JP2003159676A - 脚式移動ロボットの制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的遅いサンプリング周期でＺＭＰ安定度
判別規範を用いながら機体の姿勢安定制御を行なう。 【解決手段】 機体のピッチ軸モーメント及びロール軸
モーメントがゼロとなるＺＭＰの位置と機体が床面から
受ける床反力で定義されるＺＭＰ挙動空間を定義し、こ
のＺＭＰ挙動空間の定義を基にＺＭＰ安定位置を求め
る。路面との接触状況に応じてＺＭＰ挙動空間に与える
空間歪みを動的に制御して、常にＺＭＰ位置がＺＭＰ安
定領域の中央に移動させようとする機体の変形量若しく
は運動量が生じるようにして、機体の姿勢安定制御を容
易な状態にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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の制御方法に係り、
特に、可動脚によって歩行やその他の脚式作業を行う脚
式移動ロボットの制御方法に関する。

【０００２】更に詳しくは、本発明は、いわゆるＺＭＰ
（Zero Moment Point）を安定度判別規範として用いな
がら脚式作業時における機体の姿勢安定制御を行なう脚
式移動ロボットの制御方法に係り、特に、比較的遅いサ
ンプリング周期でＺＭＰ安定度判別規範を用いながら機
体の姿勢安定制御を行なう脚式移動ロボットの制御方法
に関する。

【０００３】

【従来の技術】電気的若しくは磁気的な作用を用いて人
間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボッ
ト」という。ロボットの語源は、スラブ語の"ＲＯＢＯ
ＴＡ(奴隷機械)"に由来すると言われている。わが国で
は、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からで
あるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・
無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボット
などの産業用ロボット（industrial robot）であった。

【０００４】最近では、ヒトやサルなどの２足直立歩行
を行う動物の身体メカニズムや動作を模した脚式移動ロ
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。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。

【０００５】ヒトの生体メカニズムや動作を再現した脚
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。人間
型ロボットは、例えば、生活支援、すなわち住環境その
他の日常生活上のさまざまな場面における人的活動の支
援などを行うことができる。

【０００６】人間の作業空間や居住空間のほとんどは、
２足直立歩行という人間が持つ身体メカニズムや行動様
式に合わせて形成されている。言い換えれば、人間の住
空間は、車輪その他の駆動装置を移動手段とした現状の
機械システムが移動するのには多くの障壁が存在する。
したがって、機械システムすなわちロボットがさまざま
な人的作業を代行し、さらに人間の住空間に深く浸透し
ていくためには、ロボットの移動可能範囲が人間のそれ
とほぼ同じであることが好ましい。これが、脚式移動ロ
ボットの実用化が大いに期待されている所以でもある。
２足直立歩行を行うことは、ロボットが人間の住環境と
の親和性を高める上で必須であると言える。

【０００７】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」と定義することができる。ロボ
ットの姿勢安定制御は、ロボットの転倒を回避する上で
非常に重要である。何故ならば、転倒は、ロボットが実
行中の作業を中断することを意味し、且つ、転倒状態か
ら起き上がって作業を再開するために相当の労力や時間
が払われるからである。また、何よりも、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
危険があるからである。

【０００８】脚式移動ロボットの姿勢安定制御や歩行時
の転倒防止に関する提案の多くは、ＺＭＰ（Zero Momen
t Point）を歩行の安定度判別の規範として用いてい
る。ＺＭＰによる安定度判別規範は、歩行系から路面に
は重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが路面から
歩行系への反作用としての床反力並びに床反力モーメン
トとバランスするという「ダランベールの原理」に基づ
く。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成
する支持多角形（すなわちＺＭＰ安定領域）の辺上ある
いはその内側にピッチ軸及びロール軸モーメントがゼロ
となる点、すなわち「ＺＭＰ（Zero Moment Point）」
が存在する。

【０００９】要約すれば、ＺＭＰ規範とは、「歩行のあ
らゆる瞬間において、ＺＭＰが足部と路面とが形成する
支持多角形の内側に存在し、且つ、ロボットが路面に押
す方向の力が作用すれば、ロボットが転倒（機体が回転
運動）することなく安定に歩行できる」とするものであ
る。

【００１０】ＺＭＰ規範に基づく２足歩行パターン生成
によれば、足底着地点をあらかじめ設定することがで
き、路面形状に応じた足先の運動学的拘束条件を考慮し
易いなどの利点がある。また、ＺＭＰを安定度判別規範
とすることは、力ではなく軌道を運動制御上の目標値と
して扱うことを意味するので、技術的に実現可能性が高
まる。

【００１１】なお、ＺＭＰの概念並びにＺＭＰを歩行ロ
ボットの安定度判別規範に適用する点については、Miom
ir Vukobratovic著"LEGGED LOCOMOTION ROBOTS"（加藤
一郎外著『歩行ロボットと人工の足』（日刊工業新聞
社））に記載されている。

【００１２】従来、ＺＭＰを安定度判別規範とするロボ
ットの姿勢安定制御や歩行制御は、ＺＭＰ位置がＺＭＰ
安定領域から逸脱したら安定領域に再び戻るように補正
制御をかけるというのが一般的である。言い換えれば、
通常の動作期間中、ＺＭＰは自由に移動することができ
るが、その移動量がある領域を越えたときにはじめて脚
部などの各関節駆動を制御して、事後的にＺＭＰ位置を
制御する。

【００１３】例えば、特開平５−３０５５７９号公報に
記載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰがゼロとなる床面上
の点を目標値に一致させるようにして安定歩行を行うよ
うになっている。

【００１４】また、特開平５−３０５５８１号公報に記
載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰが支持多面体（多角
形）内部、又は、着地、離床時にＺＭＰが支持多角形の
端部から少なくとも所定の余裕を有する位置にあるよう
に構成した。この場合、外乱などを受けても所定距離だ
けＺＭＰの余裕があり、歩行時の機体の安定性が向上す
る。

【００１５】また、特開平５−３０５５８３号公報に
は、脚式移動ロボットの歩き速度をＺＭＰ目標位置によ
って制御する点について開示している。すなわち、あら
かじめ設定された歩行パターン・データを用い、ＺＭＰ
を目標位置に一致させるように脚部関節を駆動するとと
もに、上体の傾斜を検出してその検出値に応じて設定さ
れた歩行パターン・データの吐き出し速度を変更する。
未知の凹凸を踏んでロボットが例えば前傾するときは、
吐き出し速度を速めることで姿勢を回復することができ
る。またＺＭＰを目標位置に制御するので、両脚支持期
で吐き出し速度を変更しても支障がない。

【００１６】また、特開平５−３０５５８５号公報に
は、脚式移動ロボットの着地位置をＺＭＰ目標位置によ
って制御する点について開示している。すなわち、同公
報に記載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰ目標位置と実測
位置とのずれを検出し、それを解消するように脚部の一
方又は双方を駆動するか、又はＺＭＰ目標位置まわりに
モーメントを検出してそれが零になるように脚部を駆動
することで、安定歩行を実現する。

【００１７】また、特開平５−３０５５８６号公報に
は、脚式移動ロボットの傾斜姿勢をＺＭＰ目標位置によ
って制御する点について開示している。すなわち、ＺＭ
Ｐ目標位置まわりのモーメントを検出し、モーメントが
生じたときは、それが零になるように脚部を駆動するこ
とで安定歩行を行う。

【００１８】上述したロボットの姿勢安定度制御は、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及びロール軸モ
ーメントがゼロとなる点を探索することを基本動作とす
る。また、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域から逸脱したら
安定領域に再び戻るように補正制御をかけるというもの
である。

【００１９】しかしながら、ＺＭＰ規範は、ロボットの
機体及び路面が剛体に限りなく近い（すなわち、どのよ
うな力やモーメントが作用しても変形したり動いたりす
ることはない）と仮定できることを前提として適用する
ことができる規範に過ぎない。言い換えれば、ロボット
や路面が剛体に限りなく近いと仮定できない場合、例え
ば、ロボットが高速に動くことでＺＭＰに作用している
（並進）力や、立脚切替え時の衝撃力が大きくなり、ロ
ボット自身に変形や運動が発生してしまう場合には、印
加される力に対するロボットの変形量を適切に管理しな
いと、ＺＭＰが存在している空間自体が不安定になって
しまい、仮にロボットの姿勢がＺＭＰ規範を満たしても
（ＺＭＰが支持多角形の内側に存在し、且つ、ロボット
が路面に押す方向の力を作用させている）、不安定なＺ
ＭＰを安定させるために、ロボットの姿勢が不安定にな
ってしまう。特に、ロボットの重心が低くなるほど機体
に高速な回転運動が発生して、安定歩行の実現が困難に
なる。

【００２０】図１及び図２には、ロボットや路面が限り
なく剛体に近い理想的なモデルの場合と、現実には剛体
ではない場合におけるＺＭＰ位置とロボットの変形量
（若しくは運動量）との関係（すなわちロボットが持つ
ＺＭＰ挙動空間）をそれぞれ示している。

【００２１】ロボットや路面が限りなく剛体に近い理想
的な場合には、そのＺＭＰ挙動空間においては、図１に
示すように、算出されたＺＭＰ安定領域内のいずれのＺ
ＭＰ位置においてもロボットに変形量（若しくは運動
量）は発生しない。言い換えれば、いずれのＺＭＰ位置
においても、ロボットは機体の姿勢安定性を失うことは
ない。

【００２２】しかしながら、実システムにおけるＺＭＰ
挙動空間では、ロボットや路面は剛体ではなく、算出さ
れたＺＭＰ安定領域内であっても、ＺＭＰ位置によって
はロボットに変形量（若しくは運動量）が発生してしま
う。図２に示す例では、ＺＭＰ安定領域内の略中央付近
においては、ロボットに変形量（若しくは運動量）は発
生しないので、そのままの状態ではロボットは機体の姿
勢安定性を失うことはない。しかしながら、ＺＭＰ位置
がＺＭＰ安定領域の中央から離れるにつれて、ロボット
の変形量（若しくは運動量）は、負方向に増大してい
く。

【００２３】図１並びに図２に示すようなＺＭＰ挙動空
間は、ＺＭＰ位置と機体が床面から受ける床反力で定義
される。このＺＭＰ挙動空間におけるロボットの変形量
（若しくは運動量）の正負は、負がＺＭＰを安定領域の
縁に移動させようとする空間歪みを生じさせる方向とな
り、正がＺＭＰを安定領域の中心に移動させようとする
空間歪みを生じさせる方向となる。したがって、図２に
示したように、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央から
離れるにつれてロボットの変形量（若しくは運動量）が
負方向に増大していくことは、ＺＭＰ安定領域内であり
ながら、ロボットはＺＭＰ安定領域の縁に向かうように
変形していき、やがては機体が転倒してしまうことにな
る。

【００２４】このため、計算上はロボットのＺＭＰ位置
はＺＭＰ安定領域内に居ながらも、ＺＭＰ安定領域の中
心に戻すように機体の姿勢制御を常に実行していなけれ
ばならない。このようにＺＭＰ位置を絶え間なく中心に
戻すような制御方式の代表例は「倒立振子」である。し
かしながら、この場合、高速（すなわち、サンプリング
周期が極めて短い）な制御を行なわなければならず、姿
勢制御のための計算機負荷が増大してしまう。

【００２５】つまり、ＺＭＰ安定度判別規範は、ロボッ
トや路面が剛体であるという、現実には満たすことが困
難な前提条件を含む理想的な環境下での歩行の実現を目
標とした安定度判別規範に過ぎない。したがって、人間
の住環境で安定した動歩行を自律的に継続するために
は、ＺＭＰの存在空間の安定性を考慮したロボット・シ
ステム構成方法を考案することが肝要である。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、いわ
ゆるＺＭＰ（Zero Moment Point）を安定度判別規範と
して用いながら脚式作業時における機体の姿勢安定制御
を好適に行なうことができる、優れた脚式移動ロボット
の制御方法を提供することにある。

【００２７】本発明の更なる目的は、比較的遅いサンプ
リング周期でＺＭＰ安定度判別規範を用いながら機体の
姿勢安定制御を好適に行なうことができる、優れた脚式
移動ロボットの制御方法を提供することにある。

【００２８】本発明の更なる目的は、人間の住環境で安
定した動歩行を自律的に継続するようなＺＭＰ挙動空間
を形成することができる、優れた脚式移動ロボットの制
御方法を提供することにある。

【００２９】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、上記
課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面
は、２以上の可動脚を備えた脚式移動ロボットの制御方
法であって、機体のピッチ軸モーメント及びロール軸モ
ーメントがゼロとなるＺＭＰの位置と機体が床面から受
ける床反力で定義されるＺＭＰ挙動空間を制御するＺＭ
Ｐ挙動空間制御ステップを備え、前記ＺＭＰ挙動空間制
御ステップはあらかじめＺＭＰ挙動空間に所定の歪みを
与えている、ことを特徴とする脚式移動ロボットの制御
方法である。

【００３０】［従来の技術］の欄でも既に説明したよう
にＺＭＰ安定度判別規範は、ロボットの機体及び路面が
剛体に限りなく近いと仮定できる場合のみ適用すること
ができる規範に過ぎない。すなわち、ロボットや路面が
剛体に限りなく近いと仮定できないので、印加される力
に対するロボットの変形量を適切に且つ比較的短いサン
プリング周期で管理しないと、ＺＭＰが存在している空
間自体が不安定になってしまい、仮にロボットの姿勢が
ＺＭＰ安定度判別規範を満たしても、不安定なＺＭＰを
安定させるために、ロボットの姿勢が不安定になってし
まう。

【００３１】そこで、本発明の第１の側面に係る脚式移
動ロボットの制御方法は、ＺＭＰ（Zero Moment Poin
t）を姿勢の安定度判別の規範として採用するが、ロボ
ットの機体の変形量や運動量を考慮して安定したＺＭＰ
の存在空間を持つ機体動作の制御方法を採用する。

【００３２】前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップでは、Ｚ
ＭＰ位置が前記可動脚の足底接地点と路面とが形成する
支持多角形からなるＺＭＰ安定領域の中央からＺＭＰ位
置が外れるにつれてＺＭＰ位置が前記ＺＭＰ安定領域の
中央に移動させようとする機体の変形量若しくは運動量
が生じるようにＺＭＰ挙動空間に空間歪みを与える。あ
るいは、前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップでは、前記床
反力に応じてロボットの変形量又は運動量若しくは方向
が変化するような所定の特性をＺＭＰ挙動空間に与える
ようにする。

【００３３】すなわち、本発明の第１の側面に係る脚式
移動ロボットの制御方法によれば、ＺＭＰ位置の移動量
が所定の領域を越えてはじめて事後的な補正制御を開始
するのではなく、あらかじめロボットの姿勢が安定する
ような空間歪みを与えるようにしているので、機体の制
御機構が充分な応答速度を持たない場合であっても、外
乱などに対して高いロバスト性を得ることができる。

【００３４】ここで、前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップ
では、前記ＺＭＰ安定領域の略中心において機体の変形
量又は運動量の極小点を設定するようにしてもよい。こ
のような場合、常に姿勢が安定する方向に機体の変形量
や運動量が生ずるので、姿勢安定性を保つことが容易と
なる。また、比較的低いサンプリング周期であっても、
充分な姿勢安定制御を行うことができる。

【００３５】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップで
は、前記ＺＭＰ安定領域の略中心において機体の変形量
又は運動量の極小点を設定するとともに、前記ＺＭＰ安
定領域の境界近くで機体の変形量又は運動量の極大点を
設定するようにしてもよい。

【００３６】このような場合、極大点に挟まれた領域で
は、ＺＭＰ位置が常にＺＭＰ安定領域の中心に向かうよ
うにロボットの機体の変形量又は運動量が生じるので、
姿勢安定性を保つことが容易となり、また、比較的低い
サンプリング周期であっても充分な姿勢安定制御を行う
ことができる。これに対し、極大点を越えた時点から
は、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の外側に向かうような
変形量又は運動量が生じるので、ロボットは「姿勢安定
モード」から「転倒モード」に転じる。

【００３７】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップで
は、ＺＭＰ位置が機体の外側に向かう方向を正方向とす
る第１の座標軸とＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に
向かわせるようなロボットの変形量若しくは運動量を正
方向とする第２の座標軸からなるＺＭＰ挙動空間におい
て、単脚支持後期の立脚に対して、ロボットの変形量若
しくは運動量が負領域において極大値を持ち、且つ、床
反力の増大とともに該変形量若しくは運動量の極大値の
ＺＭＰ位置を正方向に移動させるような空間歪みを与え
るようにしてもよい。

【００３８】このような場合、単脚支持後期の立脚にお
いては、ＺＭＰ位置のＹ方向への移動量にほぼ線形的に
曲がり量が減少する。床反力が小さいときには、ＺＭＰ
位置が機体の内側に移動したときには該立脚は内側に向
かって曲がるとともに、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動
したときには該立脚は外側に向かって曲がるが、床反力
が大きくなるにつれて、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動
しても該立脚は外側には曲がり難くなる。

【００３９】なお、ロボットの総重量を１００としたと
きに、床反力が１００以上となるときに床反力が「大き
い」と言い、床反力が２０〜１００程度のときには床反
力が「中」と言い、また、床反力が２０以下となるとき
に床反力が「小さい」と言う（以下同様）。但し、これ
らはだいたいの目安であって、ロボットの機体構造、重
量によって変更しても構わない。特に、「床反力が小さ
い」ということを定性的に表現すると、両足支持期に、
一方の足でほぼ全身を支えている際の他方の足に加わっ
ている程度の床反力を言う。

【００４０】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップで
は、ＺＭＰ位置が機体の前方に向かう方向を正方向とす
る第１の座標軸とＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に
向かわせるようなロボットの変形量若しくは運動量を正
方向とする第２の座標軸からなるＺＭＰ挙動空間におい
て、単脚支持後期の立脚に対して、ロボットの変形量若
しくは運動量が負領域においてＺＭＰ安定領域の略中央
付近において極大値を持ち、且つ、床反力の増大ととも
に該変形量若しくは運動量の変化が小さくなるような空
間歪みを与えるようにしてもよい。

【００４１】このような場合、単脚支持後期の立脚にお
いては、ＺＭＰ位置のＸ方向への移動量にほぼ線形的に
曲がり量が減少する。床反力が小さいときには、ＺＭＰ
位置が機体の前方に移動したときには該立脚は前方に向
かって曲がるとともに、ＺＭＰ位置が機体の後方に移動
したときには該立脚は後方に向かって曲がるが、床反力
が大きくなるにつれて、ＺＭＰ位置が前方又は後方のい
ずれに移動しても該立脚は曲がり難くなる。

【００４２】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップで
は、単脚支持後期の立脚に対して、進行方向と直交方向
において、床反力が小さいときにはＺＭＰ位置がＺＭＰ
安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ
安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボット
の変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大きく
なるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外
れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心に向か
うようなロボットの変形量若しくは運動量が生じるよう
な空間歪みを与えるようにしてもよい。また、進行方向
において、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭ
Ｐ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭ
Ｐ安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボッ
トの変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大き
くなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から
外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心に向
かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生する
ような空間歪みを与えるようにしてもよい。

【００４３】このような場合、床反力が小さいときに
は、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときには単脚支
持後期の立脚は内側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位
置が機体の外側に移動したときには該立脚は外側に向か
って曲がるが、床反力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭ
Ｐ位置が機体の内側に移動したときには該立脚は外側に
向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の外側に移動
したときには該立脚は内側に向かって曲がるように構成
される。また、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が
機体の前方に移動したときには該立脚は前方に向かって
曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の後方に移動したとき
には該立脚は後方に向かって曲がるが、床反力が大きく
なるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動した
ときには該立脚は後方に向かって曲がるとともにＺＭＰ
位置が機体の後方に移動したときには該立脚は前方に向
かって曲がるようになる。したがって、機体の制御機構
が充分な応答速度を持たなくても、外乱などに対して高
いロバスト性を得ることができる。

【００４４】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップで
は、単脚支持後期の体幹部に対して、進行方向と直交す
る方向において、床反力が小さいときにはＺＭＰ位置が
ＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置が
ＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロ
ボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が
大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心
から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心
に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が生じ
るような空間歪みを与えるようにしてもよい。また、進
行方向において、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置
がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置
がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうような
ロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反力
が大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中
心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中
心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発
生するような空間歪みを与えるようにしてもよい。

【００４５】このような場合、床反力が小さいときに
は、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときには体幹部
は内側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の外
側に移動したときには体幹部は外側に向かって曲がる
が、床反力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機
体の内側に移動したときには体幹部は外側に向かって曲
がるとともにＺＭＰ位置が機体の外側に移動したときに
は体幹部は内側に向かって曲がるように構成される。ま
た、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機体の前方
に移動したときには体幹部は前方に向かって曲がるとと
もにＺＭＰ位置が機体の後方に移動したときには体幹部
は後方に向かって曲がるが、床反力が大きくなるに従
い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動したときには
体幹部は後方に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機
体の後方に移動したときには体幹部は前方に向かって曲
がるようになる。したがって、機体の制御機構が充分な
応答速度を持たなくても、外乱などに対して高いロバス
ト性を得ることができる。

【００４６】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップで
は、ＺＭＰ位置が機体の外側に向かう方向を正方向とす
る第１の座標軸とＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に
向かわせるようなロボットの変形量若しくは運動量を正
方向とする第２の座標軸からなるＺＭＰ挙動空間におい
て、両脚支持期の立脚に対して、ロボットの変形量若し
くは運動量が負領域においてＺＭＰ安定領域の略中央付
近において極大値を持ち、且つ、床反力の増大とともに
該変形量若しくは運動量の変化が小さくなるような空間
歪みを与えるようにしてもよい。

【００４７】このような場合、ＺＭＰ位置の機体外側へ
の移動量にほぼ線形的に立脚の曲がり量が減少する。床
反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動
したときには該立脚は内側に向かって曲がるとともに、
ＺＭＰ位置が機体の外側に移動したときには該立脚は外
側に向かって曲がるが、床反力が大きくなるにつれて、
ＺＭＰ位置が内側又は外側のいずれに移動しても該立脚
は曲がり難くなるように構成されている。両脚支持期で
は２本の脚で支持するため１本の脚で支持する単脚支持
期に対し脚の曲がり量は小さい。

【００４８】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップで
は、ＺＭＰ位置が機体の前方に向かう方向を正方向とす
る第１の座標軸とＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に
向かわせるようなロボットの変形量若しくは運動量を正
方向とする第２の座標軸からなるＺＭＰ挙動空間におい
て、両脚支持期の立脚に対して、ロボットの変形量若し
くは運動量が負領域においてＺＭＰ安定領域の略中央付
近において極大値を持ち、且つ、床反力の増大とともに
該変形量若しくは運動量の変化が小さくなるような空間
歪みを与えるようにしてもよい。

【００４９】このような場合、ＺＭＰ位置の機体前方へ
の移動量にほぼ線形的に立脚の曲がり量が減少する。床
反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動
したときには該立脚は前方に向かって曲がるとともに、
ＺＭＰ位置が機体の後方に移動したときには該立脚は後
方に向かって曲がるが、床反力が大きくなるにつれて、
ＺＭＰ位置が前方又は後方のいずれに移動しても該立脚
は曲がり難くなるように構成されている。両脚支持期で
は２本の脚で支持するため１本の脚で支持する単脚支持
期に対し脚の曲がり量は小さい。

【００５０】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップで
は、両脚支持期の立脚に対して、進行方向と直交する方
向において、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺ
ＭＰ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺ
ＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボ
ットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大
きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心か
ら外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心に
向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生す
るような空間歪みを与えるようにしてもよい。また、進
行方向において、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置
がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置
がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうような
ロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反力
が大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中
心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中
心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発
生するような空間歪みを与えるようにしてもよい。

【００５１】このような場合、床反力が小さいときに
は、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときには両脚支
持期の立脚は内側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置
が機体の外側に移動したときには該立脚は外側に向かっ
て曲がるが、床反力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ
位置が機体の内側に移動したときには該立脚は外側に向
かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の外側に移動し
たときには該立脚は内側に向かって曲がるように構成さ
れる。また、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機
体の前方に移動したときには該立脚は前方に向かって曲
がるとともにＺＭＰ位置が機体の後方に移動したときに
は該立脚は後方に向かって曲がるが、床反力が大きくな
るに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動したと
きには該立脚は後方に向かって曲がるとともにＺＭＰ位
置が機体の後方に移動したときには該立脚は前方に向か
って曲がるようになる。したがって、機体の制御機構が
充分な応答速度を持たなくても、外乱などに対して高い
ロバスト性を得ることができる。

【００５２】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップで
は、両脚支持期の体幹部に対して、進行方向と直交する
方向において、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が
ＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置が
ＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロ
ボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が
大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心
から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心
に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生
するような空間歪みを与えるようにしてもよい。また、
進行方向において、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位
置がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位
置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうよう
なロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反
力が大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が
発生するような空間歪みを与えるようにしてもよい。

【００５３】このような場合、床反力が小さいときに
は、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときには体幹部
は内側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の外
側に移動したときには体幹部は外側に向かって曲がる
が、床反力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機
体の内側に移動したときには体幹部は外側に向かって曲
がるとともにＺＭＰ位置が機体の外側に移動したときに
は体幹部は内側に向かって曲がるように構成される。ま
た、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機体の前方
に移動したときには体幹部は前方に向かって曲がるとと
もにＺＭＰ位置が機体の後方に移動したときには体幹部
は後方に向かって曲がるが、床反力が大きくなるに従
い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動したときには
体幹部は後方に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機
体の後方に移動したときには体幹部は前方に向かって曲
がるようになる。したがって、機体の制御機構が充分な
応答速度を持たなくても、外乱などに対して高いロバス
ト性を得ることができる。

【００５４】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップで
は、ＺＭＰ位置が機体の外側に向かう方向を負方向とす
る第１の座標軸とＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に
向かわせるようなロボットの変形量若しくは運動量を正
方向とする第２の座標軸からなるＺＭＰ挙動空間におい
て、単脚支持前期の立脚に対して、ロボットの変形量若
しくは運動量が負領域において極大値を持ち、且つ、床
反力の増大とともに該変形量若しくは運動量の極大値の
ＺＭＰ位置を正方向に移動させるような空間歪みを与え
るようにしてもよい。

【００５５】このような場合、単脚支持前期の立脚にお
いては、ＺＭＰ位置のＹ方向への移動量にほぼ線形的に
曲がり量が減少する。床反力が小さいときには、ＺＭＰ
位置が機体の内側に移動したときには該立脚は内側に向
かって曲がるとともに、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動
したときには該立脚は外側に向かって曲がるが、床反力
が大きくなるにつれて、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動
しても該立脚は外側には曲がり難くなる。

【００５６】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップで
は、ＺＭＰ位置が機体の前方に向かう方向を正方向とす
る第１の座標軸とＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に
向かわせるようなロボットの変形量若しくは運動量を正
方向とする第２の座標軸からなるＺＭＰ挙動空間におい
て、単脚支持前期の立脚に対して、ロボットの変形量若
しくは運動量が負領域においてＺＭＰ安定領域の略中央
付近において極大値を持ち、且つ、床反力の増大ととも
に該変形量若しくは運動量の変化が小さくなるような空
間歪みを与えるようにしてもよい。

【００５７】このような場合、単脚支持前期の立脚にお
いては、ＺＭＰ位置のＸ方向への移動量にほぼ線形的に
曲がり量が減少する。床反力が小さいときには、ＺＭＰ
位置が機体の前方に移動したときには該立脚は前方に向
かって曲がるとともに、ＺＭＰ位置が機体の後方に移動
したときには該立脚は後方に向かって曲がるが、床反力
が大きくなるにつれて、ＺＭＰ位置が前方又は後方のい
ずれに移動しても該立脚は曲がり難くなる。

【００５８】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップで
は、単脚支持前期の立脚に対して、進行方向と直交する
方向において、床反力が小さいときにはＺＭＰ位置がＺ
ＭＰ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺ
ＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボ
ットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大
きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心か
ら外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心に
向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が生じる
ような空間歪みを与えるようにしてもよい。また、進行
方向において、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が
ＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置が
ＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロ
ボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が
大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心
から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心
に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生
するような空間歪みを与えるようにしてもよい。したが
って、機体の制御機構が充分な応答速度を持たなくて
も、外乱などに対して高いロバスト性を得ることができ
る。

【００５９】このような場合、床反力が小さいときに
は、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動したときには単脚支
持前期の立脚は外側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位
置が機体の内側に移動したときには該立脚は内側に向か
って曲がるが、床反力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭ
Ｐ位置が機体の外側に移動したときには該立脚は内側に
向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の内側に移動
したときには該立脚は外側に向かって曲がるように構成
される。また、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が
機体の前方に移動したときには該立脚は前方に向かって
曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の後方に移動したとき
には該立脚は後方に向かって曲がるが、床反力が大きく
なるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動した
ときには該立脚は後方に向かって曲がるとともにＺＭＰ
位置が機体の後方に移動したときには該立脚は前方に向
かって曲がるようになる。したがって、機体の制御機構
が充分な応答速度を持たなくても、外乱などに対して高
いロバスト性を得ることができる。

【００６０】また、前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップで
は、単脚支持前期の体幹部に対して、進行方向と直交す
る方向において、床反力が小さいときにはＺＭＰ位置が
ＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置が
ＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロ
ボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が
大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心
から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心
に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が生じ
るような空間歪みを与えるようにしてもよい。また、進
行方向において、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置
がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置
がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうような
ロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反力
が大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中
心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中
心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発
生するような空間歪みを与えるようにしてもよい。

【００６１】このような場合、床反力が小さいときに
は、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動したときには体幹部
は外側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の内
側に移動したときには体幹部は内側に向かって曲がる
が、床反力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機
体の外側に移動したときには体幹部は内側に向かって曲
がるとともにＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときに
は体幹部は外側に向かって曲がるように構成される。ま
た、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機体の前方
に移動したときには体幹部は前方に向かって曲がるとと
もにＺＭＰ位置が機体の後方に移動したときには体幹部
は後方に向かって曲がるが、床反力が大きくなるに従
い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動したときには
体幹部は後方に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機
体の後方に移動したときには体幹部は前方に向かって曲
がるようになる。したがって、機体の制御機構が充分な
応答速度を持たなくても、外乱などに対して高いロバス
ト性を得ることができる。

【００６２】また、本発明の第２の側面は、２以上の可
動脚を備えた脚式移動ロボットの制御方法であって、機
体のピッチ軸モーメント及びロール軸モーメントがゼロ
となるＺＭＰの位置と機体が床面から受ける床反力で定
義されるＺＭＰ挙動空間を定義するステップと、該定義
されたＺＭＰ挙動空間の定義に基づいてＺＭＰ安定位置
を求めるステップと、該求められたＺＭＰ安定位置に基
づいて機体動作を制御するステップと、を具備すること
を特徴とする脚式移動ロボットの制御方法である。

【００６３】本発明の第２の側面に係る脚式移動ロボッ
トの制御方法によれば、ＺＭＰを姿勢の安定度判別の規
範として採用するが、ロボットの機体の変形量や運動量
を考慮して安定したＺＭＰの存在空間を持つ機体動作の
制御を行うことができる。

【００６４】すなわち、ＺＭＰ位置が前記可動脚の足底
接地点と路面とが形成する支持多角形からなるＺＭＰ安
定領域の中央からＺＭＰ位置が外れるにつれてＺＭＰ位
置が前記ＺＭＰ安定領域の中央に移動させようとする機
体の変形量若しくは運動量が生じるようにＺＭＰ挙動空
間に空間歪みをあらかじめ与えることができる。この結
果、機体の制御機構が充分な応答速度を持たない場合で
あっても、外乱などに対して高いロバスト性を得ること
ができる。

【００６５】また、本発明の第２の側面に係る脚式移動
ロボットの制御方法は、前記脚式移動ロボットと路面と
の接触状況に応じてＺＭＰ挙動空間の定義を変更するス
テップをさらに備えていてもよい。

【００６６】このような場合、足底が着床面から受ける
床反力が変化した場合など、路面との接触状況に応じて
ＺＭＰ挙動空間に与える空間歪みを動的に制御すること
ができ、いかなる状況であっても常にＺＭＰ位置が外れ
るにつれてＺＭＰ位置が前記ＺＭＰ安定領域の中央に移
動させようとする機体の変形量若しくは運動量が生じる
ようにして、機体の姿勢安定制御を容易な状態にするこ
とができる。

【００６７】また、前記のＺＭＰ挙動空間を定義するス
テップでは、前記ＺＭＰ挙動空間における極大点及び／
又は極小点を任意に指定するようにしてもよい。また、
任意の時刻に前記ＺＭＰ挙動空間における極大点及び／
又は極小点を任意に指定するようにしてもよい。また、
単脚支持後期、両脚支持期、単脚支持前期など脚の支持
状態に応じて前記ＺＭＰ挙動空間における極大点及び／
又は極小点を任意に指定するようにしてもよい。

【００６８】このような場合、ロボットが脚式作業を行
うときに、時々刻々と変わる歩容に応じて姿勢の安定制
御が容易な空間歪みを持つＺＭＰ挙動空間を動的に生成
することができる。

【００６９】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。

【００７０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態について詳解する。

【００７１】Ａ．ロボットの構成 図３及び図４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１００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１００は、体幹部１
０１と、頭部１０２と、左右の上肢部１０３と、脚式移
動を行う左右２足の下肢部１０４と、機体の動作を統括
的にコントロールする制御部１０５とで構成される。

【００７２】左右各々の下肢１０４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。

【００７３】制御部１０５は、この脚式移動ロボット１
００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。ま
た、図３及び図４に示す例では、脚式移動ロボット１０
０が制御部を背中に背負うような格好となっているが、
制御部の設置場所は特に限定されない。

【００７４】このように構成された脚式移動ロボット１
００は、制御部１０５による全身協調的な動作制御によ
り、２足歩行を実現することができる。かかる２足歩行
は、一般に、以下に示す各動作期間に分割される歩行周
期を繰り返すことによって行われる。すなわち、

【００７５】（１）右脚を持ち上げた、左脚による単脚
支持期 （２）右脚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）左脚が接地した両脚支持期

【００７６】脚式移動ロボット１００における歩行制御
は、あらかじめ下肢の目標軌道を計画し、上記の各期間
において計画軌道の修正を行うことによって実現され
る。すなわち、両脚支持期では、下肢軌道の修正を停止
して、計画軌道に対する総修正量を用いて腰の高さを一
定値で修正する。また、単脚支持期では、修正を受けた
脚の足首と腰との相対位置関係を計画軌道に復帰させる
ように修正軌道を生成する。具体的な修正は、ＺＭＰに
対する偏差を小さくするための位置、速度、及び加速度
が連続となるように、５次多項式を用いた補間計算によ
り行う。

【００７７】図５には、この脚式移動ロボット１００が
具備する関節自由度構成を模式的に示している。同図に
示すように、脚式移動ロボット１００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。

【００７８】頭部１を支持する首関節は、首関節ヨー軸
２と、首関節ピッチ軸３と、首関節ロール軸４という３
自由度を有している。

【００７９】また、各腕部は、肩関節ピッチ軸８と、肩
関節ロール軸９と、上腕ヨー軸１０と、肘関節ピッチ軸
１１と、前腕ヨー軸１２と、手首関節ピッチ軸１３と、
手首関節ロール軸１４と、手部１５とで構成される。手
部１５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。但し、手部１５の動作はロボット１０
０の姿勢制御や歩行制御に対する寄与や影響が少ないの
で、本明細書ではゼロ自由度と仮定する。したがって、
各腕部は７自由度を有するとする。

【００８０】また、体幹部は、体幹ピッチ軸５と、体幹
ロール軸６と、体幹ヨー軸７という３自由度を有する。

【００８１】また、下肢を構成する各々の脚部は、股関
節ヨー軸１６と、股関節ピッチ軸１７と、股関節ロール
軸１８と、膝関節ピッチ軸１９と、足首関節ピッチ軸２
０と、足首関節ロール軸２１と、足部２２とで構成され
る。人体の足部２２は実際には多関節・多自由度の足底
を含んだ構造体であるが、本実施形態に係る脚式移動ロ
ボット１００の足底はゼロ自由度とする。したがって、
各脚部は６自由度で構成される。

【００８２】以上を総括すれば、本実施例に係る脚式移
動ロボット１００全体としては、合計で３＋７×２＋３
＋６×２＝３２自由度を有することになる。但し、エン
ターティンメント向けの脚式移動ロボット１００が必ず
しも３２自由度に限定される訳ではない。設計・製作上
の制約条件や要求仕様などに応じて、自由度すなわち関
節数を適宜増減することができることは言うまでもな
い。

【００８３】上述したような脚式移動ロボット１００が
持つ各自由度は、実際にはアクチュエータを用いて実装
される。外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形
状に近似させること、２足歩行という不安定構造体に対
して姿勢制御を行うことなどの要請から、アクチュエー
タは小型且つ軽量であることが好ましい。本実施例で
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・ユニットに内蔵したタイプの小型ＡＣサーボ・
アクチュエータを搭載することとした。なお、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。

【００８４】図６には、本実施形態に係る脚式移動ロボ
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、該制御システムは、ユーザ入力など
に動的に反応して情緒判断や感情表現を司る思考制御モ
ジュール２００と、関節アクチュエータの駆動などロボ
ットの全身協調運動を制御する運動制御モジュール３０
０とで構成される。

【００８５】思考制御モジュール２００は、情緒判断や
感情表現に関する演算処理を実行するＣＰＵ（Central
Processing Unit）２１１や、ＲＡＭ（Random Access M
emory）２１２、ＲＯＭ（Read Only Memory）２１３、
及び、外部記憶装置（ハード・ディスク・ドライブなど）
２１４で構成される、モジュール内で自己完結した処理
を行うことができる、独立駆動型の情報処理装置であ
る。

【００８６】思考制御モジュール２００は、情緒判断や
感情表現に関する演算処理を実行するＣＰＵ（Central
Processing Unit）２１１や、ＲＡＭ（Random Access M
emory）２１２、ＲＯＭ（Read Only Memory）２１３、
及び、外部記憶装置（ハード・ディスク・ドライブなど）
２１４で構成される、モジュール内で自己完結した処理
を行うことができる独立した情報処理装置である。

【００８７】思考制御モジュール２００では、画像入力
装置２５１から入力される視覚データや音声入力装置２
５２から入力される聴覚データなど、外界からの刺激な
どに従って、脚式移動ロボット１００の現在の感情や意
思を決定する。さらに、意思決定に基づいた動作（アク
ション）又は行動シーケンス（ビヘイビア）、すなわち
四肢の運動を実行するように、運動制御モジュール３０
０に対して指令を発行する。

【００８８】一方の運動制御モジュール３００は、ロボ
ット１００の全身協調運動を制御するＣＰＵ（Central
Processing Unit）３１１や、ＲＡＭ（Random Access M
emory）３１２、ＲＯＭ（Read Only Memory）３１３、
及び、外部記憶装置（ハード・ディスク・ドライブなど）
３１４で構成される、モジュール内で自己完結した処理
を行うことができる、独立駆動型の情報処理装置であ
る。外部記憶装置３１４には、例えば、オフラインで算
出された歩行パターンやＺＭＰ目標軌道、その他の行動
計画を蓄積することができる。

【００８９】運動制御モジュール３００には、ロボット
１００の全身に分散するそれぞれの関節自由度を実現す
る各関節アクチュエータ（図５を参照のこと）、体幹部
の姿勢や傾斜を計測する姿勢センサ３５１、左右の足底
の離床又は着床を検出する接地確認センサ３５２及び３
５３、バッテリなどの電源を管理する電源制御装置など
の各種の装置が、バス・インターフェース３０１経由で
接続されている。

【００９０】思考制御モジュール２００と運動制御モジ
ュール３００は、共通のプラットフォーム上で構築さ
れ、両者間はバス・インターフェース２０１及び３０１
を介して相互接続されている。

【００９１】運動制御モジュール３００では、思考制御
モジュール２００から指示された行動を体現すべく、各
関節アクチュエータによる全身協調運動を制御する。す
なわち、ＣＰＵ３１１は、思考制御モジュール２００か
ら指示された行動に応じた動作パターンを外部記憶装置
３１４から取り出し、又は、内部的に動作パターンを生
成する。そして、ＣＰＵ３１１は、指定された動作パタ
ーンに従って、足部運動、ＺＭＰ軌道、体幹運動、上肢
運動、腰部水平位置及び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指令値を各関
節アクチュエータに転送する。

【００９２】さらに、運動制御モジュール３００は、思
考制御モジュール２００において決定された意思通りの
行動がどの程度発現されたか、すなわち処理の状況を、
思考制御モジュール２００に返すようになっている。

【００９３】運動制御モジュール３００内のＣＰＵ３１
１は、姿勢センサ３５１の出力信号によりロボット１０
０の体幹部分の姿勢や傾きを検出するとともに、各接地
確認センサ３５２及び３５３の出力信号により各可動脚
が遊脚又は立脚のいずれの状態であるかを検出すること
によって、脚式移動ロボット１００の全身協調運動を適
応的に制御することができる。

【００９４】また、ＣＰＵ３１１は、ＺＭＰを姿勢安定
度の判別規範に用いて機体の姿勢や動作の制御を演算処
理する。本実施形態では、ＣＰＵ３１１は、機体のＺＭ
Ｐ挙動空間を定義して、このＺＭＰ挙動空間の定義に基
づいてＺＭＰ安定位置を求めて、ＺＭＰ位置が常にＺＭ
Ｐ安定領域の中心に向かうように機体の姿勢や動作を制
御するようになっている。また、路面との接触状況に応
じてＺＭＰ挙動空間を逐次再定義することにより、常に
ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に移動させようとす
る機体の変形量若しくは運動量が生じるような空間歪み
をＺＭＰ挙動空間に与えることにより、機体の姿勢安定
制御を容易な状態に維持するようになっている。ＺＭＰ
挙動空間や空間歪みの仕組みについては次項で詳解す
る。

【００９５】Ｂ．ロボットの姿勢制御 脚式移動ロボットの多くは、ＺＭＰ（Zero Moment Poin
t）を歩行の安定度判別の規範として採用する。

【００９６】Ｂ−１．ＺＭＰ挙動空間 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
ものであり、「歩行のあらゆる瞬間において、ＺＭＰが
足部と路面とが形成する支持多角形の内側に存在し、且
つ、ロボットが路面に押す方向の力が作用すれば、ロボ
ットが転倒（機体が回転運動）することなく安定に歩行
できる」とするものである。

【００９７】ＺＭＰを安定度判別規範に用いたロボット
の姿勢安定度制御は、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及びロール軸モーメントがゼロと
なる点を探索することをベースとする。ＺＭＰ安定度判
別規範に基づく２足歩行パターン生成によれば、足底着
地点をあらかじめ設定することができ、路面形状に応じ
た足先の運動学的拘束条件を考慮し易いなどの利点があ
る。また、ＺＭＰを安定度判別規範とすることは、力で
はなく軌道を運動制御上の目標値として扱うことを意味
するので、技術的に実現可能性が高まる。

【００９８】しかしながら、［従来の技術の欄］でも既
に説明したように、ＺＭＰ規範は、ロボットの機体及び
路面が剛体に限りなく近いと仮定できる場合のみ適用す
ることができる規範に過ぎない。すなわち、ロボットや
路面が剛体に限りなく近いと仮定できない場合、例え
ば、ロボットが高速に動くことでＺＭＰに作用している
（並進）力や、立脚切替え時の衝撃力が大きくなり、ロ
ボット自身に変形や運動が発生してしまう場合には、印
加される力に対するロボットの変形量を適切に管理しな
いと、ＺＭＰが存在している空間自体が不安定になって
しまい、仮にロボットの姿勢がＺＭＰ安定度判別規範を
満たしても、不安定なＺＭＰ位置をとるために、ロボッ
トの姿勢が不安定になってしまう。

【００９９】また、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域から逸
脱してはじめて補正制御をかけるという事後的制御で
は、充分な速度で応答できず、外乱などに対するロバス
ト性が高くない。

【０１００】そこで、本実施形態では、ロボットの機体
の変形量や運動量を考慮して安定したＺＭＰ挙動空間を
持つロボット・システム構成を採用する。ＺＭＰ挙動空
間はＺＭＰ位置と機体が床面から受ける床反力で定義さ
れるが、本実施形態では機体が安定するような変形量や
運動量が発生するように、ＺＭＰ挙動空間に所定の歪み
があらかじめ与えるような機体の動作制御を行う。

【０１０１】したがって、ＺＭＰ位置の移動量が所定の
領域を越えてはじめて事後的な補正制御を開始するので
はなく、ロボットの姿勢が安定するような空間歪みを与
えるようにあらかじめ機体動作を制御しているので、機
体の制御機構が充分な応答速度を持たなくても、外乱な
どに対して高いロバスト性を得ることができる。

【０１０２】ここで、ロボットの変形量（若しくは運動
量）の正負は、負がＺＭＰを安定領域の縁に移動させよ
うとする空間歪みを生じさせる方向となり、正がＺＭＰ
を安定領域の中心に移動させようとする空間歪みを生じ
させる方向となる、という点に留意されたい。

【０１０３】図７には、ロボットの変形量又は運動量と
ＺＭＰ位置との関係を表したＺＭＰ挙動空間の構成例を
示している。

【０１０４】同図に示す例では、ＺＭＰ挙動空間は、放
物線又は円弧で表される非線型曲線で構成される。ま
た、図示しないが、不連続点や変曲点を含んでいてもよ
い。

【０１０５】ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域内の略中央付
近においては、ロボットに大きな変形量（若しくは運動
量）は発生しないので、そのままの状態ではロボットは
機体の姿勢安定性を失うことはない。

【０１０６】また、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央
から離れるにつれて、ロボットの変形量（若しくは運動
量）は正方向に増大していく。これに伴って、ＺＭＰを
安定領域の中心に移動させようとする空間歪みを生じさ
せる作用が働くので、やはり機体の姿勢安定性を維持し
易くなる。

【０１０７】また、図８には、ロボットの変形量又は運
動量とＺＭＰ位置との関係を表したＺＭＰ挙動空間の他
の構成例を示している。

【０１０８】同図に示す例では、ＺＭＰ挙動空間は、Ｚ
ＭＰ安定領域の略中央付近の線形直線と、その左右両端
で接続される非線型曲線とで構成され、直線と曲線の間
で不連続点を含んでいる。また、図示しないが変曲点を
含んでいてもよい。

【０１０９】ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の略中央付近
では、平坦すなわちロボットに大きな変形量（若しくは
運動量）は発生しないので、そのままの状態ではロボッ
トは機体の姿勢安定性を失うことはない。

【０１１０】また、ＺＭＰ位置が平坦な領域を逸脱する
と、ロボットの変形量（若しくは運動量）は正方向に急
激に増大していく。これに伴って、ＺＭＰを安定領域の
中心に移動させようとする空間歪みを生じさせる作用が
働くので、事後的な運動制御がなくても、機体の姿勢安
定性を維持し易くなる。

【０１１１】また、図９には、ロボットの変形量又は運
動量とＺＭＰ位置との関係を表したＺＭＰ挙動空間のさ
らに他の構成例を示している。

【０１１２】同図に示す例では、ＺＭＰ挙動空間は、複
数の線形直線を連結して構成され、複数の不連続点を含
んでいる。

【０１１３】ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の略中央付近
では、ＺＭＰ中央位置からの距離に応じてロボットの変
形量（若しくは運動量）が徐々に正方向に増大する比較
的傾斜が緩やかな直線でＺＭＰ挙動空間が形成される。
また、ＺＭＰ中央位置からの距離が所定値に到達した時
点で、ＺＭＰ中央位置からの距離に応じてロボットの変
形量（若しくは運動量）が急激に正方向に増大していく
比較的傾斜が急な直線でＺＭＰ挙動空間が形成されてい
る。

【０１１４】図示の例では、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領
域の略中央付近では、ＺＭＰを安定領域の中心に移動さ
せようとする空間歪みを生じさせる比較的弱い作用が働
くとともに、ＺＭＰ位置がＺＭＰ中央位置からある距離
から離れた時点では、ＺＭＰを安定領域の中心に移動さ
せようとする空間歪みを生じさせる比較的強い作用が働
くことになる。したがって、事後的な運動制御がなくて
も、同様に機体の姿勢安定性を維持し易くなる。

【０１１５】また、図１０には、ロボットの変形量又は
運動量とＺＭＰ位置との関係を表したＺＭＰ挙動空間の
さらに他の構成例を示している。

【０１１６】同図に示す例では、ＺＭＰ挙動空間は、非
線型曲線で構成され、ＺＭＰ安定領域の略中央位置に極
小点を持つとともに、ＺＭＰ安定領域の境界の近くで極
大点を有している。

【０１１７】このようなＺＭＰ挙動空間においては、Ｚ
ＭＰ位置が左右の極大点の内側では、ＺＭＰ中央位置か
らの距離に応じてロボットの変形量（若しくは運動量）
は正方向に増大するので、機体の姿勢安定性の維持が容
易な姿勢安定モードを形成する。

【０１１８】他方、ＺＭＰ位置が左右の極大点の外側で
は、ロボットの変形量（若しくは運動量）は徐々に減少
していき、ＺＭＰを安定領域の中心に移動させようとす
る空間歪みは低下していく。この結果、機体は姿勢の安
定性を失い易くなり、転倒モードを形成する。

【０１１９】また、図１１には、ロボットの変形量又は
運動量とＺＭＰ位置との関係を表したＺＭＰ挙動空間の
さらに他の構成例を示している。

【０１２０】同図に示す例では、複数の線形直線を連結
して構成され、複数の不連続点を含んでいる。ＺＭＰ安
定領域の略中央付近では、ＺＭＰ中央位置からの距離に
応じてロボットの変形量（若しくは運動量）が徐々に負
方向に増大する比較的傾斜が緩やかな直線でＺＭＰ挙動
空間が形成される。また、ＺＭＰ中央位置からの距離が
所定値に到達した時点で平坦となる。

【０１２１】この場合のＺＭＰ挙動空間は、ＺＭＰ安定
領域内のいずれの位置においてもロボットの変形量（若
しくは運動量）が負方向にのみ作用し、ＺＭＰ位置がそ
の中央位置からある程度以上離れると、ＺＭＰを安定領
域外に移動させようとする空間ひずみは一定量になる。
したがって、不安定ではあるが制御が比較的容易なＺＭ
Ｐ挙動空間であると言える。

【０１２２】Ｂ−２．ＺＭＰ挙動空間の制御 ロボットのＺＭＰ挙動空間に対して制御を行うことによ
り、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に移動させよう
とする機体の変形量若しくは運動量が生じるような空間
歪み与えて、機体の姿勢安定制御を容易な状態に維持す
ることができる。この項では、２足の脚式移動ロボット
が通常の歩行動作を行う場合を例にして、各動作フェー
ズ毎のＺＭＰ挙動空間の制御方法について説明する。

【０１２３】図１２及び図１３には、単脚支持期後期の
左立脚におけるＹ方向（進行方向と直交方向）並びにＸ
方向（進行方向）のＺＭＰ挙動空間の制御方法の例をそ
れぞれ示している。

【０１２４】図１２に示すように、単脚支持期後期の左
立脚におけるＹ方向のＺＭＰ挙動空間は、床反力が小さ
いときにはＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れ
るにつれて負方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域
の中心から外れる方向に向かうようなロボットの変形量
若しくは運動量が発生するが、床反力が大きくなるにつ
れてＺＭＰ位置が機体の外側に向かって移動したときに
はロボットの変形量若しくは運動量が生じなくなるよう
な空間歪みを与えている。この結果、支持脚として左立
脚においては、ＺＭＰ位置のＹ方向への移動量にほぼ線
形的に曲がり量が減少する。床反力が小さいときには、
ＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときには左立脚は内
側に向かって曲がるとともに、ＺＭＰ位置が機体の外側
に移動したときには左立脚は外側に向かって曲がるが、
床反力が大きくなるにつれて、ＺＭＰ位置が機体の外側
に移動しても左立脚は外側には曲がり難くなる。

【０１２５】なお、ロボットの総重量を１００としたと
きに、床反力が１００以上となるときに床反力が「大き
い」と言い、床反力が２０〜１００程度のときには床反
力が「中」と言い、また、床反力が２０以下となるとき
に床反力が「小さい」と言う（以下同様）。但し、これ
らはだいたいの目安であって、ロボットの機体構造、重
量によって変更しても構わない。特に、「床反力が小さ
い」ということを定性的に表現すると、両足支持期に、
一方の足でほぼ全身を支えている際の他方の足に加わっ
ている程度の床反力を言う。

【０１２６】また、図１３に示すように、単脚支持期後
期の左立脚におけるＸ方向のＺＭＰ挙動空間は、ＺＭＰ
位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれて負方向
すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる
方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が
発生するが、床反力が大きくなるに従い、機体に発生す
る変形量若しくは運動量が次第に小さくなっていくよう
な空間歪みを与えている。この結果、支持脚として左立
脚においては、ＺＭＰ位置のＸ方向への移動量にほぼ線
形的に曲がり量が減少する。床反力が小さいときには、
ＺＭＰ位置が機体の前方に移動したときには左立脚は前
方に向かって曲がるとともに、ＺＭＰ位置が機体の後方
に移動したときには左立脚は後方に向かって曲がるが、
床反力が大きくなるにつれて、ＺＭＰ位置が前方又は後
方のいずれに移動しても左立脚は曲がり難くなる。

【０１２７】図１４及び図１５には、単脚支持期後期の
左立脚におけるＹ方向（進行方向と直交方向）並びにＸ
方向（進行方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の制御方法
の例をそれぞれ示している。

【０１２８】図１４に示すように、単脚支持期後期の左
立脚におけるＹ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間は、床反
力が小さいときにはＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心
から外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ
安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボット
の変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大きく
なるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外
れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領
域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動
量が生じるような空間歪みを与えている。この結果、床
反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動
したときには左立脚は内側に向かって曲がるとともにＺ
ＭＰ位置が機体の外側に移動したときには左立脚は外側
に向かって曲がるが、床反力が大きくなるに従い、逆
に、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときには左立脚
は外側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の外
側に移動したときには左立脚は内側に向かって曲がるよ
うになる。

【０１２９】また、図１５に示すように、単脚支持期後
期の左立脚におけるＸ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間
は、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定
領域の中心から外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位
置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうよう
なロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反
力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定
領域の中心から外れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位
置がＺＭＰ安定領域の中心に向かうようなロボットの変
形量若しくは運動量が発生するような空間歪みを与えて
いる。この結果、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置
が機体の前方に移動したときには左立脚は前方に向かっ
て曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の後方に移動したと
きには左立脚は後方に向かって曲がるが、床反力が大き
くなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動し
たときには左立脚は後方に向かって曲がるとともにＺＭ
Ｐ位置が機体の後方に移動したときには左立脚は前方に
向かって曲がるようになる。

【０１３０】図１６及び図１７には、単脚支持期後期の
体幹部におけるＹ方向（進行方向と直交方向）並びにＸ
方向（進行方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の制御方法
の例をそれぞれ示している。

【０１３１】図１６に示すように、単脚支持期後期の体
幹部におけるＹ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間は、床反
力が小さいときにはＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心
から外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ
安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボット
の変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大きく
なるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外
れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領
域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動
量が生じるような空間歪みが与えている。この結果、床
反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動
したときには体幹部は内側に向かって曲がるとともにＺ
ＭＰ位置が機体の外側に移動したときには体幹部は外側
に向かって曲がるが、床反力が大きくなるに従い、逆
に、ＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときには体幹部
は外側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の外
側に移動したときには体幹部は内側に向かって曲がるよ
うになる。

【０１３２】また、図１７に示すように、単脚支持期後
期の体幹部におけるＸ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間
は、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定
領域の中心から外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位
置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうよう
なロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反
力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定
領域の中心から外れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位
置がＺＭＰ安定領域の中心に向かうようなロボットの変
形量若しくは運動量が発生するような空間歪みを与えて
いる。この結果、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置
が機体の前方に移動したときには体幹部は前方に向かっ
て曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の後方に移動したと
きには体幹部は後方に向かって曲がるが、床反力が大き
くなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動し
たときには体幹部は後方に向かって曲がるとともにＺＭ
Ｐ位置が機体の後方に移動したときには体幹部は前方に
向かって曲がるようになる。

【０１３３】図１８及び図１９には、両脚支持期の左立
脚におけるＹ方向（進行方向と直交方向）並びにＸ方向
（進行方向）のＺＭＰ挙動空間の制御方法の例をそれぞ
れ示している。

【０１３４】図１８に示すように、両脚支持期の左立脚
におけるＹ方向のＺＭＰ挙動空間は、ＺＭＰ位置がＺＭ
Ｐ安定領域の中心から外れるにつれて負方向すなわちＺ
ＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向か
うようなロボットの変形量若しくは運動量が発生する
が、床反力が大きくなるに従い、機体に発生する変形量
若しくは運動量が次第に小さくなっていくような空間歪
みを与えている。両脚支持期では２本の脚で支持するた
め、１本の脚で支持する単脚支持期よりＺＭＰ挙動空間
の剛性が高くなり、空間歪みは小さい。この結果、ＺＭ
Ｐ位置のＹ方向への移動量にほぼ線形的に左立脚の曲が
り量が減少する。床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置
が機体の内側に移動したときには左立脚は内側に向かっ
て曲がるとともに、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動した
ときには左立脚は外側に向かって曲がるが、床反力が大
きくなるにつれて、ＺＭＰ位置が内側又は外側のいずれ
に移動しても左立脚は曲がり難くなるようになる。両脚
支持期では２本の脚で支持するため、１本の脚で支持す
る単脚支持期に対し脚の曲がり量は小さい。

【０１３５】また、図１９に示すように、両脚支持期の
左立脚におけるＸ方向のＺＭＰ挙動空間は、ＺＭＰ位置
がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれて負方向すな
わちＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向
に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生
するが、床反力が大きくなるに従い、機体に発生する変
形量若しくは運動量が次第に小さくなっていくような空
間歪みを与えている。両脚支持期では２本の脚で支持す
るため、１本の脚で指示する単脚支持期よりＺＭＰ挙動
空間の剛性が高くなり、空間歪みは小さい。この結果、
ＺＭＰ位置のＸ方向への移動量にほぼ線形的に左立脚の
曲がり量が減少する。床反力が小さいときには、ＺＭＰ
位置が機体の前方に移動したときには左立脚は前方に向
かって曲がるとともに、ＺＭＰ位置が機体の後方に移動
したときには左立脚は後方に向かって曲がるが、床反力
が大きくなるにつれて、ＺＭＰ位置が前方又は後方のい
ずれに移動しても左立脚は曲がり難くなるようになる。
両脚支持期では２本の脚で支持するため、１本の脚で支
持する単脚支持期に対し脚の曲がり量は小さい。

【０１３６】図２０及び図２１には、両脚支持期の左立
脚におけるＹ方向（進行方向と直交方向）並びにＸ方向
（進行方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の制御方法の例
をそれぞれ示している。

【０１３７】図２０に示すように、両脚支持期の左立脚
におけるＹ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間は、床反力が
小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心か
ら外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安
定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボットの
変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大きくな
るに従い、逆に、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心か
ら外れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安
定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは
運動量が発生するような空間歪みを与えている。両脚支
持期では２本の脚で支持するため、１本の脚で支持する
単脚支持期よりＺＭＰ挙動空間の剛性が高くなり、空間
歪みは小さい。この結果、床反力が小さいときには、Ｚ
ＭＰ位置が機体の内側に移動したときには左立脚は内側
に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の外側に移
動したときには左立脚は外側に向かって曲がるが、床反
力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の内側
に移動したときには左立脚は外側に向かって曲がるとと
もにＺＭＰ位置が機体の外側に移動したときには左立脚
は内側に向かって曲がるようになる。両脚支持期では２
本の脚で支持するため、１本の脚で支持する単脚支持期
に対し脚の曲がり量は小さい。

【０１３８】また、図２１に示すように、両脚支持期の
左立脚におけるＸ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間は、床
反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
中心から外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位置がＺ
ＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボ
ットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大
きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
中心から外れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位置がＺ
ＭＰ安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若
しくは運動量が発生するような空間歪みを与えている。
両脚支持期では２本の脚で支持するため、１本の脚で支
持する単脚支持期よりもＺＭＰ挙動空間の剛性が高くな
り、空間歪みは小さい。この結果、床反力が小さいとき
には、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動したときには左立
脚は前方に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の
後方に移動したときには左立脚は後方に向かって曲がる
が、床反力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機
体の前方に移動したときには左立脚は後方に向かって曲
がるとともにＺＭＰ位置が機体の後方に移動したときに
は左立脚は前方に向かって曲がるようになる。両脚支持
期では２本の脚で支持するため、１本の脚で支持する単
脚支持期に対し脚の曲がり量は小さい。

【０１３９】図２２及び図２３には、両脚支持期の体幹
部におけるＹ方向（進行方向と直交方向）並びにＸ方向
（進行方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の制御方法の例
をそれぞれ示している。

【０１４０】図２２に示すように、両脚支持期の体幹部
におけるＹ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間は、床反力が
小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心か
ら外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安
定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボットの
変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大きくな
るに従い、逆に、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心か
ら外れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安
定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは
運動量が発生するような空間歪みを与えている。両脚支
持期では２本の脚で支持するため、１本の脚で支持する
単脚支持期よりＺＭＰ挙動空間の剛性が高くなり、空間
歪みは小さい。この結果、床反力が小さいときには、Ｚ
ＭＰ位置が機体の内側に移動したときには体幹部は内側
に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の外側に移
動したときには体幹部は外側に向かって曲がるが、床反
力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の内側
に移動したときには体幹部は外側に向かって曲がるとと
もにＺＭＰ位置が機体の外側に移動したときには体幹部
は内側に向かって曲がるようになる。

【０１４１】また、図２３に示すように、両脚支持期の
体幹部におけるＸ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間は、床
反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
中心から外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位置がＺ
ＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボ
ットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大
きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
中心から外れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位置がＺ
ＭＰ安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若
しくは運動量が発生するような空間歪みを与えている。
両脚支持期では２本の脚で支持するため、１本の脚で支
持する単脚支持期よりＺＭＰ挙動空間の剛性が高くな
り、空間歪みは小さい。この結果、床反力が小さいとき
には、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動したときには体幹
部は前方に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の
後方に移動したときには体幹部は後方に向かって曲がる
が、床反力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機
体の前方に移動したときには体幹部は後方に向かって曲
がるとともにＺＭＰ位置が機体の後方に移動したときに
は体幹部は前方に向かって曲がるようになる。

【０１４２】図２４及び図２５には、単脚支持期前期の
左立脚におけるＹ方向（進行方向と直交方向）並びにＸ
方向（進行方向）のＺＭＰ挙動空間の制御方法の例をそ
れぞれ示している。

【０１４３】図２４に示すように、単脚支持期前期の右
立脚におけるＹ方向のＺＭＰ挙動空間は、床反力が小さ
いときにはＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れ
るにつれて負方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域
の中心から外れる方向に向かうようなロボットの変形量
若しくは運動量が発生するが、床反力が大きくなるにつ
れてＺＭＰ位置が機体の外側に向かって移動したときに
はロボットの変形量若しくは運動量が生じなくなるよう
な空間歪みを与えている。この結果、支持脚として右立
脚においては、ＺＭＰ位置のＹ方向への移動量にほぼ線
形的に曲がり量が減少する。床反力が小さいときには、
ＺＭＰ位置が機体の内側に移動したときには右立脚は内
側に向かって曲がるとともに、ＺＭＰ位置が機体の外側
に移動したときには右立脚は外側に向かって曲がるが、
床反力が大きくなるにつれて、ＺＭＰ位置が機体の外側
に移動しても右立脚は外側には曲がり難くなる。

【０１４４】また、図２５に示すように、単脚支持期前
期の右立脚におけるＸ方向のＺＭＰ挙動空間は、ＺＭＰ
位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれて負方向
すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる
方向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が
発生するが、床反力が大きくなるに従い、機体に発生す
る変形量若しくは運動量が次第に小さくなっていくよう
な空間歪みを与えている。この結果、支持脚として右立
脚においては、ＺＭＰ位置のＸ方向への移動量にほぼ線
形的に曲がり量が減少する。床反力が小さいときには、
ＺＭＰ位置が機体の前方に移動したときには右立脚は前
方に向かって曲がるとともに、ＺＭＰ位置が機体の後方
に移動したときには右立脚は後方に向かって曲がるが、
床反力が大きくなるにつれて、ＺＭＰ位置が前方又は後
方のいずれに移動しても右立脚は曲がり難くなる。

【０１４５】図２６及び図２７には、単脚支持期前期の
右立脚におけるＹ方向（進行方向と直交方向）並びにＸ
方向（進行方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の制御方法
の例をそれぞれ示している。

【０１４６】図２６に示すように、単脚支持期前期の右
立脚におけるＹ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間は、床反
力が小さいときにはＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心
から外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ
安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボット
の変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大きく
なるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外
れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領
域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動
量が生じるような空間歪みを与えている。この結果、床
反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動
したときには右立脚は外側に向かって曲がるとともにＺ
ＭＰ位置が機体の内側に移動したときには右立脚は内側
に向かって曲がるが、床反力が大きくなるに従い、逆
に、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動したときには右立脚
は内側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の内
側に移動したときには右立脚は外側に向かって曲がるよ
うになる。

【０１４７】また、図２７に示すように、単脚支持期前
期の右立脚におけるＸ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間
は、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定
領域の中心から外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位
置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうよう
なロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反
力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定
領域の中心から外れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位
置がＺＭＰ安定領域の中心に向かうようなロボットの変
形量若しくは運動量が発生するような空間歪みを与えて
いる。この結果、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置
が機体の前方に移動したときには右立脚は前方に向かっ
て曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の後方に移動したと
きには右立脚は後方に向かって曲がるが、床反力が大き
くなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動し
たときには右立脚は後方に向かって曲がるとともにＺＭ
Ｐ位置が機体の後方に移動したときには右立脚は前方に
向かって曲がるようになる。

【０１４８】図２８及び図２９には、単脚支持期前期の
体幹部におけるＹ方向（進行方向と直交方向）並びにＸ
方向（進行方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の制御方法
の例をそれぞれ示している。

【０１４９】図２８に示すように、単脚支持期前期の体
幹部におけるＹ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間は、床反
力が小さいときにはＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心
から外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ
安定領域の中心から外れる方向に向かうようなロボット
の変形量若しくは運動量が発生するが、床反力が大きく
なるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外
れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領
域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動
量が生じるような空間歪みを与えている。この結果、床
反力が小さいときには、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動
したときには体幹部は外側に向かって曲がるとともにＺ
ＭＰ位置が機体の内側に移動したときには体幹部は内側
に向かって曲がるが、床反力が大きくなるに従い、逆
に、ＺＭＰ位置が機体の外側に移動したときには体幹部
は内側に向かって曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の内
側に移動したときには体幹部は外側に向かって曲がるよ
うになる。

【０１５０】また、図２９に示すように、単脚支持期前
期の体幹部におけるＸ方向の理想的なＺＭＰ挙動空間
は、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定
領域の中心から外れるにつれて負方向すなわちＺＭＰ位
置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうよう
なロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反
力が大きくなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定
領域の中心から外れるにつれて正方向すなわちＺＭＰ位
置がＺＭＰ安定領域の中心に向かうようなロボットの変
形量若しくは運動量が発生するような空間歪みを与えて
いる。この結果、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位置
が機体の前方に移動したときには体幹部は前方に向かっ
て曲がるとともにＺＭＰ位置が機体の後方に移動したと
きには体幹部は後方に向かって曲がるが、床反力が大き
くなるに従い、逆に、ＺＭＰ位置が機体の前方に移動し
たときには体幹部は後方に向かって曲がるとともにＺＭ
Ｐ位置が機体の後方に移動したときには体幹部は前方に
向かって曲がるようになる。

【０１５１】脚式移動ロボットが、脚式作業の過程で、
左脚による単脚支持期、左脚が接地した両脚支持期、右
脚による単脚支持期、右脚が接地した両脚支持期という
各動作フェーズを順に繰り返すことに応じて、ＺＭＰ挙
動空間の定義を逐次切り替えていくことにより、いかな
る動作フェーズにおいても、常にＺＭＰ位置がＺＭＰ安
定領域の中央に移動させようとする機体の変形量若しく
は運動量が生じるような空間歪みを形成することによ
り、機体の姿勢安定制御を容易な状態に維持することが
できる。

【０１５２】Ｃ．ＺＭＰ挙動空間の制御システム 本実施形態では、運動制御モジュール３００内において
ＺＭＰを姿勢安定度の判別規範に用いて機体の姿勢や動
作の制御を演算処理する。このとき、機体のＺＭＰ挙動
空間を定義して、このＺＭＰ挙動空間の定義に基づいて
ＺＭＰ安定位置を求めて、ＺＭＰ位置が常にＺＭＰ安定
領域の中心に向かうように機体の姿勢や動作を制御す
る。また、路面との接触状況に応じてＺＭＰ挙動空間を
逐次再定義することにより、常にＺＭＰ位置がＺＭＰ安
定領域の中央に移動させようとする機体の変形量若しく
は運動量が生じるような空間歪みをＺＭＰ挙動空間に与
えることにより、機体の姿勢安定制御を容易な状態に維
持することができる。

【０１５３】この項では、ＺＭＰ挙動空間の制御システ
ムの構成について詳解する。

【０１５４】図３０には、ＺＭＰ挙動空間の制御システ
ム５００の機能構成を模式的に示している。この制御シ
ステム５００は、実際には、運動制御モジュール３００
内のＣＰＵ３１１が所定の制御プログラムを実行すると
いう形態で実現される。

【０１５５】同図に示すように、ＺＭＰ挙動空間の制御
システム５００は、ＺＭＰ挙動空間定義部５０１と、安
定点計算部５０２とで構成される。

【０１５６】ＺＭＰ挙動空間定義部５０１は、機体の姿
勢に関する目標値と、実機の状態値を入力して、ＺＭＰ
挙動空間を定義する。定義されたＺＭＰ挙動空間には、
ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に移動させようとす
る機体の変形量若しくは運動量が生じるような空間歪み
が形成されている。

【０１５７】目標値は、例えば計画軌道から算出される
各関節アクチュエータの回転角、角速度、角加速度など
である。また、実機の状態値は、各関節アクチュエータ
に配設されたエンコーダより出力される関節の回転角、
角速度、角加速度や、その他の機体上のセンサ入力、並
びにＺＭＰ実測値などである。

【０１５８】ＺＭＰ挙動空間は、例えば、下式のように
定義される。

【０１５９】

【数１】

【０１６０】ここで、ベクトルＴは、計画軌道などから
求められる目標値である。また、行列Ｂ，Ｃ，Ｄは空間
変換用の行列である。

【０１６１】但し、上記のＺＭＰ挙動空間の定義式は、
Ｂ項で説明下ようなＺＭＰ挙動空間の概念を最も単純化
して記述したものであり、本発明の要旨はこれに限定さ
れるものではない。また、上式は、それぞれの項を線形
独立に加算して構成されるが、干渉項も考慮して計算す
ることが好ましい。

【０１６２】本実施形態では、ＺＭＰ挙動空間定義部５
０１は、路面との接触状況に応じて、ＺＭＰ挙動空間の
定義を動的に切り換えるようになっている。例えば、脚
式移動ロボットは脚式作業の過程で、左脚による単脚支
持期、左脚が接地した両脚支持期、右脚による単脚支持
期、右脚が接地した両脚支持期という各動作フェーズを
順に繰り返すが、各動作フェーズ毎に路面との接触状況
は劇的に変化する。したがって、ＺＭＰ挙動空間の定義
を逐次切り替えていくことにより、いかなる動作フェー
ズにおいても、常にＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央
に移動させようとする機体の変形量若しくは運動量が生
じるような空間歪みを形成するようにする。

【０１６３】安定点計算部５０２は、上述したＺＭＰ挙
動空間の定義式を２階微分することによって、その安定
点を求める。算出された安定点を基に各関節アクチュエ
ータに対する指令値が生成され、機体動作をサーボ制御
することができる。この結果、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定
領域の中央に移動させるような空間歪みが実現される。

【０１６４】本実施形態によれば、運動制御モジュール
３００内のＣＰＵ３１１が実行する制御プログラムの記
述によってロボットのＺＭＰ挙動空間を任意に定義する
ことができる。

【０１６５】例えば、ＺＭＰ挙動空間における極大点及
び／又は極小点を任意に指定するようにしてもよい。ま
た、任意の時刻に、ＺＭＰ挙動空間における極大点及び
／又は極小点を任意に指定するようにしてもよい。ま
た、単脚支持後期、両脚支持期、単脚支持前期など脚の
支持状態に応じて、ＺＭＰ挙動空間における極大点及び
／又は極小点を任意に指定するようにしてもよい。

【０１６６】このように、ＺＭＰ安定領域内の極大点又
は極小点を設定することによって、ロボットが脚式作業
を行うときに、時々刻々と変わる歩容に応じて姿勢の安
定制御が容易な空間歪みを持つＺＭＰ挙動空間を動的に
生成することができる。

【０１６７】また、上述した本発明の各実施形態では、
ＺＭＰ位置と床反力によってＺＭＰ挙動空間を定義して
いるが、ＺＭＰ位置と床反力の他に、機体に対する外力
推進方向及びその大きさの成分をさらに加えてＺＭＰ挙
動空間の定義をすることもできる。

【０１６８】［追補］以上、特定の実施形態を参照しな
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形態の修
正や代用を成し得ることは自明である。

【０１６９】本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と
称される製品には限定されない。すなわち、電気的若し
くは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行
う機械装置であるならば、例えば玩具等のような他の産
業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用す
ることができる。

【０１７０】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。

【０１７１】

【発明の効果】以上詳記したように、本発明によれば、
いわゆるＺＭＰ（Zero Moment Point）を安定度判別規
範として用いながら脚式作業時における機体の姿勢安定
制御を好適に行なうことができる、優れた脚式移動ロボ
ットの制御方法を提供することができる。

【０１７２】また、本発明によれば、比較的遅いサンプ
リング周期でＺＭＰ安定度判別規範を用いながら機体の
姿勢安定制御を好適に行なうことができる、優れた脚式
移動ロボットの制御方法を提供することができる。

【０１７３】また、本発明によれば、人間の住環境で安
定した動歩行を自律的に継続するために、ＺＭＰ位置の
安定性を考慮した空間歪みが与えられたＺＭＰ挙動空間
を制御することができる、優れた脚式移動ロボットの制
御方法を提供することができる。

【０１７４】本発明によれば、ＺＭＰの位置と機体が床
面から受ける床反力で定義されるＺＭＰ挙動空間を定義
して、このＺＭＰ挙動空間の定義を基にＺＭＰ安定位置
を求めて、姿勢を安定に保つ指令値を各可動部位に発行
することができる。また、路面との接触状況に応じてＺ
ＭＰ挙動空間に与える空間歪みを動的に制御して、常に
ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に移動させようとす
る機体の変形量若しくは運動量が生じるようにして、機
体の姿勢安定制御を容易な状態にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ロボットや路面が限りなく剛体に近い理想的な
モデルの場合におけるＺＭＰ位置とロボットの変形量
（若しくは運動量）との関係（すなわちロボットが持つ
ＺＭＰ挙動空間）を示した図である。

【図２】現実には剛体ではない場合におけるＺＭＰ位置
とロボットの変形量（若しくは運動量）との関係（すな
わちロボットが持つＺＭＰ挙動空間）を示した図であ
る。

【図３】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１００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４】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１００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５】脚式移動ロボット１００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６】本発明の一実施形態に係る脚式移動ロボット１
００の制御システム構成を模式的に示した図である。

【図７】ロボットの変形量又は運動量とＺＭＰ位置との
関係を表したＺＭＰ挙動空間の構成例を示した図であ
る。

【図８】ロボットの変形量又は運動量とＺＭＰ位置との
関係を表したＺＭＰ挙動空間の他の構成例を示した図で
ある。

【図９】ロボットの変形量又は運動量とＺＭＰ位置との
関係を表したＺＭＰ挙動空間のさらに他の構成例を示し
た図である。

【図１０】ロボットの変形量又は運動量とＺＭＰ位置と
の関係を表したＺＭＰ挙動空間のさらに他の構成例を示
した図である。

【図１１】ロボットの変形量又は運動量とＺＭＰ位置と
の関係を表したＺＭＰ挙動空間のさらに他の構成例を示
した図である。

【図１２】単脚支持期後期の左立脚におけるＹ方向（進
行方向と直交方向）のＺＭＰ挙動空間の構成例を示した
図である。

【図１３】単脚支持期後期の左立脚におけるＸ方向（進
行方向）のＺＭＰ挙動空間の構成例を示した図である。

【図１４】単脚支持期後期の左立脚におけるＹ方向（進
行方向と直交方向）のＺＭＰ挙動空間の理想的な構成例
を示した図である。

【図１５】単脚支持期後期の左立脚におけるＸ方向（進
行方向）のＺＭＰ挙動空間の理想的な構成例を示した図
である。

【図１６】単脚支持期後期の体幹部におけるＹ方向（進
行方向と直交方向）のＺＭＰ挙動空間の理想的な構成例
を示した図である。

【図１７】単脚支持期後期の体幹部におけるＸ方向（進
行方向）のＺＭＰ挙動空間の理想的な構成例を示した図
である。

【図１８】両脚支持期の左立脚におけるＹ方向（進行方
向と直交方向）のＺＭＰ挙動空間の構成例を示した図で
ある。

【図１９】両脚支持期の左立脚におけるＸ方向（進行方
向）のＺＭＰ挙動空間の構成例を示した図である。

【図２０】両脚支持期の左立脚におけるＹ方向（進行方
向と直交方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例を示
した図である。

【図２１】両脚支持期の左立脚におけるＹ方向（進行方
向と直交方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例を示
した図である。

【図２２】両脚支持期の体幹部におけるＹ方向（進行方
向と直交方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例を示
した図である。

【図２３】両脚支持期の体幹部におけるＸ方向（進行方
向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例を示した図であ
る。

【図２４】単脚支持期前期の右立脚におけるＹ方向（進
行方向と直交方向）のＺＭＰ挙動空間の構成例を示した
図である。

【図２５】単脚支持期前期の右立脚におけるＸ方向（進
行方向）のＺＭＰ挙動空間の構成例を示した図である。

【図２６】単脚支持期前期の右立脚におけるＹ方向（進
行方向と直交方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例
を示した図である。

【図２７】単脚支持期前期の右立脚におけるＸ方向（進
行方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例を示した図
である。

【図２８】単脚支持期前期の体幹部におけるＹ方向（進
行方向と直交方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例
を示した図である。

【図２９】単脚支持期前期の体幹部におけるＸ方向（進
行方向）の理想的なＺＭＰ挙動空間の構成例を示した図
である。

【図３０】ＺＭＰ挙動空間の制御システム５００の機能
構成を模式的に示した図である。

【符号の説明】

１…頭部，２…首関節ヨー軸 ３…首関節ピッチ軸，４…首関節ロール軸 ５…体幹ピッチ軸，６…体幹ロール軸 ７…体幹ヨー軸，８…肩関節ピッチ軸 ９…肩関節ロール軸，１０…上腕ヨー軸 １１…肘関節ピッチ軸，１２…前腕ヨー軸 １３…手首関節ピッチ軸，１４…手首関節ロール軸 １５…手部，１６…股関節ヨー軸 １７…股関節ピッチ軸，１８…股関節ロール軸 １９…膝関節ピッチ軸，２０…足首関節ピッチ軸 ２１…足首関節ロール軸，２２…足部 １００…脚式移動ロボット ２００…思考制御モジュール ２０１…バス・インターフェース ２１１…ＣＰＵ，２１２…ＲＡＭ，２１３…ＲＯＭ ２１４…外部記憶装置 ２５１…画像入力装置（ＣＣＤカメラ） ２５２…音声入力装置（マイク） ２５３…音声出力装置（スピーカ） ２５４…通信インターフェース ３００…運動制御モジュール ３０１…バス・インターフェース ３１１…ＣＰＵ，３１２…ＲＡＭ，３１３…ＲＯＭ ３１４…外部記憶装置， ３５１…姿勢センサ ３５２，３５３…接地確認センサ ３５４…電源制御装置 ５００…ＺＭＰ挙動空間の制御システム ５０１…ＺＭＰ挙動空間定義部 ５０２…安定点計算部

フロントページの続き (72)発明者 服部 裕一 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 山口 仁一 東京都日野市多摩平５−14−38 Ｆターム(参考） 3C007 AS36 CS08 WA03 WA13 WB07

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２以上の可動脚を備えた脚式移動ロボット
   の制御方法であって、 機体のピッチ軸モーメント及びロール軸モーメントがゼ
   ロとなるＺＭＰの位置と機体が床面から受ける床反力で
   定義されるＺＭＰ挙動空間を制御するＺＭＰ挙動空間制
   御ステップを備え、 前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップではあらかじめＺＭＰ
   挙動空間に所定の歪み又は所定の特性を与えている、こ
   とを特徴とする脚式移動ロボットの制御方法。
2. 【請求項２】前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップでは、Ｚ
   ＭＰ位置が前記可動脚の足底接地点と路面とが形成する
   支持多角形からなるＺＭＰ安定領域の中央からＺＭＰ位
   置が外れるにつれてＺＭＰ位置が前記ＺＭＰ安定領域の
   中央に移動させようとする機体の変形量若しくは運動量
   が生じるようにＺＭＰ挙動空間にあらかじめ歪みを与え
   ている、ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロ
   ボットの制御方法。
3. 【請求項３】前記所定の特性は、前記床反力に応じてロ
   ボットの変形量又は運動量若しくは方向が変化する、こ
   とを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの制
   御方法。
4. 【請求項４】前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップでは、前
   記ＺＭＰ安定領域の略中心において機体の変形量又は運
   動量の極小点を設定する、ことを特徴とする請求項２に
   記載の脚式移動ロボットの制御方法。
5. 【請求項５】前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップでは、前
   記ＺＭＰ安定領域の略中心において機体の変形量又は運
   動量の極小点を設定するとともに、前記ＺＭＰ安定領域
   の境界近くで機体の変形量又は運動量の極大点を設定す
   る、ことを特徴とする請求項２に記載の脚式移動ロボッ
   トの制御方法。
6. 【請求項６】前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップでは、Ｚ
   ＭＰ位置が機体の外側に向かう方向を正方向とする第１
   の座標軸とＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に向かわ
   せるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向と
   する第２の座標軸からなるＺＭＰ挙動空間において、単
   脚支持後期の立脚に対して、 ロボットの変形量若しくは運動量が負領域において極大
   値を持ち、且つ、床反力の増大とともに該変形量若しく
   は運動量の極大値のＺＭＰ位置を正方向に移動させるよ
   うな空間歪みを与える、ことを特徴とする請求項１に記
   載の脚式移動ロボットの制御方法。
7. 【請求項７】前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップでは、Ｚ
   ＭＰ位置が機体の前方に向かう方向を正方向とする第１
   の座標軸とＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に向かわ
   せるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向と
   する第２の座標軸からなるＺＭＰ挙動空間において、単
   脚支持後期の立脚に対して、 ロボットの変形量若しくは運動量が負領域においてＺＭ
   Ｐ安定領域の略中央付近において極大値を持ち、且つ、
   床反力の増大とともに該変形量若しくは運動量の変化が
   小さくなるような空間歪みを与える、ことを特徴とする
   請求項１に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
8. 【請求項８】前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップでは、単
   脚支持後期の立脚に対して、 進行方向と直交方向において、床反力が小さいときには
   ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれて
   ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向
   かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生する
   が、床反力が大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安
   定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安
   定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若しくは
   運動量が生じるような空間歪みを与えるとともに、 進行方向において、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位
   置がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位
   置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうよう
   なロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反
   力が大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
   中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
   中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が
   発生するような空間歪みを与える、ことを特徴とする請
   求項１に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
9. 【請求項９】前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップでは、単
   脚支持後期の体幹部に対して、 進行方向と直交する方向において、床反力が小さいとき
   にはＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつ
   れてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向
   に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生
   するが、床反力が大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭ
   Ｐ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭ
   Ｐ安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若し
   くは運動量が生じるような空間歪みを与えるとともに、 進行方向において、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位
   置がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位
   置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうよう
   なロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反
   力が大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
   中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
   中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が
   発生するような空間歪みを与える、ことを特徴とする請
   求項１に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
10. 【請求項１０】前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップでは、
    ＺＭＰ位置が機体の外側に向かう方向を正方向とする第
    １の座標軸とＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に向か
    わせるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向
    とする第２の座標軸からなるＺＭＰ挙動空間において、
    両脚支持期の立脚に対して、 ロボットの変形量若しくは運動量が負領域においてＺＭ
    Ｐ安定領域の略中央付近において極大値を持ち、且つ、
    床反力の増大とともに該変形量若しくは運動量の変化が
    小さくなるような空間歪みを与える、 ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの
    制御方法。
11. 【請求項１１】前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップでは、
    ＺＭＰ位置が機体の前方に向かう方向を正方向とする第
    １の座標軸とＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に向か
    わせるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向
    とする第２の座標軸からなるＺＭＰ挙動空間において、
    両脚支持期の立脚に対して、 ロボットの変形量若しくは運動量が負領域においてＺＭ
    Ｐ安定領域の略中央付近において極大値を持ち、且つ、
    床反力の増大とともに該変形量若しくは運動量の変化が
    小さくなるような空間歪みを与える、ことを特徴とする
    請求項１に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
12. 【請求項１２】前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップでは、
    両脚支持期の立脚に対して、 進行方向と直交する方向において、床反力が小さいとき
    には、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れるに
    つれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方
    向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発
    生するが、床反力が大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺ
    ＭＰ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺ
    ＭＰ安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若
    しくは運動量が発生するような空間歪みを与えるととも
    に、 進行方向において、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位
    置がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位
    置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうよう
    なロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反
    力が大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
    中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
    中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が
    発生するような空間歪みを与える、ことを特徴とする請
    求項１に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
13. 【請求項１３】前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップでは、
    両脚支持期の体幹部に対して、 進行方向と直交する方向において、床反力が小さいとき
    には、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れるに
    つれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方
    向に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発
    生するが、床反力が大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺ
    ＭＰ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺ
    ＭＰ安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若
    しくは運動量が発生するような空間歪みを与えるととも
    に、 進行方向において、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位
    置がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位
    置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうよう
    なロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反
    力が大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
    中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
    中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が
    発生するような空間歪みを与える、ことを特徴とする請
    求項１に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
14. 【請求項１４】前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップでは、
    ＺＭＰ位置が機体の外側に向かう方向を負方向とする第
    １の座標軸とＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に向か
    わせるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向
    とする第２の座標軸からなるＺＭＰ挙動空間において、
    単脚支持前期の立脚に対して、 ロボットの変形量若しくは運動量が負領域において極大
    値を持ち、且つ、床反力の増大とともに該変形量若しく
    は運動量の極大値のＺＭＰ位置を正方向に移動させるよ
    うな空間歪みを与える、ことを特徴とする請求項１に記
    載の脚式移動ロボットの制御方法。
15. 【請求項１５】前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップでは、
    ＺＭＰ位置が機体の前方に向かう方向を正方向とする第
    １の座標軸とＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中央に向か
    わせるようなロボットの変形量若しくは運動量を正方向
    とする第２の座標軸からなるＺＭＰ挙動空間において、
    単脚支持前期の立脚に対して、 ロボットの変形量若しくは運動量が負領域においてＺＭ
    Ｐ安定領域の略中央付近において極大値を持ち、且つ、
    床反力の増大とともに該変形量若しくは運動量の変化が
    小さくなるような空間歪みを与える、ことを特徴とする
    請求項１に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
16. 【請求項１６】前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップでは、
    単脚支持前期の立脚に対して、 進行方向と直交する方向において、床反力が小さいとき
    にはＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつ
    れてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向
    に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生
    するが、床反力が大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭ
    Ｐ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭ
    Ｐ安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若し
    くは運動量が生じるような空間歪みを与えるとともに、 進行方向において、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位
    置がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位
    置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうよう
    なロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反
    力が大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
    中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
    中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が
    発生するような空間歪みを与える、ことを特徴とする請
    求項１に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
17. 【請求項１７】前記ＺＭＰ挙動空間制御ステップでは、
    単脚支持前期の体幹部に対して、 進行方向と直交する方向において、床反力が小さいとき
    にはＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつ
    れてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向
    に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が発生
    するが、床反力が大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭ
    Ｐ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭ
    Ｐ安定領域の中心に向かうようなロボットの変形量若し
    くは運動量が生じるような空間歪みを与えるとともに、 進行方向において、床反力が小さいときには、ＺＭＰ位
    置がＺＭＰ安定領域の中心から外れるにつれてＺＭＰ位
    置がＺＭＰ安定領域の中心から外れる方向に向かうよう
    なロボットの変形量若しくは運動量が発生するが、床反
    力が大きくなるに従い、ＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
    中心から外れるにつれてＺＭＰ位置がＺＭＰ安定領域の
    中心に向かうようなロボットの変形量若しくは運動量が
    発生するような空間歪みを与える、 ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの
    制御方法。
18. 【請求項１８】２以上の可動脚を備えた脚式移動ロボッ
    トの制御方法であって、 機体のピッチ軸モーメント及びロール軸モーメントがゼ
    ロとなるＺＭＰの位置と機体が床面から受ける床反力で
    定義されるＺＭＰ挙動空間を定義するステップと、 該定義されたＺＭＰ挙動空間の定義に基づいてＺＭＰ安
    定位置を求めるステップと、 該求められたＺＭＰ安定位置に基づいて機体動作を制御
    するステップと、を具備することを特徴とする脚式移動
    ロボットの制御方法。
19. 【請求項１９】前記脚式移動ロボットと路面との接触状
    況に応じてＺＭＰ挙動空間の定義を変更するステップを
    さらに備える、ことを特徴とする請求項１８に記載の脚
    式移動ロボットの制御方法。
20. 【請求項２０】前記のＺＭＰ挙動空間を定義するステッ
    プでは、前記ＺＭＰ挙動空間における極大点及び／又は
    極小点を任意に指定することができる、ことを特徴とす
    る請求項１８に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
21. 【請求項２１】前記のＺＭＰ挙動空間を定義するステッ
    プでは、任意の時刻に前記ＺＭＰ挙動空間における極大
    点及び／又は極小点を任意に指定することができる、こ
    とを特徴とする請求項１８に記載の脚式移動ロボットの
    制御方法。
22. 【請求項２２】前記のＺＭＰ挙動空間を定義するステッ
    プでは、脚の支持状態に応じて前記ＺＭＰ挙動空間にお
    ける極大点及び／又は極小点を任意に指定することがで
    きる、ことを特徴とする請求項１８に記載の脚式移動ロ
    ボットの制御方法。