JP3132156B2 - 脚式移動ロボットの歩容生成装置 - Google Patents
脚式移動ロボットの歩容生成装置Info
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
- B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
- B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
- B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
- B62D57/032—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members with alternately or sequentially lifted supporting base and legs; with alternately or sequentially lifted feet or skid
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は脚式移動ロボットの歩
容生成装置、より具体的には２足歩行の脚式移動ロボッ
トの歩容生成装置であって、単一平面から構成されてい
ない不整地などを移動するときも動力学的な平衡条件を
満足して安定に歩行できる様にしたものに関する。
容生成装置、より具体的には２足歩行の脚式移動ロボッ
トの歩容生成装置であって、単一平面から構成されてい
ない不整地などを移動するときも動力学的な平衡条件を
満足して安定に歩行できる様にしたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】脚式移動ロボット、特に２足歩行の脚式
移動ロボットとしては、特開昭６２−９７００５号、特
開昭６３−１５０１７６号公報記載のものなどが知られ
ている。また脚式移動ロボットを含むロボットの制御に
ついては、「ロボット工学ハンドブック」、日本ロボッ
ト学会編、１９９０年１０月２０日）に詳しい。
移動ロボットとしては、特開昭６２−９７００５号、特
開昭６３−１５０１７６号公報記載のものなどが知られ
ている。また脚式移動ロボットを含むロボットの制御に
ついては、「ロボット工学ハンドブック」、日本ロボッ
ト学会編、１９９０年１０月２０日）に詳しい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、脚式移動ロ
ボットの制御においては上記の「ロボット工学ハンドブ
ック」の３４７頁以下に詳述されている様に、ＺＭＰの
概念を導入し、それが目標軌跡を辿る様にロボットの歩
容を決定することが知られている。その場合、接地面を
含む最小凸多角形の中にＺＭＰが存在することが、動的
な力の平衡をとる条件となる。更に、接地面を含む最小
凸多角形の中のなるべく中央にＺＭＰが存在する様に歩
容を設計すれば、安定余裕の高い歩容となる。
ボットの制御においては上記の「ロボット工学ハンドブ
ック」の３４７頁以下に詳述されている様に、ＺＭＰの
概念を導入し、それが目標軌跡を辿る様にロボットの歩
容を決定することが知られている。その場合、接地面を
含む最小凸多角形の中にＺＭＰが存在することが、動的
な力の平衡をとる条件となる。更に、接地面を含む最小
凸多角形の中のなるべく中央にＺＭＰが存在する様に歩
容を設計すれば、安定余裕の高い歩容となる。
【０００４】しかし、ＺＭＰは単一平面、特に単一の水
平面でのみ成立する概念であり、ロボットが不整地や勾
配が変化する斜面などを移動する場合、通常、法線方向
や高さが異なる２つ以上の床面に同時に接地していると
きが存在するので、歩容設計に従来のＺＭＰ概念を適用
することができない。
平面でのみ成立する概念であり、ロボットが不整地や勾
配が変化する斜面などを移動する場合、通常、法線方向
や高さが異なる２つ以上の床面に同時に接地していると
きが存在するので、歩容設計に従来のＺＭＰ概念を適用
することができない。
【０００５】従って、この発明の目的は上記した不都合
を解消することにあり、従来のＺＭＰ概念を拡張し、不
整地など２つ以上の平面に同時に接地する場合において
も安定した歩容を生成できる様にした脚式移動ロボット
の歩容生成装置を提供することにある。
を解消することにあり、従来のＺＭＰ概念を拡張し、不
整地など２つ以上の平面に同時に接地する場合において
も安定した歩容を生成できる様にした脚式移動ロボット
の歩容生成装置を提供することにある。
【０００６】また、ロボットに作用する慣性力と重力の
合力と合モーメントが連続、換言すれば、各脚に作用す
る床反力の合力と合モーメントが連続であれば、ロボッ
ト重心の加速度が連続になって滑らかな動きを実現する
ことができ、更には足底と床との間の接地感を高めるこ
とができるなど、脚式移動ロボットを制御する上で種々
の利点がある。
合力と合モーメントが連続、換言すれば、各脚に作用す
る床反力の合力と合モーメントが連続であれば、ロボッ
ト重心の加速度が連続になって滑らかな動きを実現する
ことができ、更には足底と床との間の接地感を高めるこ
とができるなど、脚式移動ロボットを制御する上で種々
の利点がある。
【０００７】従って、この発明の第２の目的は、不整地
などを安定して歩行できると共に、床反力の合力と合モ
ーメントが連続である様に歩容を生成する様にした脚式
移動ロボットの歩容生成装置を提供することにある。
などを安定して歩行できると共に、床反力の合力と合モ
ーメントが連続である様に歩容を生成する様にした脚式
移動ロボットの歩容生成装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ためにこの発明は以下のように構成した。後述する実施
例の表現を付記して説明すると、請求項１項にあって
は、基体（上体）２４と、それに連結された複数本の脚
部（脚部リンク）２とを備えた脚式移動ロボット１の歩
容生成装置において、前記ロボットが予定する歩行面が
第１、第２の少なくとも２つの面（第１接地面、第２接
地面）を含むとき、第３の面（仮想床面）と前記ロボッ
トのＺＭＰ目標位置を仮想的に設定する設定手段（制御
ユニット２６，Ｓ１０からＳ１８）、及び動力学によっ
て求められるＺＭＰ位置が前記設定されたＺＭＰ目標位
置となるように前記ロボットの歩容を決定する歩容決定
手段（制御ユニット２６，Ｓ２０）を備え、前記設定手
段は、前記第１、第２の面上の２点を結ぶ線分上を連続
的に移動するように前記ＺＭＰ目標位置を設定すると共
に、前記第３の面を、その法線ベクトルが前記第１の面
の法線ベクトルから前記第２の面の法線ベクトルに連続
的に変わり、かつ前記ＺＭＰ目標位置を常に含むように
設定する如く構成した。請求項２項にあっては、基体
（上体）２４と、それに連結された２本の脚部（脚部リ
ンク）２とを備えた２足歩行の脚式移動ロボット１の歩
容生成装置において、前記ロボットが予定する歩行面が
第１、第２の少なくとも２つの面（第１接地面、第２接
地面）を含むとき、前記脚部の一方の先端の第１の足底
を支持面とする片脚支持期から両脚支持期を経て前記脚
部の他方の先端の第２の足底を支持面とする片脚支持期
に移行する際、前記第１の足底の接地する第１の面から
前記第２の足底の接地する第２の面に連続的に変化する
仮想的な第３の面（仮想床面）を想定し、その上に前記
ロボットのＺＭＰ目標位置を仮想的に設定する設定手段
（制御ユニット２６，Ｓ１０からＳ１８）、及び動力学
によって求められるＺＭＰ位置が前記設定されたＺＭＰ
目標位置となるように前記ロボットの歩容を決定する歩
容決定手段（制御ユニット２６，Ｓ２０）を備え、前記
設定手段は、前記第１、第２の面上の２点を結ぶ線分上
を連続的に移動するように前記ＺＭＰ目標位置を設定す
ると共に、前記第３の面を、その法線ベクトルが前記第
１の面の法線ベクトルから前記第２の面の法線ベクトル
に連続的に変わり、かつ前記ＺＭ Ｐ目標位置を常に含む
ように設定する如く構成した。 請求項３項にあっては、
前記設定手段は、前記第１、第２の面に前記第１、第２
の足底の接地圧重心点をそれぞれ設定すると共に前記第
１、第２の足底の接地圧重心点を結ぶ線分上を連続的に
移動するように前記ＺＭＰ目標位置を設定する如く構成
した。
ためにこの発明は以下のように構成した。後述する実施
例の表現を付記して説明すると、請求項１項にあって
は、基体（上体）２４と、それに連結された複数本の脚
部（脚部リンク）２とを備えた脚式移動ロボット１の歩
容生成装置において、前記ロボットが予定する歩行面が
第１、第２の少なくとも２つの面（第１接地面、第２接
地面）を含むとき、第３の面（仮想床面）と前記ロボッ
トのＺＭＰ目標位置を仮想的に設定する設定手段（制御
ユニット２６，Ｓ１０からＳ１８）、及び動力学によっ
て求められるＺＭＰ位置が前記設定されたＺＭＰ目標位
置となるように前記ロボットの歩容を決定する歩容決定
手段（制御ユニット２６，Ｓ２０）を備え、前記設定手
段は、前記第１、第２の面上の２点を結ぶ線分上を連続
的に移動するように前記ＺＭＰ目標位置を設定すると共
に、前記第３の面を、その法線ベクトルが前記第１の面
の法線ベクトルから前記第２の面の法線ベクトルに連続
的に変わり、かつ前記ＺＭＰ目標位置を常に含むように
設定する如く構成した。請求項２項にあっては、基体
（上体）２４と、それに連結された２本の脚部（脚部リ
ンク）２とを備えた２足歩行の脚式移動ロボット１の歩
容生成装置において、前記ロボットが予定する歩行面が
第１、第２の少なくとも２つの面（第１接地面、第２接
地面）を含むとき、前記脚部の一方の先端の第１の足底
を支持面とする片脚支持期から両脚支持期を経て前記脚
部の他方の先端の第２の足底を支持面とする片脚支持期
に移行する際、前記第１の足底の接地する第１の面から
前記第２の足底の接地する第２の面に連続的に変化する
仮想的な第３の面（仮想床面）を想定し、その上に前記
ロボットのＺＭＰ目標位置を仮想的に設定する設定手段
（制御ユニット２６，Ｓ１０からＳ１８）、及び動力学
によって求められるＺＭＰ位置が前記設定されたＺＭＰ
目標位置となるように前記ロボットの歩容を決定する歩
容決定手段（制御ユニット２６，Ｓ２０）を備え、前記
設定手段は、前記第１、第２の面上の２点を結ぶ線分上
を連続的に移動するように前記ＺＭＰ目標位置を設定す
ると共に、前記第３の面を、その法線ベクトルが前記第
１の面の法線ベクトルから前記第２の面の法線ベクトル
に連続的に変わり、かつ前記ＺＭ Ｐ目標位置を常に含む
ように設定する如く構成した。 請求項３項にあっては、
前記設定手段は、前記第１、第２の面に前記第１、第２
の足底の接地圧重心点をそれぞれ設定すると共に前記第
１、第２の足底の接地圧重心点を結ぶ線分上を連続的に
移動するように前記ＺＭＰ目標位置を設定する如く構成
した。
【０００９】
【作用】ロボットが予定する歩行面が第１、第２の少な
くとも２つの面を含むとき、第３の面とロボットのＺＭ
Ｐ目標位置を仮想的に設定し、動力学によって求められ
るＺＭＰ位置が設定されたＺＭＰ目標位置となるように
ロボットの歩容を決定し、さらに第１、第２の面上の２
点を結ぶ線分上を連続的に移動するようにＺＭＰ目標位
置を設定すると共に、第３の面を、その法線ベクトルが
第１の面の法線ベクトルから第２の面の法線ベクトルに
連続的に変わり、かつＺＭＰ目標位置を常に含むように
設定する如く構成したにより、面が異なるときもＺＭＰ
を連続的に移動させることができ、安定した歩容を実現
することができる。
くとも２つの面を含むとき、第３の面とロボットのＺＭ
Ｐ目標位置を仮想的に設定し、動力学によって求められ
るＺＭＰ位置が設定されたＺＭＰ目標位置となるように
ロボットの歩容を決定し、さらに第１、第２の面上の２
点を結ぶ線分上を連続的に移動するようにＺＭＰ目標位
置を設定すると共に、第３の面を、その法線ベクトルが
第１の面の法線ベクトルから第２の面の法線ベクトルに
連続的に変わり、かつＺＭＰ目標位置を常に含むように
設定する如く構成したにより、面が異なるときもＺＭＰ
を連続的に移動させることができ、安定した歩容を実現
することができる。
【００１０】
【実施例】以下、脚式移動ロボットとして２足歩行の脚
式移動ロボットを例にとって、この発明の実施例を説明
する。図１はそのロボット１を全体的に示す説明スケル
トン図であり、左右それぞれの脚部リンク２に６個の関
節を備える（理解の便宜のために各関節をそれを駆動す
る電動モータで示す）。該６個の関節は上から順に、腰
の脚部回旋用（ｚ軸まわり）の関節１０Ｒ，１０Ｌ（右
側をＲ、左側をＬとする。以下同じ）、腰のロール方向
（ｘ軸まわり）の関節１２Ｒ，１２Ｌ、同ピッチ方向
（ｙ軸まわり）の関節１４Ｒ，１４Ｌ、膝部のピッチ方
向の関節１６Ｒ，１６Ｌ、足首部のピッチ方向の関節１
８Ｒ，１８Ｌ、同ロール方向の関節２０Ｒ，２０Ｌとな
っており、その下部には足平２２Ｒ，２２Ｌが取着され
ると共に、最上位には筐体（上体）２４が設けられ、そ
の内部には制御ユニット２６が格納される。
式移動ロボットを例にとって、この発明の実施例を説明
する。図１はそのロボット１を全体的に示す説明スケル
トン図であり、左右それぞれの脚部リンク２に６個の関
節を備える（理解の便宜のために各関節をそれを駆動す
る電動モータで示す）。該６個の関節は上から順に、腰
の脚部回旋用（ｚ軸まわり）の関節１０Ｒ，１０Ｌ（右
側をＲ、左側をＬとする。以下同じ）、腰のロール方向
（ｘ軸まわり）の関節１２Ｒ，１２Ｌ、同ピッチ方向
（ｙ軸まわり）の関節１４Ｒ，１４Ｌ、膝部のピッチ方
向の関節１６Ｒ，１６Ｌ、足首部のピッチ方向の関節１
８Ｒ，１８Ｌ、同ロール方向の関節２０Ｒ，２０Ｌとな
っており、その下部には足平２２Ｒ，２２Ｌが取着され
ると共に、最上位には筐体（上体）２４が設けられ、そ
の内部には制御ユニット２６が格納される。
【００１１】上記において腰関節は関節１０Ｒ（Ｌ），
１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）から構成され、また足関節
は、関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）から構成される。
また、腰関節と膝関節との間は大腿リンク３２Ｒ，３２
Ｌで、膝関節と足関節との間は下腿リンク３４Ｒ，３４
Ｌで連結される。ここで、脚部リンク２は左右の足につ
いてそれぞれ６つの自由度を与えられ、歩行中にこれら
の６×２＝１２個の関節（軸）をそれぞれ適宜な角度に
駆動することで、足全体に所望の動きを与えることがで
き、任意に３次元空間を歩行することができる様に構成
される。先に述べた様に、上記した関節は電動モータか
らなり、更にはその出力を倍力する減速機などを備える
が、その詳細は先に本出願人が提案した出願（特願平１
−３２４２１８号、特開平３−１８４７８２号）などに
述べられており、それ自体はこの発明の要旨とするとこ
ろではないので、これ以上の説明は省略する。
１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）から構成され、また足関節
は、関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）から構成される。
また、腰関節と膝関節との間は大腿リンク３２Ｒ，３２
Ｌで、膝関節と足関節との間は下腿リンク３４Ｒ，３４
Ｌで連結される。ここで、脚部リンク２は左右の足につ
いてそれぞれ６つの自由度を与えられ、歩行中にこれら
の６×２＝１２個の関節（軸）をそれぞれ適宜な角度に
駆動することで、足全体に所望の動きを与えることがで
き、任意に３次元空間を歩行することができる様に構成
される。先に述べた様に、上記した関節は電動モータか
らなり、更にはその出力を倍力する減速機などを備える
が、その詳細は先に本出願人が提案した出願（特願平１
−３２４２１８号、特開平３−１８４７８２号）などに
述べられており、それ自体はこの発明の要旨とするとこ
ろではないので、これ以上の説明は省略する。
【００１２】図１に示すロボット１において、足首部に
は公知の６軸力センサ３６が設けられ、足平を介してロ
ボットに伝達されるｘ，ｙ，ｚ方向の力成分Ｆｘ，Ｆ
ｙ，Ｆｚとその方向まわりのモーメント成分Ｍｘ，Ｍ
ｙ，Ｍｚとを測定し、足部の着地の有無と支持脚に加わ
る力の大きさと方向とを検出する。また足平２２Ｒ
（Ｌ）の四隅には静電容量型の接地スイッチ３８（図１
で図示省略）が設けられて、足平の接地の有無を検出す
る。更に、筐体２４には傾斜センサ４０が設置され、ｘ
−ｚ平面内とｙ−ｚ平面内のｚ軸に対する、即ち、重力
方向に対する傾斜角度と傾斜角速度を検出する。また各
関節の電動モータには、その回転量を検出するロータリ
エンコーダが設けられる。更に、図１では省略するが、
ロボット１の適宜な位置には傾斜センサ４０の出力を補
正するための原点スイッチ４２と、フェール対策用のリ
ミットスイッチ４４が設けられる。これらの出力は前記
した筐体２４内の制御ユニット２６に送られる。
は公知の６軸力センサ３６が設けられ、足平を介してロ
ボットに伝達されるｘ，ｙ，ｚ方向の力成分Ｆｘ，Ｆ
ｙ，Ｆｚとその方向まわりのモーメント成分Ｍｘ，Ｍ
ｙ，Ｍｚとを測定し、足部の着地の有無と支持脚に加わ
る力の大きさと方向とを検出する。また足平２２Ｒ
（Ｌ）の四隅には静電容量型の接地スイッチ３８（図１
で図示省略）が設けられて、足平の接地の有無を検出す
る。更に、筐体２４には傾斜センサ４０が設置され、ｘ
−ｚ平面内とｙ−ｚ平面内のｚ軸に対する、即ち、重力
方向に対する傾斜角度と傾斜角速度を検出する。また各
関節の電動モータには、その回転量を検出するロータリ
エンコーダが設けられる。更に、図１では省略するが、
ロボット１の適宜な位置には傾斜センサ４０の出力を補
正するための原点スイッチ４２と、フェール対策用のリ
ミットスイッチ４４が設けられる。これらの出力は前記
した筐体２４内の制御ユニット２６に送られる。
【００１３】図２は制御ユニット２６の詳細を示すブロ
ック図であり、マイクロ・コンピュータから構成され
る。そこにおいて傾斜センサ４０などの出力はＡ／Ｄ変
換器５０でデジタル値に変換され、その出力はバス５２
を介してＲＡＭ５４に送られる。また各電動モータに隣
接して配置されるエンコーダの出力はカウンタ５６を介
してＲＡＭ５４内に入力されると共に、接地スイッチ３
８などの出力は波形整形回路５８を経て同様にＲＡＭ５
４内に格納される。制御ユニット内にはＣＰＵからなる
第１、第２の演算装置６０，６２が設けられており、第
１の演算装置６０は後で述べる様に生成されてＲＯＭ６
４に格納されている歩容（腰軌道、足平軌道）を読み出
して目標関節角度を算出してＲＡＭ５４に送出する。ま
た第２の演算装置６２はＲＡＭ５４からその目標値と検
出された実測値とを読み出し、各関節の駆動に必要な制
御値を算出し、Ｄ／Ａ変換器６６とサーボアンプを介し
て各関節を駆動する電動モータに出力する。
ック図であり、マイクロ・コンピュータから構成され
る。そこにおいて傾斜センサ４０などの出力はＡ／Ｄ変
換器５０でデジタル値に変換され、その出力はバス５２
を介してＲＡＭ５４に送られる。また各電動モータに隣
接して配置されるエンコーダの出力はカウンタ５６を介
してＲＡＭ５４内に入力されると共に、接地スイッチ３
８などの出力は波形整形回路５８を経て同様にＲＡＭ５
４内に格納される。制御ユニット内にはＣＰＵからなる
第１、第２の演算装置６０，６２が設けられており、第
１の演算装置６０は後で述べる様に生成されてＲＯＭ６
４に格納されている歩容（腰軌道、足平軌道）を読み出
して目標関節角度を算出してＲＡＭ５４に送出する。ま
た第２の演算装置６２はＲＡＭ５４からその目標値と検
出された実測値とを読み出し、各関節の駆動に必要な制
御値を算出し、Ｄ／Ａ変換器６６とサーボアンプを介し
て各関節を駆動する電動モータに出力する。
【００１４】続いて、この制御装置の動作を歩容生成を
中心に説明する。
中心に説明する。
【００１５】図３はその動作を示すフロー・チャートで
ある。この制御においては、図４に示す様な二面角θで
接する２つの床面（平面）の境界において、２本の脚部
がそれぞれ異なる床面に同時に接地しているときの歩容
生成に焦点をおく。ここで左脚部の足底（足平２２Ｌの
底面。「第１足底」と称する）の接地面を第１接地面、
右脚部の足底（足平２２Ｒの底面。「第２足底」と称す
る）の接地面を第２接地面とする。ここで「接地面」は
床面上のロボットと床との接触領域の意味で使用する。
また第１、第２接地面を含む平面を、「第１接地床
面」、「第２接地床面」と称する。尚、「床面」は、実
際の床が途中で切れていても無限大の広がりを持つ、数
学的意味合いの平面とする。
ある。この制御においては、図４に示す様な二面角θで
接する２つの床面（平面）の境界において、２本の脚部
がそれぞれ異なる床面に同時に接地しているときの歩容
生成に焦点をおく。ここで左脚部の足底（足平２２Ｌの
底面。「第１足底」と称する）の接地面を第１接地面、
右脚部の足底（足平２２Ｒの底面。「第２足底」と称す
る）の接地面を第２接地面とする。ここで「接地面」は
床面上のロボットと床との接触領域の意味で使用する。
また第１、第２接地面を含む平面を、「第１接地床
面」、「第２接地床面」と称する。尚、「床面」は、実
際の床が途中で切れていても無限大の広がりを持つ、数
学的意味合いの平面とする。
【００１６】図３フロー・チャートにおいては、先ずＳ
１０において絶対座標系、第１座標系、第２座標系を設
定する。絶対座標系のｚ軸は、鉛直方向上向きにとる。
第１座標系は第１接地床面をｘ−ｙ平面とする相対座標
系を、第２座標系は第２接地床面をｘ−ｙ平面とする相
対座標系を示す。図４に示す如く、第１、第２座標系は
簡略化のため足関節１８，２０Ｒ（Ｌ）の交点の直下に
原点をおき、そのｘ軸を進行方向にとると共に、そのｚ
軸を第１、第２接地床面の法線ベクトルと同一向きにと
る。尚、第１、第２接地面の法線ベクトルの向きは、床
内部から床表面に向かう向きにとる。座標系の各軸の向
きは回転マトリックスＥｉで示す（「ｉ」は数字（絶対
座標系は０とする）を示す。以下同じ）。また第ｉ接地
面で発生する接地圧分布を第ｉ接地圧分布と呼び、図５
に示す如く、第ｉ接地面から見た第ｉ接地圧分布を数１
に示す様にｆｉ→（ｐ→）と記述する。
１０において絶対座標系、第１座標系、第２座標系を設
定する。絶対座標系のｚ軸は、鉛直方向上向きにとる。
第１座標系は第１接地床面をｘ−ｙ平面とする相対座標
系を、第２座標系は第２接地床面をｘ−ｙ平面とする相
対座標系を示す。図４に示す如く、第１、第２座標系は
簡略化のため足関節１８，２０Ｒ（Ｌ）の交点の直下に
原点をおき、そのｘ軸を進行方向にとると共に、そのｚ
軸を第１、第２接地床面の法線ベクトルと同一向きにと
る。尚、第１、第２接地面の法線ベクトルの向きは、床
内部から床表面に向かう向きにとる。座標系の各軸の向
きは回転マトリックスＥｉで示す（「ｉ」は数字（絶対
座標系は０とする）を示す。以下同じ）。また第ｉ接地
面で発生する接地圧分布を第ｉ接地圧分布と呼び、図５
に示す如く、第ｉ接地面から見た第ｉ接地圧分布を数１
に示す様にｆｉ→（ｐ→）と記述する。
【００１７】
【数１】
【００１８】また第ｉ接地面からロボット１に作用する
力とそのモーメントとを第ｉ床反力と呼び、数２の様に
記述する。
力とそのモーメントとを第ｉ床反力と呼び、数２の様に
記述する。
【００１９】
【数２】
【００２０】図５に示す様に、接地圧重心点は、ｚ方向
のモーメントＭｚを除き、ｘ，ｙ方向のモーメントＭ
ｘ，Ｍｙが生じない様な床反力の作用点を意味する。全
ての接地面で発生する床反力の合力と合モーメントとを
全床反力と呼ぶ。床反力は図６に示す様に、ロボット１
に作用する重心ｍｇと慣性力−ｍαの合力に対抗して生
ずる反力であり、これらロボット１に作用する力が動力
学的に平衡しているとき、ロボット１は安定に歩行す
る。
のモーメントＭｚを除き、ｘ，ｙ方向のモーメントＭ
ｘ，Ｍｙが生じない様な床反力の作用点を意味する。全
ての接地面で発生する床反力の合力と合モーメントとを
全床反力と呼ぶ。床反力は図６に示す様に、ロボット１
に作用する重心ｍｇと慣性力−ｍαの合力に対抗して生
ずる反力であり、これらロボット１に作用する力が動力
学的に平衡しているとき、ロボット１は安定に歩行す
る。
【００２１】続いてＳ１２に進み、第１足底を支持脚と
する片脚支持期の最後の時刻をｔｓとし、両脚支持期を
経て第２足底を支持脚とする片脚支持期に移る時刻をｔ
ｅとし、時刻ｔｓのときの第１足底の接地圧重心点と時
刻ｔｅのときの第２足底の接地圧重心点とを求める。続
いて、両者を結んで仮想ＺＭＰの軌道を図４に破線で示
す様に設定する。図示例の様に、両脚支持期の初めの期
間に、それまで支持脚であって脚がベタ足で接地してい
る場合には、時刻ｔｓにおける第１足底接地圧重心点は
足平の中央付近に設定しておき、ベタ足期間が終了する
頃につま先（足平２２Ｌ先端）に移動させれば、安定余
裕の高い歩容を生成することができる。両脚支持期にベ
タ足期間がない場合には、第１足底の接地圧重心点は、
両脚支持期ではつま先に固定しておけば良い。第２足底
の接地圧重心点は、かかと付近（足平２２Ｒ後端）に設
定する。尚、時刻ｔｓでは、第２足底に床反力が発生し
ていないので、ＺＭＰ位置と第１足底の接地圧重心点は
一致する。同様に、時刻ｔｅではＺＭＰ位置と第２足底
の接地圧重心点は一致する。
する片脚支持期の最後の時刻をｔｓとし、両脚支持期を
経て第２足底を支持脚とする片脚支持期に移る時刻をｔ
ｅとし、時刻ｔｓのときの第１足底の接地圧重心点と時
刻ｔｅのときの第２足底の接地圧重心点とを求める。続
いて、両者を結んで仮想ＺＭＰの軌道を図４に破線で示
す様に設定する。図示例の様に、両脚支持期の初めの期
間に、それまで支持脚であって脚がベタ足で接地してい
る場合には、時刻ｔｓにおける第１足底接地圧重心点は
足平の中央付近に設定しておき、ベタ足期間が終了する
頃につま先（足平２２Ｌ先端）に移動させれば、安定余
裕の高い歩容を生成することができる。両脚支持期にベ
タ足期間がない場合には、第１足底の接地圧重心点は、
両脚支持期ではつま先に固定しておけば良い。第２足底
の接地圧重心点は、かかと付近（足平２２Ｒ後端）に設
定する。尚、時刻ｔｓでは、第２足底に床反力が発生し
ていないので、ＺＭＰ位置と第１足底の接地圧重心点は
一致する。同様に、時刻ｔｅではＺＭＰ位置と第２足底
の接地圧重心点は一致する。
【００２２】ここで、第１座標系から見た第１足底接地
圧重心点をＺ１→とし、第２座標系から見た第２足底接
地圧重心点をＺ２→と記述する。従って、絶対座標系か
ら見た第１足底接地圧重心点は、Ｕ１→＋Ｅ１Ｚ１→、
絶対座標系から見た第２足底接地圧重心点は、Ｕ２→＋
Ｅ２Ｚ２→となる。尚、Ｕｉは並進ベクトルを、Ｅｉは
前記した様に回転マトリックスである。並進ベクトルＵ
ｉ→と回転マトリックスＥｉは、数３の様に定義する。
圧重心点をＺ１→とし、第２座標系から見た第２足底接
地圧重心点をＺ２→と記述する。従って、絶対座標系か
ら見た第１足底接地圧重心点は、Ｕ１→＋Ｅ１Ｚ１→、
絶対座標系から見た第２足底接地圧重心点は、Ｕ２→＋
Ｅ２Ｚ２→となる。尚、Ｕｉは並進ベクトルを、Ｅｉは
前記した様に回転マトリックスである。並進ベクトルＵ
ｉ→と回転マトリックスＥｉは、数３の様に定義する。
【００２３】
【数３】
【００２４】次いで、Ｓ１４に進んで第１１座標系を設
定する。第１１座標系の原点は、第１足底接地圧重心点
とする。即ち、Ｕ１１→＝Ｕ１→＋Ｅ１Ｚ１→と記述す
る。ここで、第１１座標系のｚ軸の向きは、第１座標系
のｚ軸の向きに一致させる。第１１座標系のｙ軸の方向
は、第２接地床面の法線ベクトルと第１接地床面の法線
ベクトルの外積の向きにとる。即ち、２つの平面の交線
の向きにとる。
定する。第１１座標系の原点は、第１足底接地圧重心点
とする。即ち、Ｕ１１→＝Ｕ１→＋Ｅ１Ｚ１→と記述す
る。ここで、第１１座標系のｚ軸の向きは、第１座標系
のｚ軸の向きに一致させる。第１１座標系のｙ軸の方向
は、第２接地床面の法線ベクトルと第１接地床面の法線
ベクトルの外積の向きにとる。即ち、２つの平面の交線
の向きにとる。
【００２５】次いで、Ｓ１６に進んで第２１座標系を設
定する。第２１座標系の原点は、第２足底接地圧重心点
とする。即ち、Ｕ２１→＝Ｕ２→＋Ｅ２Ｚ２→とする。
また第２１座標系のｚ軸の向きは、第２座標系のｚ軸の
向きに一致させる。また第２１座標系のｙ軸の方向は、
第２接地床面の法線ベクトルと第１接地床面の法線ベク
トルの外積の向きにとる。これは図４に示す如く、第１
１座標系のｙ軸の向きと同じである。
定する。第２１座標系の原点は、第２足底接地圧重心点
とする。即ち、Ｕ２１→＝Ｕ２→＋Ｅ２Ｚ２→とする。
また第２１座標系のｚ軸の向きは、第２座標系のｚ軸の
向きに一致させる。また第２１座標系のｙ軸の方向は、
第２接地床面の法線ベクトルと第１接地床面の法線ベク
トルの外積の向きにとる。これは図４に示す如く、第１
１座標系のｙ軸の向きと同じである。
【００２６】次いでＳ１８に進み、時間と共に移動する
第３の平面（仮想床面）を想定し、これを第３１床面と
呼ぶ。そして第３１床面をｘ−ｙ平面に含む第３１座標
系を想定する。第３１座標系の原点は、仮想床面上の設
定したい仮想ＺＭＰ位置に一致させるものとする。また
そのｙ軸の向きについては、先に第１１座標系と第２１
座標系とでそれらのｙ軸の向きを一致させてあることか
ら、第３１座標系のｙ軸も同一向きにする。設定したい
仮想ＺＭＰ位置、即ち、第３１座標系の原点位置Ｕ３１
→を、時刻ｔｓから時刻ｔｅまでの間に、第１足底接地
圧重心点（即ち、Ｕ１１→）から第２足底接地圧重心点
（即ち、Ｕ２１→）へ徐々に移し、絶対座標系から第３
１座標系への回転変換マトリックスＥ３１を、Ｅ１１か
らＥ２１へ徐々に変化させる。図７にそれを示す。ここ
で、具体的には同図に示す如く、Ｕ３１→を、Ｕ１１→
とＵ２１→を端点とする線分上を、Ｕ１１→からＵ２１
→に徐々に移動させる。この場合、時刻ｔｓで値が零、
時刻ｔｅで値が１となる関数ｈを設定することによっ
て、Ｕ３１→を数４の様に表すことができる。
第３の平面（仮想床面）を想定し、これを第３１床面と
呼ぶ。そして第３１床面をｘ−ｙ平面に含む第３１座標
系を想定する。第３１座標系の原点は、仮想床面上の設
定したい仮想ＺＭＰ位置に一致させるものとする。また
そのｙ軸の向きについては、先に第１１座標系と第２１
座標系とでそれらのｙ軸の向きを一致させてあることか
ら、第３１座標系のｙ軸も同一向きにする。設定したい
仮想ＺＭＰ位置、即ち、第３１座標系の原点位置Ｕ３１
→を、時刻ｔｓから時刻ｔｅまでの間に、第１足底接地
圧重心点（即ち、Ｕ１１→）から第２足底接地圧重心点
（即ち、Ｕ２１→）へ徐々に移し、絶対座標系から第３
１座標系への回転変換マトリックスＥ３１を、Ｅ１１か
らＥ２１へ徐々に変化させる。図７にそれを示す。ここ
で、具体的には同図に示す如く、Ｕ３１→を、Ｕ１１→
とＵ２１→を端点とする線分上を、Ｕ１１→からＵ２１
→に徐々に移動させる。この場合、時刻ｔｓで値が零、
時刻ｔｅで値が１となる関数ｈを設定することによっ
て、Ｕ３１→を数４の様に表すことができる。
【００２７】
【数４】
【００２８】尚、関数ｈの簡単な例は、数５の式とな
る。
る。
【００２９】
【数５】
【００３０】次いでＳ２０に進んで、ロボット１の運動
から動力学的に求められる仮想床面上のＺＭＰ位置が、
第３１座標系の原点に一致する様にロボットの軌道を生
成する。ここで仮想床面上のＺＭＰとは、ロボットに作
用する慣性力と重力の合力と合モーメントに、動力学的
に平衡する各足底に作用する床反力の合力と合モーメン
トを、仮想床面の１点に作用する合力と合モーメントに
変換したときに、全モーメントの床面法線方向成分以外
の成分が零となる作用点のことを言う。
から動力学的に求められる仮想床面上のＺＭＰ位置が、
第３１座標系の原点に一致する様にロボットの軌道を生
成する。ここで仮想床面上のＺＭＰとは、ロボットに作
用する慣性力と重力の合力と合モーメントに、動力学的
に平衡する各足底に作用する床反力の合力と合モーメン
トを、仮想床面の１点に作用する合力と合モーメントに
変換したときに、全モーメントの床面法線方向成分以外
の成分が零となる作用点のことを言う。
【００３１】ところで、図示のロボット１の関節自由度
は１２個あるので、支持脚足平２２Ｒ（Ｌ）を基準とし
て腰（左右の腰関節の中点）の位置と姿勢、遊脚足平２
２Ｌ（Ｒ）の位置と姿勢を決定すれば、１２個の関節角
度の全てを決定することができる。このとき、関節角度
が加速度まで連続に変化するためには、ロボットの腰の
位置と姿勢、遊脚足平の位置と姿勢が、加速度まで連続
に変化すれば良い。しかし、動力学から求められるＺＭ
Ｐが設定されたＺＭＰ位置に一致する様な腰の位置は直
接的に設計することができないので、以下の様にして腰
軌道を設計する。
は１２個あるので、支持脚足平２２Ｒ（Ｌ）を基準とし
て腰（左右の腰関節の中点）の位置と姿勢、遊脚足平２
２Ｌ（Ｒ）の位置と姿勢を決定すれば、１２個の関節角
度の全てを決定することができる。このとき、関節角度
が加速度まで連続に変化するためには、ロボットの腰の
位置と姿勢、遊脚足平の位置と姿勢が、加速度まで連続
に変化すれば良い。しかし、動力学から求められるＺＭ
Ｐが設定されたＺＭＰ位置に一致する様な腰の位置は直
接的に設計することができないので、以下の様にして腰
軌道を設計する。
【００３２】即ち、ＺＭＰとロボットの運動量の関係
は、ニュートン・オイラー方程式と力の作用点の変換式
によって数６から数９に示す様に関係づけられる。図８
に使用する物理量の定義を示す。
は、ニュートン・オイラー方程式と力の作用点の変換式
によって数６から数９に示す様に関係づけられる。図８
に使用する物理量の定義を示す。
【００３３】
【数６】
【００３４】
【数７】
【００３５】
【数８】
【００３６】
【数９】
【００３７】これらより、数１０に示す式が得られる。
【００３８】
【数１０】
【００３９】ところで、Ｚ３１はＺＭＰであるので、数
１１の方程式を満足する。
１１の方程式を満足する。
【００４０】
【数１１】
【００４１】数１０の式と数１１の式だけでは腰位置運
動の自由度が１つ残ってしまうので、数１２の式の様な
腰位置に関する拘束条件式を１つ加える。
動の自由度が１つ残ってしまうので、数１２の式の様な
腰位置に関する拘束条件式を１つ加える。
【００４２】
【数１２】
【００４３】上記した数１０，数１１，数１２の式を満
足する様に、腰軌道を設定していけば、実際のＺＭＰが
目標の位置となる腰軌道を生成することができる。数１
０の式の形から明らかな様に、重心の加速度とＺＭＰと
が同一の式に乗算項として入っているので、ＺＭＰの移
動が連続的であり、仮想床面の法線方向の方向角の変化
が連続的であれば、腰軌道は加速度まで連続になる。た
だし、このとき、足平の位置・姿勢および腰の姿勢は連
続でなければならない。以上によって歩容が決定され
る。
足する様に、腰軌道を設定していけば、実際のＺＭＰが
目標の位置となる腰軌道を生成することができる。数１
０の式の形から明らかな様に、重心の加速度とＺＭＰと
が同一の式に乗算項として入っているので、ＺＭＰの移
動が連続的であり、仮想床面の法線方向の方向角の変化
が連続的であれば、腰軌道は加速度まで連続になる。た
だし、このとき、足平の位置・姿勢および腰の姿勢は連
続でなければならない。以上によって歩容が決定され
る。
【００４４】次いでＳ２２に進んで決定された歩容に基
づいて１２個の関節の目標角度を計算し、次いでＳ２４
に進んで姿勢安定化も考慮してサーボ制御値を計算する
が、これは公知の技術なので、説明は省略する。
づいて１２個の関節の目標角度を計算し、次いでＳ２４
に進んで姿勢安定化も考慮してサーボ制御値を計算する
が、これは公知の技術なので、説明は省略する。
【００４５】この実施例は上記の如く構成したので、不
整地などにおいて左右の脚部が法線方向が異なる２つ以
上の床面に同時に接地している様な場合でも、安定余裕
の高い歩容を生成することができる。これについて、図
９、図１０を参照して説明する。図９は図４に示した様
な二面角θをなして交差する２つの平面に両脚が接地し
た状態を上から見た展開図であり、従来のＺＭＰ概念を
用いてＺＭＰを設定した例を示す説明図である。また図
１０は同様の展開図にこの発明に係る拡張したＺＭＰ概
念を用いて設定したＺＭＰの例を示す説明図である（正
確にはこの発明では仮想床面にＺＭＰを設定する）。従
来の概念を用いてＺＭＰを設定した図９の場合には、交
線を超えた位置で平面が異なることから、ＺＭＰ軌道の
連続性が失われる。即ち、ＺＭＰは力Ｆと鉛直軸まわり
のモーメント成分Ｍｚとから表現されるが、このうちモ
ーメント成分Ｍｚは歩容で決定されてしまうものであっ
て操作することができない。従って、従来のＺＭＰ概念
によれば、平面が切り替わったところでＺＭＰが不連続
となり、しかもその飛び量を予め把握することができ
ず、ＺＭＰが最小凸多角形の中に確実が存在するか否か
を保証することができない。最小凸多角形の外に出て
も、足底の摩擦力が無限大であれば良く姿勢を保持でき
るが、足底の摩擦力は一般に有限であるので、結果的に
姿勢を崩して転倒する恐れがある。
整地などにおいて左右の脚部が法線方向が異なる２つ以
上の床面に同時に接地している様な場合でも、安定余裕
の高い歩容を生成することができる。これについて、図
９、図１０を参照して説明する。図９は図４に示した様
な二面角θをなして交差する２つの平面に両脚が接地し
た状態を上から見た展開図であり、従来のＺＭＰ概念を
用いてＺＭＰを設定した例を示す説明図である。また図
１０は同様の展開図にこの発明に係る拡張したＺＭＰ概
念を用いて設定したＺＭＰの例を示す説明図である（正
確にはこの発明では仮想床面にＺＭＰを設定する）。従
来の概念を用いてＺＭＰを設定した図９の場合には、交
線を超えた位置で平面が異なることから、ＺＭＰ軌道の
連続性が失われる。即ち、ＺＭＰは力Ｆと鉛直軸まわり
のモーメント成分Ｍｚとから表現されるが、このうちモ
ーメント成分Ｍｚは歩容で決定されてしまうものであっ
て操作することができない。従って、従来のＺＭＰ概念
によれば、平面が切り替わったところでＺＭＰが不連続
となり、しかもその飛び量を予め把握することができ
ず、ＺＭＰが最小凸多角形の中に確実が存在するか否か
を保証することができない。最小凸多角形の外に出て
も、足底の摩擦力が無限大であれば良く姿勢を保持でき
るが、足底の摩擦力は一般に有限であるので、結果的に
姿勢を崩して転倒する恐れがある。
【００４６】それに対し、この発明によるときは、仮想
的な床面を想定して仮想ＺＭＰ軌道を設定していること
から、図１０に示す様に平面が切り替わってもＺＭＰを
最小凸多角形において常に中央付近に位置させることが
可能となる。また生成する軌道、特に腰の軌道を加速度
まで連続させると共に、仮想ＺＭＰ軌道も図４、図７に
示す様に連続的に移動させる様にしたので、ロボットの
滑らかな動きを実現することができ、足底と床面との接
地感を高めることができ、更にサーボモータの目標値へ
の追従制御も容易となる。
的な床面を想定して仮想ＺＭＰ軌道を設定していること
から、図１０に示す様に平面が切り替わってもＺＭＰを
最小凸多角形において常に中央付近に位置させることが
可能となる。また生成する軌道、特に腰の軌道を加速度
まで連続させると共に、仮想ＺＭＰ軌道も図４、図７に
示す様に連続的に移動させる様にしたので、ロボットの
滑らかな動きを実現することができ、足底と床面との接
地感を高めることができ、更にサーボモータの目標値へ
の追従制御も容易となる。
【００４７】また、この発明による拡張されたＺＭＰ概
念を用いることにより、片脚支持期において、支持脚足
底接地面に前記仮想床面を一致させ、かつ支持脚足底の
接地圧重心点の設計軌道（片脚支持期ではＺＭＰ設定軌
道と同一）に前記仮想ＺＭＰを一致させることにより、
従来通りの片脚支持期歩容も同様に生成することができ
る。
念を用いることにより、片脚支持期において、支持脚足
底接地面に前記仮想床面を一致させ、かつ支持脚足底の
接地圧重心点の設計軌道（片脚支持期ではＺＭＰ設定軌
道と同一）に前記仮想ＺＭＰを一致させることにより、
従来通りの片脚支持期歩容も同様に生成することができ
る。
【００４８】図１１はこの発明の第２実施例を示す、図
７と同様の接地圧重心と第３１座標系の遷移を示す説明
図である。この実施例の場合には、実際の床面（第１、
第２接地床面）上に設定した。
７と同様の接地圧重心と第３１座標系の遷移を示す説明
図である。この実施例の場合には、実際の床面（第１、
第２接地床面）上に設定した。
【００４９】尚、上記において、第１１座標系および第
２１座標系のｙ軸の方向は、第２接地床面の法線ベクト
ルと第１接地床面の法線ベクトルの外積の向きにとらな
くても良い。ただし、その場合には前記の仮想床面の向
きを設定するときに、第１実施例の様な簡便な手法を使
用することができず、例えば仮想床面の向きをオイラー
角を用いて表現し、オイラー角を徐々に変化させる様な
手法が必要となる。
２１座標系のｙ軸の方向は、第２接地床面の法線ベクト
ルと第１接地床面の法線ベクトルの外積の向きにとらな
くても良い。ただし、その場合には前記の仮想床面の向
きを設定するときに、第１実施例の様な簡便な手法を使
用することができず、例えば仮想床面の向きをオイラー
角を用いて表現し、オイラー角を徐々に変化させる様な
手法が必要となる。
【００５０】尚、第３１座標系の原点位置Ｕ３１→の移
動を比例配分で行う手法を示したが、この他にも種々な
関数を用いて良い。逐次表現により関数ｈを定義すれ
ば、リアルタイムの歩容変更にも対応することができる
ので、一層良いであろう。
動を比例配分で行う手法を示したが、この他にも種々な
関数を用いて良い。逐次表現により関数ｈを定義すれ
ば、リアルタイムの歩容変更にも対応することができる
ので、一層良いであろう。
【００５１】尚、第３１座標系のｚ軸の向きを設定する
手法は先に例示したものに限られるものではなく、第３
１座標系のｚ軸の向きと第１１座標系のｚ軸の向きとの
間の角度と第２１座標系のｚ軸の向きと第１１座標系の
ｚ軸の向きとの間の角度比を、時刻ｔｓで値が０、時刻
ｔｅで値が１となる様に徐々に変化させても良い。
手法は先に例示したものに限られるものではなく、第３
１座標系のｚ軸の向きと第１１座標系のｚ軸の向きとの
間の角度と第２１座標系のｚ軸の向きと第１１座標系の
ｚ軸の向きとの間の角度比を、時刻ｔｓで値が０、時刻
ｔｅで値が１となる様に徐々に変化させても良い。
【００５２】更には、第３１座標系のｚ軸方向ベクトル
を、次の数１３に示す式で与えられる合ベクトルの向き
に設定しても良い。
を、次の数１３に示す式で与えられる合ベクトルの向き
に設定しても良い。
【００５３】
【数１３】
【００５４】尚、上記においてＺＭＰ軌道が連続である
例を示したが、それに限られるものではなく、不連続で
あってもある程度の効果を挙げることができる。また、
床面は平面でなくても良く、その意味で特許請求の範囲
で『面』と記述した。
例を示したが、それに限られるものではなく、不連続で
あってもある程度の効果を挙げることができる。また、
床面は平面でなくても良く、その意味で特許請求の範囲
で『面』と記述した。
【００５５】更に、上記において第３１座標系の原点を
軌道上に固定したが、それに限るものではなく、適宜移
動させても良い。
軌道上に固定したが、それに限るものではなく、適宜移
動させても良い。
【００５６】更に、上記において腰軌道を生成する例を
示したが、それに限られるものでなく、重心軌道を生成
しても良い。更に、腰軌道を生成する際に収束演算を用
いる場合、収束演算回数に制限を与えた近似計算を用い
るものでも良い。
示したが、それに限られるものでなく、重心軌道を生成
しても良い。更に、腰軌道を生成する際に収束演算を用
いる場合、収束演算回数に制限を与えた近似計算を用い
るものでも良い。
【００５７】更に、上記において腰軌道などの歩行パタ
ーンを予め設定しておく場合に適用する例を示したが、
それに限られるものではなく、歩行のときリアルタイム
に求める様にした技術にも応用可能である。
ーンを予め設定しておく場合に適用する例を示したが、
それに限られるものではなく、歩行のときリアルタイム
に求める様にした技術にも応用可能である。
【００５８】更に、上記において２足歩行の脚式移動ロ
ボットを例にとって説明してきたが、それに限られるも
のではなく、３足以上の脚式移動ロボットにも妥当する
ものである。
ボットを例にとって説明してきたが、それに限られるも
のではなく、３足以上の脚式移動ロボットにも妥当する
ものである。
【００５９】
【発明の効果】請求項１項にあっては、基体と、それに
連結された複数本の脚部とを備えた脚式移動ロボットの
歩容生成装置において、前記ロボットが予定する歩行面
が第１、第２の少なくとも２つの面を含むとき、第３の
面と前記ロボットのＺＭＰ目標位置を仮想的に設定する
設定手段、及び動力学によって求められるＺＭＰ位置が
前記設定されたＺＭＰ目標位置となるように前記ロボッ
トの歩容を決定する歩容決定手段を備え、前記設定手段
は、前記第１、第２の面上の２点を結ぶ線分上を連続的
に移動するように前記ＺＭＰ目標位置を設定すると共
に、前記第３の面を、その法線ベクトルが前記第１の面
の法線ベクトルから前記第２の面の法線ベクトルに連続
的に変わり、かつ前記ＺＭＰ目標位置を常に含むように
設定する如く構成したので、不整地など２つ以上の面が
連続する場所を移動するときも安定した歩容で歩行する
ことができる。
連結された複数本の脚部とを備えた脚式移動ロボットの
歩容生成装置において、前記ロボットが予定する歩行面
が第１、第２の少なくとも２つの面を含むとき、第３の
面と前記ロボットのＺＭＰ目標位置を仮想的に設定する
設定手段、及び動力学によって求められるＺＭＰ位置が
前記設定されたＺＭＰ目標位置となるように前記ロボッ
トの歩容を決定する歩容決定手段を備え、前記設定手段
は、前記第１、第２の面上の２点を結ぶ線分上を連続的
に移動するように前記ＺＭＰ目標位置を設定すると共
に、前記第３の面を、その法線ベクトルが前記第１の面
の法線ベクトルから前記第２の面の法線ベクトルに連続
的に変わり、かつ前記ＺＭＰ目標位置を常に含むように
設定する如く構成したので、不整地など２つ以上の面が
連続する場所を移動するときも安定した歩容で歩行する
ことができる。
【００６０】請求項２項にあっては、基体と、それに連
結された２本の脚部とを備えた２足歩行の脚式移動ロボ
ットの歩容生成装置において、前記ロボットが予定する
歩行面が第１、第２の少なくとも２つの面を含むとき、
前記脚部の一方の先端の第１の足底を支持面とする片脚
支持期から両脚支持期を経て前記脚部の他方の先端の第
２の足底を支持面とする片脚支持期に移行する際、前記
第１の足底の接地する第１の面から前記第２の足底の接
地する第２の面に連続的に変化する仮想的な第３の面を
想定し、その上に前記ロボットのＺＭＰ目標位置を仮想
的に設定する設定手段、及び動力学によって求められる
ＺＭＰ位置が前記設定されたＺＭＰ目標位置となるよう
に前記ロボットの歩容を決定する歩容決定手段、を備
え、前記設定手段は、前記第１、第２の面上の２点を結
ぶ線分上を連続的に移動するように前記ＺＭＰ目標位置
を設定すると共に、前記第３の面を、その法線ベクトル
が前記第１の面の法線ベクトルから前記第２の面の法線
ベクトルに連続的に変わり、かつ前記ＺＭＰ目標位置を
常に含むように設定如く構成したので、本来的に安定性
の低い２足歩行の脚式移動ロボットが不整地など２つ以
上の面が連続する場所を移動するときも、安定した歩容
で歩行することができる。
結された２本の脚部とを備えた２足歩行の脚式移動ロボ
ットの歩容生成装置において、前記ロボットが予定する
歩行面が第１、第２の少なくとも２つの面を含むとき、
前記脚部の一方の先端の第１の足底を支持面とする片脚
支持期から両脚支持期を経て前記脚部の他方の先端の第
２の足底を支持面とする片脚支持期に移行する際、前記
第１の足底の接地する第１の面から前記第２の足底の接
地する第２の面に連続的に変化する仮想的な第３の面を
想定し、その上に前記ロボットのＺＭＰ目標位置を仮想
的に設定する設定手段、及び動力学によって求められる
ＺＭＰ位置が前記設定されたＺＭＰ目標位置となるよう
に前記ロボットの歩容を決定する歩容決定手段、を備
え、前記設定手段は、前記第１、第２の面上の２点を結
ぶ線分上を連続的に移動するように前記ＺＭＰ目標位置
を設定すると共に、前記第３の面を、その法線ベクトル
が前記第１の面の法線ベクトルから前記第２の面の法線
ベクトルに連続的に変わり、かつ前記ＺＭＰ目標位置を
常に含むように設定如く構成したので、本来的に安定性
の低い２足歩行の脚式移動ロボットが不整地など２つ以
上の面が連続する場所を移動するときも、安定した歩容
で歩行することができる。
【００６１】請求項３項にあっては、前記設定手段は、
前記第１、第２の面に前記第１、第２の足底の接地圧重
心点をそれぞれ設定すると共に前記第１、第２の足底の
接地圧重心点を結ぶ線分上を連続的に移動するように前
記ＺＭＰ目標位置を設定する如く構成したので、簡易な
構成でありながら、本来的に安定性の低い２足歩行の脚
式移動ロボットが不整地など２つ以上の面が連続する場
所を移動するときも、安定した歩容で歩行することがで
きる。
前記第１、第２の面に前記第１、第２の足底の接地圧重
心点をそれぞれ設定すると共に前記第１、第２の足底の
接地圧重心点を結ぶ線分上を連続的に移動するように前
記ＺＭＰ目標位置を設定する如く構成したので、簡易な
構成でありながら、本来的に安定性の低い２足歩行の脚
式移動ロボットが不整地など２つ以上の面が連続する場
所を移動するときも、安定した歩容で歩行することがで
きる。
【００６２】
【００６３】
【図１】この発明に係る脚式移動ロボットの歩容生成装
置を全体的に示す概略図である。
置を全体的に示す概略図である。
【図２】図１に示す制御ユニットの説明ブロック図であ
る。
る。
【図３】この発明に係る脚式移動ロボットの歩容生成装
置の動作を示すフロー・チャートである。
置の動作を示すフロー・チャートである。
【図４】図１のロボットが歩行を予定する２つ以上の平
面が連続する歩行面を示す説明図である。
面が連続する歩行面を示す説明図である。
【図５】図３フロー・チャートで用いる接地圧重心点の
定義を示す説明図である。
定義を示す説明図である。
【図６】図１に示すロボットに作用する力を簡略的に示
す説明図である。
す説明図である。
【図７】図３フロー・チャートで用いる仮想床面に設定
する第３１座標系の移動軌跡を示す説明図である。
する第３１座標系の移動軌跡を示す説明図である。
【図８】図３フロー・チャートで用いる軌道生成に使用
する式の定義を示す説明図である。
する式の定義を示す説明図である。
【図９】従来的なＺＭＰ概念を用いて２以上の連続する
平面に設定するＺＭＰを示す説明図である。
平面に設定するＺＭＰを示す説明図である。
【図１０】この発明による拡張したＺＭＰ概念を用いて
２以上の連続する平面に設定するＺＭＰを示す説明図で
ある。
２以上の連続する平面に設定するＺＭＰを示す説明図で
ある。
【図１１】この発明の第２実施例を示す図７と同様の第
３１座標系の移動軌跡を説明する説明図である。
３１座標系の移動軌跡を説明する説明図である。
１ 脚式移動ロボット（２足歩行ロボ
ット） ２ 脚部リンク １０Ｒ，１０Ｌ 脚部回旋用の関節 １２Ｒ，１２Ｌ 腰部のロール方向の関節 １４Ｒ，１４Ｌ 腰部のピッチ方向の関節 １６Ｒ，１６Ｌ 膝部のピッチ方向の関節 １８Ｒ，１８Ｌ 足首部のピッチ方向の関節 ２０Ｒ，２０Ｌ 足首部のロール方向の関節 ２２Ｒ，２２Ｌ 足平 ２４ 筐体 ２６ 制御ユニット ３６ ６軸力センサ
ット） ２ 脚部リンク １０Ｒ，１０Ｌ 脚部回旋用の関節 １２Ｒ，１２Ｌ 腰部のロール方向の関節 １４Ｒ，１４Ｌ 腰部のピッチ方向の関節 １６Ｒ，１６Ｌ 膝部のピッチ方向の関節 １８Ｒ，１８Ｌ 足首部のピッチ方向の関節 ２０Ｒ，２０Ｌ 足首部のロール方向の関節 ２２Ｒ，２２Ｌ 足平 ２４ 筐体 ２６ 制御ユニット ３６ ６軸力センサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B25J 5/00 B25J 9/10
Claims (3)
- 【請求項１】 基体と、それに連結された複数本の脚部
とを備えた脚式移動ロボットの歩容生成装置において、 ａ．前記ロボットが予定する歩行面が第１、第２の少な
くとも２つの面を含むとき、第３の面と前記ロボットの
ＺＭＰ目標位置を仮想的に設定する設定手段、及び ｂ．動力学によって求められるＺＭＰ位置が前記設定さ
れたＺＭＰ目標位置となるように前記ロボットの歩容を
決定する歩容決定手段、 を備え、前記設定手段は、前記第１、第２の面上の２点
を結ぶ線分上を連続的に移動するように前記ＺＭＰ目標
位置を設定すると共に、前記第３の面を、その法線ベク
トルが前記第１の面の法線ベクトルから前記第２の面の
法線ベクトルに連続的に変わり、かつ前記ＺＭＰ目標位
置を常に含むように設定することを特徴とする脚式移動
ロボットの歩容生成装置。 - 【請求項２】 基体と、それに連結された２本の脚部と
を備えた２足歩行の脚式移動ロボットの歩容生成装置に
おいて、 ａ．前記ロボットが予定する歩行面が第１、第２の少な
くとも２つの面を含むとき、前記脚部の一方の先端の第
１の足底を支持面とする片脚支持期から両脚支持期を経
て前記脚部の他方の先端の第２の足底を支持面とする片
脚支持期に移行する際、前記第１の足底の接地する第１
の面から前記第２の足底の接地する第２の面に連続的に
変化する仮想的な第３の面を想定し、その上に前記ロボ
ットのＺＭＰ目標位置を仮想的に設定する設定手段、 及び ｂ．動力学によって求められるＺＭＰ位置が前記設定さ
れたＺＭＰ目標位置となるように前記ロボットの歩容を
決定する歩容決定手段、 を備え、前記設定手段は、前記第１、第２の面上の２点
を結ぶ線分上を連続的に移動するように前記ＺＭＰ目標
位置を設定すると共に、前記第３の面を、その法線ベク
トルが前記第１の面の法線ベクトルから前記第２の面の
法線ベクトルに連続的に変わり、かつ前記ＺＭＰ目標位
置を常に含むように設定することを特徴とする脚式移動
ロボットの歩容生成装置。 - 【請求項３】 前記設定手段は、前記第１、第２の面に
前記第１、第２の足底の接地圧重心点をそれぞれ設定す
ると共に前記第１、第２の足底の接地圧重心点を結ぶ線
分上を連続的に移動するように前記ＺＭＰ目標位置を設
定することを特徴とする請求項２項記載の脚式移動ロボ
ットの歩容生成装置。
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