(57)【要約】      （修正有）【課題】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が持つ特性をそれぞれ動的又は静的に制御して安定且つ高効率な動作を実現する。【解決手段】遊脚が持ち上げられその足底が受ける床反力がゼロとなった段階において、該遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータの特性に対して、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、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ようにする。【選択図】図２０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の可動部を含むロボット装置であって、
前記の可動部を動作させるアクチュエータと、
前記アクチュエータにおける、サーボ制御器のゲイン、位相補償制御、粘性抵抗のうち少なくとも１つの制御を行なうアクチュエータ特性制御手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置。
【請求項２】
前記アクチュエータ特性制御手段は、高精度な位置決め制御又は姿勢の安定性を必要とする可動部を駆動するアクチュエータに対しては、位置決め制御又は姿勢の安定性を必要としない場合と比較して、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、粘性抵抗を大きくする設定を行なう、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項３】
前記アクチュエータ特性制御手段は、機械的受動性と速い応答性を必要とする可動部を駆動するアクチュエータに対しては、機械的受動性と速い応答性を必要としない場合と比較して、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、粘性抵抗を小さくする設定を行なう、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項４】
前記アクチュエータ特性制御手段は、衝撃力を緩和しつつ高い帯域の追従制御を行なうことを必要とする可動部を駆動するアクチュエータに対しては、衝撃力を緩和しつつ高い帯域の追従制御を行なうことを必要としない場合と比較して、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、粘性抵抗を小さくする設定を行なう、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項５】
前記ロボット装置は、複数の可動脚を備えて脚式移動を行なう脚式移動ロボットであり、
前記アクチュエータ特性制御手段は、脚式移動作業の段階毎に、各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、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、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、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項６】
前記アクチュエータ特性制御手段は、歩行動作の段階毎に、各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、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、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、
ことを特徴とする請求項５に記載のロボット装置。
【請求項７】
前記アクチュエータ特性制御手段は、歩行動作を開始する段階において、膝ピッチ軸、足首ロール軸及びピッチ軸、体幹ロール軸、ピッチ軸及びヨー軸、股ロール軸及びピッチ軸、首ピッチ軸におけるアクチュエータの特性に対して、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、粘性抵抗を大きくする設定を行なうとともに、肩ピッチ軸及び肘ピッチ軸におけるアクチュエータの特性に対して、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、粘性抵抗を小さくする設定を行なう、
ことを特徴とする請求項６に記載のロボット装置。
【請求項８】
前記アクチュエータ特性制御手段は、遊脚が持ち上げられその足底が受ける床反力がゼロとなった段階において、該遊脚側の膝ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸における各アクチュエータの特性に対して、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、粘性抵抗を小さくする設定を行なう、
ことを特徴とする請求項６に記載のロボット装置。
【請求項９】
前記アクチュエータ特性制御手段は、遊脚の歩行動作が進行して該遊脚が着床しその足底が受ける床反力が両脚支持期のそれとほぼ同じになった段階において、該遊脚側の膝ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸における各アクチュエータの特性に対して、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、粘性抵抗を大きく設定する、
ことを特徴とする請求項６に記載のロボット装置。
【請求項１０】
前記アクチュエータ特性制御手段は、歩行動作の各段階において、位置決め精度が優先される部位を駆動するため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、粘性抵抗を大きくする第１のアクチュエータ特性に設定する、
ことを特徴とする請求項６に記載のロボット装置。
【請求項１１】
前記アクチュエータ特性制御手段は、歩行動作の各段階において、機械的受動性又は高速応答性が優先される部位を駆動するため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、粘性抵抗を小さくする第２のアクチュエータ特性に設定する、
ことを特徴とする請求項６に記載のロボット装置。
【請求項１２】
前記アクチュエータ特性制御手段は、歩行動作上、前記ロボット装置の着床部位と床面がなすリンク状態が開リンク状態と閉リンク状態との間で切り替わる各段階において、各部位を駆動するためのアクチュエータの特性を、第１のアクチュエータ特性と第２のアクチュエータ特性との間で切り替える、
ことを特徴とする請求項６に記載のロボット装置。
【請求項１３】
前記アクチュエータ特性制御手段は、階段昇降動作の段階毎に、各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、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、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、
ことを特徴とする請求項５に記載のロボット装置。
【請求項１４】
前記アクチュエータ特性制御手段は、階段昇降作業上で階段を昇る又は降りる前の両脚支持の段階において、各部位のアクチュエータの特性に対して、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、粘性抵抗を大きくする第１のアクチュエータ特性への設定を行なう、
ことを特徴とする請求項１３に記載のロボット装置。
【請求項１５】
前記アクチュエータ特性制御手段は、階段昇降作業上で階段を昇る又は降りるために一歩目を踏み出した段階において、遊脚側の膝ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータの特性に対して、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、粘性抵抗を小さくする第２のアクチュエータ特性への設定を行なう、
ことを特徴とする請求項１３に記載のロボット装置。
【請求項１６】
前記アクチュエータ特性制御手段は、階段昇降作業上で階段の一段上又は下に一歩目の足が着床した段階において、各部位のアクチュエータの特性に対して、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、粘性抵抗を大きくする第１のアクチュエータ特性への設定を行なう、
ことを特徴とする請求項１３に記載のロボット装置。
【請求項１７】
前記アクチュエータ特性制御手段は、階段昇降作業上で一段上又は下に着床している足が支持脚となり、支持脚だった２歩目を引き上げた段階において、遊脚側の足首ロール軸及びピッチ軸における各アクチュエータの特性に対して、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、粘性抵抗を小さくする第２のアクチュエータ特性への設定を行なう、
ことを特徴とする請求項１３に記載のロボット装置。
【請求項１８】
前記アクチュエータ特性制御手段は、階段昇降作業上で２歩目が階段の２段上に着床した段階において、各部位のアクチュエータの特性に対して、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、粘性抵抗を大きくする第１のアクチュエータ特性への設定を行なう、
ことを特徴とする請求項１３に記載のロボット装置。
【請求項１９】
前記アクチュエータ特性制御手段は、階段昇降動作の各段階において、位置決め精度が優先される部位を駆動するため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、粘性抵抗を大きくする第１のアクチュエータ特性に設定する、
ことを特徴とする請求項１３に記載のロボット装置。
【請求項２０】
前記アクチュエータ特性制御手段は、階段昇降動作の各段階において、機械的受動性又は高速応答性が優先される部位を駆動するため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、粘性抵抗を小さくする第２のアクチュエータ特性に設定する、
ことを特徴とする請求項１３に記載のロボット装置。
【請求項２１】
前記アクチュエータ特性制御手段は、階段昇降動作上、前記ロボット装置の着床部位と床面がなすリンク状態が開リンク状態と閉リンク状態との間で切り替わる各段階において、各部位を駆動するためのアクチュエータの特性を、第１のアクチュエータ特性と第２のアクチュエータ特性との間で切り替える、
ことを特徴とする請求項１３に記載のロボット装置。
【請求項２２】
前記アクチュエータ特性制御手段は、前記ロボット装置の旋回動作の各段階毎に、各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、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、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、
ことを特徴とする請求項５に記載のロボット装置。
【請求項２３】
前記アクチュエータ特性制御手段は、前記ロボット装置の旋回動作を開始する段階において、各部位のアクチュエータの特性に対して、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、粘性抵抗を大きくする設定を行なう、
ことを特徴とする請求項２２に記載のロボット装置。
【請求項２４】
前記アクチュエータ特性制御手段は、遊脚が持ち上げられその足底が受ける床反力がゼロとなった段階において、該遊脚側の膝ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸における各アクチュエータの特性に対して、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、粘性抵抗を小さくする設定を行なう、
ことを特徴とする請求項２２に記載のロボット装置。
【請求項２５】
前記アクチュエータ特性制御手段は、前記ロボット装置の旋回動作が進行して遊脚が着床しその足底が受ける床反力が両脚支持期のそれとほぼ同じになった段階において、該遊脚側の膝ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸における各アクチュエータの特性に対して、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、粘性抵抗を大きく、
ことを特徴とする請求項２２に記載のロボット装置。
【請求項２６】
前記アクチュエータ特性制御手段は、旋回動作の各段階において、位置決め精度が優先される部位を駆動するため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、粘性抵抗を大きくする第１のアクチュエータ特性に設定する、
ことを特徴とする請求項２２に記載のロボット装置。
【請求項２７】
前記アクチュエータ特性制御手段は、旋回動作の各段階において、機械的受動性又は高速応答性が優先される部位を駆動するため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、粘性抵抗を小さくする第２のアクチュエータ特性に設定する、
ことを特徴とする請求項２２に記載のロボット装置。
【請求項２８】
前記アクチュエータ特性制御手段は、旋回動作上、前記ロボット装置の着床部位と床面がなすリンク状態が開リンク状態と閉リンク状態との間で切り替わる各段階において、各部位を駆動するためのアクチュエータの特性を、第１のアクチュエータ特性と第２のアクチュエータ特性との間で切り替える、
ことを特徴とする請求項２２に記載のロボット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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装置に関する。
【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足歩行のロボット装置に係り、特に、ロボットの歩行を始めとしてさまざまな動作の実行時においてアクチュエータそのものの特性並びにアクチュエータの制御器が持つ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ロボット装置に関する。
【０００３】
また、本発明は、階段の昇降を始めとしてさまざまな動作の実行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サーボ制御器が持つ特性をそれぞれ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。
【０００４】
また、本発明は、機体の旋回を始めとしてさまざまな動作の実行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が持つ特性をそれぞれ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ロボット装置に関する。
【背景技術】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
この種の脚式移動ロボットは、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・モータで実現するようになっている。また、各モータの回転位置、回転量などを取り出して、サーボ制御を行なうことにより、所望の動作パターンを再現するとともに、姿勢制御を行なうようになっている。
【０００９】
多軸駆動系の機械装置においては、各軸の回転位置を高精度に安定に検出して、位置指令により正確に動作させる必要がある。特に、人間型ロボットのような２足直立型の脚式移動ロボットにおいては、機体に電源を投入した直後からロボットは自分の姿勢位置を自律的に確認して、安定な姿勢位置に各軸を移動させる必要がある。したがって、各関節の回転自由度を与えるサーボ・アクチュエータにおいては、より高精度で高速の位置決め制御、並びに高トルク出力を低消費電力で行なわなければならない。
【００１０】
脚式移動ロボットは、基本的には、回転関節で構成される「肢」を複数備えているが、安定した２足歩行や安定した双腕作業など、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切替え動作を高速に行なうことが求められている。
【００１１】
例えば、左右の可動脚による単脚支持期及び両脚支持期を交互に繰り返すことによって、歩行や階段の昇降、機体の旋回、あるいはその他のさまざまな脚式作業を実行することができる。ここで、単脚支持から両脚支持に移行する場合のように、脚式移動ロボットが床面や壁面などとの間で開リンク機構から閉リンク機構に遷移する際には、例えば着床する足先において、制御上の予測値と実測値とのギャップが発生することがしばしばある。
【００１２】
このような予測と実測とのギャップにより、足先が着床すると予測された時点では未だ床面に到達していない「剥離」や、逆に足先が着床すると予測された時点よりも早く床面に到達してしまう「衝突」といった現象を招来する。これら、床面との剥離や衝突は、機体が転倒するなど、脚式移動ロボットの姿勢安定制御に大きな影響を及ぼす。
【００１３】
従来は、肢の先に配設した力センサ情報や、関節を駆動するアクチュエータからのトルク情報などを用いて、ソフトウェアによるフィードバック制御によって、開リンク状態から閉リンク状態への切替え動作を高速に行なうことが試みられてきた。しかしながら、この方法による安定動作の実現は、非現実的と言えるほど、高速なフィードバック周期、高い関節駆動分解能、高い関節駆動速度並びに加速度が要求され、技術的に極めて困難である。
【００１４】
また、２足歩行（人間型）を始めとする多軸型のロボットにおいて、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。
【００１５】
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、と本発明者らは思料する。
【００１６】
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。
【００１７】
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が持つ特性をそれぞれ動的・静的に制御する機能が必要になる。
【００１８】
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ことができる（例えば、特許文献１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。
【００１９】
また、簡易な構成でありながら、階段などを安定して昇降できるとともに、高速に移動することができる移動ロボットの制御装置に関する提案がなされている。この移動ロボットの制御装置は、階段などの着地位置が制約される環境を移動するとき、歩行のある時点、例えば支持脚離床時にのみ目標着地位置と実際着地位置との誤差を検出して歩容を修正するものである（例えば、特許文献２を参照のこと）。しかしながら、これは、階段昇降などのときに着地点の位置情報から次の一歩の歩容生成を行なうものであり、階段昇降時の各関節部位の特性について言及するものではない。
【００２０】
また、各関節の時系列的な動作からなる基本動作ユニット並びに基本動作の組み合わせからなる復号動作ユニットを用いて所定の行動シーケンスを発現する脚式移動ロボットについて提案されている。この場合、ロボットの歩行を含む動作様式を動作単位としての動作ユニットに分類し、１以上の動作ユニットを組み合わせて複雑且つ多彩な機体動作を実現することができる（例えば、特許文献３を参照のこと）。しかしながら、機体の旋回動作時における関節アクチュエータやそのサーボ制御器が発揮すべき特性に関しては特に言及がない。
【００２１】
【特許文献１】特開平７−２０５０６９号公報
【特許文献２】特開平６−６３８７６号公報
【特許文献３】特開２００２−２１０６８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明の目的は、ロボットの歩行を始めとしてさまざまな動作の実行時において、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が持つ特性をそれぞれ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、優れたロボット装置を提供することにある。
【００２３】
本発明のさらなる目的は、階段の昇降動作の実行時において、アクチュエータそのものの特性とアクチュエータのサーボ制御器が持つ特性をそれぞれ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２足歩行のロボット装置を提供することにある。
【００２４】
本発明の目的は、機体の旋回動作の実行時において、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が持つ特性をそれぞれ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、優れたロボット装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、複数の可動部を含むロボット装置であって、
前記の可動部を動作させるアクチュエータと、
前記アクチュエータにおける、サーボ制御器のゲイン、位相補償制御、粘性抵抗のうち少なくとも１つの制御を行なうアクチュエータ特性制御手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置である。ここで言うロボット装置は、例えば脚式移動ロボットのような多関節型のロボット装置のことであり、アクチュエータは、関節駆動用のアクチュエータに相当する。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、あるいは高速応答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。
【００２９】
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。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。
【００３０】
例えば、遊脚にこのようなアクチュエータ特性を適用することで、脚に機械的受動性を与えることができるので、歩行動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。これによって、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用のバッテリの消耗を抑えることができる。
【００３１】
また、前記アクチュエータ特性制御手段は、脚式移動作業の段階毎に、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ようにしてもよい。
【００３２】
例えば、前記アクチュエータ特性制御手段は、歩行動作を開始する段階において、膝関節ピッチ軸、足首ロール軸及びピッチ軸、体幹ロール軸、ピッチ軸及びヨー軸、股関節ロール軸及びピッチ軸、首ピッチ軸の各関節部位のアクチュエータの特性に対して、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い、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。また、肩ピッチ軸及び肘ピッチ軸の各関節のアクチュエータの特性に対して、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い、機械的受動性と速い応答性を持たせるようにする。
【００３３】
また、前記アクチュエータ特性制御手段は、遊脚が持ち上げられその足底が受ける床反力がゼロとなった段階において、該遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータの特性に対して、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、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ようにする。
【００３４】
また、前記アクチュエータ特性制御手段は、遊脚の歩行動作が進行して該遊脚が着床しその足底が受ける床反力が両脚支持期のそれとほぼ同じになった段階において、該遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータの特性に対して、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設定を行なうことで、着床時の遊脚の高精度な位置決め制御を可能にする。
【００３５】
また、肩〜遊脚にこのようなアクチュエータ特性を適用することで、脚に機械的受動性を与えることができるので、歩行動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。これによって、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用のバッテリの消耗を抑えることができる。
【００３６】
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。したがって、歩行動作の各段階において、位置決め精度が優先される各関節を駆動するため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する第１のアクチュエータ特性に設定するとよい。
【００３７】
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。したがって、歩行動作の各段階において、機械的受動性又は高速応答性が優先される各関節を駆動するため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設定するとよい。
【００３８】
前記脚式移動ロボットの機体は、略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結した多リンク構造体で構成される。歩行動作の途上では、この多リンク構造体の着床部位と床面がなすリンク状態が開リンク状態と閉リンク状態との間で数回切り替わる。このようにリンク状態が切り替わる各段階において、各関節を駆動するためのアクチュエータに優先される特性が、位置決め精度、機械的受動性又は高速応答性の間で切り替わるので、これに応じて第１のアクチュエータ特性と第２のアクチュエータ特性との間で切り替えるようにすればよい。
【００３９】
また、前記アクチュエータ特性制御手段は、階段昇降作業上で階段を昇る又は降りる前の両脚支持の段階において、すべての関節部位のアクチュエータの特性に対して、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。
【００４０】
次いで、階段を昇る又は降りるために一歩目を踏み出した段階において、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータの特性に対して、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。
【００４１】
次いで、階段の一段上又は下に一歩目の足が着床した段階において、すべての関節部位のアクチュエータの特性に対して、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。
【００４２】
次いで、一段上又は下に着床している足が支持脚となり、支持脚だった２歩目を引き上げた段階において、遊脚側の足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータの特性に対して、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。
【００４３】
次いで、一段上又は下に着床している足が支持脚となり、支持脚だった２歩目を引き上げた段階において、遊脚側の足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータの特性に対して、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。
【００４４】
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。したがって、階段昇降動作の各段階において、位置決め精度が優先される各関節を駆動するため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する第１のアクチュエータ特性に設定するとよい。
【００４５】
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。したがって、階段昇降動作の各段階において、機械的受動性又は高速応答性が優先される各関節を駆動するため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設定するとよい。
【００４６】
前記脚式移動ロボットの機体は、略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結した多リンク構造体で構成される。階段昇降動作の途上では、この多リンク構造体の着床部位と床面がなすリンク状態が開リンク状態と閉リンク状態との間で数回切り替わる。このようにリンク状態が切り替わる各段階において、各関節を駆動するためのアクチュエータに優先される特性が、位置決め精度、機械的受動性又は高速応答性の間で切り替わるので、これに応じて第１のアクチュエータ特性と第２のアクチュエータ特性との間で切り替えるようにすればよい。
【００４７】
また、前記アクチュエータ特性制御手段は、機体の旋回動作を開始する段階において、機体を構成するすべての関節部位のアクチュエータの特性に対して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い、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。
【００４８】
また、前記アクチュエータ特性制御手段は、遊脚が持ち上げられその足底が受ける床反力がゼロとなった段階において、該遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータの特性に対して、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、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ようにする。
【００４９】
また、前記アクチュエータ特性制御手段は、旋回動作が進行して該遊脚が着床しその足底が受ける床反力が両脚支持期のそれとほぼ同じになった段階において、該遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータの特性に対して、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設定を行なうことで、着床時の遊脚の高精度な位置決め制御を可能にする。
【００５０】
また、遊脚にこのようなアクチュエータ特性を適用することで、脚に機械的受動性を与えることができるので、旋回動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。これによって、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用のバッテリの消耗を抑えることができる。
【００５１】
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。したがって、旋回動作の各段階において、位置決め精度が優先される各関節を駆動するため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する第１のアクチュエータ特性に設定するとよい。
【００５２】
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。したがって、旋回動作の各段階において、機械的受動性又は高速応答性が優先される各関節を駆動するため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設定するとよい。
【００５３】
前記脚式移動ロボットの機体は、略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結した多リンク構造体で構成される。旋回動作の途上では、この多リンク構造体の着床部位と床面がなすリンク状態が開リンク状態と閉リンク状態との間で数回切り替わる。このようにリンク状態が切り替わる各段階において、各関節を駆動するためのアクチュエータに優先される特性が、位置決め精度、機械的受動性又は高速応答性の間で切り替わるので、これに応じて第１のアクチュエータ特性と第２のアクチュエータ特性との間で切り替えるようにすればよい。
【発明の効果】
【００５４】
本発明によれば、ロボットの歩行を始めとしてさまざまな動作の実行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が持つ特性をそれぞれ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、優れたロボット装置を提供することができる。
【００５５】
また、本発明によれば、ロボットの歩行動作の各段階において、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動的に切り替えることによって、歩行動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。その結果、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用電源としてのバッテリの消費量も少なくなる。
【００５６】
また、本発明によれば、階段の昇降動作の各段階において、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動的に切り替えることによって、昇降動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。これによって、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用のバッテリの消耗を抑えることができる。
【００５７】
また、本発明によれば、機体の旋回動作の各段階において、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動的に切り替えることによって、旋回動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。その結果、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用電源としてのバッテリの消費量も少なくなる。
【００５８】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。ここで言う、関節アクチュエータの駆動制御には、関節角の角度位置制御や角速度制御、角加速度の他に、アクチュエータのサーボ・ゲインのコントロール、粘性のコントロールを含むものとする。
【００６３】
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なわれる。すなわち、
【００６４】
（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
【００６５】
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な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。
【００６６】
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を歩行の安定度判別の規範として用いる。すなわち、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なう。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。
【００６７】
図３には、この脚式移動ロボットが具備する関節自由度の構成例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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
左右の股関節を繋ぐ骨盤に相当する腰部付近の部位のことを、「基体」と呼ぶ。基体は、質量操作量が大きいことから、脚式移動ロボットの姿勢安定性制御における重要な制御目標点となる。
【００７３】
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なう制御ユニット８０とで構成される（但し、Ｒ及びＬの各々は、右及び左をそれぞれ示す接尾辞である。以下同様）。
【００７４】
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）やメモリなど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な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。
【００７５】
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に示す例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。
【００７６】
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モータ又はその他のタイプの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。
【００７７】
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が配設されている。
【００７８】
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の各々の自由度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が配設されている。
【００７９】
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の各々の自由度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が配設されている。
【００８０】
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・アクチュエータで構成することができる。この種のＡＣサーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願人に既に譲渡されている特開２０００−２９９９７０号公報（特願平１１−３３３８６号明細書）に開示されている。
【００８１】
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が配設されている。
【００８２】
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すなわち基体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。
【００８３】
また、各脚部６０Ｒ並びに６０Ｌには、接地確認センサ９１及び９２と、加速度センサ９３及び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及び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及び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。
【００８４】
質量操作量が大きな部位である腰部にのみ加速度センサを配置した場合、腰部すなわち基体のみが直接的な制御目標点になり、足部の状態は、この制御目標点の計算結果を基に相対的に算出しなければならず、足部と路面との間では以下の条件を満たすことが、前提となってしまう。
【００８５】
（１）路面はどんな力やトルクが作用しても動くことがない。
（２）路面での並進に対する摩擦係数は充分に大きく、滑りが生じない。
【００８６】
これに対し、本実施形態では、路面との接触部位である足部にＺＭＰと力を直接する反力センサ・システム（床反力センサなど）を配備するとともに、制御に用いるローカル座標とその座標を直接的に計測するための加速度センサを配設する。この結果、ＺＭＰ位置に最も近い足部で直接ＺＭＰ釣合い方程式を組み立てることができ、上述したような前提条件に依存しない、より厳密な姿勢安定制御を高速で実現することができる。この結果、力やトルクが作用すると路面が動いてしまう砂利上や毛足の長い絨毯上や、並進の摩擦係数が充分に確保できずに滑りが生じ易い住居のタイルなどであっても、機体の安定歩行（運動）を保証することができる。
【００８７】
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の各々に対してそれぞれ適応的な制御を行ない、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。
【００８８】
ロボット１００の機体上での全身運動は、足部運動、ＺＭＰ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。ＺＭＰ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、ここで言う「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。
【００８９】
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
脚式移動ロボットの機体を、略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結した多リンク構造体として捉えることができる。歩行動作や、転倒動作、床上姿勢からの起き上がり動作などの各脚式動作の途上では、この多リンク構造体の着床部位と床面がなすリンク状態が開リンク状態と閉リンク状態との間で数回切り替わる。
【００９０】
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。このような閉リンク状態と開リンク状態の高速切替え動作は、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する一方、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ことにより実現し、ロボットのデザインを最適化することができる。
【００９１】
また、動作期間中におけるリンク状態の切り替わりに対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、それを制御することで、動的閉合誤差を除去するための受動自由度を得ることができる。
【００９２】
本実施形態では、後者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。
【００９３】
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についての伝達関数表現モデルのゲイン及び位相の周波数特性を示している。
【００９４】
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。
【００９５】
【数１】
2005153119.tif 000003
【００９６】
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。
【００９７】
【数２】
2005153119.tif 000004
【００９８】
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、
【００９９】
（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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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、
【０１０３】
（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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
（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。これによって、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・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。この場合、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。この場合、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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
これらをまとめると、まず、アクチュエータの位置制御系の開ループ特性に対し、図１２に示すように、全体で高いゲインとし、高域で位相進み量を小さくするような特性に設定することにより、支持脚などの位置精度が必要な部位や関節を硬くして、コンプライアンスをなくすことができる。
【０１１５】
これに対し、アクチュエータの位置制御系の開ループ特性に対し、図１３に示すように、低域で低ゲインとし、高域で位相進み量を大きくするような特性に設定することにより、遊脚などの位置精度よりも拘束応答が必要な関節部位や、関節にコンプライアンスが必要なときに適合した特性を得ることができる。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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、さらに、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。
【０１２５】
図１４には、コイル電流の制御メカニズムを適用したＤＣモータにおけるコイル電流供給用の電流制御回路の等価回路についての構成例を示している。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
本実施形態では、さらにＰＷＭ制御論理回路が出力する各トランジスタＡ及びＡ'、並びＢ及びＢ'のオン／オフ動作を制御する制御信号を付加論理により切り替える付加論理回路が配設されている。
【０１３０】
付加論理回路は、ＰＷＭ制御論理回路から出力されるＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号に基づいて、ＰＷＭ制御論理回路が出力する信号Ａ0及びＡ0'、並びにＢ0及びＢ0'のオン／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１５には、付加論理回路の具体的な回路構成を示している。
【０１３１】
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Ｂ'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制御信号の反転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。
【０１３２】
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Ｂ0'をハイ、Ａ0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Ｂ1'をローに転じて、コイルの短絡状態を形成する。
【０１３３】
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。
【０１３４】
図１６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についての出力特性を、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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。したがって、モータ・コイルが非通電時に短絡状態となることにより、モータ・コイルに通電された電流（厳密には電荷）が抜けてしまうことがなくなり、トルクのロスがなくなる。また、コギングによるトルクむらの影響を受けにくくなる。
【０１３８】
コイル通電及び非通電を繰り返したときの上昇傾向は、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。
【０１３９】
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。一方、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。
【０１４０】
そこで、ＰＷＭ制御論理回路は、付加論理回路に入力するＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号をＰＷＭ制御することにより、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を制御する。
【０１４１】
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をＰＷＭ制御した場合、そのコイル電流の特性は、コイル非通電時にコイルをオープン状態にしたときのコイル電流の過渡応答特性とコイルを短絡状態にしたときにおけるコイル電流の過渡応答特性の特性がデューティ比に応じて混合されたものとなる。
【０１４２】
図１７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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
また、上述したように、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。その制御の関係を図１８に示している。同図において、粘性抵抗は、粘性係数［ｍＮ−ｍ・ｓ／ｒａｄ］と動作時の回転角速度［ｒａｄ／ｓ］の積で表される。
【０１４９】
図１８中Ａで示される領域では、モータ特性上で最大となる粘性係数に相当し、図示の例では０．９ｍＮ−ｍ・ｓ／ｒａｄである。この領域にアクチュエータ特性を設定すると、関節の粘性が大きくなる。この結果、コンプライアンスは得られなくなるが、外部からの振動などの外乱に対してロバストな制御特性を実現することができる。
【０１５０】
一方、図１８中Ｂで示される領域は、モータ特性上の最大値に対し３分の１以下となる粘性係数に相当し、図示の例では０．１５ｍＮ−ｍ・ｓ／ｒａｄである。この領域にアクチュエータ特性を設定すると、関節の粘性が小さくなる。この結果、外乱に対して弱くなるが、機械的受動性（コンプライアンス）を得ることができる。
【０１５１】
なお、コンプライアンスを得るための領域Ｂとしては、基本的にはモータ特性上の最大値以下であればよいが、図示の通り、０．３〜０．８ｍＮ−ｍ・ｓ／ｒａｄ辺りの傾きが急峻な部分では温度などの環境変化の影響を受け易く、コントロールが難しくなる。このため、上述したようにモータ特性上の最大値に対し３分の１以下で傾きが緩やかとなる領域を機械的受動性領域に設定することが妥当であると思料され、また本発明者らによる実験により立証されている。
【０１５２】
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。
【０１５３】
Ｄ．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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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、あるいは高速応答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。
【０１５６】
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は、図１２に示した通りである。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、高速応答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。
【０１５７】
また、高速応答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は、図１３に示した通りである。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、高速応答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）と高速応答性を優先した特性である。
【０１５８】
図１〜図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。すなわち、ロボットは、２脚２腕を有する人間型ロボットである。本ロボットは、機体に四肢が取り付けられ、首ロール軸、第１及び第２の首ピッチ軸、首ヨー軸という４自由度からなる頭部と、肩関節ピッチ軸、肩関節ロール軸、肩関節ヨー軸、肘関節ピッチ軸という少なくとも４自由度からなる左右の腕部と、体幹ロール軸及び体幹ピッチ軸という２自由度からなる体幹部と、股関節ヨー軸、股関節ロール軸、股関節ピッチ軸、膝ピッチ軸、足首ピッチ軸、足首ロール軸という少なくとも６自由度からなる左右の脚部で構成されている。
【０１５９】
これらの各関節自由度は、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・位相補償特性の制御例について、以下に詳解する。
【０１６０】
（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。
【０１６１】
（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、中高域で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。
【０１６２】
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。
【０１６３】
（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。
【０１６４】
（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。
【０１６５】
（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、中高域で位相進み量を大きく設定する。
【０１６６】
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。
【０１６７】
（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、中高域で位相進み量を大きく設定する。
【０１６８】
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。
【０１６９】
Ｅ．歩行動作時におけるロボットの関節各部位のアクチュエータ特性の配置例
上述したように、各関節アクチュエータのサーボ制御器が持つ特性並びにアクチュエータ自体の特性をそれぞれ制御することによって、以下に述べるような結果を得ることができる。
【０１７０】
すなわち、図１２に示したアクチュエータ特性のように、「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」するとともに、図１８Ａに示したように「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。一方、図１３に示したアクチュエータ特性のように、「低域ゲインを小さく」、「位相進み量を大きく」するとともに、図１８Ｂに示したように「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。
【０１７１】
例えば、遊脚に図１３に示すアクチュエータ特性を適用することで、脚に機械的受動性を与えることができるので、歩行動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。これによって、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用のバッテリの消耗を抑えることができる。
【０１７２】
ここで、ロボットが歩行動作を行なうときの各関節部位におけるアクチュエータの制御器並びにアクチュエータ自体の特性の配置について、図１９を参照しながら説明する。
【０１７３】
ロボットが歩行動作を行なうとき、首ピッチ軸、体幹ロール軸、体幹ピッチ軸、体幹ヨー軸、股関節ロール及びピッチ軸、並びに、支持脚側となる膝ピッチ軸や足首ロール及びピッチ軸の各関節部位において、高い位置決め精度が要求される。
【０１７４】
したがって、これらの関節部位のアクチュエータにおいて、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、周波数特性を図１２に示すように高域で位相進み量が小さくなるようにし、高速応答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、図１８Ａに示すように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。
【０１７５】
一方、肩ピッチ軸、肘ピッチ軸や、歩行動作中に遊脚側となる膝ピッチ軸や足首ロール及びピッチ軸の各関節部位において、高速応答性とコンプライアンスが重要となる。
【０１７６】
そこで、これらの関節部位のアクチュエータにおいて、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（位相補償特性）を図１３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、高速応答性を得るようにする。また、図１８Ｂに示すように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。
【０１７７】
肩〜遊脚に図１３に示すようなアクチュエータの制御器が持つ特性及びアクチュエータ自体の特性を適用することで、腕や脚に機械的受動性（コンプライアンス）を得ることができる。これによって、歩行動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。その結果、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用電源としてのバッテリの消費量も少なくなる。
【０１７８】
図２０には、ロボットが歩行動作を行なうときの各関節部位のアクチュエータ特性を切り替え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。
【０１７９】
まず、膝ピッチ軸や足首ロール及びピッチ軸の各関節部位を構成する関節部位のアクチュエータに対して、図１２に示すような、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、且つ図１８Ａに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう。また、肩ピッチ軸、肘ピッチ軸の各関節部位を構成する関節部位のアクチュエータに対して、図１３に示すような、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、体幹ロール軸、体幹ピッチ軸、体幹ヨー軸、股関節ロール及びピッチ軸、並びに、首第１の首ピッチ軸の各関節部位を構成する関節部位のアクチュエータに対して、図１２に示すような、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、図１８Ａに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう。（ステップＳ１）。
【０１８０】
次いで、片脚を持ち上げる動作を実行する（ステップＳ２）。
【０１８１】
ここで、持ち上げる方の脚の足底で受ける床反力が０になったときには（ステップＳ３）、支持脚は遊脚を支持して歩行動作を行なう（ステップＳ４）。
【０１８２】
また、遊脚側では、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図１３に示すような、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、且つ図１８Ｂに示すように関節の粘性抵抗を小さくする設定を行なう（ステップＳ５）。
【０１８３】
次いで、遊脚としての歩行動作を実行し（ステップＳ６）、さらにその着床動作を実行する（ステップＳ７）。
【０１８４】
ここで、足底で検知する床反力の値が両脚支持期の値の近傍になったとき（ステップＳ８）、遊脚の着床動作を完了する（ステップＳ９）。
【０１８５】
そして、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図１２に示すような、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、且つ図１８Ａに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう（ステップＳ１０）。
【０１８６】
歩行動作をこのまま継続する場合には（ステップＳ１１）、遊脚を支持脚に、支持脚を遊脚に切り替え（ステップＳ１２）、ステップＳ２に戻り、上記と同様の処理を繰り返し実行する。
【０１８７】
一方、歩行動作をこれで終了する場合には（ステップＳ１１）、本処理ルーチン全体を終了する。
【０１８８】
脚式移動ロボットの機体は、略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結した多リンク構造体で構成されるが、歩行動作の途上では、この多リンク構造体の着床部位と床面がなすリンク状態が開リンク状態と閉リンク状態との間で切り替わる。図２１には、立ち姿勢時において、両脚支持により両脚と床面とで閉リンク系を構成している様子を示している。また、図２２には、立ち姿勢時において、単脚支持により両脚と床面で開リンクを構成している様子を示している。
【０１８９】
本実施形態では、歩行動作の段階毎に、リンク状態の切り替わりに応じて、該当する関節アクチュエータの特性を、硬い関節特性、柔らかい関節特性、その中間の関節特性に適宜切り替えることにより、適応的な転倒動作を実現する。ここで、硬い関節特性は、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ中高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定することと定義する。また、中間の関節特性は、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定することと定義する。また、柔らかい関節特性は、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ｂに示すモータ特性の最大値の３分の１に設定することと定義する。
【０１９０】
図２３〜図２８には、ロボットが歩行動作を行なう様子を示している。各図に示す例では、Ａ〜Ｆの６段階に分けて動作状況を捉えることができる。
【０１９１】
（Ａ）両脚支持期
両脚支持の状態では、下肢と床面で閉リンク系を構成している（図２３を参照のこと）。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）から両脚支持を確認することができる。
【０１９２】
このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、左右の支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。
【０１９３】
また、左右の肩ピッチや肘ピッチ、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。
【０１９４】
（Ｂ）離床瞬間
例えば、左足が前方に踏み込んだ両脚支持に続いて、後方の右足で地面を蹴り上げて、右脚が離床を開始する。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）から離床瞬間を確認することができる。この状態では、機体（脚・体幹・腕部）と床面で開リンク系を構成している（図２４を参照のこと）。
【０１９５】
このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。
【０１９６】
また、左右の肩ピッチや肘ピッチ、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。
【０１９７】
（Ｃ）単脚支持期（持ち上げ時）
後方の脚の離床に続いて、これを持ち上げるという単脚支持期の前半の動作を行なう。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）で、単脚支持期に移行したことを確認することができる。この状態では、機体(脚・体幹・腕部)と床面で開リンク系を構成している（図２５を参照のこと）。
【０１９８】
支持脚となる左脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。
【０１９９】
また、遊脚となる右脚の腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性にし、遊脚の持ち上げ動作を実行可能にする。
【０２００】
また、左右の肩ピッチ、肘ピッチなどの上肢の各関節アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、柔らかい関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ｂに示すモータ特性の最大値の３分の１に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して姿勢安定化のための協調動作を可能にしつつ、腕振り動作時に位置エネルギーや運動エネルギーを利用し易くする。
【０２０１】
また、遊脚である右脚の足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータも柔らかいアクチュエータ特性にし、着床時の衝撃に備える。
【０２０２】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。
【０２０３】
（Ｄ）単脚支持期（振り下ろし時）
後方の脚を持ち上げる単脚支持の前期に続いて、持ち上げた足を前方に振り出しさらにこれを振り下ろすという単脚支持期の後半の動作を行なう。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）で、単脚支持の後半に移行したことを確認することができる。この状態では、機体（脚・体幹・腕部）と床面で開リンク系を構成している（図２６を参照のこと）。
【０２０４】
支持脚となる左脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性に維持し、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。
【０２０５】
また、遊脚となる右脚の腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性にし、遊脚の振り下ろし動作を実行可能にする。
【０２０６】
また、遊脚となる右脚の膝ピッチ、足首ロール、足首ピッチなど着床にかかわる各関節アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性に設定する。すなわち、柔らかい関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ｂに示すモータ特性の最大値の３分の１に設定し、コンプライアンスを与え、着床時の衝撃に備える。
【０２０７】
また、左右の肩ピッチ、肘ピッチなどの上肢の各関節アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、柔らかい関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ｂに示すモータ特性の最大値の３分の１に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して姿勢安定化のための協調動作を可能にしつつ、腕振り動作時に位置エネルギーや運動エネルギーを利用し易くする。
【０２０８】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。
【０２０９】
（Ｅ）着床瞬間
単脚支持に続いて、振り下ろした遊脚が床面に着床する。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）で、着床瞬間を確認することができる。下肢が床面に対して閉リンク系を構成する（図２７を参照のこと）。
【０２１０】
支持脚である左脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性に維持し、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。
【０２１１】
また、遊脚となる右脚の腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性にし、遊脚の着床動作を実行可能にする。
【０２１２】
また、遊脚となる右脚の膝ピッチ、足首ロール、足首ピッチなど着床にかかわる各関節アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性に設定する。すなわち、柔らかい関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ｂに示すモータ特性の最大値の３分の１に設定し、コンプライアンスを与え、着床時の衝撃を吸収する。
【０２１３】
また、左右の肩ピッチ、肘ピッチなどの上肢の各関節アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、柔らかい関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ｂに示すモータ特性の最大値の３分の１に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して姿勢安定化のための協調動作を可能にしつつ、腕振り動作時に位置エネルギーや運動エネルギーを利用し易くする。
【０２１４】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。
【０２１５】
（Ｆ）両脚支持
遊脚が着床すると、左右の脚が入れ替わった状態で、両脚支持期に戻る。この状態では、下肢と床面で閉リンク系を構成している（図２８を参照のこと）。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）から両脚支持を確認することができる。
【０２１６】
このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。
【０２１７】
また、左右の肩ピッチや肘ピッチ、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。
【０２１８】
歩行動作を継続する場合には、（Ａ）〜（Ｆ）の姿勢を繰り返し実行する。
【０２１９】
Ｆ．階段昇降時におけるロボットの関節各部位のアクチュエータ特性の配置例
この項では、階段昇降時におけるロボットの各関節部位のアクチュエータ特性の制御方法について説明する。
【０２２０】
脚式移動ロボットの機体は、略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結した多リンク構造体で構成されるが、階段昇降動作の途上では、この多リンク構造体の着床部位と床面がなすリンク状態が開リンク状態と閉リンク状態との間で切り替わる。
【０２２１】
本実施形態では、階段昇降動作の段階毎に、リンク状態の切り替わりに応じて、各関節を駆動するためのアクチュエータを、硬い関節特性、柔らかい関節特性、その中間の関節特性に適宜切り替えることにより、適応的な転倒動作を実現する。
【０２２２】
Ｆ−１．階段を昇る動作
まず、ロボットが階段を昇る動作を行なうときの各関節部位におけるアクチュエータの制御器及びアクチュエータ自体の特性の配置について、図２９〜図３４を参照しながら説明する。各図に示す例では、Ａ〜Ｆの６段階に分けて動作状況を捉えることができる。
【０２２３】
（Ａ）両脚支持期
両脚支持の状態では、下肢と床面で閉リンク系を構成している（図２９を参照のこと）。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）から両脚支持を確認することができる。
【０２２４】
このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、左右の支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。
【０２２５】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。
【０２２６】
（Ｂ）離床瞬間
例えば、右足が一段上に踏み込んだ両脚支持に続いて、後方の左脚が一段下から離床を開始する。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）から離床瞬間を確認することができる。この状態では、機体全体で閉リンク系から開リンク系へ移行し、機体（脚・体幹・腕部）と床面で開リンク系を構成している（図３０を参照のこと）。
【０２２７】
このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、左右の支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。
【０２２８】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。
【０２２９】
（Ｃ）単脚支持期（持ち上げ時）
後方の左脚の離床に続いて、これを持ち上げるという単脚支持期の前半の動作を行なう。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）で、単脚支持期に移行したことを確認することができる。この状態では、機体（脚・体幹・腕部）と床面で開リンク系を構成している（図３１を参照のこと）。
【０２３０】
支持脚となる右脚のすべての関節アクチュエータと遊脚となる左脚の腿ロールを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。
【０２３１】
また、遊脚となる左脚の腿ピッチ、膝ピッチを中間のアクチュエータ特性に維持し、遊脚の持ち上げ動作を実行可能にする。
【０２３２】
また、遊脚である左脚の足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ｂに示すモータ特性の最大値の３分の１に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して、着床時の衝撃に備える。
【０２３３】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。
【０２３４】
（Ｄ）単脚支持期（振り下ろし時）
後方の左脚を持ち上げる単脚支持の前期に続いて、持ち上げた左足を振り出しさらに一段上に降ろすという単脚支持期の後半の動作を行なう。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）で、単脚支持の後半に移行したことを確認することができる。この状態では、機体（脚・体幹・腕部）と床面で開リンク系を構成している機体（脚・体幹・腕部）と床面で開リンク系を構成している（図３２を参照のこと）。
【０２３５】
支持脚となる右脚のすべての関節アクチュエータと遊脚となる左脚の腿ロールを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ中高域における位相進み量を小さく、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に維持する。この結果、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。
【０２３６】
また、遊脚となる左脚の腿ピッチを中間のアクチュエータ特性に維持し、遊脚の振り下ろし動作を実行可能にする。
【０２３７】
また、遊脚である左脚の膝ピッチ、足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ｂに示すモータ特性の最大値の３分の１に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して、着床時の衝撃に備える。
【０２３８】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。
【０２３９】
（Ｅ）着床瞬間
単脚支持に続いて、振り下ろした遊脚が一段上の床面に着床する。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）で、着床瞬間を確認することができる。下肢が床面に対して閉リンク系を構成する（図３３を参照のこと）。
【０２４０】
支持脚となる右脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さく、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に維持する。この結果、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。
【０２４１】
また、遊脚となる左脚の腿ロール及び腿ピッチを中間のアクチュエータ特性に維持し、遊脚の振り下ろし動作を実行可能にする。
【０２４２】
また、遊脚である左脚の膝ピッチ、足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きく、モータの粘性を図１８Ｂに示すモータ特性の最大値の３分の１に維持し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して、着床時の衝撃を吸収する。
【０２４３】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。
【０２４４】
（Ｆ）両脚支持
遊脚が着床すると、左右の脚が入れ替わった状態で、両脚支持期に戻る。この状態では、下肢と床面で閉リンク系を構成している（図３４を参照のこと）。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）から両脚支持を確認することができる。
【０２４５】
このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、支持脚は高速応答が可能になるとともに、コンプライアンスを得る。また、モータの粘性が高くなる。
【０２４６】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。
【０２４７】
階段を昇る動作を継続する場合には、（Ａ）〜（Ｆ）の姿勢を繰り返し実行する。
【０２４８】
図３５には、階段を昇るときのロボットの各関節部位のアクチュエータ特性を切り替え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。
【０２４９】
まず、機体を構成するすべての関節部位のアクチュエータに対して、図１２に示すような、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するとともに、図１８Ａに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう（ステップＳ２１）。
【０２５０】
次いで、片脚を持ち上げる動作を実行する（ステップＳ２２）。
【０２５１】
ここで、持ち上げる方の脚の足底で受ける床反力が０になったときには（ステップＳ２３）、支持脚は遊脚を支持する動作を行なう（ステップＳ２４）。
【０２５２】
また、遊脚側では、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図１３に示すような、低域ゲインを小さく、中高域の位相進み量を大きくするとともに、図１８Ｂに示すように関節の粘性抵抗を小さくする設定を行なう（ステップＳ２５）。
【０２５３】
次いで、遊脚を一段上の階段の床面へ進める動作を実行し（ステップＳ２６）、さらにその着床動作を実行する（ステップＳ２７）。
【０２５４】
ここで、足底で検知する床反力の値と方向が両脚支持期の値の近傍になったとき（ステップＳ２８）、遊脚の着床動作を完了する（ステップＳ２９）。そして、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図１２に示すような、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するとともに、図１８Ａに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう（ステップＳ３０）。
【０２５５】
階段を昇る動作をこのまま継続する場合には（ステップＳ３１）、遊脚を支持脚に、支持脚を遊脚に切り替え（ステップＳ３２）、ステップＳ２２に戻り、上記と同様の処理を繰り返し実行する。
【０２５６】
一方、階段を昇る動作をこれで終了する場合には（ステップＳ３１）、支持脚だった足が遊脚となり、一段上の階段床面に進める（ステップＳ３３）。このとき、遊脚だった脚の足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図１２に示すような、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するとともに、図１８Ａに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう。そして、遊脚だった脚は支持脚となり、遊脚を支持する動作を行なう。
【０２５７】
次いで、遊脚の着床動作を実行する（ステップＳ３４）。このとき、支持脚は遊脚を指示する動作を行なう。
【０２５８】
次いで、遊脚の足底で検知する床反力の値と方向が両脚支持期の値の近傍になると（ステップＳ３５）、遊脚の着床動作を完了する（ステップＳ３６）。このとき、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図１２に示すような、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するとともに、図１８Ａに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう。この結果、両脚が揃い、両脚支持となり、階段昇り動作を完了することができる。
【０２５９】
Ｆ−２．階段を降りる動作
続いて、ロボットが階段を降りるときの各関節部位におけるアクチュエータが持つ制御器及びアクチュエータ自体の特性の配置について、図３６〜図４１を参照しながら説明する。各図に示す例では、Ａ〜Ｆの６段階に分けて動作状況を捉えることができる。
【０２６０】
（Ａ）両脚支持期
両脚支持の状態では、下肢と床面で閉リンク系を構成している（図３６を参照のこと）。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）から両脚支持を確認することができる。
【０２６１】
このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、左右の支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。
【０２６２】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。
【０２６３】
（Ｂ）離床瞬間
例えば、左足が一段下に踏み込んだ両脚支持に続いて、後方の右脚が一段上から離床を開始する。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）から離床瞬間を確認することができる。この状態では、機体全体で閉リンク系から開リンク系へ移行し、機体(脚・体幹・腕部)と床面で開リンク系を構成している（図３７を参照のこと）。
【０２６４】
このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、左右の支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。
【０２６５】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。
【０２６６】
（Ｃ）単脚支持期（持ち上げ時）
後方の右脚の離床に続いて、これを持ち上げるという単脚支持期の前半の動作を行なう。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）で、単脚支持期に移行したことを確認することができる。この状態では、機体(脚・体幹・腕部)と床面で開リンク系を構成している（図３８を参照のこと）。
【０２６７】
支持脚となる左脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。
【０２６８】
また、遊脚となる右脚の腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性にし、遊脚の持ち上げ動作を実行可能にする。また、右脚の膝ピッチを中間のアクチュエータ特性に維持する。
【０２６９】
また、遊脚である右脚の足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ｂに示すモータ特性の最大値の３分の１に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して、着床時の衝撃に備える。
【０２７０】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。
【０２７１】
（Ｄ）単脚支持期（振り下ろし時）
後方の右脚を持ち上げる単脚支持の前期に続いて、持ち上げた右脚をさらに一段下に降ろすという単脚支持期の後半の動作を行なう。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）で、単脚支持の後半に移行したことを確認することができる。この状態では、機体(脚・体幹・腕部)と床面で開リンク系を構成している（図３９を参照のこと）。
【０２７２】
支持脚となる左脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さく、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に維持する。この結果、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。
【０２７３】
また、遊脚となる右脚の腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性にし、遊脚の振り下ろし動作を実行可能にする。
【０２７４】
また、遊脚である右脚の膝ピッチ、足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ｂに示すモータ特性の最大値の３分の１に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して、着床時の衝撃に備える。
【０２７５】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。
【０２７６】
（Ｅ）着床瞬間
単脚支持に続いて、振り下ろした遊脚が一段下の床面に着床する。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）で、着床瞬間を確認することができる。下肢が床面に対して閉リンク系を構成する（図４０を参照のこと）。
【０２７７】
支持脚となる左脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さく、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に維持する。この結果、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。
【０２７８】
また、遊脚となる右脚の腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性にし、遊脚の着床動作を実行可能にする。
【０２７９】
また、遊脚である右脚の膝ピッチ、足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きく、モータの粘性を図１８Ｂに示すモータ特性の最大値の３分の１に維持し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して、着床時の衝撃を吸収する。
【０２８０】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。
【０２８１】
（Ｆ）両脚支持
遊脚が着床すると、左右の脚が入れ替わった状態で、両脚支持期に戻る。この状態では、下肢と床面で閉リンク系を構成している（図４１を参照のこと）。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）から両脚支持を確認することができる。
【０２８２】
このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。
【０２８３】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。
【０２８４】
階段を降りる動作を継続する場合には、（Ａ）〜（Ｆ）の姿勢を繰り返し実行する。
【０２８５】
図４２には、階段を昇るときのロボットの各関節部位のアクチュエータ特性を切り替え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。
【０２８６】
まず、機体を構成するすべての関節部位のアクチュエータに対して、図１２に示すような、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するとともに、図１８Ａに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう（ステップＳ４１）。
【０２８７】
次いで、片脚を持ち上げる動作を実行する（ステップＳ４２）。
【０２８８】
ここで、持ち上げる方の脚の足底で受ける床反力が０になったときには（ステップＳ４３）、支持脚は遊脚を支持する動作を行なう（ステップＳ４４）。
【０２８９】
また、遊脚側では、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図１３に示すような、低域ゲインを小さく、中高域で位相進み量を大きくするとともに、図１８Ｂに示すように関節の粘性抵抗を小さくする設定を行なう（ステップＳ４５）。
【０２９０】
次いで、遊脚を一段下の階段の床面へ進める動作を実行し（ステップＳ４６）、さらにその着床動作を実行する（ステップＳ４７）。
【０２９１】
ここで、足底で検知する床反力の値と方向が両脚支持期の値の近傍になったとき（ステップＳ４８）、遊脚の着床動作を完了する（ステップＳ４９）。そして、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図１２に示すような、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するとともに、図１８Ａに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう（ステップＳ５０）。
【０２９２】
階段を降りる動作をこのまま継続する場合には（ステップＳ５１）、遊脚を支持脚に、支持脚を遊脚に切り替え（ステップＳ５２）、ステップＳ４２に戻り、上記と同様の処理を繰り返し実行する。
【０２９３】
一方、階段を降りる動作をこれで終了する場合には（ステップＳ５１）、支持脚だった足が遊脚となり、一段上の階段床面に進める（ステップＳ５３）。このとき、遊脚だった脚の足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図１２に示すような、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するとともに、図１８Ａに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう。そして、遊脚だった脚は支持脚となり、遊脚を支持する動作を行なう。
【０２９４】
次いで、遊脚の着床動作を実行する（ステップＳ５４）。このとき、支持脚は遊脚を指示する動作を行なう。
【０２９５】
次いで、遊脚の足底で検知する床反力の値と方向が両脚支持期の値の近傍になると（ステップＳ５５）、遊脚の着床動作を完了する（ステップＳ５６）。このとき、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図１２に示すように、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するとともに、図１８Ａに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう。この結果、両脚が揃い、両脚支持となり、階段降り動作を完了することができる。
【０２９６】
Ｇ．旋回時におけるロボットの関節各部位のアクチュエータ特性の配置例
この項では、機体の旋回時におけるロボットの各関節部位のアクチュエータ特性の制御方法について説明する。
【０２９７】
脚式移動ロボットの機体は、略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結した多リンク構造体で構成されるが、階段昇降動作の途上では、この多リンク構造体の着床部位と床面がなすリンク状態が開リンク状態と閉リンク状態との間で切り替わる。
【０２９８】
本実施形態では、機体の旋回動作の段階毎に、リンク状態の切り替わりに応じて、各関節を駆動するためのアクチュエータを、硬い関節特性、柔らかい関節特性、その中間の関節特性に適宜切り替えることにより、適応的な転倒動作を実現する。
【０２９９】
ここで、機体が旋回するときのロボットの各関節部位におけるアクチュエータが持つ制御器及びアクチュエータ自体の特性の配置について、図４３を参照しながら説明する。
【０３００】
機体が旋回するとき、首ピッチ軸、肩ピッチ軸、肘ピッチ軸、体幹ロール軸、体幹ピッチ軸、体幹ヨー軸、股関節ロール及びピッチ軸、並びに、支持脚側となる膝ピッチ軸や足首ロール及びピッチ軸の各関節部位において、高い位置決め精度が要求される。
【０３０１】
したがって、これらの関節部位のアクチュエータにおいて、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、周波数特性を図１２に示すように高域で位相進み量が小さくなるようにし、高速応答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、図１８Ａに示すように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。
【０３０２】
一方、機体の旋回時において、遊脚側となる膝ピッチ軸や足首ロール及びピッチ軸の各関節部位において、高速応答性とコンプライアンスが重要となる。
【０３０３】
そこで、これらの関節部位のアクチュエータにおいて、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（位相補償特性）を図１３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、高速応答性を得るようにする。また、図１８Ｂに示すように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。
【０３０４】
遊脚に図１３に示すようなアクチュエータの制御器が持つ特性及びアクチュエータ自体の特性を適用することで、腕や脚に機械的受動性（コンプライアンス）を得ることができる。これによって、旋回動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。その結果、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用電源としてのバッテリの消費量も少なくなる。
【０３０５】
続いて、ロボットが旋回する動作を行なうときの各関節部位におけるアクチュエータが持つ制御器及びアクチュエータ自体の特性の配置について、図４４〜図５１を参照しながら説明する。各図に示す例では、Ａ〜Ｈの８段階に分けて動作状況を捉えることができる。
【０３０６】
（Ａ）両脚支持期
両脚支持の状態では、下肢と床面で閉リンク系を構成している（図４４を参照のこと）。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）から両脚支持を確認することができる。
【０３０７】
このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、左右の支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。
【０３０８】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。
【０３０９】
（Ｂ）単脚支持期（持ち上げ時）
右脚を持ち上げるという単脚支持期の前半の動作を行なう。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）で、単脚支持期に移行したことを確認することができる。この状態では、機体（脚・体幹・腕部）と床面で開リンク系を構成している（図４５を参照のこと）。
【０３１０】
支持脚となる左脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さく、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、支持脚としての左脚は、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、旋回時の回転軸として機体を支持することが可能となる。
【０３１１】
また、遊脚となる右脚の腿ヨー、腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性に設定し、遊脚の持ち上げ動作を実行可能にする。
【０３１２】
また、遊脚である右脚の膝ピッチ、足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ｂに示すモータ特性の最大値の３分の１に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。
【０３１３】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。
【０３１４】
（Ｃ）単脚支持期
右脚を持ち上げる単脚支持の前期に続いて、支持脚である左脚を回転軸にして持ち上げた右脚を旋回させるという単脚支持期の後半の動作を行なう。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）で、単脚支持の後半に移行したことを確認することができる。この状態では、機体（脚・体幹・腕部）と床面で開リンク系を構成している（図４６を参照のこと）。
【０３１５】
支持脚となる左脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さく、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に維持する。この結果、旋回時の回転軸として左脚の位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。
【０３１６】
また、遊脚となる右脚の腿ヨー、腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性に設定し、左脚を回転軸とした遊脚の旋回動作を実行可能にする。
【０３１７】
また、遊脚である右脚の膝ピッチ、足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ｂに示すモータ特性の最大値の３分の１に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。
【０３１８】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。
【０３１９】
（Ｄ）両脚支持
旋回動作が終わり遊脚としての右脚が着床すると、左右の脚が入れ替わった状態で、両脚支持期に戻る。この状態では、下肢と床面で閉リンク系を構成している（図４７を参照のこと）。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）から両脚支持を確認することができる。
【０３２０】
このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、左右の支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。
【０３２１】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。
【０３２２】
（Ｅ）単脚支持期（持ち上げ時）
今度は、左脚を持ち上げるという単脚支持期の前半の動作を行なう。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）で、単脚支持期に移行したことを確認することができる。この状態では、機体（脚・体幹・腕部）と床面で開リンク系を構成している（図４８を参照のこと）。
【０３２３】
支持脚となる右脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さく、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、支持脚としての右脚は、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、旋回時の回転軸として機体を支持することが可能となる。
【０３２４】
また、遊脚となる左脚の腿ヨー、腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性に設定し、遊脚の持ち上げ動作を実行可能にする。
【０３２５】
また、遊脚である左脚の足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ｂに示すモータ特性の最大値の３分の１に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して、右脚回りの旋回動作に順応させる。
【０３２６】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。
【０３２７】
（Ｆ）単脚支持期
左脚を持ち上げる単脚支持の前期に続いて、支持脚である右脚を回転軸にして持ち上げた左脚を旋回させる。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）で、単脚支持の後半に移行したことを確認することができる。この状態では、機体（脚・体幹・腕部）と床面で開リンク系を構成している（図４９を参照のこと）。
【０３２８】
支持脚となる右脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さく、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に維持する。この結果、旋回時の回転軸として右脚の位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。
【０３２９】
また、遊脚となる左脚の腿ヨー、腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性に設定し、右脚を回転軸とした遊脚の旋回動作を実行可能にする。
【０３３０】
また、遊脚である左脚の足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ｂに示すモータ特性の最大値の３分の１に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。
【０３３１】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。
【０３３２】
（Ｇ）単脚支持期
支持脚である右脚を回転軸にして持ち上げた左脚を旋回させる動作を継続して、単脚支持期の後半の動作を行なう。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）で、単脚支持の後半に移行したことを確認することができる。この状態では、機体(脚・体幹・腕部)と床面で開リンク系を構成している（図５０を参照のこと）。
【０３３３】
支持脚となる右脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さく、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に維持する。この結果、旋回時の回転軸として右脚の位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。
【０３３４】
また、遊脚となる左脚の腿ヨー、腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性に設定し、右脚を回転軸とした遊脚の旋回動作を継続可能にする。
【０３３５】
また、遊脚である左脚の足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ｂに示すモータ特性の最大値の３分の１に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して、右脚回りの旋回動作に順応させる。
【０３３６】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。
【０３３７】
（Ｈ）両脚支持
旋回動作が終わり遊脚としての右脚が着床すると、両脚支持期に戻る。この状態では、下肢と床面で閉リンク系を構成している（図５１を参照のこと）。自身の関節角度情報、足底の力センサ（又は接触センサ）、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態（各軸の速度・加速度）から両脚支持を確認することができる。
【０３３８】
このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１３に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、左右の支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。
【０３３９】
また、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図１２に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図１８Ａに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。
【０３４０】
図５２には、機体が旋回するときのロボットの各関節部位のアクチュエータ特性を切り替え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。
【０３４１】
まず、機体を構成するすべての関節部位のアクチュエータに対して、図１２に示すように、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、且つ図１８Ａに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう。（ステップＳ６１）。
【０３４２】
次いで、片脚を持ち上げる動作を実行する（ステップＳ６２）。
【０３４３】
ここで、持ち上げる方の脚の足底で受ける床反力が０になったときには（ステップＳ６３）、支持脚は遊脚を支持して機体の旋回動作を行なう（ステップＳ６４）。
【０３４４】
また、遊脚側では、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図１３に示すように、低域ゲインを小さく、中高域で位相進み量を大きく、且つ、図１８Ｂに示すように関節の粘性抵抗を小さくする設定を行なう（ステップＳ６５）。
【０３４５】
次いで、遊脚としての旋回動作を実行し（ステップＳ６６）、さらにその着床動作を実行する（ステップＳ６７）。
【０３４６】
ここで、足底で検知する床反力の値が両脚支持期の値の近傍になったとき（ステップＳ６８）、遊脚の着床動作を完了する（ステップＳ６９）。
【０３４７】
そして、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図１２に示すように、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、且つ、図１８Ａに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう（ステップＳ７０）。
【０３４８】
旋回動作をこのまま継続する場合には（ステップＳ７１）、遊脚を支持脚に、支持脚を遊脚に切り替え（ステップＳ７２）、ステップＳ６２に戻り、上記と同様の処理を繰り返し実行する。
【０３４９】
一方、旋回動作をこれで終了する場合には（ステップＳ７１）、本処理ルーチン全体を終了する。
【産業上の利用可能性】
【０３５０】
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。
【０３５１】
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な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。
【０３５２】
本明細書中では、ロボットの関節駆動用のアクチュエータとしてモータ・アクチュエータを中心にして説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。関節角を直接駆動する回転軸を持ったモータ・アクチュエータ以外に、筋肉のように関節を接続するリンクの距離の伸縮によって関節を駆動するタイプのアクチュエータであっても、同様にサーボ・ゲインのコントロール並びに粘性のコントロールにより、本発明の効果を好適に奏することができる。後者の関節駆動アクチュエータとして、例えば形状記憶合金アクチュエータや、流体アクチュエータ、高分子アクチュエータなどを挙げることができる。
【０３５３】
また、本明細書中では、モータ・アクチュエータの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。
【０３５４】
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。
【図面の簡単な説明】
【０３５５】
【図１】図１は、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】図２は、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】図３は、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】図４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た図である。
【図５】図５は、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６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た図である。
【図７】図７は、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８は、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９は、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１０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た図である。
【図１１】図１１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た図である。
【図１２】図１２は、アクチュエータの位置制御系の開ループ特性に対し、全体で高いゲインとし、高域で位相進み量を小さくするような特性に設定した例を示した図である。
【図１３】図１３は、アクチュエータの位置制御系の開ループ特性に対し、低域で低ゲインとし、高域で位相進み量を大きくするような特性に設定した例を示した図である。
【図１４】図１４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た図である。
【図１５】図１５は、付加論理回路の具体的な回路構成を示した図である。
【図１６】図１６は、ハイ・レベルの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１７】図１７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た図である。
【図１８】図１８は、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制御領域の関係を示した図である。
【図１９】図１９は、ロボットが歩行動作を行なうときの各関節部位におけるアクチュエータの制御器及びアクチュエータ自体の特性の配置を説明するための図である。
【図２０】図２０は、ロボットが歩行動作を行なうときの各関節部位のアクチュエータ特性を切り替えるための処理手順を示したフローチャートである。
【図２１】図２２は、立ち姿勢時において、両脚支持により両脚と床面とで閉リンク系を構成している様子を示した図である。
【図２２】図２２は、立ち姿勢時において、単脚支持により両脚と床面で開リンクを構成している様子を示した図である。
【図２３】図２３は、ロボットが歩行動作を行なう過程を示した図である。
【図２４】図２４は、ロボットが歩行動作を行なう過程を示した図である。
【図２５】図２５は、ロボットが歩行動作を行なう過程を示した図である。
【図２６】図２６は、ロボットが歩行動作を行なう過程を示した図である。
【図２７】図２７は、ロボットが歩行動作を行なう過程を示した図である。
【図２８】図２８は、ロボットが歩行動作を行なう過程を示した図である。
【図２９】図２９は、ロボットが階段を昇る動作を行なう過程を示した図である。
【図３０】図３０は、ロボットが階段を昇る動作を行なう過程を示した図である。
【図３１】図３１は、ロボットが階段を昇る動作を行なう過程を示した図である。
【図３２】図３２は、ロボットが階段を昇る動作を行なう過程を示した図である。
【図３３】図３３は、ロボットが階段を昇る動作を行なう過程を示した図である。
【図３４】図３４は、ロボットが階段を昇る動作を行なう過程を示した図である。
【図３５】図３５は、階段を昇るときのロボットの各関節部位のアクチュエータ特性を切り替えるための処理手順を示したフローチャートである。
【図３６】図３６は、ロボットが階段を降りる動作を行なう過程を示した図である。
【図３７】図３７は、ロボットが階段を降りる動作を行なう過程を示した図である。
【図３８】図３８は、ロボットが階段を降りる動作を行なう過程を示した図である。
【図３９】図３９は、ロボットが階段を降りる動作を行なう過程を示した図である。
【図４０】図４０は、ロボットが階段を降りる動作を行なう過程を示した図である。
【図４１】図４１は、ロボットが階段を降りる動作を行なう過程を示した図である。
【図４２】図４２は、階段を降りるときのロボットの各関節部位のアクチュエータ特性を切り替えるための処理手順を示したフローチャートである。
【図４３】図４３は、機体が旋回するときのロボットの各関節部位におけるアクチュエータが持つ制御器及びアクチュエータ自体の特性の配置を説明するための図である。
【図４４】図４４は、ロボットが旋回する動作を行なう過程を示した図である。
【図４５】図４５は、ロボットが旋回する動作を行なう過程を示した図である。
【図４６】図４６は、ロボットが旋回する動作を行なう過程を示した図である。
【図４７】図４７は、ロボットが旋回する動作を行なう過程を示した図である。
【図４８】図４８は、ロボットが旋回する動作を行なう過程を示した図である。
【図４９】図４９は、ロボットが旋回する動作を行なう過程を示した図である。
【図５０】図５０は、ロボットが旋回する動作を行なう過程を示した図である。
【図５１】図５１は、ロボットが旋回する動作を行なう過程を示した図である。
【図５２】図５２は、機体が旋回するときのロボットの各関節部位のアクチュエータ特性を切り替えるための処理手順を示したフローチャートである。
【符号の説明】
【０３５６】
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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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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