JP6071815B2 - 脚式移動ロボットの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、二足歩行ロボット等の脚式移動ロボットの制御装置に関する。

例えば、二足歩行ロボットに階段を昇降させる場合、遊脚側脚体の先端部の足平部の全体もしくはほぼ全体を、階段の踏面（昇り階段では上段側踏面、降り階段では下段側踏面）上に載せるようにして、該踏面に着地させることが一般に行われている（例えば特許文献１、２を参照）。

この場合、遊脚側脚体の足平部の目標とする着地位置は、通常、その着地位置での足平部が、踏面の両側縁や奥行終端等に近づきすぎないように決定される。

特開平６−６３８７６号公報 特開２００３−３４０７６３号公報

二足歩行ロボット等の脚式移動ロボット（以下、単にロボットいうことがある）を種々様々な環境下で移動させようとするためには、該ロボットが、種々様々な高さを有する階段等の段差を昇降し得るようにすることが望ましい。

この場合、階段等の段差におけるロボットの昇降動作において、ロボットの遊脚側脚体の足平部を、常に、段差の上段側踏面上又は下段側踏面上に着地させようとすると、特に、段差の高さ（下段側踏面と上段側踏面との間の高さ）が比較的高い場合に、該足平部を着地させる時に必要な遊脚側脚体もしくは支持脚側脚体の足首関節等の関節の変位量（曲げ角度）が大きなものとなりやすい。

例えば、段差の高さが比較的高い昇り階段をロボットに昇らせようとした場合には、上段側踏面上に遊脚側脚体を着地させたときに、該遊脚側脚体の足首関節等の関節の変位量が大きなものとなる。

また、例えば、段差の高さが比較的高い降り階段をロボットに降らせようとした場合には、下段側踏面上に遊脚側脚体を着地させたときに、支持脚側脚体の足首関節等の関節の変位量が大きなものとなる。

一方、ロボットの脚体の各関節は、一般に、機構的な制約等に起因して、規定の可動範囲内でしか変位することができない。

このため、上記のように段差の高さが高い場合に、遊脚側脚体の足平部を上段側踏面又は下段側踏面に着地させる時に必要となる遊脚側脚体もしくは支持脚側脚体の足首関節等の関節の変位量が大きいと、該変位量が可動範囲を超えてしまいやすい。ひいては、当該段差でのロボットの昇降を行うことができなくなる。

さらに、昇りの段差をロボットに移動させる場合において、遊脚側脚体の足平部を上段側踏面に着地させるときに、上記の如く段差が高いために、該遊脚側脚体の足首関節等の関節の変位量が大きなものとなる場合には、該遊脚側脚体の足平部の着地直後に、該足平部側にロボットの自重を移すときに、変位量の大きい足首関節等に作用するモーメントも大きなものとなりやすい。

また、降りの段差をロボットに移動させる場合において、遊脚側脚体の足平部を下段側踏面に着地させるときに、上記の如く段差が高いために、支持脚側脚体の足首関節等の関節の変位量が大きなものとなる場合には、遊脚側脚体の足平部の着地直前に、変位量の大きい支持脚側脚体の足首関節等に作用するモーメントも大きなものとなりやすい。

そして、このように関節に作用するモーメントが大きなものとなると、該関節を駆動するアクチェータの必要駆動力も大きくなるために、該アクチュエータの大型化あるいは重量化を招くという不都合がある。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、脚式移動ロボットの脚体の関節の変位量が過大にならないようにしつつ、該ロボットに種々様々な高さの段差を移動させることができる制御装置を提供することを目的とする。

本発明の脚式移動ロボットの制御装置は、かかる目的を達成するために、段差を有する床で移動させる脚式移動ロボットの制御装置であって、
前記脚式移動ロボットの進行方向前方に前記段差が存在する状況で、前記脚式移動ロボットの遊脚側脚体の足平部を前記段差の上段側踏面内又は下段側踏面内で接地させるために許容される該遊脚側脚体の足平部の着地位置の領域を示す第１着地許容領域を設定する第１着地許容領域設定手段と、
前記状況で、前記脚式移動ロボットの遊脚側脚体の足平部を前記段差の上段側踏面又は下段側踏面に対して傾いた姿勢で該踏面のエッジに接地させるために許容される前記脚式移動ロボットの遊脚側脚体の足平部の着地位置の領域を示す第２着地許容領域を設定する第２着地許容領域設定手段と、
前記状況で、前記第１着地許容領域と第２着地許容領域とのうちのいずれか一方の着地許容領域を前記脚式移動ロボットの移動制御用の着地許容領域として選択することを、当該選択される着地許容領域が前記段差の高さに応じて切替わるように実行する着地許容領域選択手段と、
前記遊脚側脚体の足平部の着地位置を前記着地許容領域選択手段により選択された着地許容領域に存在させることを制約条件として、前記段差における前記脚式移動ロボットの各脚体の運動を制御する脚体運動制御手段とを備えることを特徴とする（第１発明）。

本発明における前記エッジは、前記段差が昇りの踏面である場合には、脚式移動ロボットから見て、前記上段側踏面の手前側の境界線を意味する。また、前記段差が降りの段差である場合には、脚式移動ロボットから見て、前記下段側踏面の奥側の境界線を意味する。

ここで、本願発明者等を各種検討によれば、脚式移動ロボットに階段等の段差を移動させる場合において、該段差の高さが比較的高い場合には、脚式移動ロボットの遊脚側脚体の足平部を、上段側踏面（段差が昇りの段差である場合）又は下段側踏面（段差が降りの段差である場合）のいずれかの箇所に着地させるにあたって、該足平部が上段側踏面又は下段側踏面に対して傾いた姿勢で該上段側踏面又は下段側踏面のエッジに接地させ得るように該足平部の着地を行うことで、遊脚側脚体の足平部の着地時や、該遊脚側脚体の着地後の次の離床時等において、一方の脚体の足首関節等の変位量（曲げ角）を軽減できる。

他方、前記段差の高さが比較的低い場合には、遊脚側足平部を、上段側踏面又は下段側踏面に対して傾いた姿勢で該上段側踏面又は下段側踏面のエッジに接地させると、該足平部と床面との干渉を生じやすい。

そこで、第１発明では、前記着地許容領域選択部は、脚式移動ロボットの進行方向前方に段差が存在する状況で、前記第１着地許容領域と第２着地許容領域とのうちのいずれか一方を、前記段差の高さに応じて、脚式移動ロボットの移動制御用の着地許容領域として選択する。

例えば、前記段差の高さが所定の閾値を超える高さである場合に、第１着地許容領域が移動制御用の着地許容領域として選択され、前記段差の高さが所定の閾値よりも低い場合に、第２着地許容領域が移動制御用の着地許容領域として選択される。

そして、前記脚体運動制御手段は、遊脚側脚体の足平部の着地位置を前記着地許容領域選択手段により選択された着地許容領域に存在させることを制約条件として、前記段差における前記脚式移動ロボットの各脚体の運動を制御する。

このため、第１発明によれば、前記段差の高さが比較的高い場合には、前記２着地許容領域を移動制御用の着地許容領域として選択して、遊脚側脚体の足平部の着地時や着地後の離床時等に、該足平部を上段側踏面又は下段側踏面に対して傾いた姿勢で、該踏面のエッジに接地させることが可能となる。

その結果、脚式移動ロボットの脚体の足首関節等の関節の変位量が過大にならないようにしつつ、該ロボットに種々様々な高さの段差を移動させることが可能となる。

かかる第１発明では、前記脚体運動制御手段は、前記脚式移動ロボットの進行方向前方に存在する前記段差が昇りの段差である状況で、前記着地許容領域選択手段により前記第２着地許容領域が選択された場合には、前記遊脚側脚体の足平部を、前記制約条件を満たしつつ、前記段差の上段側踏面に対して傾いた姿勢で該上段側踏面のエッジに着地させ、次いで、該足平部をピッチ方向に回転させて該上段側踏面に接地させた後に、該上段側踏面からの次の離床を行うように各脚体の運動を制御するように構成されていることが好ましい（第２発明）。

かかる第２発明によれば、前記段差が昇りの段差である状況で、前記第２着地許容領域が移動制御用の着地許容領域として選択された場合には、該昇りの段差の高さが比較的高い場合であっても、遊脚側脚体の足平部の着地時における該遊脚側脚体の関節の変位量を効果的に抑制できる。ひいては、昇りの段差での移動時に、脚式移動ロボットの各脚体の関節の変位量が過大になるのを効果的に防止できる。

また、前記第１発明又は第２発明において、前記脚体運動制御手段は、前記脚式移動ロボットの進行方向前方に存在する前記段差が降り段差である状況で、前記着地許容領域選択手段により前記第２着地許容領域が選択された場合には、前記遊脚側脚体の足平部を、前記制約条件を満たしつつ、前記下段側踏面に着地させ、次いで、該足平部をピッチ方向に回転させて、該足平部を該下段側踏面に対して傾けた姿勢で該下段側踏面のエッジに接地させた後に、該エッジからの次の離床を行うように各脚体の運動を制御するように構成されていることが好ましい（第３発明）。

かかる第３発明によれば、前記段差が降りの段差である状況で、前記第２着地許容域が移動制御用の着地許容領域として選択された場合には、該降りの段差の高さが比較的高い場合であっても、遊脚側脚体の足平部の着地後の離床時における他方の脚体の関節の変位量を効果的に抑制できる。ひいては、降りの段差での移動時に、脚式移動ロボットの各脚体の関節の変位量が過大になるのを効果的に防止できる。

上記第１〜第３発明では、前記状況で、前記脚式移動ロボットの各脚体の運動を各脚体の可動範囲内に制限しつつ、前記遊脚側脚体と他の脚体との干渉を発生させることなく、該遊脚側脚体の足平部を着地させ得る領域として前記脚式移動ロボットの構造に依存して規定される第３着地許容領域を設定する第３着地許容領域設定手段をさらに備え、前記脚体運動制御手段は、前記遊脚側脚体の足平部の着地位置を前記第３着地許容領域に存在させることをさらなる制約条件として、前記段差における前記脚式移動ロボットの各脚体の運動を制御するように構成されていることが好ましい（第４発明）。

かかる第４発明によれば、前記第３着地許容領域を、前記第１着地許容領域と第２着地許容領域とは別に第３着地許容領域設定手段により設定することで、前記遊脚側脚体と他の脚体との干渉等を考慮することなく、第１着地許容領域及び第２着地許容領域を設定できる。このため、第１着地許容領域及び第２着地許容領域の設定処理を容易に行うことができる。

この第４発明では、前記第１着地許容領域設定手段は、前記遊脚側脚体の足平部を接地させる前記上段側踏面又は下段側踏面の形状及びサイズに依存させるように前記第１着地許容領域を設定するように構成され、前記第２着地許容領域設定手段は、前記遊脚側脚体の足平部を接地させる前記上段側踏面又は下段側踏面のエッジの形状及びサイズに依存させ、且つ、該足平部を該エッジに接地させたときの各関節の変位量を所定の範囲内に制限し得るように、前記第２着地許容領域を設定するように構成されていることが好ましい（第５発明）。

この第５発明によれば、脚式移動ロボットに段差を移動させるときに、脚体同士の干渉もしくは脚体と段差との干渉が発生したり、あるいは、いずれかの脚体の関節の変位量が過大になったり、あるいは、段差に対する各脚体の接地箇所が該段差の端部に偏るというような事態を発生させずに脚式移動ロボットを移動させる上で好適な遊脚側脚体の足平部の着地位置を、前記第１着地許容領域又は第２着地許容領域と第３着地許容領域とにより適切に制約することができる。

本発明の一実施形態の脚式移動ロボットの概略構成を示す図。 実施形態の脚式移動ロボットの制御に関する構成を示すブロック図。 実施形態の脚式移動ロボットに移動させる昇りの段差を例示する斜視図。 実施形態の脚式移動ロボットに移動させる昇りの段差を例示する斜視図。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ昇りの段差における第１着地許容領域の設定例を側面視、平面視で例示する図。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ降りの段差における第１着地許容領域の設定例を側面視、平面視で例示する図。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ昇りの段差における第２着地許容領域の設定例を側面視、平面視で例示する図。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ降りの段差における第２着地許容領域の設定例を側面視、平面視で例示する図。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ、支持脚側脚体が右側脚体である場合、左側脚体である場合における第３着地許容領域の設定例を例示する図。 実施形態の脚式移動ロボットに段差を移動させる場合の制御処理を示すフローチャート。

本発明の一実施形態を以下に図１〜図１０を参照して以下に説明する。

図１を参照して、本実施形態の脚式移動ロボット１（以降、単にロボット１という）は、該ロボット１の上体に相当する基体２と、基体２から延設された左右一対（２つ）の脚体３Ｒ，３Ｌとを有する二足歩行ロボットである。

なお、本実施形態の説明では、ロボット１の前方に向かって右側の部材を示す変数に符号“Ｒ”を付加し、ロボット１の前方に向かって左側の部材を示す変数に符号“Ｌ”を付加する。ただし、右側、左側を特に区別する必要が無いときは、符号“Ｒ”，“Ｌ”を省略する。

脚体３Ｒ，３Ｌは、互いに同じ構造のものである。具体的には、各脚体３は、基体２に股関節部１１を介して連結された大腿部１２と、この大腿部１２に膝関節部１３を介して連結された下腿部１４と、この下腿部１４に足首関節部１５を介して連結された足平部１６とを、該脚体３を構成する複数の要素リンクとして備える。この場合、各脚体３の先端部は、足平部１６により構成される。

そして、各脚体３の股関節部１１は、ヨー方向（Ｚ軸周り方向）、ピッチ方向（Ｙ軸周り方向）及びロール方向（Ｘ軸周り方向）の回転自由度をそれぞれ有する３つの関節１７，１８，１９により構成されている。また、膝関節部１３は、ピッチ方向の回転自由度を有する関節２０により構成されている。また、足首関節部１５は、ピッチ方向及びロール方向の回転自由度をそれぞれ有する２つの関節２１，２２により構成されている。

従って、各脚体３の先端部である足平部１６は、本実施形態では、基体２に対して、６自由度の運動自由度を有する。

なお、ロール方向の回転軸（Ｘ軸）、ピッチ方向の回転軸（Ｙ軸）及びヨー方向の回転軸（Ｚ軸）はそれぞれ、ロボット１の前後方向の軸、左右方向の軸、上下方向の軸を意味する。また、上記の説明における各脚体３の関節１７〜２２の回転軸は、脚体３を上下方向に延在させた状態での回転軸を示している。

以上が、本実施形態のロボット１の基本構造である。かかる構成のロボット１は、各脚体３の６個の関節１７〜２２を駆動することによって、各脚体３の空間的な運動が行なわれる。この運動によって、ロボット１が床上を移動することが可能となっている。

補足すると、ロボット１は、上記基体２、及び脚体３Ｒ，３Ｌだけでなく、例えば基体２の側部から延設された腕リンクや、基体２の上端部に搭載した頭部等を備えていてもよい。

また、基体２は、例えば、脚体３Ｒ，３Ｌが連結される下側基体（腰部）と、該下側基体の上側に関節を介して連結された上側基体（胸部）とにより構成されていてもよい。

図１での図示は省略したが、ロボット１には、図２に示すように、上記の各関節１７〜２２をそれぞれ回転駆動する関節アクチュエータ３０と、ロボット１の動作制御を行なう制御処理ユニット３１とが搭載されている。

関節アクチュエータ３０は、例えば電動モータあるいは油圧アクチュエータにより構成されたものであり、各関節毎に備えられている。この場合、各関節アクチュエータ３０による各関節の駆動機構は公知の構造のものでよい。また、関節アクチュエータ３０は、回転型のアクチュエータに限らず、直動型のアクチュエータであってもよい。

制御処理ユニット３１は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路等を含む電子回路ユニットである。この制御処理ユニット３１は、実装されるプログラムにより実現される機能、あるいは、ハードウェア構成により実現される機能として、ロボット１の移動を行う環境の床形状を認識する床形状認識部３２と、ロボット１の遊脚側脚体３（３Ｒ又は３Ｌ）の足平部１６の第１着地許容領域、第２着地許容領域、及び第３着地許容領域をそれぞれ設定する処理を実行する第１着地許容領域設定部３３、第２着地許容領域設定部３４及び第３着地許容領域設定部３５と、各脚体３の運動を制御する脚体運動制御部３６とを備える。脚体運動制御部３６は、ロボット１の移動制御用の着地許容領域を選択する着地許容領域選択部３７としての機能を含んでいる。

以降の説明では、遊脚側脚体３を参照符号３swgで表し、支持脚側脚体３を参照符号３supで表す。さらに、遊脚側脚体３swgの足平部１６を参照符号１６swgで表し、支持脚側脚体３supの足平部１６を参照符号１６supで表す。

遊脚側脚体３swgは、ロボット１の移動時に、足平部１６swgの離床、空中での移動、着床（着地）という一連の動作を行う脚体３であり、支持脚側脚体３supは、遊脚側脚体３swgの足平部１６swgを空中で移動させる際に、ロボット１の自重を支えるために床面に足平部１６supを接地させておく脚体３である。

本実施形態では、ロボット１は二足歩行ロボットであるので、ロボット１の歩行動作（階段等の段差での移動動作を含む）による移動時には、遊脚側脚体３swgとなる脚体３Ｒ（又は３Ｌ）と、支持脚側脚体３supとなる脚体３Ｌ（又は３Ｒ）とは交互に切替わる。

そして、ロボット１が昇り階段Ｓｕ等の昇りの段差を昇る場合には、遊脚側足平部１６swgを離床させた後に、支持脚側足平部１６supを接地させている踏面の一段上側の踏面に着地させるように遊脚側脚体３swgの運動が行われる。

また、ロボット１が降り階段Ｓｄ等の降りの段差を降りる場合には、遊脚側足平部１６swgを離床させた後に、支持脚側足平部１６supを接地させている踏面の一段下側の踏面に着地させるように遊脚側脚体３swgの運動が行われる。

床形状認識部３２は、ロボット１の進行方向前方の床形状を、例えばロボット１に搭載されたカメラ（図示省略）の撮像画像を基に認識する。床形状認識部３２が形状を認識する床は、平坦な床はもちろん、段差もしくは凹凸を有する床も含まれる。例えば、ロボット１の進行方向前方に、図３に示すように昇りの段差５１ｕ（図示例では、昇り階段）が存在する場合、あるいは、図４に示すように降りの段差５１ｄ（図示例では、降り階段）が存在する場合には、それらの段差５１ｕ，５１ｄの形状及び配置位置（ロボット１に対する相対的な配置位置）が床形状認識部３２により認識される。

なお、カメラの代わりに、例えばレーザ式測距装置を用いて、あるいは、カメラとレーザ式測距装置との両方を併用して、ロボット１の進行方向前方の床形状を認識してもよい。

また、ロボット１の移動環境の床形状が事前に判っている場合には、ロボット１の自己位置と、ロボット１の移動環境の地図情報（各所の床形状を示す情報）とからロボット１の進行方向前方の床形状を認識するようにしてもよい。

この場合、地図情報は、例えば外部のサーバから随時、制御処理ユニット３１に入力することが可能である。あるいは、地図情報をあらかじめ記録した記憶媒体（メモリ、ＤＶＤ、ハードディスク等）をロボット１に搭載しておいてもよい。

第１着地許容領域設定部３３は、本発明における第１着地許容領域設定手段に相当する。この第１着地許容領域設定部３３は、ロボット１の進行方向前方に階段等の段差が存在することが床形状認識部３２により認識される場合に、遊脚側足平部１６swgを、昇りの段差の上段側踏面内又は降りの段差の下段側踏面内で接地させるために許容される遊脚側足平部１６swgの着地位置の領域を示す第１着地許容領域を設定する処理を実行する機能部である。

上記第１着地許容領域は、より詳しくは、遊脚側足平部１６swgの底面（接地面）の全体（もしくはほぼ全体）を上段側踏面又は下段側踏面に接地させ得るように設定される遊脚側足平部１６swgの着地位置の許容領域である。

ここで、各足平部１６の位置というのは、該足平部１６に対して任意に設定された代表点Ｐ（足平部１６に対して固定された点）の位置を意味する。本実施形態では、例えば、足平部１６の底面（接地面）のうちの踵寄りの箇所にあらかじめ設定された点Ｐが該足平部１６の代表点Ｐとして用いられる（図５等を参照）。ただし、足平部１６の代表点Ｐは、該足平部１６のつま先寄りの点等、他の点に設定されていてもよい。

そして、足平部１６の着地位置というのは、該足平部１６の着地によって規定される該足平部１６の位置である。該着地位置は、より詳しくは、足平部１６の着地当初又は着地後の接地期間中での該足平部１６の位置（代表点Ｐの位置）である。

本実施形態では、便宜上、足平部１６の着地当初又は着地後において、該足平部１６の底面が着地箇所の床面に平行となる姿勢（又は水平となる姿勢）で該足平部１６を床面に接地させた状態での該足平部１６の位置が、該足平部１６の着地位置として用いられる。ただし、足平部１６の着地位置として、足平部１６の底面を床面に対して傾斜させた姿勢で該足平部１６を床面に接地させた状態での該足平部１６の位置を採用することもできる。

第１着地許容領域設定部３３は、本実施形態では、昇りの段差の上段側踏面又は降りの段差の下段側踏面の形状及びサイズに依存させるように、第１着地許容領域を設定する。

この場合、ロボット１の進行方向前方の段差が昇りの段差である場合には、第１着地許容領域は、上段側踏面（支持脚側足平部１６supが接地する踏面の一段上側の踏面）の両側の境界線及び奥側の境界線に遊脚側脚体３swgの足平部１６が近づきすぎないような領域に設定される。

例えば、ロボット１の進行方向前方の段差が図３又は図５（ａ），（ｂ）に示す如き昇りの段差５１ｕ（昇り階段）である場合には、第１着地許容領域は、上段側踏面５２ｕ内で、参照符号Ａu1を付して示す如き領域に設定される。該第１着地許容領域Ａu1は、例えば、上段側踏面５２ｕの両側の境界線、奥側の境界線、手前側の境界線からそれぞれ既定の間隔を有する領域である。

また、ロボット１の進行方向前方の段差が図４又は図６（ａ），（ｂ）に示す如き降りの段差５１ｄ（降り階段）である場合には、第１着地許容領域は、下段側踏面５２ｄ内で、参照符号Ａd1を付して示す如き領域に設定される。該第１着地許容領域Ａd1は、例えば、下段側踏面５２ｄの両側の境界線、手前側の境界線、奥側の境界線からそれぞれ既定の間隔を有する領域である。

なお、昇りの段差５１ｕにおける上段側踏面５２ｕの手前側（ロボット１から見て手前側）の境界線、あるいは、降りの段差５１ｄにおける下段側踏面５２ｄの奥側（ロボット１から見て奥側）の境界線が本発明におけるエッジに相当するものである。以降、当該境界線（エッジ）を参照符号５２ｅで表す。

第２着地許容領域設定部３４は、本発明における第２着地許容領域設定手段に相当する。この第２着地許容領域設定部３４は、ロボット１の進行方向前方に階段等の段差が存在することが床形状認識部３２により認識される場合に、遊脚側足平部１６swgを昇り段差の上段側踏面又は降り段差の下段側踏面に対して傾いた姿勢で該踏面のエッジに接地させるために許容される遊脚側足平部１６swgの着地位置の領域を示す第２着地許容領域を設定する処理を実行する機能部である。

ここで、遊脚側足平部１６swgを上段側踏面又は下段側踏面に対して傾いた姿勢（ピッチ方向に傾いた姿勢）で該踏面のエッジに接地させるというのは、遊脚側足平部１６swgを線接触状態（もしくはほぼ線接触状態）でエッジに接地させることを意味する。また、この接地状態での遊脚側足平部１６swgの傾き（ピッチ方向の傾き）は、あらかじめ設定された所定の範囲内での傾きである。

そして、昇りの段差において、遊脚側足平部１６swgを上記の如く上段側踏面のエッジに接地させた場合、上段側踏面の法線方向（上下方向）で見て、遊脚側足平部１６swgの踵寄りの部分が上段側踏面から手前側にはみ出すこととなる。

また、降りの段差においては、遊脚側足平部１６swgを上記の如く下段側踏面のエッジに接地させた場合、下段側踏面の法線方向（上下方向）で見て、遊脚側足平部１６swgのつま先寄りの部分が下段側踏面から奥側にはみ出すこととなる。

そこで、第２着地許容領域設定部３４は、ロボット１の進行方向前方に昇りの段差が存在する場合には、第２着地許容領域内の遊脚側足平部１６swgの着地位置での該遊脚側足平部１６swgの踵寄りの部分が上段側踏面の手前側にはみ出した状態となるように、第２着地許容領域を設定する。

また、第２着地許容領域設定部３４は、ロボット１の進行方向前方に降りの段差が存在する場合には、第２着地許容領域内の遊脚側足平部１６swgの着地位置での該遊脚側足平部１６swgのつま先寄りの部分が下段側踏面の奥側にはみ出した状態となるように、第２着地許容領域を設定する。

さらに、第２着地許容領域設定部３４は、昇りの段差の上段側踏面又は降りの段差の下段側踏面のエッジの形状及びサイズに依存させ、且つ、遊脚側足平部１６swgを該エッジに接地させたときの脚体３Ｒ，３Ｌのそれぞれの各関節１７〜２２の変位量を各関節毎の所定の範囲内に制限し得るように、第２着地許容領域を設定する。

この場合、ロボット１の進行方向前方に昇りの段差が存在する場合には、第２着地許容領域は、遊脚側足平部１６swgが上段側踏面のエッジの両端に近づきすぎず、且つ、該遊脚側足平部１６swgを着地当初に上段側踏面のエッジに接地させたときに、脚体３Ｒ，３Ｌのそれぞれの各関節１７〜２２の変位量を、各関節毎の所定の範囲に制限できるように設定される。

なお、各関節毎の所定範囲は、各関節１７〜２２の構造あるいは関節アクチュエータ３０の構造に依存して規定される各関節１７〜２２の可動範囲の境界（限界）に近づきすぎないような範囲として各関節毎にあらかじめ設定された既定の範囲である。

また、ロボット１の進行方向前方に降りの段差が存在する場合には、第２着地許容領域は、遊脚側足平部１６swgが下段側踏面のエッジの両端に近づきすぎず、且つ、該降りの段差をロボット１が降る動作において、遊脚側足平部１６swgを着地後（詳しくは、該遊脚側足平部１６swgが支持脚側足平部１６supに移行した後）の離床直前に下段側踏面のエッジに接地させたときに、脚体３Ｒ，３Ｌのそれぞれの各関節１７〜２２の変位量を、各関節毎の上記所定範囲内に制限できるようにように設定される。

例えば、ロボット１の進行方向前方の段差が図３又は図７（ａ），（ｂ）に示す如き昇りの段差５１ｕ（昇り階段）である場合には、第２着地許容領域は、上段側踏面５２ｕの幅内（Ｙ軸方向での上段側踏面５２ｕの幅内）で、参照符号Ａu2を付して示す如き領域に設定される。該第２着地許容領域Ａu2は、例えば、上段側踏面５２ｕと同じ高さの平面上で、上段側踏面５２ｕのエッジ５２ｅの両端からの間隔（エッジ５２ｅの延在方向（Ｙ軸方向）での間隔）がそれぞれ既定値となり、且つ、Ｘ軸方向での幅とエッジ５２ｅからの間隔とがそれぞれ既定値になるように設定される。

また、ロボット１の進行方向前方の段差が図４又は図８（ａ），（ｂ）に示す如き降りの段差５１ｄ（降り階段）である場合には、第２着地許容領域は、下段側踏面５２ｄの幅内（Ｙ軸方向での下段側踏面５２ｄの幅内）で、参照符号Ａd2を付して示す如き領域に設定される。該第２着地許容領域Ａd2は、例えば、下段側踏面５２ｄと同じ高さの平面上で、下段側踏面５２ｄのエッジ５２ｅの両端からの間隔（エッジ５２ｅの延在方向（Ｙ軸方向）での間隔）がそれぞれ既定値となり、且つ、Ｘ軸方向での幅とエッジ５２ｅからの間隔とがそれぞれ既定値になるように設定される。

補足すると、本実施形態では、各足平部１６の代表点Ｐが踵寄りの位置に設定されている。このため、昇りの段差５１ｕに係る第２着地許容領域Ａu2は、図３又は図７（ａ），（ｂ）に示す如く、上段側踏面５２ｕよりも手前側の領域となる。また、降り段差５１ｄに係る第２着地許容領域Ａd2は、図４又は図８（ａ），（ｂ）に示す如く、下段側踏面５２ｄ内の領域となる。

また、本実施形態では、遊脚側足平部１６swgの着地位置は、前記したように、該足平部１６swgの底面が着地箇所の床面に平行となる姿勢で該足平部１６swgを床面に接地させた状態での該足平部１６swgの位置である。このため、第２着地許容領域Ａu2，Ａd2は、それぞれ、上段側踏面５２ｕ、下段側踏面５２ｄと同じ高さの平面上に設定される。

第３着地許容領域設定部３５、本発明における第３着地許容領域設定手段に相当する。この第３着地許容領域設定部３５は、ロボット１の進行方向前方に段差が存在する場合との存在しない場合とのいずれの場合でも、ロボット１の構造（特に各脚体３の構造）に依存して規定される遊脚側足平部１６swgの着地位置の許容領域を示す第３着地許容領域を設定する処理を実行する機能部である。

この第３着地許容領域は、各脚体３の運動を各脚体３の可動範囲内に制限しつつ、遊脚側脚体３swgと他の脚体（支持脚側脚体３sup）との干渉を発生させることなく、該遊脚側足平部１６swgを着地させ得る領域となるように設定される。また、第３着地許容領域は、その大きさ又は形状が遊脚側足平部１６swgの着地位置の高さに依存して変化するように設定される。

本実施形態では、支持脚側脚体３supが右側の脚体３Ｒである場合（遊脚側脚体３swgが左側の脚体３Ｌである場合）と、支持脚側脚体３supが左側の脚体３Ｌである場合（遊脚側脚体３swgが右側の脚体３Ｒである場合）とのそれぞれの場合毎に、遊脚側足平部１６swgの着地位置の種々様々な高さと、設定すべき第３着地許容領域の大きさ及び形状、並びに位置（支持脚側足平部１６supの接地位置に対する相対的な位置）との関係があらかじめマップ又は演算式の形態で定められている。

そして、第３着地許容領域設定部３５は、遊脚側脚体３swgが右側脚体３Ｒ及び左側脚体３Ｌのいずれであるかの情報と、床形状認識部３２により認識される遊脚側足平部１６swgの着地位置の高さ（昇りの段差の上段側踏面の高さ又は降りの段差の下段側踏面の高さ）とから上記マップ又は演算式に基づいて第３着地許容領域を設定する。

このように設定される第３着地許容領域は、支持脚側脚体３supが右側脚体３Ｒである場合（遊脚側脚体３swgが左側の脚体３Ｌである場合）には、例えば図９（ａ）に示すように、支持脚側足平部１６supの左側に存在する領域Ａ3Lに設定される。また、支持脚側脚体３supが左側脚体３Ｌである場合（遊脚側脚体３swgが右側の脚体３Ｒである場合）には、例えば図９（ｂ）に示すように、支持脚側足平部１６supの右側に存在する領域Ａ3Rに設定される。

なお、図９（ａ），（ｂ）では、遊脚側足平部１６swgの着地位置の高さは互いに同一としている。この場合、図９（ａ）の第３着地許容領域Ａ3Lと図９（ｂ）の第３着地許容領域Ａ3Rとは左右対称の領域である。

脚体運動制御部３６は、本発明における脚体運動制御手段に相当すると共に、着地許容領域選択手段としての機能（着地許容領域選択部３７）を含んでいる。詳細は後述するが、この脚体運動制御部３６は、各脚体３の関節１７〜２２のそれぞれの目標変位量を規定するロボット１の目標歩容を、上記の如く設定される第１着地許容領域又は第２着地許容領域と第３着地許容領域とに応じた制約条件と、ロボット１の動力学的な制約条件とを満たすように決定する。該目標歩容は、本実施形態では、各脚体３の足平部１６の目標位置及び目標姿勢の軌道と、基体２の目標位置及び目標姿勢の軌道とを含む。

この場合、各足平部１６及び基体２の目標位置及び目標姿勢は、床に対して固定されたグローバル座標系（慣性座標系）での位置及び姿勢として表現される。本実施形態では、グローバル座標系としては、例えば、ロボット１の支持脚側足平部１６supの接地位置に応じて原点位置が規定される支持脚座標系が使用される。この場合、支持脚座標系の原点位置は、ロボット１の支持脚側脚体３supが脚体３Ｒ，３Ｌの一方から他方に切替わるごとに更新される。

ただし、グローバル座標系として、床に対して定常的に固定された座標系を使用してもよい。あるいは、グローバル座標系として、例えば、ロボット１の複数歩（２歩、３歩等）の移動毎に、原点位置が更新される支持脚座標系を使用してもよい。

そして、脚体運動制御部３６は、決定した目標歩容に応じて各脚体３の各関節１７〜２２の目標変位量（本実施形態では目標回転角度）を逐次決定し、各関節１７〜２２の実際の変位量を目標変位量に追従させるように、各関節１７〜２２に対応する関節アクチュエータ３０をフィードバック制御する。これにより目標歩容に従って、ロボット１の移動動作が行われる。

次に、ロボット１の進行方向前方の段差でロボット１を移動させる場合のより具体的な作動を、図１０のフローチャートを参照しつつ説明する。

なお、図１０のフローチャートの処理は、ロボット１の両脚体３Ｒ，３Ｌのうちの一方又は両方の足平部１６が段差の若干手前の床面に接地した状態から開始される処理である。

ロボット１に階段等の段差を移動させる場合、制御処理ユニット３１は、支持脚側脚体３supが脚体３Ｒ，３Ｌの一方から他方に切替わる毎に（換言すれば、ロボット１の一歩の移動毎に）、図１０のフローチャートに示す処理を実行する。

ＳＴＥＰ１では、制御処理ユニット３１は、第１着地許容領域設定部３３、第２着地許容領域設定部３４及び第３着地許容領域設定部３５の処理を実行することで、遊脚側足平部１６swgの第１着地許容領域、第２着地許容領域及び第３着地許容領域をそれぞれ設定する。

第１及び第２着地許容領域は、それぞれ、床形状認識部３２により認識されている段差の種別（昇りの段差であるか降りの段差であるかの種別）に応じて前記した如く設定される。また、第３着地許容領域は、ロボット１の現在の支持脚側脚体３supが右側脚体３Ｒ及び左側脚体３Ｌのいずれであるかに応じて前記した如く設定される。

これらの第１〜第３着地許容領域の高さ（Ｚ軸方向位置）は、ロボット１を移動させる段差が昇りの段差である場合には、遊脚側足平部１６swgの移動時における支持脚側足平部１６supが接地している踏面の一段上側の上段側踏面と同じ高さとされる。また、ロボット１を移動させる段差が降りの段差である場合には、第１〜第３着地許容領域の高さ（Ｚ軸方向位置）は、遊脚側足平部１６swgの移動時における支持脚側足平部１６supが接地している踏面の一段下側の下段側踏面と同じ高さとされる。

次いで、制御処理ユニット３１は、ＳＴＥＰ２以降の制御処理を脚体運動制御部３６により実行する。

この場合、ＳＴＥＰ２〜４の処理が、着地許容領域選択部３７の処理である。ＳＴＥＰ２では、脚体運動制御部３６の着地許容領域選択部３７は、床形状認識部３２により認識される段差の高さＨsがあらかじめ定められた所定の閾値Ｈ_thよりも小さいか否かを判断する。なお、段差の高さＨsは、詳しくは、図５〜図８に示す如く、支持脚側足平部１６supが接地している踏面と、その一段上側の上段側踏面又は一段下側の下段側踏面との間の上下方向（Ｚ軸方向）の間隔である。

ここで、ＳＴＥＰ２の判断結果が肯定的となる状況は、段差の高さがさほど高くないため、遊脚側足平部１６swgの底面（接地面）の全体もしくはほぼ全体を上段側踏面又は下段側踏面に接地させ得るように、該足平部１６swgを上段側踏面又は下段側踏面に着地させても、各脚体３の各関節１７〜２２の変位量を、それぞれの可動範囲の限界に近づきすぎない範囲内に留めることが可能となる状況である。

一方、ＳＴＥＰ２の判断結果が否定的となる状況は、段差の高さが高いため、遊脚側足平部１６swgの底面（接地面）の全体もしくはほぼ全体を上段側踏面又は下段側踏面に接地させ得るように、該足平部１６swgを上段側踏面又は下段側踏面に着地させると、その着地当初、あるいは、その着地後の離床直前にいずれかの脚体３Ｒ又は３Ｌの関節の必要変位量が可動範囲の限界に達するか、もしくは超えてしまうような過大なものとなりやすい状況である。

具体的には、例えば、ロボット１に移動させる段差が昇りの段差である場合には、ＳＴＥＰ２の判断結果が否定的となる状況で、遊脚側足平部１６swgの底面（接地面）の全体もしくはほぼ全体を上段側踏面に接地させ得るように、該足平部１６swgを上段側踏面又は下段側踏面に着地させると、遊脚側足平部１６swgの着地当初もしくはその近辺で遊脚側脚体３swgの足首関節部１５の関節２１、膝関節部１３の関節２０等の変位量が過大なものとなりやすい。さらには、遊脚側脚体３swgの下腿部１４もしくは膝関節部１３が、遊脚側足平部１６swgを着地させる上段側踏面の一段上側の踏面のエッジ等に接触しやすくなる。

また、ロボット１に移動させる段差が降りの段差である場合には、ＳＴＥＰ２の判断結果が否定的となる状況で、遊脚側足平部１６swgの底面（接地面）の全体もしくはほぼ全体を上段側踏面に接地させ得るように、該足平部１６swgを上段側踏面又は下段側踏面に着地させると、遊脚側足平部１６swgの着地後に、支持脚側足平部１６supとなった該足平部１６を再び離床させる直前（換言すれば、他方の足平部１６の着地当初）において、当該支持脚側足平部１６supを有する脚体３の足首関節部１５の関節２１、膝関節部１３の関節２０等の変位量が過大なものとなりやすい。

そこで、ＳＴＥＰ２の判断結果が肯定的である場合には、脚体運動制御部３６の着地許容領域選択部３７は、ＳＴＥＰ３において、第１着地許容領域と第３着地許容領域とを移動制御用の着地許容領域として選択し、これらの第１着地許容領域及び第３着地許容領域により規定される制約条件を満たすように遊脚側足平部１６swgの目標着地位置及び目標着地姿勢を決定する。

より詳しくは、ＳＴＥＰ３では、遊脚側足平部１６swgの目標着地位置が第１着地許容領域と第３着地許容領域との両方の領域内に存在するという制約条件を満たすように、該足平部１６swgの目標着地位置及び目標着地姿勢が決定される。

この場合、目標着地姿勢は、遊脚側足平部１６swgの底面（接地面）が着地箇所となる上段側踏面又は下段側踏面と平行（もしくは水平）となり、且つ、遊脚側足平部１６swgの前後方向が当該上段側踏面又は下段側踏面の奥行方向に既定の範囲内で概ね一致するように決定される。

そして、目標着地位置は、第１着地許容領域と第３着地許容領域とが重なり合う領域内の位置に設定される。この場合、目標着地位置は、当該重なり合う領域内の任意の位置でよいが、ロボット１の目標とする進行方向、目標とする歩幅等、ロボット１の動作に関する要求を反映させて目標着地位置を設定することが望ましい。

かかるＳＴＥＰ３の処理によって、ロボット１に移動させる段差が昇りの段差である場合には、遊脚側足平部１６swgの目標着地位置及び目標着地姿勢は、例えば図５（ａ），（ｂ）の二点鎖線の遊脚側足平部１６swgで例示する如く設定される。なお、図示例では、遊脚側足平部１６swgが左側脚体３Ｌの足平部１６Ｌであるので、目標着地位置は、上段側踏面５２ｕ上の第１着地許容領域Ａu1と、左側の足平部１６Ｌに係る第３着地許容領域Ａ3L（図５（ｂ）に示す）とが重なり合う領域内に設定される。

また、ロボット１に移動させる段差が降りの段差である場合には、遊脚側足平部１６swgの目標着地位置及び目標着地姿勢は、例えば図６（ａ），（ｂ）の二点鎖線の遊脚側足平部１６swgで例示する如く設定される。なお、図示例では、遊脚側足平部１６swgが左側脚体３Ｌの足平部１６Ｌであるので、目標着地位置は、下段側踏面５２ｄ上の第１着地許容領域Ａd1と、左側の足平部１６Ｌに係る第３着地許容領域Ａ3L（図６（ｂ）に示す）とが重なり合う領域内に設定される。

一方、ＳＴＥＰ２の判断結果が否定的である場合には、脚体運動制御部３６の着地許容領域選択部３７は、ＳＴＥＰ４において、第２着地許容領域と第３着地許容領域とをロボット１の移動制御用の着地許容領域として選択し、該第２着地許容領域及び第３着地許容領域により規定される制約条件を満たすように遊脚側足平部１６swgの目標着地位置及び目標着地姿勢を決定する。

より詳しくは、ＳＴＥＰ４では、遊脚側足平部１６swgの目標着地位置が第２着地許容領域と第３着地許容領域との両方の領域内に存在するという制約条件を満たすように、該足平部１６swgの目標着地位置及び目標着地姿勢が決定される。

この場合、目標着地姿勢は、ＳＴＥＰ３と同様に決定される。そして、目標着地位置は、第２着地許容領域と第３着地許容領域とが重なり合う領域内の位置に設定される。この場合、目標着地位置は、当該重なり合う領域内の任意の位置でよいが、ＳＴＥＰ３と同様に、ロボット１の目標とする進行方向、目標とする歩幅等、ロボット１の動作に関する要求を反映させて目標着地位置を設定することが望ましい。

かかるＳＴＥＰ４の処理によって、ロボット１に移動させる段差が昇りの段差である場合には、遊脚側足平部１６swgの目標着地位置及び目標着地姿勢は、例えば図７（ａ）の二点鎖線の遊脚側足平部１６swg（詳しくは、上段側踏面５２ｕに平行な姿勢の遊脚側足平部１６swg）と、図７（ｂ）の二点鎖線の遊脚側足平部１６swgとにより例示する如く設定される。なお、図示例では、遊脚側足平部１６swgが左側脚体３Ｌの足平部１６Ｌであるので、目標着地位置は、上段側踏面５２ｕと同じ高さの第２着地許容領域Ａu2と、左側の足平部１６Ｌに係る第３着地許容領域Ａ3L（図７（ｂ）に示す）とが重なり合う領域内に設定される。

また、ロボット１に移動させる段差が降りの段差である場合には、図８（ａ）の二点鎖線の遊脚側足平部１６swg（詳しくは、下段側踏面５２ｄに平行な姿勢の遊脚側足平部１６swg）と、図８（ｂ）の二点鎖線の遊脚側足平部１６swgとにより例示する如く設定される。なお、図示例では、遊脚側足平部１６swgが左側脚体３Ｌの足平部１６Ｌであるので、目標着地位置は、下段側踏面５２ｄ上の第２着地許容領域Ａd2と、左側の足平部１６Ｌに係る第３着地許容領域Ａ3L（図８（ｂ）に示す）とが重なり合う領域内に設定される。

次いで脚体運動制御部３６は、ＳＴＥＰ５において、各足平部１６の目標位置及び目標姿勢の軌道（又は該軌道を規定するパラメータ）を決定する。この場合、各足平部１６の目標位置及び目標姿勢の軌道（又は該軌道を規定するパラメータ）は、例えば次のよう形態で各足平部１６の運動が行われるように決定される。

まず、ロボット１に移動させる段差が昇りの段差である場合において、ＳＴＥＰ２の判断結果が肯定的となる状況（ロボット１の移動制御用の着地許容領域として第１及び第３着地許容領域が選択される状況）での遊脚側足平部１６swgの目標位置及び目標姿勢の軌道について、図５（ａ）を参照して説明する。

この軌道では、上段側踏面５２uの二段下側（又は一段下側）の踏面に遊脚側足平部１６swgの底面（接地面）が接地した状態から、該足平部１６swgを上昇させて離床させる。さらに、該足平部１６swgを上段側踏面５２uの上方に向かって空中を移動させた後に、該足平部１６swgを、目標着地位置及び目標着地姿勢で上段側踏面５２ｕに接地させるように該上段側踏面５２ｕに着地させる。

この場合、遊脚側足平部１６swgの離床時近辺の期間での目標姿勢は、例えば該足平部１６swgの底面（接地面）が、該足平部１６swgの離床直前に該足平部１６swgが接地していた踏面とほぼ平行となる姿勢でよい。また、遊脚側足平部１６swgの着地当初の目標姿勢は、例えば該足平部１６swgの底面（接地面）が上段側踏面５２uとほぼ平行となる姿勢でよい。また、遊脚側足平部１６swgの空中での目標姿勢は、水平姿勢等の任意の姿勢でよい。

ただし、遊脚側足平部１６swgの離床時近辺の期間で、例えば、該足平部１６swgをピッチ方向（Ｙ軸周り方向）に回転させることで、該足平部１６swgの離床を踵寄り側から開始するようにしてもよい。

また、遊脚側足平部１６swgの着地当初に、該足平部１６swgの踵寄りの部分を上段側踏面５２ｕに着地させた後に、該足平部１６swgを上段側踏面５２ｕ上で滑らせないようにピッチ方向（Ｙ軸周り方向）に回転させることで、該足平部１６swgの底面（接地面）の全体もしくはほぼ全体を上段側踏面５２uに接地させるようにしてもよい。

また、支持脚側足平部１６supの目標位置及び目標姿勢の軌道では、該足平部１６supの目標位置及び目標姿勢は、遊脚側足平部１６swgの離床時から着地時までの期間で、例えば該足平部１６supの底面（接地面）が上段側踏面５２ｕの一段下側の踏面に平行となる姿勢で該足平部１６supを該踏面に接地させた状態での位置及び姿勢で一定に維持される。

ただし、例えば、遊脚側足平部１６swgの着地当初の近辺の期間で、支持脚側足平部１６supのピッチ方向（Ｙ軸周り方向）に回転させることで、該足平部１６supの底面の接地部位をつま先側に偏移させていくようにしてもよい。

次に、ロボット１に移動させる段差が降りの段差である場合において、ＳＴＥＰ２の判断結果が肯定的となる状況（ロボット１の移動制御用の着地許容領域として第１及び第３着地許容領域が選択される状況）での遊脚側足平部１６swgの目標位置及び目標姿勢の軌道について、図６（ａ）を参照して説明する。

この軌道では、下段側踏面５２ｄの二段上側（又は一段上側）の踏面に遊脚側足平部１６swgの底面（接地面）が接地した状態から、該足平部１６swgを上昇させて離床させる。さらに、該足平部１６swgを下段側踏面５２ｄの上方に向かって空中を移動させた後に、該足平部１６swgを、目標着地位置及び目標着地姿勢で下段側踏面５２ｄに接地させるように該下段側踏面５２ｄに着地させる。

この場合、遊脚側足平部１６swgの離床時近辺の期間での目標姿勢、遊脚側足平部１６swgの着地当初の目標姿勢、及び空中での目標姿勢は、段差が昇りの段差である場合と同様でよい。

すなわち、遊脚側足平部１６swgの離床時近辺の期間での目標姿勢は、例えば該足平部１６swgの底面（接地面）が、該足平部１６swgの離床直前に該足平部１６swgが接地していた踏面とほぼ平行となる姿勢でよい。また、遊脚側足平部１６swgの着地当初の目標姿勢は、例えば該足平部１６swgの底面（接地面）が下段側踏面５２ｄとほぼ平行となる姿勢でよい。また、遊脚側足平部１６swgの空中での目標姿勢は、水平姿勢等の任意の姿勢でよい。

あるいは、遊脚側足平部１６swgの離床時近辺の期間で、例えば、該足平部１６swgをピッチ方向（Ｙ軸周り方向）に回転させることで、該足平部１６swgの離床を踵寄り側から開始するようにしてもよい。

さらに、遊脚側足平部１６swgの着地当初に、該足平部１６swgの踵寄りの部分を上段側踏面５２ｕに着地させた後に、該足平部１６swgを下段側踏面５２ｄ上で滑らせないようにピッチ方向（Ｙ軸周り方向）に回転させることで、該足平部１６swgの底面（接地面）の全体もしくはほぼ全体を下段側踏面５２ｄに接地させるようにしてもよい。

また、支持脚側足平部１６supの目標位置及び目標姿勢の軌道では、該足平部１６supの目標位置及び目標姿勢は、遊脚側足平部１６swgの離床時から着地時までの期間で、例えば該足平部１６supの底面（接地面）が下段側踏面５２ｄの一段上側の踏面に平行となる姿勢で該足平部１６supを該踏面に接地させた状態での位置及び姿勢で一定に維持される。

ただし、例えば、遊脚側足平部１６swgの着地当初の近辺の期間で、支持脚側足平部１６supのピッチ方向（Ｙ軸周り方向）に回転させることで、該足平部１６supの底面の接地部位をつま先側に偏移させていくようにしてもよい。

次に、ロボット１に移動させる段差が昇りの段差である場合において、ＳＴＥＰ２の判断結果が否定的となる状況（ロボット１の移動制御用の着地許容領域として第２及び第３着地許容領域が選択される状況）での遊脚側足平部１６swgの目標位置及び目標姿勢の軌道について、図７（ａ）を参照して説明する。

この軌道では、上段側踏面５２uの二段下側（又は一段下側）の踏面に遊脚側足平部１６swgの底面（接地面）のつま先寄りの部分を接地させた状態から、該足平部１６swgを上昇させて離床させる。さらに、該足平部１６swgを上段側踏面５２uのエッジ５２ｅの上方に向かって空中を移動させた後に、該足平部１６swgを、上段側踏面５２ｕに対してピッチ方向（Ｙ軸周り方向）に所定の傾斜角（以降、第１傾斜角という）だけ傾けた姿勢で、目標着地位置により規定される位置で上段側踏面５２ｕのエッジ５２ｅに着地させる（図７（ａ）で傾いた姿勢の足平部１６swgを参照）。

この場合、遊脚側足平部１６swgの上記第１傾斜角（ピッチ方向の傾斜角）は、支持脚側足平部１６supを上段側踏面５２ｕの一段下側の踏面に接地させたまま、遊脚側足平部１６swgを上段側踏面５２ｕのエッジ５２ｅに着地させたときに、遊脚側脚体３swgの各関節１７〜２２の変位量が、前記した各関節毎の所定範囲（各関節１７〜２２のの変位量が可動範囲の限界に近づきすぎないような範囲）に収まると共に、ロボット１に作用する重力に抗する床反力をエッジ５２ｅに接地した遊脚側足平部１６swgに作用させ得るように決定される。

このような遊脚側足平部１６swgの第１傾斜角は、例えば、あらかじめ定められた演算式又はマップ等により、段差の高さＨｓに応じて決定される。

さらに、この場合の遊脚側足平部１６swgの目標位置及び目標姿勢の軌道では、該足平部１６swgをエッジ５２ｅに上記の如く着地させた後に、該エッジ５２ｅを傾動中心として該足平部１６swgをピッチ方向（Ｙ軸周り方向）に回転させることで、該足平部１６swgを目標着地位置及び目標着地姿勢で上段側踏面５２ｕに接地させる。このとき、該足平部１６swgの底面（接地面）のうちのエッジ５２ｅよりもつま先側の部分が上段側踏面５２ｕに接地することとなる。

また、該足平部１６swgを上段側踏面５２ｕから次に離床させるときには、該足平部１６swgをピッチ方向（Ｙ軸周り方向）に回転させることで、該足平部１６swgをつま先寄りの部分で接地させる。この状態が、図７（ａ）の上段側踏面５２ｕの２段下側の踏面上の足平部１６swgの状態である。

また、支持脚側足平部１６supの目標位置及び目標姿勢の軌道では、該足平部１６supの目標位置及び目標姿勢は、遊脚側足平部１６swgの離床時から着地時までの期間で、例えば該足平部１６supの底面（接地面）が上段側踏面５２ｕの一段下側の踏面に平行となる姿勢で該足平部１６supを該踏面に接地させた状態での位置及び姿勢で一定に維持される。

そして、遊脚側足平部１６swgの着地後に、支持脚側足平部１６supのピッチ方向（Ｙ軸周り方向）に回転させることで、該足平部１６supの底面の接地部位をつま先側に偏移させていく。

ただし、例えば、遊脚側足平部１６swgの着地直前から、支持脚側足平部１６supをピッチ方向（Ｙ軸周り方向）に回転させることで、該足平部１６supの底面の接地部位をつま先側に偏移させていくようにしてもよい。

次に、ロボット１に移動させる段差が降りの段差である場合において、ＳＴＥＰ２の判断結果が否定的となる状況（ロボット１の移動制御用の着地許容領域として第２及び第３着地許容領域が選択される状況）での遊脚側足平部１６swgの目標位置及び目標姿勢の軌道について、図８（ａ）を参照して説明する。

この軌道では、下段側踏面５２ｄの二段上側（又は一段上側）の踏面のエッジに遊脚側足平部１６swgの底面（接地面）を接地させた状態から、該足平部１６swgを上昇させて離床させる。さらに、該足平部１６swgを下段側踏面５２ｄのエッジ５２ｅの上方に向かって空中を移動させた後に、該足平部１６swgを、目標着地位置及び目標着地姿勢で下段側踏面５２ｄに接地させるように該下段側踏面５２ｄに着地させる。

この場合、遊脚側足平部１６swgの空中での目標姿勢は、水平姿勢等の任意の姿勢でよい。

また、支持脚側足平部１６supの目標位置及び目標姿勢の軌道では、該足平部１６supの目標位置及び目標姿勢は、遊脚側足平部１６swgの離床時から着地直前までの期間で、例えば該足平部１６supの底面（接地面）が下段側踏面５２ｄの一段上側の踏面に平行となる姿勢で該足平部１６supを該踏面に接地させた状態での位置及び姿勢で一定に維持される。

ここで、図８に示す状況が、ＳＴＥＰ２の判断結果が否定的となる状況であることから、上記支持脚側足平部１６supは、該支持脚側足平部１６supとなる前の遊脚側足平部１６swgとしての動作時に、つま先側の部分が、上記下段側踏面５２ｄの一段上側の踏面のエッジからはみ出している。このため、該支持脚側足平部１６supをピッチ方向（Ｙ軸周り方向）に回転させることで、該支持脚側足平部１６supを下段側踏面５２ｄの一段上側の踏面のエッジに接地させることが可能となっている。

そこで、支持脚側足平部１６supの目標位置及び目標姿勢の軌道では、遊脚側足平部１６swgの着地直前から、該足平部１６supを、接地中の踏面のエッジを傾動中心としてピッチ方向（Ｙ軸周り方向）に回転させることで、該足平部１６supを接地中の踏面に対して所定の傾斜角（以降、第２傾斜角という）だけ傾ける。

この場合、支持脚側足平部１６supの上記第２傾斜角（ピッチ方向の傾斜角）は、支持脚側足平部１６supを該第２傾斜角の傾き姿勢でエッジ（下段側踏面５２ｄの一段上側の踏面のエッジ）に接地させたまま、遊脚側足平部１６swgを下段側踏面５２ｄのエッジ５２ｅに着地させたときに、支持脚側脚体３supの各関節１７〜２２の変位量が、前記した各関節毎の所定範囲（各関節１７〜２２のの変位量が可動範囲の限界に近づきすぎないような範囲）に収まると共に、ロボット１に作用する重力に抗する床反力を支持脚側足平部１６supに接地中のエッジから作用させ得るように決定される。

このような支持脚側足平部１６supの第２傾斜角は、例えば、あらかじめ定められた演算式又はマップ等により、段差の高さＨｓに応じて決定される。

上記のようにピッチ方向に傾いた支持脚側足平部１６supが、次に遊脚側足平部１６swgとしてエッジから離床される。この状態が、図８（ａ）の下段側踏面５２ｄの２段上側の踏面のエッジに接地している足平部１６swgの状態である。

図１０のＳＴＥＰ５では、上記の如く、各足平部１６の目標位置及び目標姿勢の軌道（又は該軌道を規定するパラメータ）が決定される。

次いで、脚体運動制御部３６は、ＳＴＥＰ６において、基体２の目標位置及び目標姿勢の軌道をロボット１の動力学モデルを用いて決定する。

この場合、脚体運動制御部３６は、ＺＭＰ（Zero Moment Point）の目標位置である目標ＺＭＰを、各足平部１６の目標位置及び目標姿勢の軌道により規定される支持多角形内に存在させるように該目標ＺＭＰの軌道が決定される。

そして、動力学モデルにより算出されるＺＭＰの位置が目標ＺＭＰの一致するように基体２の目標位置及び目標姿勢の軌道が決定される。

なお、この場合、ロボット１の移動時の姿勢の安定性を確保するために、ロボット１の複数歩分の各足平部１６及び基体２のそれぞれの目標位置及び目標軌道を仮算出し、それに応じて、遊脚側足平部１６swgの目標着地位置等を適宜修正した上で、各足平部１６及び基体２のそれぞれの目標位置及び目標姿勢の軌道を算出し直すようにしてもよい。

次いで、脚体運動制御部３６は、ＳＴＥＰ７において、上記の如く決定した各足平部１６及び基体２の目標位置及び目標姿勢の軌道から、これらにより規定される各脚体３の各関節１７〜２２の制御処理周期毎の目標変位量（回転角度の目標値）を、ロボット１の幾何学モデル（リンクモデル）を用いて決定する。

そして、脚体運動制御部３６は、ＳＴＥＰ８において、各脚体３の各関節１７〜２２の実際の変位量を目標変位量に追従させるように各関節毎の関節アクチュエータ３０を制御する。

以上により、各足平部１６と基体２とがそれぞれの目標位置及び目標姿勢の軌道に従って運動する。これにより、段差でのロボット１の移動（昇降）が行われる。

以上説明した実施形態によれば、ロボット１に階段等の段差を移動させる場合に、該段差の高さが高い（閾値Ｈ_thよりも高い）場合に、ロボット１の移動制御用の着地許容領域として、第２着地許容領域及び第３着地許容領域が使用される。このため、昇りの段差においては、遊脚側足平部１６swgを、上段側踏面に対してピッチ方向に傾いた姿勢で該上段側踏面のエッジに着地着地させることができる。

また、降りの段差においては、遊脚側足平部１６swgを下段側踏面に着地させた後の離床直前に、該遊脚側足平部１６swg（詳しくは、遊脚側足平部１６swgから支持脚側足平部１６supに切替わった足平部１６）を該踏面に対してピッチ方向に傾いた姿勢で該踏面のエッジに接地させることができる。

このため、段差の高さが比較的高い昇りの段差又は降りの段差でのロボット１の移動時に、各脚体３の各関節１７〜２２の変位量が過大になるのを防止できる。

従って、段差の高さが比較的高い場合であっても、昇りの段差又は降りの段差でのロボット１の移動を支障なく円滑に行うことができる。

また、段差の高さが低い（閾値Ｈ_thよりも低い）場合には、ロボット１の移動制御用の着地許容領域として、第１着地許容領域及び第３着地許容領域が使用される。このため、各足平部１６と段差の踏面との干渉等を生じることなく、ロボット１の段差での移動を行うことができる。そして、この場合は、段差の高さが比較的低いことから、第１着地許容領域で遊脚側足平部１６swgを着地させるようにしても、各脚体３のいずれかの関節の変位量が過大になるのを防止できる。

従って、本実施形態によれば、段差の高さの高低によらずに、段差でのロボット１の移動を支障なく円滑に行うことができる。

また、移動制御用の着地許容領域を、第１〜第３着地許容領域に分類して設定することで、個々の着地許容領域の設定処理が複雑になるのを防止することができる。ひいては、第１〜第３着地許容領域の設定処理を容易に行うことができる。

なお、以上説明した実施形態では、脚式移動ロボットとして二足歩行ロボットを例にとって説明したが、本発明の脚式移動ロボットは、３つ以上の脚体を有するロボットであってもよい。

１…脚式移動ロボット（二足歩行ロボット）、３Ｒ，３Ｌ…脚体、１６Ｒ，１６Ｌ…足平部、１７〜２２…関節、３３…第１着地許容領域設定部（第１着地許容領域設定手段）、３４…第２着地許容領域設定部（第２着地許容領域設定手段）、３５…第３着地許容領域設定部（第３着地許容領域設定手段）、３６…脚体運動制御部（脚体運動制御手段）、３７…着地許容領域選択部（着地許容領域選択手段）。

Claims (5)

1. 段差を有する床で移動させる脚式移動ロボットの制御装置であって、
   前記脚式移動ロボットの進行方向前方に前記段差が存在する状況で、前記脚式移動ロボットの遊脚側脚体の足平部を前記段差の上段側踏面内又は下段側踏面内で接地させるために許容される該遊脚側脚体の足平部の着地位置の領域を示す第１着地許容領域を設定する第１着地許容領域設定手段と、
   前記状況で、前記脚式移動ロボットの遊脚側脚体の足平部を前記段差の上段側踏面又は下段側踏面に対して傾いた姿勢で該踏面のエッジに接地させるために許容される前記脚式移動ロボットの遊脚側脚体の足平部の着地位置の領域を示す第２着地許容領域を設定する第２着地許容領域設定手段と、
   前記状況で、前記第１着地許容領域と第２着地許容領域とのうちのいずれか一方の着地許容領域を前記脚式移動ロボットの移動制御用の着地許容領域として選択することを、当該選択される着地許容領域が前記段差の高さに応じて切替わるように実行する着地許容領域選択手段と、
   前記遊脚側脚体の足平部の着地位置を前記着地許容領域選択手段により選択された着地許容領域に存在させることを制約条件として、前記段差における前記脚式移動ロボットの各脚体の運動を制御する脚体運動制御手段とを備えることを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。
2. 請求項１記載の脚式移動ロボットの制御装置において、
   前記脚体運動制御手段は、前記脚式移動ロボットの進行方向前方に存在する前記段差が昇りの段差である状況で、前記着地許容領域選択手段により前記第２着地許容領域が選択された場合には、前記遊脚側脚体の足平部を、前記制約条件を満たしつつ、前記段差の上段側踏面に対して傾いた姿勢で該上段側踏面のエッジに着地させ、次いで、該足平部をピッチ方向に回転させて該上段側踏面に接地させた後に、該上段側踏面からの次の離床を行うように各脚体の運動を制御するように構成されていることを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。
3. 請求項１又は２記載の脚式移動ロボットの制御装置において、
   前記脚体運動制御手段は、前記脚式移動ロボットの進行方向前方に存在する前記段差が降り段差である状況で、前記着地許容領域選択手段により前記第２着地許容領域が選択された場合には、前記遊脚側脚体の足平部を、前記制約条件を満たしつつ、前記下段側踏面に着地させ、次いで、該足平部をピッチ方向に回転させて、該足平部を該下段側踏面に対して傾けた姿勢で該下段側踏面のエッジに接地させた後に、該エッジからの次の離床を行うように各脚体の運動を制御するように構成されていることを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の脚式移動ロボットの制御装置において、
   前記状況で、前記脚式移動ロボットの各脚体の運動を各脚体の可動範囲内に制限しつつ、前記遊脚側脚体と他の脚体との干渉を発生させることなく、該遊脚側脚体の足平部を着地させ得る領域として前記脚式移動ロボットの構造に依存して規定される第３着地許容領域を設定する第３着地許容領域設定手段をさらに備え、
   前記脚体運動制御手段は、前記遊脚側脚体の足平部の着地位置を前記第３着地許容領域に存在させることをさらなる制約条件として、前記段差における前記脚式移動ロボットの各脚体の運動を制御するように構成されていることを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。
5. 請求項４記載の脚式移動ロボットの制御装置において、
   前記第１着地許容領域設定手段は、前記遊脚側脚体の足平部を接地させる前記上段側踏面又は下段側踏面の形状及びサイズに依存させるように前記第１着地許容領域を設定するように構成され、
   前記第２着地許容領域設定手段は、前記遊脚側脚体の足平部を接地させる前記上段側踏面又は下段側踏面のエッジの形状及びサイズに依存させ、且つ、該足平部を該エッジに接地させたときの各関節の変位量を所定の範囲内に制限し得るように、前記第２着地許容領域を設定するように構成されていることを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。