(57)【要約】【課題】  サーボ制御系の動作による能動的な制御要素に加えて受動的若しくは非線形な制御要素により可動脚やその他の関節部の駆動を制御する。【解決手段】  ロボットの可動部は、可動部は、能動的な制御要素と受動的な制御要素の組み合わせからなる複合的な制御系で構成される。サーボ・モータで構成される能動的制御要素は、地表面の予期せぬ凹凸や、移動面に固定されていない障害物などを踏んだりした場合の、高い周波数の力（変位）が加わることになり、適応困難である。これらの外乱入力に対しまず受動的な機構制御系が適応し、その後、能動的なサーボ制御系が追従していく。【選択図】  図１
2005161415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の可動部を備えたロボット装置であって、
少なくとも１つの可動部は、
能動的な制御要素と受動的な制御要素の組み合わせからなる複合的な制御系と、
前記複合的制御系における各制御要素からの制御量の混合比を決定する混合比制御手段と、
を備えることを特徴とするロボット装置。
【請求項２】
前記能動的な制御要素は、サーボ制御系により構成される、
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３】
前記能動的な制御要素は、ばね及びダンパ、若しくはその他の機構要素により構成される、
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４】
前記能動的な制御要素は前記可動部の通常の動作状態において動作し、前記受動的な制御要素は過大な入力が発生した緊急的な動作状態において動作する、
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５】
前記能動的な制御要素は比較的低い周波数帯域において動作し、前記受動的な制御要素は比較的高い周波数帯域において動作する、
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】
前記能動的な制御要素は比較的低い負荷荷重レベルにおいて動作し、前記受動的な制御要素は比較的高い負荷荷重レベルにおいて動作する、
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７】
前記受動的な制御要素は比較的低い周波数、又は比較的低い負荷荷重レベルにおいても動作する、
ことを特徴とする請求項５又は６のいずれかに記載のロボット装置。
【請求項８】
前記混合比制御手段は、比較的高い周波数帯域での応答が求められる局面において前記受動的な制御要素の混合比を高め、比較的低い周波数帯域での応答で十分となる局面に移行するにつれ前記能動的な制御要素の混合比を高めていく、
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９】
前記混合比制御手段は、比較的高い負荷荷重レベルがかけられている局面において前記受動的な制御要素の混合比を高め、負荷荷重レベルが低下するにつれ前記能動的な制御要素の混合比を高めていく、
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１０】
前記混合比制御手段は、比較的高い周波数帯域での応答が求められ、若しくは比較的高い負荷荷重レベルがかけられている緊急的な局面において前記受動的な制御要素の混合比を高め、所定の整定期間内に前記能動的な制御要素の混合比が高い状態に回復させる、
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１１】
前記受動的な制御要素は前記能動的な制御要素と前記可動部の出力系の間に直列的に配設されている、
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１２】
前記混合比制御手段は、前記受動的な制御要素の作動をオン／オフする切り替え器で構成される、
ことを特徴とする請求項１１に記載のロボット装置。
【請求項１３】
ロボットのための制御装置であって、
能動的な制御要素と受動的な制御要素の組み合わせからなる複合的な制御系と、
前記複合的制御系における各制御要素からの制御量の混合比を決定する混合比制御手段と、
を備えることを特徴とするロボットのための制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも複数本の可動脚を備えた脚式移動ロボットに係り、特に、複数の制御要素により可動脚やその他の関節部の駆動を制御する脚式移動ロボットに関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、サーボ制御系の動作による能動的な制御要素に加えて受動的若しくは非線形な制御要素により可動脚やその他の関節部の駆動を制御する脚式移動ロボットに係り、特に、外部環境の変化などに応じて各制御要素の混合比を任意に設定する脚式移動ロボットに関する。
【背景技術】
【０００３】
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。
【０００４】
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。最近では、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。ヒトの動作をモデルにした脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、若しくは「人間型」のロボット（ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ）と呼ぶ。
【０００５】
２足直立による脚式移動は、クローラ式や、４足又は６足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。
【０００６】
２足の脚式移動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」と定義される。機体の転倒は、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。また、転倒によって、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。このため、転倒を回避するための姿勢安定制御は、脚式移動ロボットの開発上、最も重要な課題の一つに位置付けられている。
【０００７】
直立歩行を行なうロボットは基本姿勢としての通常の直立姿勢がそもそも不安定である。多くの場合、脚式移動ロボットの姿勢安定制御には、ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）が歩行の安定度判別の規範として用いられている。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が存在する（例えば、非特許文献１を参照のこと）。
【０００８】
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】
ところで、脚式移動ロボットのような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。例えば、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】
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という能動的な制御が一般的である。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すなわち受動的な制御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。
【００１１】
自動車などさまざまな移動機構など、動的な機構を制御する際、受動的な制御又は能動的な制御がかけられる。
【００１２】
前者の受動的な制御は、ばねやダンパ、その他の機械要素などを中心にして、主に制振や振動絶縁に用いられ、その設計とチューニングにより、特性を変化させるものである。なお、各物理定数を変化させるための機能を与えたものも、便宜上こちらに含むものとする。
【００１３】
また、後者の能動的な制御は、アクチュエータを付与して、エネルギを加えることで、対象とする応答又は動作を作り出すことができる。受動的制御に比べ、外乱を抑え込むのみならず、モーションを積極的に作り出すという効果や作用もあるので、より高性能であると言える。
【００１４】
具体例を挙げると、自動車などの車両の多くは受動的制御を行ない、補助的に能動的制御を取り入れている。これに対し、ロボットにおいては、前述したように、ほとんどにおいて能動的制御を採用し、多くの成果を得てきている。
【００１５】
ロボットの性能は向上し、従来できなかったような動作も可能になってきているが、その動きは、生物に比べるとずっと穏やかなものに留まっているのが現状である。次世代のロボットに求められる動作や性能は、走行や跳躍といった高速でダイナミックなものとなる。これらは既存のロボット制御の概念だけでは対応しきれない。
【００１６】
一見すると、能動的な制御を行なえば、動的な機械システムは高性能を得ることができると言える。豊富なセンサ群を利用した予見的制御を行なうことで、さらに性能を向上することが可能である。
【００１７】
ロボットを始めとする多軸機械装置では、ＤＣサーボ・モータあるいはＡＣサーボ・モータが主として用いることで能動的な制御を実現している。ところが、この種の制御系の応答帯域は１０数Ｈｚ程度までされており、これ以上の帯域でコントローラ側がコマンドを発行してもアクチュエータなどの制御対象は追従できないという事態が発生する。自ら応答できないということは、外乱によってモータが変位しても適応不可能であることを意味する。すなわち、サーボ系には動作速度に自ずと限界があり、しかも、その限界が決して高い値ではない。
【００１８】
サーボ系の基本的な特性の１つであり、対象とするものが時間応答主体であっても、充分に検討されなければならない。図１４には、理想的なアクチュエータを用いたときの単純サーボ応答特性を示している。図示のように、通常、周波数が上がるにつれ、次第に適応できなくなっているが、この応答曲線も重要である。図１５には、ある帯域から急激に落ち込むような応答特性を例示しているが、この場合も同様に良い特性は得られないと思料される。特に２足直立歩行などの脚式移動機械の場合、ある帯域から追従できなくなった場合、その時点で転倒につながる可能性が高く、その損害は課題である。
【００１９】
また、路面を歩行する脚式移動ロボットの場合、例えば足平などに力（トルク）制御をかけることで、路面適応性を向上させることができる。しかしながら、力制御は、即応性と安定性が相反するという性質があることから、実際には応答が遅く、しかも抵抗の大きな制御系とせざるを得ない。
【００２０】
また、力制御と関連して、コンプライアンス制御をおこなうこともかんがえられる。これは、サーボ系のインピーダンスによって制御システムを特徴付けるものである。コンプライアンスを適切に決定すると脚式移動機構の性能は著しく向上するが、コンプライアンスの大きさのみならず、その過渡（時間）応答、周波数帯域分布などを如何に設定するかが重要な課題である。しかしながら、一般的なモータ・アクチュエータで構成されるサーボ系では、制御性がよいと言われながらも、制御帯域を考慮すると現実には適応できないことが多い。
【００２１】
制御系を設計する際、非線形要素はその特性を不明瞭にするものであるから避ける方が好ましいと思料される。ある制御系に対し、コンプライアンスを持った要素を付加すると、一般には制御性能が低下する。
【００２２】
例えば、ワイヤ駆動系において、中間にコンプライアンス要素を付加した機構系を備えた腱制御について考案されている（例えば、非特許文献２を参照のこと）。この場合、サーポ系の適切な制御により、コンプライアンスを考慮した制御を可能としていることが特徴的であり、研究面から成果を出している。図１６には、その概念図を示している。しかしながら、以下のような難点があるため、その可能性に反して実機への搭載が進んでいないのが現状である。
【００２３】
（１）ワイヤという製造上扱いにくい機構を有している点（組立性，実装スペース）
（２）制御則が複雑でありしかも完全性が補償しきれない点
（３）調整などの運用面が用意ではなく量産品には不向きである点
【００２４】
図１６からも分かるように、駆動系にばね要素をそのまま配設しているため、必要な位置（姿勢）に精度よく制御することはなかなか難しい。
【００２５】
また、外力に適応するためにトルク・リミッタを取り入れる場合がある。トルク・リミッタには、作動を開始するとほとんどトルクを伝達しなくなるものと、予定したトルクで駆動を継続するものが挙げられる。図１７には、後者の例を示している（例えば、非特許文献３を参照のこと）。この種のトルク・リミッタは、ばねを調整することで伝達トルクを調整でき，過負荷がかかってしまった際にも、出力側はトルクを発生し続けることが可能である。しかしながら、以下に示すような難点があるため、通常使用でこの機構を作動させ続けることは適切でないと思料される。
【００２６】
（１）ワイヤという製造上扱いにくい機構を有している点
（２）動作するときは，異常状態であることが前提の機構構成である点
【００２７】
【非特許文献１】ヴコブラトビッチ（Ｍｉｏｍｉｒ Ｖｕｋｏｂｒａｔｏｖｉｃ）著「脚式移動ロボット（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））
【非特許文献２】大鐘大介、兵藤和人、小林博明著「非線形ばね要素を持つ７自由度腱制御アーム機構と制御」（日本ロボット学会，ｖｏｌ．１４，ｎｏ．８，ｐｐ．１１５２−１１５９， １９９６）
【非特許文献３】Ｓｈｉｇｅｏ Ｈｉｒｏｓｅ、Ｒｉｃｈａｒｄ Ｃｈｕ共著“ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａＬｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ Ｔｏｒｑｕｅ Ｌｉｍｉｔｉｎｇ Ｍ−Ｄｒｉｖｅ Ａｃｔｕａｔｏｒ ｆｏｒ Ｈｙｐｅｒ−Ｒｅｄｕｎｄａｎｔ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ Ｆｌｏａｔ Ａｒｍ”（ＩＣＲＡ １９９９，ｐｐ．２８３１−２８３６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
本発明の目的は、複数の制御要素により可動脚やその他の関節部の駆動を制御する、優れた脚式移動ロボットを提供することにある。
【００２９】
本発明のさらなる目的は、サーボ制御系の動作による能動的な制御要素に加えて受動的若しくは非線形な制御要素により可動脚やその他の関節部の駆動を制御する、優れた脚式移動ロボットを提供することにある。
【００３０】
本発明のさらなる目的は、外部環境の変化などに応じて各制御要素の混合比を任意に設定することができる、優れた脚式移動ロボットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、複数の可動部を備えたロボット装置であって、
少なくとも１つの可動部は、
能動的な制御要素と受動的な制御要素の組み合わせからなる複合的な制御系と、
前記複合的制御系における各制御要素からの制御量の混合比を決定する混合比制御手段と、
を備えることを特徴とするロボット装置である。
【００３２】
ここで、前記能動的な制御要素は、サーボ制御系により構成される。また、前記能動的な制御要素は、ばね及びダンパ、若しくはその他の機構要素により構成される。
【００３３】
前記能動的な制御要素は前記可動部の通常の動作状態において動作し、前記受動的な制御要素は過大な入力が発生した緊急的な動作状態において動作する。
【００３４】
あるいは、前記能動的な制御要素は比較的低い周波数帯域において動作し、前記受動的な制御要素は比較的高い周波数帯域において動作する。
【００３５】
あるいは、前記能動的な制御要素は比較的低い負荷荷重レベルにおいて動作し、前記受動的な制御要素は比較的高い負荷荷重レベルにおいて動作する。
【００３６】
また、前記受動的な制御要素は比較的低い周波数、又は比較的低い負荷荷重レベルにおいても動作するようにしてもよい。
【００３７】
また、前記混合比制御手段は、比較的高い周波数帯域での応答が求められる局面において前記受動的な制御要素の混合比を高め、比較的低い周波数帯域での応答で十分となる局面に移行するにつれ前記能動的な制御要素の混合比を高めていく。
【００３８】
あるいは、前記混合比制御手段は、比較的高い負荷荷重レベルがかけられている局面において前記受動的な制御要素の混合比を高め、負荷荷重レベルが低下するにつれ前記能動的な制御要素の混合比を高めていく。
【００３９】
そして、前記混合比制御手段は、比較的高い周波数帯域での応答が求められ、若しくは比較的高い負荷荷重レベルがかけられている緊急的な局面において前記受動的な制御要素の混合比を高め、所定の整定期間内に前記能動的な制御要素の混合比が高い状態に回復させるようにする。
【００４０】
また。前記受動的な制御要素は、例えば、前記能動的な制御要素と前記可動部の出力系の間に直列的に配設されて構成される。このような場合、前記混合比制御手段は、前記受動的な制御要素の作動をオン／オフする切り替え器で構成することができる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、サーボ制御系の動作による能動的な制御要素に加えて受動的若しくは非線形な制御要素により可動脚やその他の関節部の駆動を制御する、優れた脚式移動ロボットを提供することができる。
【００４２】
また、本発明によれば、外部環境の変化などに応じて各制御要素の混合比を任意に設定することができる、優れた脚式移動ロボットを提供することができる。
【００４３】
本発明によれば、過大な外乱や急峻な外乱といった能動的なサーボ制御系が不得意としている状況下では、受動的な制御を行なう機構系が作動するようになっているので、従来は対応することができなかった場面でも、動作を追従させることが可能となる。
【００４４】
脚式歩行機械では、従来、歩行速度を落とす、あるいはかなりの危険回避を講じた行動をとらざるを得なかった。これに対し、本発明に係る混合制御系を導入することで以下のような効果を得ることができる。
【００４５】
（１）予期せぬ外乱に対する適応性
脚式歩行機械の可動部はモータで駆動していることから、応答速度の限界だけではなく、内部機構の摩擦その他の抵抗があるため、外乱に対して適応することが困難な場合がある。こうした外乱は、地表面の予期せぬ（センシング誤差も含む）凹凸や、移動面に固定されていない障害物などを踏んだりした場合のものに相当し、その挙動は速い。言い換えれば、高い周波数の力（変位）が加わることになり、サーボ系のみでは明らかに追従できなくなる。本発明によれば、これらの外乱入力に対しまず受動的な機構制御系が適応し、その後、能動的なサーボ制御系が追従していく。
【００４６】
図１には、外乱入力に対しまず受動的な機構制御系が適応し、その後、能動的なサーボ制御系が追従していく手順を示している。また、図２には、外乱入力に対しまず受動的な機構制御系が適応し、その後、能動的なサーボ制御系が追従していくときの応答特性を示している。図２に示すように、外乱が発生した直後は、可動部に対する制御量のうち受動的な機構系機能による配分が急激に高まるが、その後、能動的なサーボ制御系機能による配分が過渡的に高まり、整定期間内に適応が完了する。
【００４７】
（２）制御系の安定性が確保できる点
通常のサーボ系で適応能力を上げるには、感度を上げることが有効である。ところが、力制御を伴う場合は不安定性を回避するため、それほどゲインは上げないようにし、コンプライアンスなどは大きめになる。この結果、これらのバランスをとるべく高感度のセンサ、摩擦の少ない高精度なアクチュエータと減速機構，調整が要求されるため、現実的なコストで実現するのはなかなか困難である。これに対し、本発明によれば、容易に制御系の性能を高めることができ、特に繊細な調整にさほど注力しなくとも良好な特性を得ることができる。
【００４８】
本発明に係る、能動的な制御要素と受動的な制御要素を組み合わせで構成される制御系は、可動物機械装置全般に適用することができるが、とりわけ脚式移動機械の場合、著しい発明の効果を奏することができる。具体的には、移動できる路面の選択の幅が拡がり、転倒の危険も減少する。また、万一機体が転倒する際も、適応できる可能性が増すため、機体や衝突物の破壊の危険性が減少する。
【００４９】
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】
【００５０】
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。
【００５１】
図３には、本発明の実施に供される２脚２腕を有する人間型ロボットの自由度構成を示している。
【００５２】
本実施形態に係るロボットは、基底（又は基体）Ｂから放射状に回転ジョイントを介して開リンク鎖が連なる構造をなし、７自由度を持つ腕部と、６自由度を持つ足部と、３自由度を持つ腰部と、２自由度を持つ頭部とで構成される。
【００５３】
基底Ｂは、左右の股関節位置を結ぶ線と体幹ヨー軸との交点で定義される。脚部は、基底Ｂに接続され、股関節３自由度（ヨー・ロール・ピッチ）、膝関節１自由度（ピッチ）、足首関節２自由度（ピッチ・ロール）で構成される。腰部は、３自由度（ピッチ・ロール・ヨー）で構成され、基底Ｂと胸部Ｃを接続する．腕部は、胸部Ｃに接続され、肩関節３自由度（ピッチ・ロール・ヨー）、肘関節２自由度（ピッチ・ヨー）、手首関節２自由度（ロール・ピッチ）で構成される。頭部は、胸部Ｃに接続され、首関節２自由度（パン・チルト）で構成される。
【００５４】
図示のロボットは、腰部位置に重心が設定されており、姿勢安定制御の重要な制御対象点であるとともに、装置の「基体」を構成する。
【００５５】
基体には、加速度センサＡ１及びジャイロＧ１が取り付けられている。また、左右の足底の四隅には足底面垂直方向の床反力を検出する１軸ロードセル（Ｆ１〜Ｆ８）と、床面までの距離を測定する赤外線測距センサ（Ｄ１〜Ｄ８）がそれぞれ４つ取り付けられている。また、左右の足底中央部には、それぞれ加速度センサ（Ａ２、Ａ３）及びジャイロ（Ｇ２、Ｇ３）が取り付けられている。
【００５６】
本実施形態に係る脚式移動ロボットは、可動脚を始め、可動部における１以上の関節アクチュエータには、能動的な制御要素と受動的な制御要素が取り入れられている。受動的な制御は、ばねやダンパ、その他の機械要素などを中心にして、主に制振や振動絶縁に用いられ、その設計とチューニングにより、特性を変化させるものである。また、能動的な制御要素は、ＤＣサーボ・モータやＡＣサーボ・モータなどのサーボ制御系により実現され、アクチュエータにエネルギを加えることで、対象とする応答又は動作を作り出すことができる。受動的制御に比べ、外乱を抑え込むのみならず、モーションを積極的に作り出すという効果や作用もある。
【００５７】
本実施形態に係る制御系構成の特長は以下に示す通りである。
【００５８】
（１）制御の中心はアクチュエータと処理系から成る能動的なサーボ制御系が中心
（２）低い周波数帯域では能動的なサーボ制御系、高い周波数帯域では受動的な機構制御系が主として担当
（３）受動的な機構制御系は過大な入力など緊急時用意味合いが強い
（４）受動的な機構制御系のみが作用するのではなく、能動的な制御系に加わる形となる
（５）通常時、受動的な制御要素が全く作用しない訳ではない
【００５９】
以下では、外乱として外力がロボットの機体に印加された場合を例にとって、本実施形態に係る混合制御系の動作特性について考察する。歩行する場合、脚には力が働くので、その大きさに対するサーボ制御系と機構制御系の役割分担について詳解する。
【００６０】
（１）周波数帯域に応じた能動的制御要素と受動的制御要素の住み分け
能動的な制御を行なえば、動的な機械システムは高性能を得ることができる反面、応答帯域は１０数Ｈｚ程度までされており、これ以上の帯域でコントローラ側がコマンドを発行してもアクチュエータなどの制御対象は追従できないという事態が発生する。そこで、本実施形態では、能動的な制御系が取り扱うことができない周波数以上の高い帯域では、受動的な制御系も動作している（図４を参照のこと）。
【００６１】
（２）過大入力に対する保護機能
能動的なサーボ制御系は、過大な外乱や急峻な外乱などへの適応を不得手としているため、受動的な機構制御系による保護機能が望まれている。図５には、過大な入力に対して受動的な機構制御系が能動的なサーボ制御系を保護している様子を示している。同図に示すように、入力される力が所定値を超える過大入力領域では、受動的な機構制御系が作動している。
【００６２】
（３）機能住み分けの分布的特性
図４及び図５に示した例では、それぞれ周波数帯域、負荷荷重レベルに応じて能動的制御系と受動的制御系の住み分けを実現しているが、これが必ずしもよい訳ではなく、任意のものによって分布を設定することが好ましい。
【００６３】
図６には、能動的制御系と受動的制御系の住み分けの境界領域に、周波数に依存した特性を与え、系の安定性を確保している。この場合、両制御系間の境界領域は、周波数と系に対する負荷荷重の大きさの関数となっている。
【００６４】
また、図７には、能動的制御系と受動的制御系の住み分けの境界領域に、周波数に依存した特性を与え、系の安定性を確保している他の例を示している。この場合も、両制御系間の境界領域は、周波数と系に対する負荷荷重の大きさの関数となっているが、周波数成分と負荷荷重を成分とする原点からの距離が所定の半径を超えると、受動的制御系が作動し、能動的制御系に対する保護機能が発揮される。図８には、両制御系間の境界領域を立体的に図解している。
【００６５】
図７に示したような応答特性の場合、閾値を境に急激に応答特性が切り替わることは問題を起こす可能性がある。そこで、受動的制御系が作動を開始する境界部を設け、次第に受動的な機構制御機能が支配的になってゆく分布が有効であると考えられる。
【００６６】
図９には、受動的制御系が作動を開始する境界部を設けている様子を示している。同図に示すように、境界部は、同心円状で受動的制御系の混合率が異なる複数の境界領域で構成され、原点から遠ざかるにつれて受動的制御系の混合率が徐々に高まっている。このような場合、能動的制御系が動作していたところ、外力の大きさと周波数の増大とともに、受動的制御系が徐々に動作を開始していくという制御作用を実現することができる。図８に示したように境界域において能動的制御系及び受動的制御系の混合比が線形である必要はなく、非線形に設定することも可能である。
【００６７】
ここで、図９に示したような応答特性を実現する上で、能動的制御系及び受動的制御系の混合比、並びに時系列の変化について着目してみる。
【００６８】
図１０には、能動的制御系及び受動的制御系の混合比に関する概念図を示している。同図の横軸は応答周波数、縦軸は混合比を示している。周波数特性に応じて能動的制御系及び受動的制御系それぞれにより対処する領域があり、その境界域付近は、それぞれの支配性の混合比が徐々に変化するように設定されている。
【００６９】
また、図１１には、能動的制御系及び受動的制御系の混合比に関する時間面での概念図を示している。同図の横軸は時間の経過、縦軸は混合比を示している。時間の経過に応じて能動的制御系及び受動的制御系それぞれにより対処する領域があり、その境界域付近は、それぞれの支配性の混合比が徐々に変化するように設定されている。切り替わりが穏やかであることがよいが、要求される即応性に従って切り替わる時間を設定するようにする。
【００７０】
例えば、脚が遊脚から支持脚に切り替わる際に着地動作がある。一般的に、応答性を上げておきたいという理由から、ロボットの制御ゲインは高めに設定されるが、これは外乱に対して適応しづらく、その結果、転倒する可能性がある。そこで、本発明に係る受動的な機構系要素を付与することで、初期応答時に外乱に対応し、能動的なサーボ制御系がその状態に適応できるまでの間動作し、その後は通常の制御動作に復帰していく。混合比が時刻を追って変化していることが分かる。
【００７１】
（４）低周波数領域における受動的制御系の役割
本実施形態に係るアクチュエータの制御系は、低い周波数帯域では能動的なサーボ制御系、高い周波数帯域では受動的な機構制御系が主として担当するが、低周波数領域で受動的な機構制御系がまったく作動していない訳ではない。何故ならば、低周波域でも意図的に受動的な機構制御系を動作させることで、制御系の持つ問題点を解決できることもあるからである。
【００７２】
例えば、足先軌道を完璧に再現することが必ずしも重要でないことがある。あるいは、僅かに弱めのコンプライアンス、ガタを与えて足が移動面に接触したした際、その反動を軽減し、路面に適応することがさらに移動性能を向上させることができる。
【００７３】
図１２には、低周波域でも意図的に受動的な機構制御系を動作させる応答特性を示している。同図に示す例では、図１０に示した応答特性とは相違し、低周波数帯域においても、受動的な機構制御系は所定の混合率を持っている。
【００７４】
図１３には、本発明に係る、能動的なサーボ制御系と受動的な機構制御系からなる混合制御系の概念を実現した、１自由度の直動機構の一例を示している。
【００７５】
同図に示す例では、サーボ・モータからなる能動制御による駆動系と出力部（関節などの効果器）の間には、受動的で広帯域で応答することができる機構系が直列的に配置されている。この受動的な機構系は、例えばばねやダンパなどのコンプライアンスの他、プリロードや摩擦その他の非線形要素により構成することができる。
【００７６】
また、同図において※を付した部位には、ソレノイドなどの切り替え器を配置することで、受動的な機構系の作動をオン／オフすることができるようになっている。
【００７７】
なお、図示の例では、直動の概念図を示したが、回転運動に関しても同様に構成することができる。また、組み合わせにより多自由度化することも可能である。
【００７８】
ここで、本発明に係る、能動的なサーボ制御系と受動的な機構制御系からなる混合制御系を、例えば脚式移動ロボットの足首に導入する場合について考察してみる。
【００７９】
このような場合、通常の歩行においては、センシング能力が充分で、地形情報などが完全に把握できている場合、充分適応できると。
【００８０】
他方、地形などの環境情報が不充分であったり、観測したものと実態の誤差が過大であったり、移動面に固定されていない障害物を踏んで急峻な挙動が加わった場合には、転倒につながるなどその安定性の確保は難しい。
【００８１】
このような場合、本発明に係る混合制御系を適用することが有効であると思料する。すなわち、ロボットの左右の足首に下記のいずれかの受動的駆動系を配置する。ここで、受動的な駆動系は、図１３に示したような１自由度直動に限定されず、複数自由度のものを適用することも可能である。
【００８２】
（１）プリロード＋非線形ばね（＋コンプライアンス）
（２）ソレノイド＋非線形ばね（＋コンプライアンス）
【００８３】
（１）では、ばねにプリロードを加えておき、通常歩行時には、ほぼ剛体とみなされる構造物として機能し、路面からの過大入力や急峻な挙動などが加わると、ばねが作用する。プリロードは、制御系の駆動能力を考慮して設定する。過大入力の他、高速な外乱に対しても適応することが期待できる。
【００８４】
（２）では、さらに制御要素を拡張したもので、サーボ系の応答が間に合わないことをセンサ出力により判断すると、固定していたばね機構を解放し、サーボ系＋コンプライアンス要素が作用する。速い外入力が加わるときは、ロック機能が外され、高速に適応することができる。
【００８５】
［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。
【００８６】
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あるいはその他一般的な移動体装置であるならば、例えば玩具など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。
【００８７】
本発明に係る、能動的な制御要素と受動的な制御要素を組み合わせで構成される制御系は、可動部を含む機械装置全般に適用することができるが、とりわけ脚式移動機械の場合、著しい発明の効果を奏することができる。具体的には、移動できる路面の選択の幅が拡がり、転倒の危険も減少する。また、万一機体が転倒する際も、適応できる可能性が増すため、機体や衝突物の破壊の危険性が減少する。
【００８８】
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】
【００８９】
【図１】図１は、外乱入力に対しまず受動的な機構制御系が適応し、その後、能動的なサーボ制御系が追従していく手順を示した図である。
【図２】図２は、外乱入力に対しまず受動的な機構制御系が適応し、その後、能動的なサーボ制御系が追従していくときの応答特性を示した図である。
【図３】図３は、本発明の実施に供される２脚２腕を有する人間型ロボットの自由度構成を示した図である。
【図４】図４は、能動的な制御系が取り扱うことができない周波数以上の高い帯域では、受動的な制御系も動作している様子を示した応答特性図である。
【図５】図５は、過大な入力に対して受動的な機構制御系が能動的なサーボ制御系を保護している様子を示した応答特性図である。
【図６】図６は、能動的制御系と受動的制御系の住み分けの境界領域に、周波数に依存した特性を与え、系の安定性を確保している応答特性図である。
【図７】図７は、能動的制御系と受動的制御系の住み分けの境界領域に、周波数に依存した特性を与え、系の安定性を確保している応答特性図である。
【図８】図８は、能動的制御系と受動的制御系の住み分けの境界領域に、周波数に依存した特性を与え、系の安定性を確保している応答特性図である。
【図９】図９は、受動的制御系が作動を開始する境界部を設けている様子を示した応答特性図である。
【図１０】図１０は、能動的制御系及び受動的制御系の混合比に関する周波数特性面での概念図を示した図である。
【図１１】図１１は、能動的制御系及び受動的制御系の混合比に関する時間面での概念図を示した図である。
【図１２】図１２は、低周波域でも意図的に受動的な機構制御系を動作させる応答特性を示した図である。
【図１３】図１３は、本発明に係る、能動的なサーボ制御系と受動的な機構制御系からなる混合制御系の概念を実現した、１自由度の直動機構の一例を示した図である。
【図１４】図１４は、理想的なアクチュエータを用いたときの単純サーボ応答特性を示した図である。
【図１５】図１５は、ある帯域から急激に落ち込むような応答特性を例示した図である。
【図１６】図１６は、ワイヤ駆動系において、中間にコンプライアンス要素を付加した機構系を備えた腱制御機構を概念的に示した図である。
【図１７】図１７は、外力に適応するためのトルク・リミッタを取り入れた制御機構を模式的に示した図である。
【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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