラー成分Ｔをキャンセルことができなくなり、姿勢の安定性を維持できなくなる。
【０１５４】
図１９には、本実施形態に係る脚式移動ロボット１００における脚式作業中の機体の動作制御の概略的な処理手順をフローチャートの形式で示している。
【０１５５】
機体動作中は、左右の足部に配設した接地確認（床反力）センサ９１及び９２、加速度センサ９３及び９４、腰部に配設した加速度センサ９６のセンサ出力を用いて、ＺＭＰ釣合い方程式（前述）を立てて、足部の接地位置を常に計算する（ステップＳ３１）。
【０１５６】
例えば、機体に外力が印加されたとき、次の足部の接地位置を計画することができるかどうか、すなわち足部の行動計画によって外力によるモーメント・エラーを解消することができるかどうかを判別する（ステップＳ３２）。足部の設置位置を計画可能か否かは、脚部の各関節の可動角、各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。勿論、外力が加わったときに、次の一歩だけでなく、数歩にまたがる脚式動作によりモーメント・エラーを解消するようにしてもよい。
【０１５７】
このとき、足部の計画が可能であれば、歩行やその他の脚式動作を継続する（ステップＳ３３）。
【０１５８】
他方、過大な外力又は外力モーメントが機体に印加されたために、足部の計画が不可能になった場合には、脚式移動ロボット１００は転倒動作を開始する（ステップＳ３４）。
【０１５９】
図１〜図２に示すような直立歩行型の脚式ロボットの場合、重心位置が高いことから、転倒時に不用意に床面に落下すると、ロボット自体、あるいは転倒により衝突する相手側にも致命的な損傷を与えてしまう危険がある。そこで、本実施形態では、転倒前に計画されている機体の軌道からＺＭＰ支持多角形が最小となるような姿勢に組み替えて、所定の転倒動作を実行する。基本的には、以下に示す２つの方針を基に転倒動作を探索していく。
【０１６０】
（１）機体の支持多角形の面積Ｓの時間ｔ当たりの変化量ΔＳ／Δｔを最小にする。
（２）床面落下時における支持多角形が最大となるようにする。
【０１６１】
このような転倒方法をとることにより、落下時に床面から受ける衝撃を全身に分散させることにより、ダメージを最小限に抑えることができる。
【０１６２】
図２０には、本実施形態に係る脚式移動ロボット１００が足部の計画不能により転倒動作を行なうための処理手順をフローチャートの形式で示している。転倒動作は、上述した基本方針に従って、高さ方向に連結された肩関節ピッチ軸４、体幹ピッチ軸９、股関節ピッチ軸１２、膝関節ピッチ軸１４を同期協調的に駆動させることによって実現される。このような処理手順は、実際には主制御部８１において所定の機体動作制御プログラムを実行して、各部を駆動制御することによって実現される。
【０１６３】
まず、機体の支持多角形の面積Ｓの時間ｔ当たりの変化量ΔＳ／Δｔを最小にするリンクを探索する（ステップＳ４１）。
【０１６４】
次いで、ステップＳ４１により選択されたリンクで変化量ΔＳ／Δｔを最小にする該リンクの目標着床点を探索する（ステップＳ４２）。
【０１６５】
次いで、先行ステップにより選択されたリンクを該目標着床点に着床することが、機体ハードウェアの制約上（各関節の可動角、各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度など）、実行可能かどうかを判別する（ステップＳ４３）。
【０１６６】
先行ステップにより選択されたリンクを該目標着床点に着床することが不可能であると判定された場合には、時間の変化量Δｔを所定地だけ増分してから（ステップＳ４４）、ステップＳ４１に戻って、リンクの再選択、並びに該リンクの目標着床点の再設定を行なう。
【０１６７】
一方、先行ステップにより選択されたリンクを該目標着床点に着床することが可能である場合には、選択されたリンクを該目標着床点に着床する（ステップＳ４５）。
【０１６８】
次いで、機体の位置エネルギが最小かどうか、すなわち転倒動作が完了したかどうかを判別する（ステップＳ４６）。
【０１６９】
機体の位置エネルギがまだ最小ではない場合には、時間の変化量Δｔをさらに所定地だけ増分して（ステップＳ４７）、支持多角形を拡大するように次の目標着床点を設定する（ステップＳ４８）。
【０１７０】
次いで、選択されたリンクを該目標着床点に着床することが、機体ハードウェアの制約上（各関節の可動角、各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度など）、実行可能かどうかを判別する（ステップＳ４９）。
【０１７１】
先行ステップにより選択されたリンクを該目標着床点に着床することが不可能であると判定された場合には、ステップＳ４１に戻って、リンクの再選択、並びに該リンクの目標着床点の再設定を行なう。
【０１７２】
一方、先行ステップにより選択されたリンクを該目標着床点に着床することが可能である場合には、ステップＳ４５に進んで、選択されたリンクを該目標着床点に着床する。
【０１７３】
そして、機体の位置エネルギが最小になると（ステップＳ４６）、機体の床面への着床が完了したことになるので、本処理ルーチン全体を終了する。
【０１７４】
図２１には、脚式移動ロボット１００を肩関節ピッチ軸４、体幹ピッチ軸９、股関節ピッチ軸１２、膝関節ピッチ軸１４などの高さ方向に連結された略平行な複数の関節軸からなるリンク構造体としてモデル化して、各関節ピッチ軸を同期強調的に駆動させて仰向け姿勢に向かって転倒していく動作を示している。
【０１７５】
ロボットは、リンク構造体のリンク端である足底のみで立位しているとする（図２１（１））。
【０１７６】
このとき、外力又は外力モーメントの印加により、ＺＭＰ釣合い方程式のモーメント・エラー項Ｔをキャンセルできなくなり、足底のみで形成するＺＭＰ安定領域の外にＺＭＰが逸脱したことに応答して、ＺＭＰを支持多角形に維持したまま転倒動作を開始する。
【０１７７】
転倒動作では、まず、機体の支持多角形の面積Ｓの時間ｔ当たりの変化量ΔＳ／Δｔを最小にするリンクを探索するとともに、手先を含むリンクで変化量ΔＳ／Δｔを最小にするような手先の目標着床点を探索する。そして、選択されたリンクを目標着床点に着床することが機体ハードウェアの制約上（各関節の可動角、各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度など）、実行可能かどうかを判別する。
【０１７８】
機体ハードウェア上実行可能である場合には、既に着床している足底リンクに加え、他のリンクが着床する。そして、これら着床リンクで形成される最小支持多角形内にＺＭＰを移動する（図２１（２））。
【０１７９】
次いで、機体ハードウェアが許容する限り、着床点を移動して、支持多角形を拡大していく（図２１（３））。
【０１８０】
そして、各関節の可動角、各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度など機体ハードウェアの制約から、もはや着床点を移動することができなくなると、今度は、着床中のリンクに挟まれている離床リンクを着床することができるかどうかを判別する。
【０１８１】
機体ハードウェア上、着床リンク間の離床リンクを着床することが可能である場合には、これらを着床して、着床リンク数を増やす（図２１（４））。
【０１８２】
さらに、機体ハードウェアが許容する限り、着床点を移動して、支持多角形を拡大していく（図２１（５））。
【０１８３】
そして最後に、高さ方向に連結された略平行な複数の関節軸からなるリンク構造体の一端側から１以上のリンクと、他端がわから２以上のリンクを離床させて、且つ、それらの中間に位置するリンクを１以上着床させ、さらに足部を着床させた状態で、ＺＭＰを支持多角形内に維持しながら、支持多角形が最大となる姿勢を形成する。この姿勢において、機体の位置エネルギが最小であれば、転倒動作は完了である。
【０１８４】
図２２には、実機が立位姿勢から仰向け姿勢に転倒していく様子を示している。同図に示す例では、機体の前方から外力を受けて後ろ向きに転倒動作を行なう様子を示しているが、Ａ〜Ｄの４段階に分けて動作状況を捉えることができる。
【０１８５】
（Ａ）転倒前の両脚支持の状態
姿勢制御されている状態であり、すべての関節部位のアクチュエータが図１５に示す周波数特性に設定されている。
【０１８６】
この場合、サーボ制御器の比例ゲインを大きくとって、系全体のゲインを大きくし、低周波数帯域までゲインを取れるようにする。また、周波数特性を同図に示すように高域で位相進み量が小さくなるようにし、速応性にはあまり寄与しないが安定性を保証できるようにする。また、モータの粘性抵抗を大きくし、振動などの外乱にもロバストになるようにする。この結果、機体全体として、位置決め精度を優先して振動などの外乱にもロバストとなる。
【０１８７】
（Ｂ）転倒に至る外力・衝撃を受け、衝撃を最小限にするための転倒動作を開始足首ロール軸、足首ピッチ軸、膝ピッチ軸など位置エネルギ制御に関わる関節部位のアクチュエータを、図１６に示す周波数特性に設定する。また、それ以外の安定領域制御に関わる関節部位のアクチュエータを、図１５に示す周波数特性に維持する。
【０１８８】
足首ロール軸、足首ピッチ軸、膝ピッチ軸など位置エネルギ制御に関わる関節部位では、速応性とコンプライアンスが重要となる。そこで、比例ゲインを小さくして、系全体のゲインを小さくすることで、低周波数帯域のゲインを小さくし、機械的受動性（コンプライアンス）を得易くする。また、周波数特性を同図に示すように中高域で位相進み量が大きくなるようにし、速応性を得るようにする。また、モータの粘性抵抗を小さくし、機械的受動性（コンプライアンス）を得易いようにする。
【０１８９】
（Ｃ）足底が離床し、足底面で請けていた床反力がゼロになる
股関節ピッチ軸など位置エネルギ制御に関わる関節部位のアクチュエータを、さらに図１６に示す周波数特性に設定する。この結果、当該関節部位では機械的受動性（コンプライアンス）と速応性を優先した特性が得られる。また、それ以外の安定領域制御に関わる関節部位のアクチュエータを、図１５に示す周波数特性に維持する。
【０１９０】
（Ｄ）ロボットが背面に着床し、転倒動作が終了
着床と同時に残りすべての関節部位のアクチュエータを図１６に示す周波数特性に設定する。この結果、機体全体として機械的受動性（コンプライアンス）と速応性を優先した特性が得られる。
【０１９１】
アクチュエータの特性を図１５に示すように低域ゲインを大きく、位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくするように設定することで、高精度な位置決めが可能となる。したがって、（Ｂ）及び（Ｃ）の状態のときに、転倒動作を制御する際の規範となるΔＳ／Δｔの量を制御するための主成分となる関節の位置決め精度が確保され、動作の安定性が増す。
【０１９２】
また、アクチュエータの特性を図１６に示すように低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくするように設定することで、該当する関節部位に機械的受動性（コンプライアンス）と速応性を与えることができる。したがって、（Ｂ）及び（Ｃ）の状態のときに、脚が位置エネルギを半利用するような受動的動作を行なうときに、機械的受動性（コンプライアンス）を持ちつつ高い帯域の追従制御を行なうことが可能となる。また、（Ｄ）の状態のときのように着床の瞬間に機械的受動性（コンプライアンス）を持たせることで、ロボット全体が柔らかい系になるため、機体全体に加わる衝撃を緩和することができる。
【０１９３】
また、図２３には、脚式移動ロボット１００が肩関節ピッチ軸４、体幹ピッチ軸９、股関節ピッチ軸１２、膝関節ピッチ軸１４などの高さ方向に連結された略平行な複数の関節軸からなるリンク構造体としてモデル化して、各関節ピッチ軸を同期強調的に駆動させてうつ伏せ姿勢に向かって転倒していく動作を示している。
【０１９４】
ロボットは、リンク構造体のリンク端である足底のみで立位しているとする（図２３（１））。
【０１９５】
このとき、外力又は外力モーメントの印加により、ＺＭＰ釣合い方程式のモーメント・エラー項Ｔをキャンセルできなくなり、足底のみで形成するＺＭＰ安定領域の外にＺＭＰが逸脱したことに応答して、ＺＭＰを支持多角形に維持したまま転倒動作を開始する。
【０１９６】
転倒動作では、まず、機体の支持多角形の面積Ｓの時間ｔ当たりの変化量ΔＳ／Δｔを最小にするリンクを探索するとともに、手先を含むリンクで変化量ΔＳ／Δｔを最小にするような手先の目標着床点を探索する。そして、選択されたリンクを目標着床点に着床することが機体ハードウェアの制約上（各関節の可動角、各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度など）、実行可能かどうかを判別する。
【０１９７】
機体ハードウェア上実行可能である場合には、既に着床している足底リンクに加え、他のリンクが着床する。そして、これら着床リンクで形成される最小支持多角形内にＺＭＰを移動する（図２３（２））。
【０１９８】
次いで、機体ハードウェアが許容する限り、着床点を移動して、支持多角形を拡大していく（図２３（３））。
【０１９９】
そして、各関節の可動角、各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度など機体ハードウェアの制約から、もはや着床点を移動することができなくなると、今度は、着床中のリンクに挟まれている離床リンクを着床することができるかどうかを判別する。
【０２００】
機体ハードウェア上、着床リンク間の離床リンクを着床することが可能である場合には、これらを着床して、着床リンク数を増やす（図２３（４））。
【０２０１】
さらに、機体ハードウェアが許容する限り、着床点を移動して、支持多角形を拡大していく（図２３（５））。
【０２０２】
そして最後に、高さ方向に連結された略平行な複数の関節軸からなるリンク構造体の一端側から１以上のリンクと、他端がわから２以上のリンクを離床させて、且つ、それらの中間に位置するリンクを１以上着床させ、さらに足部を着床させた状態で、ＺＭＰを支持多角形内に維持しながら、支持多角形が最大となる姿勢を形成する。この姿勢において、機体の位置エネルギが最小であれば、転倒動作は完了である。
【０２０３】
図２４には、実機が立位姿勢からうつ伏せ姿勢に転倒していく様子を示している。同図に示す例では、機体の後方から外力を受けて後ろ向きに転倒動作を行なう様子を示しているが、Ａ〜Ｄの４段階に分けて動作状況を捉えることができる。
【０２０４】
（Ａ）転倒前の両脚支持の状態
姿勢制御されている状態であり、すべての関節部位のアクチュエータが図１５に示す周波数特性に設定されている。
【０２０５】
この場合、サーボ制御器の比例ゲインを大きくとって、系全体のゲインを大きくし、低周波数帯域までゲインを取れるようにする。また、周波数特性を同図に示すように高域で位相進み量が小さくなるようにし、速応性にはあまり寄与しないが安定性を保証できるようにする。また、モータの粘性抵抗を大きくし、振動などの外乱にもロバストになるようにする。この結果、機体全体として、位置決め精度を優先して振動などの外乱にもロバストとなる。
【０２０６】
【０２０７】
（Ｂ）転倒に至る外力・衝撃を受け、衝撃を最小限にするための転倒動作を開始足首ロール軸、足首ピッチ軸、膝ピッチ軸、肘ピッチ軸など位置エネルギ制御に関わる関節部位のアクチュエータを、図１６に示す周波数特性に設定する。また、それ以外の安定領域制御に関わる関節部位のアクチュエータを、図１５に示す周波数特性に維持する。
【０２０８】
足首ロール軸、足首ピッチ軸、膝ピッチ軸、肘ピッチ軸など位置エネルギ制御に関わる関節部位では、速応性とコンプライアンスが重要となる。そこで、比例ゲインを小さくして、系全体のゲインを小さくすることで、低周波数帯域のゲインを小さくし、機械的受動性（コンプライアンス）を得易くする。また、周波数特性を同図に示すように中高域で位相進み量が大きくなるようにし、速応性を得るようにする。また、モータの粘性抵抗を小さくし、機械的受動性（コンプライアンス）を得易いようにする。
【０２０９】
（Ｃ）足底が離床し、足底面で請けていた床反力がゼロになる
股関節ピッチ軸、肩ピッチ軸など位置エネルギ制御に関わる関節部位のアクチュエータを、さらに図１６に示す周波数特性に設定する。この結果、当該関節部位では機械的受動性（コンプライアンス）と速応性を優先した特性が得られる。また、それ以外の安定領域制御に関わる関節部位のアクチュエータを、図１５に示す周波数特性に維持する。
【０２１０】
（Ｄ）ロボットが背面に着床し、転倒動作が終了
着床と同時に残りすべての関節部位のアクチュエータを図１６に示す周波数特性に設定する。この結果、機体全体として機械的受動性（コンプライアンス）と速応性を優先した特性が得られる。
【０２１１】
アクチュエータの特性を図１５に示すように低域ゲインを大きく、位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくするように設定することで、高精度な位置決めが可能となる。したがって、（Ｂ）及び（Ｃ）の状態のときに、転倒動作を制御する際の規範となるΔＳ／Δｔの量を制御するための主成分となる関節の位置決め精度が確保され、動作の安定性が増す。
【０２１２】
また、アクチュエータの特性を図１６に示すように低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくするように設定することで、該当する関節部位に機械的受動性（コンプライアンス）と速応性を与えることができる。したがって、（Ｂ）の状態のときに、脚や腕などが位置エネルギを半利用するような受動的動作を行なうときに、機械的受動性（コンプライアンス）を持ちつつ高い帯域の追従制御を行なうことが可能となる。また、（Ｃ）の状態のときに、脚や腕などが着床後も機体を支えつつ動作を行なう場合に、機械的受動性（コンプライアンス）を利用して機体に加わる衝撃を緩和しつつ高い帯域の追従動作を行なうことが可能となる。また、（Ｄ）の状態のときのように着床の瞬間に機械的受動性（コンプライアンス）を持たせることで、ロボット全体が柔らかい系になるため、機体全体に加わる衝撃を緩和することができる。
【０２１３】
［追補］
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。
【０２１４】
本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置であるならば、例えば玩具等のような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。
【０２１５】
また、本明細書中では、モータ・コイルへのコイル電流のスイッチング制御にバイポーラ・トランジスタからなるスイッチング素子を用いて構成される回路例について説明したが、ＭＯＳ−ＦＥＴやその他の半導体素子を用いてこの種の制御回路を実装することができることは、当業者には自明である。
【０２１６】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【０２１７】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、転倒・落下の途上における脚部だけでなく胴体及び腕部を含め機体全体の運動制御によりロボットが被る損害を限りなく軽減することができる、優れた脚式移動ロボットを提供することができる。
【０２１８】
また、本発明によれば、転倒・落下の途上における機体全体の運動時においてアクチュエータそのものの特性とアクチュエータの制御器の特性の２つを動的又は静的に制御することにより安定且つ高効率な動作を実現することができる、優れた脚式移動ロボットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に供される脚式移動ロボットが直立している様子を前方から眺望した様子を示した図である。
【図２】本発明の実施に供される脚式移動ロボットが直立している様子を後方から眺望した様子を示した図である。
【図３】脚式移動ロボットが具備する関節自由度構成を模式的に示した図である。
【図４】脚式移動ロボット１００の制御システム構成を模式的に示した図である。
【図５】アクチュエータのサーボ制御器の構成を示した図である。
【図６】図５に示したモータと減速機の伝達関数表現モデルゲイン及び位相の周波数特性を示した図である。
【図７】図５に示したサーボ制御器において、位相補償型制御の設計例として位相補償帯域を任意に選択する例を説明するための図である。
【図８】図５に示したサーボ制御器において、位相補償型制御の設計例として位相補償を施す量を任意に選択する例を説明するための図である。
【図９】図５に示したサーボ制御器において、Ｋで示した直列補償ゲインの大小を変更する制御器の設計例を説明するための図である。
【図１０】図７に示したように位相補償量が一定で周波数帯域を任意に選ぶようにアクチュエータのサーボ制御器を実装したときの開ループ特性を示した図である。
【図１１】図１０に示したうち高域でのみ位相進み補償を施した例Ｃ（ｓ）−３においてさらに直列補償ゲインの制御を採り入れた様子を示した図である。
【図１２】コイル電流の制御メカニズムを適用したＤＣモータのコイル電流供給用の電流制御回路の等価回路の構成例を示した図である。
【図１３】付加論理回路の具体的な回路構成を示した図である。
【図１４】ＰＷＭ制御により所定のデューティ比を持つＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号が入力されたときの付加論理回路の各トランジスタ制御用信号の出力特性を、コイル電流波形特性及びトルク出力特性とともに示した図である。
【図１５】位置決め精度が重要な部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性を示した図である。
【図１６】速応性とコンプライアンスが重要となる部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性を示した図である。
【図１７】図３に示す多関節自由度構成を具備する脚式移動ロボット１００の多質点近似モデルを示した図である。
【図１８】脚式移動ロボット１００において、ＺＭＰを安定度判別規範に用いて安定歩行可能な機体運動を生成するための処理手順を示したフローチャートである。
【図１９】脚式移動ロボット１００における脚式作業中の機体の動作制御の概略的な処理手順を示したフローチャートである。
【図２０】脚式移動ロボット１００が足部の計画不能により転倒動作を行なうための処理手順を示したフローチャートである。
【図２１】脚式移動ロボット１００を肩関節ピッチ軸４、体幹ピッチ軸９、股関節ピッチ軸１２、膝関節ピッチ軸１４などの高さ方向に連結された略平行な複数の関節軸からなるリンク構造体としてモデル化して、各関節ピッチ軸を同期強調的に駆動させて仰向け姿勢に向かって転倒していく動作を示した図である。
【図２２】実機が立位姿勢から仰向け姿勢に転倒していく様子を示した図である。
【図２３】脚式移動ロボット１００が肩関節ピッチ軸４、体幹ピッチ軸９、股関節ピッチ軸１２、膝関節ピッチ軸１４などの高さ方向に連結された略平行な複数の関節軸からなるリンク構造体としてモデル化して、各関節ピッチ軸を同期強調的に駆動させてうつ伏せ姿勢に向かって転倒していく動作を示した図である。
【図２４】実機が立位姿勢からうつ伏せ姿勢に転倒していく様子を示した図である。
【符号の説明】
１…首関節ヨー軸
２Ａ…第１の首関節ピッチ軸
２Ｂ…第２の首関節（頭）ピッチ軸
３…首関節ロール軸
４…肩関節ピッチ軸
５…肩関節ロール軸
６…上腕ヨー軸
７…肘関節ピッチ軸
８…手首関節ヨー軸
９…体幹ピッチ軸
１０…体幹ロール軸
１１…股関節ヨー軸
１２…股関節ピッチ軸
１３…股関節ロール軸
１４…膝関節ピッチ軸
１５…足首関節ピッチ軸
１６…足首関節ロール軸
３０…頭部ユニット，４０…体幹部ユニット
５０…腕部ユニット，５１…上腕ユニット
５２…肘関節ユニット，５３…前腕ユニット
６０…脚部ユニット，６１…大腿部ユニット
６２…膝関節ユニット，６３…脛部ユニット
８０…制御ユニット，８１…主制御部
８２…周辺回路
９１，９２…接地確認センサ
９３，９４…加速度センサ
９５…姿勢センサ
９６…加速度センサ
１００…脚式移動ロボット
【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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