(57)【要約】【課題】  腰質量が相対的に大きい場合でも、ＺＭＰの問題を本質的に回避して、シンプルな機構で平地歩行ができ、障害物回避や不整地歩行へも適応でき、大幅な歩行速度の向上が実現できる二足歩行ロボットとその歩行制御方法を提供する。【解決手段】  歩行面１と接触して滑らない足部１３を下端に有する１対の細長い脚１２と、１対の脚を歩行方向に交互に回転可能に連結する腰部１４と、各脚の重心より上部を伸縮させる伸縮アクチュエータ１６と、伸縮アクチュエータを制御する制御装置２０とを備え、脚の一方を支持脚１２ａ、他方を遊脚１２ｂとして、交互に片脚で支持しながら歩行する二足歩行ロボット。制御装置２０により、支持脚交換直後に支持脚１２ａを縮めて伸ばし、次いで支持脚交換まで支持脚１２ａを伸ばした状態で保持し、この支持脚１２ａの伸縮動作によるパラメータ励振により力学的エネルギーを回復させる。【選択図】      図２
2007061954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歩行面と接触して滑らない足部を下端に有する１対の細長い脚と、該１対の脚を歩行方向に交互に回転可能に連結する腰部と、各脚の重心より上部を伸縮させる伸縮アクチュエータと、該伸縮アクチュエータを制御する制御装置とを備え、脚の一方を支持脚、他方を遊脚として、交互に片脚で支持しながら歩行する二足歩行ロボットであって、
前記制御装置により、支持脚交換直後に支持脚を縮めて伸ばし、次いで支持脚交換まで支持脚を伸ばした状態で保持し、この支持脚の伸縮動作によるパラメータ励振により力学的エネルギーを回復させる、ことを特徴とする腰上下動による二足歩行ロボット。
【請求項２】
前記各脚の重心より上部に、前記伸縮アクチュエータと並列に伸縮に抗する弾性体を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の二足歩行ロボット。
【請求項３】
前記足部は、歩行方向に凸曲面状の足裏を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の二足歩行ロボット。
【請求項４】
歩行面と接触して滑らない足部を下端に有する１対の細長い脚と、該１対の脚を歩行方向に交互に回転可能に連結する腰部と、各脚の重心より上部を伸縮させる伸縮アクチュエータと、該伸縮アクチュエータを制御する制御装置とを備え、脚の一方を支持脚、他方を遊脚として、交互に片脚で支持しながら歩行する二足歩行ロボットの歩行制御方法であって、
支持脚交換直後に支持脚を縮めて伸ばし、次いで支持脚交換まで支持脚を伸ばした状態で保持し、この支持脚の伸縮動作によるパラメータ励振により力学的エネルギーを回復させる、ことを特徴とする腰上下動による二足歩行ロボットの歩行制御方法。
【請求項５】
支持脚交換の衝突から次の衝突までに要する歩行周期Ｔに対し、その衝突の瞬間から支持脚の伸縮動作が完了するまでの目標整定時間Ｔｓｅｔを歩行周期Ｔよりも短く設定し、支持脚交換の衝突の直後から目標整定時間Ｔｓｅｔまで支持脚を縮めて伸ばし、次いで支持脚交換まで支持脚を伸ばした状態で保持し、これにより支持脚交換の衝突の直後より力学的エネルギーを増幅する、ことを特徴とする請求項５に記載の二足歩行ロボットの歩行制御方法。
【請求項６】
前記支持脚の伸縮動作と共に遊脚を縮めて伸ばし、かつ遊脚の長さを、支持脚と同一又は短く保持する、ことを特徴とする請求項４に記載の二足歩行ロボットの歩行制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、腰質量が相対的に大きい場合でも、ＺＭＰの問題なしに動的歩行ができる二足歩行ロボットとその歩行制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
膝関節のない二足歩行ロボット、例えば図１２に示すコンパス型ロボットは、適当な初期値を与えることで、アクチュエータを用いることなく、図１３のように緩やかな下り斜面上を受動的に歩行できることが知られている。
【０００３】
非特許文献１、２の「二足歩行ロボット」は、このコンパス型ロボットの受動歩行メカニズムを規範として、進行方向に仮想重力場を想定し、その各質点への影響を関節トルクに等価変換することで、平地動歩行を実現したものである。
【０００４】
また、非特許文献３の「伸縮脚ロボット」は、コンパス型ロボットの遊脚のみを伸縮させることにより、一切の回転駆動力を必要とせずに、動的歩行を実現したものである。
さらに、非特許文献４は、コンパス型ロボットの支持脚のみを伸縮させることにより、同様の動的歩行を実現したものである。なお、非特許文献３、４は、本出願時には未発行である。
【０００５】
一方、膝関節を有する二足歩行ロボットは、広く知られており、例えば、特許文献１〜５に開示されている。
【０００６】
【非特許文献１】浅野、羅、山北：“受動歩行を規範とした２  足ロボットの歩容生成と制御”、日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．１、ｐｐ．１３０−１３９、２００４年１月
【非特許文献２】浅野、羅、山北：“可変仮想重力による歩容生成手法の統一と制御性能解析”、日本機械学会、ロボティクス・メカトロニクス講演会、２００４年６月
【非特許文献３】浅野、羅：“パラメータ励振に基づく伸縮脚ロボットの動的歩行制御”、日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．２３、Ｎｏ．７、２００５．（掲載予定）
【非特許文献４】浅野、羅：“２脚動歩行における支持脚駆動のパラメータ励振効果”、第２３回日本ロボット学会学術講演会予稿集、２００５．（発表予定）
【０００７】
【特許文献１】特開平９−９４７８５号公報、「脚式歩行ロボットの歩容生成方法」
【特許文献２】特開２００１−７９７８８号公報、「歩行ロボットの歩容制御方法」
【特許文献３】特開２００３−３４０７６３号公報、「２足歩行ロボットの階段昇降方法及び２足歩行ロボット」
【特許文献４】特開２００４−１１４２４３号公報、「歩行ロボットの歩行歩容生成装置」
【特許文献５】特開２００４−２９９０３５号公報、「脚式二足歩行ロボットの足および脚式二足歩行ロボット」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した従来の二足歩行ロボットの制御においては、安定に歩行を行うための指標として、ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ  Ｍｏｍｅｎｔ  Ｐｏｉｎｔ）が用いられてきた。ＺＭＰは、ロボットの足裏内にある「床反力の中心点」を意味し、この点を中心に、足部にはたらく回転モーメントがゼロになる。ＺＭＰは、足部の厚さと質量を無視でき、足首トルクをｕ１、床反力の鉛直方向成分をＦＲとすればＺＭＰ＝-ｕ１／ＦＲで計算される。
【０００９】
ＺＭＰが足裏内になければ、足部が爪先や踵を中心に回転し、足底が浮き上がることになる。この足底が浮き上がるか否かの臨界状態の判断を行う限界を「Ｔｉｌｔ限界」と呼ぶ。床反力ＦＲは、定常歩行時にはそれほど変動しないので、ＺＭＰの変動は足首トルクｕ１が大きく影響する。この結果、Ｔｉｌｔ限界を越えないようなＺＭＰを達成するために、足首トルクｕ１に厳しい制約が発生する。
足首トルクはロボットの重心移動速度に最も大きく影響が現われる関節トルクである。従って、足首トルクの制約は、歩行速度の上昇の妨げとなる。
【００１０】
上述したように、ＺＭＰを足裏内に納まるように制御するために、足首トルクに制約があり、その結果としてロボットの歩行運動に大きな制約を与えるため、ダイナミックな歩行運動の実現を困難とし、歩行速度の上昇にも大きな障害となっていた。
【００１１】
上述した非特許文献３の「伸縮脚ロボット」では、支持脚を伸びた状態で保持し、遊脚のみを伸縮させることにより、一切の回転駆動力を必要とせずに、動的歩行を実現するため、足首トルクｕ１を必要としない。従って、上述したＺＭＰの拘束条件に支配されることなく、歩容生成を確実に実現することができる特徴がある。
【００１２】
また、本発明の発明者らは、支持脚の伸縮動作によっても同様の歩容生成が実現できることを既に確認している（未出願）。
しかしこれら２つの手段、すなわち遊脚や支持脚の伸縮動作による動的歩行の場合には、胴体質量の増大に伴い励振効果が抑制される問題点があった。
すなわち、後述する腰質量ｍＨ［ｋｇ］と両脚の質量ｍ［ｋｇ］の質量比γ：＝ｍＨ／ｍが十分小さく、例えば０．２以下であれば、遊脚又は支持脚の伸縮動作による動的歩行が可能であるが、質量比γが大きくなり、腰質量が相対的に大きくなると、励振効果が抑制され、歩容生成の実現が困難となる問題点があった。
【００１３】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、腰質量が相対的に大きい場合でも、ＺＭＰの問題を本質的に回避して、シンプルな機構で平地歩行ができ、障害物回避や不整地歩行へも適応でき、大幅な歩行速度の向上が実現できる二足歩行ロボットとその歩行制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、歩行面と接触して滑らない足部を下端に有する１対の細長い脚と、該１対の脚を歩行方向に交互に回転可能に連結する腰部と、各脚の重心より上部を伸縮させる伸縮アクチュエータと、該伸縮アクチュエータを制御する制御装置とを備え、脚の一方を支持脚、他方を遊脚として、交互に片脚で支持しながら歩行する二足歩行ロボットであって、
前記制御装置により、支持脚交換直後に支持脚を縮めて伸ばし、次いで支持脚交換まで支持脚を伸ばした状態で保持し、この支持脚の伸縮動作によるパラメータ励振により力学的エネルギーを回復させる、ことを特徴とする腰上下動による二足歩行ロボットが提供される。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記各脚の重心より上部に、前記伸縮アクチュエータと並列に伸縮に抗する弾性体を備える。
【００１６】
また、前記足部は、歩行方向に凸曲面状の足裏を有する、ことが好ましい。
【００１７】
また、歩行面と接触して滑らない足部を下端に有する１対の細長い脚と、該１対の脚を歩行方向に交互に回転可能に連結する腰部と、各脚の重心より上部を伸縮させる伸縮アクチュエータと、該伸縮アクチュエータを制御する制御装置とを備え、脚の一方を支持脚、他方を遊脚として、交互に片脚で支持しながら歩行する二足歩行ロボットの歩行制御方法であって、
支持脚交換直後に支持脚を縮めて伸ばし、次いで支持脚交換まで支持脚を伸ばした状態で保持し、この支持脚の伸縮動作によるパラメータ励振により力学的エネルギーを回復させる、ことを特徴とする腰上下動による二足歩行ロボットの歩行制御方法が提供される。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態によれば、支持脚交換の衝突から次の衝突までに要する歩行周期Ｔに対し、その衝突の瞬間から支持脚の伸縮動作が完了するまでの目標整定時間Ｔｓｅｔを歩行周期Ｔよりも短く設定し、支持脚交換の衝突の直後から目標整定時間Ｔｓｅｔまで支持脚を縮めて伸ばし、次いで支持脚交換まで支持脚を伸ばした状態で保持し、これにより支持脚交換の衝突の直後より力学的エネルギーを増幅する。
【００１９】
前記支持脚の伸縮動作と共に遊脚を縮めて伸ばし、かつ遊脚の長さを、支持脚と同一又は短く保持する、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
上述した本発明の構成及び方法によれば、支持脚交換直後に支持脚を縮めて伸ばし、次いで支持脚交換まで支持脚を伸ばした状態で保持する支持脚の伸縮動作で、パラメータ励振により力学的エネルギーを回復させるので、支持脚の伸縮力、すなわち脚自身でエネルギーの増幅が行えるため、足首トルクｕ１を必要としない。
従って、足裏と床面とは一点で接触しているが、この点がＺＭＰに他ならず、ＺＭＰを足裏内に納まるように制御することなく、足底が床面に接地している状態を保持することができる。これにより、ＺＭＰの拘束条件に支配されることなく、歩容生成を確実に実現することができる。
また、歩容生成において足首関節の駆動が解放されるため、足首関節を他の目的で利用することが可能であり、更に多様な制御の実現も期待される。
さらに、支持脚を縮めて伸ばす支持脚の伸縮動作により、腰質量が相対的に大きい場合でも、シンプルな機構で平地歩行ができ、障害物回避や不整地歩行へも適応でき、大幅な歩行速度の向上が実現できることが後述する実施例で確認された。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明における用語を以下のように定義する。
「歩容」とは、「歩き方」または「歩行パターン」を意味する。
「動的歩容生成」とは、「動歩行の定常歩行パターンを生成する」ことを意味する。
「パラメータ励振」は、ブランコの立ち漕ぎなどに見られる物理現象であり、外部からエネルギーを注入しなくとも、内的な重心移動により発生する励起現象のことを意味する。システムの物理パラメータが変動することで発生することからパラメータ励振と呼ばれる。
「パラメトリック励起」とは、パラメータ励振を引き起こす励起を意味する。
「整定時間」とは、その衝突の瞬間から、支持脚を縮めて伸ばす伸縮動作が完了するまでの時間である。
【００２２】
以下、本発明の好ましい実施例を説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【実施例１】
【００２３】
１．  はじめに
パラメータ励振による動的歩容生成手法においては、回転駆動力を利用せず脚自体が伸縮運動を通して力学的エネルギー増幅を達成するため、ＺＭＰ拘束や胴体制御の困難からの離脱が可能となる。
本発明の発明者らは、非特許文献３において、シンプルな伸縮脚モデルを用いて、遊脚の伸縮による励振効果と歩容の性能変化について解析した。これに続く課題として、本発明ではパラメトリック励起の原理を逆転した手法を提案し、その有効性について検証する。
【００２４】
２．  二足歩行ロボットのモデル
図１は、本発明の腰上下動による二足歩行ロボットの構成図である。
この図に示すように、本発明の二足歩行ロボット１０は、１対の細長い脚１２、腰部１４、伸縮アクチュエータ１６、及び制御装置２０を備え、脚１２の一方を支持脚１２ａ、他方を遊脚１２ｂとして、交互に片脚で支持しながら歩行する二足歩行ロボットである。
【００２５】
１対の細長い脚１２は、歩行面１と接触して滑らない足部１３を下端に有する。足部１３は、歩行方向に凸曲面状（例えば円弧）の足裏１３ａを有するのがよい。
腰部１４は、１対の脚１２を歩行方向に交互に回転可能に連結する。なお、この連結部はこの例では抵抗がなく、損失なしに自由に回転できるようになっている。
伸縮アクチュエータ１６は、各脚１２の重心より上部を伸縮させる直動アクチュエータである。この直動アクチュエータは、数値制御可能な電動シリンダ、又は液圧又は空圧のシリンダであるのが好ましい。
【００２６】
制御装置２０は、二足歩行ロボット１０に搭載され、或いは外部に設置されたコンピュータ（例えば、ＰＣ）であり、伸縮アクチュエータ１６を制御する。この制御装置２０により、支持脚交換直後に支持脚１２ａを縮めて伸ばし、次いで支持脚交換まで支持脚１２ａを伸ばした状態で保持し、この支持脚１２ａの伸縮動作によるパラメータ励振により力学的エネルギーを回復させるようになっている。
【００２７】
支持脚１２ａと遊脚１２ｂをそれぞれ脚１、脚２として独立にモデリングをし、双方から見た腰部１４の位置が等しいという幾何学的条件から導かれるホロノミック拘束力を与えることで股関節のジョイントにおいて２本の脚を結合する。このアプローチにより、プログラミングにおいては、拘束力項を交換することで支持脚交換の衝突時の計算にもスムーズに対応することができる。
【００２８】
脚ｉ（１又は２）の一般化座標ベクトルｑｉ∈Ｒ４を数３の式（１ａ）で定め、各脚のモデルを独立に立式する。そして２脚のダイナミクスを股関節のホロノミック拘束力Ｊ（ｑ）Ｔλ∈Ｒ８により結合する。その統合システムを式（１）と表記する。式（１）は、片脚４自由度、合計８自由度のホロノミック拘束付き冗長系の式である。
【００２９】
ただし、Ｊ∈Ｒ４×８はホロノミック拘束力に関するヤコビアンである。制御入力ベクトルは式（２）の構造を持つ。
【００３０】
【数１】
2007061954.tif 000003
【００３１】
図１の二足歩行ロボット１０は、腰質量ｍＨ［ｋｇ］と両脚の質量ｍ［ｋｇ］の３質点からなるモデルである。このモデルにおいて、腰質量ｍＨ［ｋｇ］と両脚の質量ｍ［ｋｇ］の質量比をγ：＝ｍＨ／ｍと定義する。質量比γは、腰質量が大きく、脚質量が小さいほど、大きくなる。
また、歩行システムの挙動、すなわち歩行周期、歩行速度、移動効率の各離散パラメータは、質量比γのみに依存し、腰質量ｍＨや脚質量ｍの値には直接依存しないものとなる。
【００３２】
３．  胴体質量に基づくパラメータ励振メカニズム
図２は、本発明の原理図である。従来の腰部を中心に脚部が振動するモデルに対し、本発明では、足部を中心に脚部が振動する逆のモデルを創案した。
このモデルでは、図に示したＡ→Ｅなる質点の移動が力学的エネルギー増幅のための最適制御となる。ただし、初期位置Ａにおいて十分な運動エネルギーを有していることを仮定する。θ（０）＝-θ０［ｒａｄ］、ｌ０≦ｌ≦ｌ１［ｍ］としたときの最大増幅エネルギーΔＥ［Ｊ］は、式（３）となる。
この事実を踏まえ、直感的ではあるが、この励起法が再現可能となる目標伸縮運動を以下に設定し支持脚側に適用する。
【００３３】
【数２】
2007061954.tif 000004
【００３４】
４．  制御系設計
出力ベクトルとして両脚の伸縮長ｙ：＝ＳＴｑ＝［ｌ１２  ｌ２２］Ｔ  をとり、その目標時間軌道ｙｄ（ｔ）への追従制御を考える。本発明ではスムーズな伸縮動作の実現（連続微分可能性）を考えて式（４）（５）（６）とした。
式（６）において、遊脚の伸縮も同時に行っているが、これは遊脚側の励起を同時に期待してのことではなく、床面に対するクリアランスを保証するためである。Ｔｓｅｔ１、Ｔｓｅｔ２［ｓ］は各脚の伸縮運動の目標整定時間であり、これらは遊脚と床面の衝突よりも先に起こるものとする。
入出力関係は式（７）と整理されるので、完全モデルマッチングのための制御入力（連続時間信号）は式（８）とすれば良い。
【００３５】
【数３】
2007061954.tif 000005
【００３６】
５．  数値シミュレーション
（典型的歩容）
図３は、図１の装置のシミュレーション結果である。この例では、質量比γ＝１０．０、Ａ１＝０．０４、Ａ２＝０．００［ｍ］、Ｔｓｅｔ１＝０．５０、Ｔｓｅｔ２＝０．７０［ｓ］、ｌ＊１２＝ｌ＊２２＝０．５０［ｍ］、足底半径Ｒ＝０．８０［ｍ］とした。
この図において、（ｂ）は式（５）（６）による支持脚１２ａと遊脚１２ｂの長さ変化であり、（ａ）はその際の関節角度θ１、θ２の変化、（ｃ）はその際の力学的エネルギーの変化を示している。力学的エネルギーは、位置エネルギーと運動エネルギーの和である。
この場合、Ａ２＝０．００であり、遊脚１２ｂの長さは一定（ｌ＊２２＝０．５０）のため、遊脚先端が床面を削ることになるが、これは無視してシミュレートしている。
【００３７】
図３（ｃ）から、１サイクルを通して力学的エネルギーΔＥが増幅されていることが確認できる。また、支持脚１２ａの伸縮により遊脚の励起も同時に発生しているが、これについては後述する。
【００３８】
図４はＡ２＝０．０８［ｍ］とし、他のパラメータは図３と同一の場合のシミュレーション結果である。この図において、（ａ）（ｂ）（ｃ）は、図３と同様である。なお、この例ではＡ２＝０．０８であり、遊脚１２ｂの長さは常に支持脚１２ａより短いため遊脚先端が床面を削る現象は生じない。
【００３９】
両脚の伸縮により力学的エネルギーは複雑な挙動を示すが、図４（ｃ）から、１サイクルを通して力学的エネルギーが増幅されていることが分かる。サイクル後半におけるエネルギー増幅量ΔＥは遊脚側の励起によるものと考えられる。遊脚の伸縮による励起がエネルギーの増幅を助長し、歩行速度を向上させるものと考えられる。
なお、実際にはわずかに減速される結果となったが、この理由について、詳細な解析を通して以下に考察する。
【００４０】
（評価関数）
先ず性能解析に用いる評価関数を説明する。
（１）歩行周期Ｔ［ｓ］とは、一歩あたりに要する時間であり、脚の切替えの衝突から次の衝突までの時間を意味する。
（２）歩行速度ｖ［ｍ／ｓ］は、離散的に定義し、ｘＧ［ｍ］を重心の水平位置として、式（９）の時間平均値をとる。ただし、ΔｘＧは、式（９ａ）で定義する。
（３）移動効率（Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＳＲ）は、１．０［ｋｇ］の質量を１．０［ｍ］移動させるのに必要なエネルギー量である。
平均入力パワーｐ［Ｊ／ｓ］を式（１０）とするとき、移動効率（Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＳＲ）は、ＳＲ＝ｐ／Ｍｇｖで定義される。Ｍ［ｋｇ］はロボットの全質量であり、移動効率の単位は無次元である。
移動効率ＳＲは、値が小さいほど消費エネルギーが小さい、つまり効率が良いことを意味する。
（４）足部の長さ２Ｒα［ｍ］は、必要となる足部の長さの最小値である。衝突時の股関節の半角αを式（１１）で定め、支持脚の角速度が常に正値をとるのであれば、最低限必要となる足部の長さは２Ｒα［ｍ］となる。
【００４１】
【数４】
2007061954.tif 000006
【００４２】
（足底半径Ｒに対する性能変化）
図５は、足底半径Ｒを０．４から０．８［ｍ］まで変化させたときの性能解析結果である。性能評価量として、（ａ）歩行周期、（ｂ）歩行速度、（ｃ）Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、（ｄ）必要な足部の長さの４つを用いた。
遊脚の伸縮長はＡ２＝０．００、０．０４、０．０８［ｍ］の３通りを解析したが、各伸縮長Ａ２に対して図５の各図は同じ傾向を示している。図５（ｂ）から、足底半径Ｒを大きくとることで歩行速度を向上できることが分かる。
しかし足底半径Ｒを大きくすると、長い足部が必要となる（ｄ）。そのため、小さい足部での高速度化が、今後の課題となる。
【００４３】
（質量比γに対する性能変化）
図６は、質量比γに対する歩容の性能変化を示す図である。質量比γ以外のシステムパラメータは図５と同一である（ただし足底半径Ｒ＝０．８［ｍ］）。この結果より、非常に広範囲の質量比γにおいて安定歩容の生成が可能であることが分かる。
また歩行速度、エネルギー効率共に質量比γの減少に対して単調に向上しているが（ｂ）（ｃ）、同時に足部が大型化している（ｄ）。特に質量比γが１．０を下回ると足部長が脚長を越えており、「歩行らしさ」を維持しているとは言い難い運動となっている。
【００４４】
本発明の歩行制御方法では質量比γが大きくなるほど励振効果が引き出され、移動効率が向上する（ｃ）。
しかし、遊脚質量の上下動によるシステムの励起により、質量比γが１．０よりも小さい場合、つまり脚質量が胴体のそれを上回る場合には遊脚質量の上下動が励起の主な要因として取って代わるため、システム性能が低下する。
一方、図６においてＡ２の増大に伴い性能がほぼ単調に悪化しているが（ｂ）（ｃ）、これは両脚の伸縮を同時に行うことで遊脚質量の上下動がキャンセルされるためと思われる。
この段階で次の定性的性質をまとめることができる。
（１）胴体質量の上下動よるシステムの励起、並びに安定歩容生成は可能である。
（２）遊脚質量の上下動の方が胴体質量のそれよりも効果的な励起を達成できる。
【００４５】
また、歩行速度とエネルギー効率は、共に（１）歩幅、つまりαが大きくなることと（２）足底半径Ｒを大きくとること、により単調に向上することが分かった。しかし、これらの結果、足部長２Ｒαは大きくなる。
足部長は性能（機構）の良否とは直接関係しないが、脚移動機械としては不利な形態であり、次の二つのトレードオフが存在するといえる。
（１）歩行速度の向上に対する足部の大型化。
（２）エネルギー効率の向上に対する足部の大型化。
【００４６】
（支持脚伸縮による遊脚の励起について）
本発明では、支持脚をインパクト直後から収縮→伸長と制御していくが、これは遊脚側からは支点（付け根）の降下→上昇という運動として捉えることができる。この動作によりシステムが励起されるか否かについての考察は、［非特許文献４］の図１に示したモデルにおいて、式（１２）とした場合を考えれば良い。
【００４７】
【数５】
2007061954.tif 000007
【００４８】
図７にこの場合のシミュレーション結果を示す。パラメータについては［非特許文献４］と同一のものを設定した。システムが励起され、力学的エネルギーが増幅されていることが確認できる。
この効果が本発明の方法においても発揮されているものと考えられる。再度まとめれば、以下のようになろう。
（１）質量比γが大きい場合、支持脚の伸縮による胴体質量の上下動に基づきシステムが励起されるが、遊脚質量による励起も僅かに発生している。
（２）質量比γが小さくなると、遊脚質量の上下動による励起が活発化する。
（３）胴体質量よりも遊脚質量による励起の方が、影響が大きく、システム性能の向上にとって効果的である。
（４）遊脚の伸縮も同時に行う場合には、支持脚の運動（腰位置の上下動）との間で相殺が起こり、励起が抑制されシステム性能が悪化する結果となる。
【００４９】
（従来方法による励起効果について）
本発明の方法との比較のために、従来の方法（遊脚又は支持脚の駆動による励起）の解析結果を以下に示す。
【００５０】
図８、９は、［非特許文献３］による遊脚伸縮による励起の場合の解析結果である。
図８はＡ２＝０．０７［ｍ］としてＴｓｅｔを４通りに設定した場合の結果、図９はＴｓｅｔ＝０．４５［ｓ］としてＡ２を４通りに設定した場合の結果である。
いずれの場合も、質量比γの増大に伴い各性能が悪化し、最終的に歩容生成が不可となっている様子が確認できる。（ｄ）より、質量比γの増大がエネルギー回復の困難を引き起こしていることが読み取れるが、これは脚質量が相対的に軽くなることで励振効果が抑制されるためであると考えられる。
【００５１】
図１０、１１は、［非特許文献４］による支持脚伸縮による励起の場合の解析結果である。図１０はＡ１＝０．０６［ｍ］としてＴｓｅｔを３通りに設定した場合の結果、図１１はＴｓｅｔ＝０．４５［ｓ］としてＡ１を３通りに設定した場合の結果である。
これらの場合においても、質量比γの増大に伴い各性能が悪化し、最終的に歩容生成が不可となっている様子が確認できる。支持脚の伸縮による励起と言っても、この場合も（胴体質量ｍＨを含めた）遊脚質量の上下動による励起を利用しているので、先と同様の理由により質量比γの増大に対して性能が悪化するのである。
以上の事実を踏まえると、本発明による胴体質量を利用した励起法が劇的に歩容生成可能領域を拡大していることが確認できる。
【００５２】
６．  まとめ
本発明では胴体質量の上下動に基づくパラメトリック励起法を新たに創案し、その有効性を数値シミュレーションを通して確認した。解析結果より、上半身を持つモデルへの拡張可能性は示されたものといえる。
【００５３】
上述したように本発明の構成及び方法によれば、支持脚交換直後に支持脚を縮めて伸ばし、次いで支持脚交換まで支持脚を伸ばした状態で保持する支持脚の伸縮動作で、パラメータ励振により力学的エネルギーを回復させるので、支持脚の伸縮力、すなわち脚自身でエネルギーの増幅が行えるため、足首トルクｕ１を必要としない。
従って、足裏と床面とは一点で接触しているが、この点がＺＭＰに他ならず、ＺＭＰを足裏内に納まるように制御することなく、足底が床面に接地している状態を保持することができる。これにより、ＺＭＰの拘束条件に支配されることなく、歩容生成を確実に実現することができる。
【００５４】
また、歩容生成において足首関節の駆動が解放されるため、足首関節を他の目的で利用することが可能であり、更に多様な制御の実現も期待される。
さらに、上記支持脚の伸縮動作により、腰質量が相対的に大きい場合（実施例では質量比γ＝１０．０）でも、シンプルな機構で平地歩行ができ、障害物回避や不整地歩行へも適応でき、大幅な歩行速度の向上が実現できることが確認された。
【００５５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。例えば、上述した実施例では、膝関節のない二足歩行ロボットについて詳述したが、本発明は膝関節を有する二足歩行ロボットにも同様に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の腰上下動による二足歩行ロボットの構成図である。
【図２】本発明の原理図である。
【図３】図１の装置のシミュレーション結果である。
【図４】図１の装置の別のシミュレーション結果である。
【図５】図１の装置の足底半径Ｒを変化させた場合の性能解析結果である。
【図６】本発明において質量比γに対する歩容の性能変化を示す図である。
【図７】［非特許文献４］のモデルのシミュレーション結果を示す図である。
【図８】［非特許文献３］による遊脚伸縮による励起の場合の解析結果である。
【図９】［非特許文献３］による遊脚伸縮による励起の場合の別の解析結果である。
【図１０】［非特許文献４］による支持脚伸縮による励起の場合の解析結果である。
【図１１】［非特許文献４］による支持脚伸縮による励起の場合の別の解析結果である。
【図１２】膝関節のないコンパス型ロボットの模式図である。
【図１３】コンパス型ロボットの受動歩行を示すスティック線図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  歩行面、
１０  二足歩行ロボット、
１２  脚、１２ａ  支持脚、１２ｂ  遊脚、
１３  足部、１３ａ  足裏、
１４  腰部、１６  伸縮アクチュエータ（直動アクチュエータ）、
１８  弾性体（直動バネ）、２０  制御装置、
【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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