JP4981074B2 - 脚式移動ロボット - Google Patents

Description

本発明は、多軸の関節自由度を備えたロボットに係り、特に、可動脚を備えて直立するタイプの脚式移動ロボットに関する。

さらに詳しくは、本発明は、姿勢安定制御や基本姿勢の維持などの観点から機体が最適に設計された脚式移動ロボットに係り、特に、姿勢安定制御や基本姿勢の維持などの観点から機体の各部位毎の質量分布が最適化された脚式移動ロボットに関する。

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

最近では、イヌやネコのように４足歩行の動物の身体メカニズムやその動作を模したペット型ロボット、あるいは、ヒトのような２足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた「人間形」若しくは「人間型」と呼ばれるロボット（ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ）など、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。

脚式移動ロボットは、多数の関節自由度を備え、関節の動きをアクチュエータ・モータで実現し、各関節アクチュエータをフレームで連結することによって構成される。このようなアクチュエータ・モータとしては、取扱いが容易で、小型・高トルクで、しかも応答性に優れたサーボ・モータが利用される。特に、ＡＣサーボ・モータは、ブラシがなく、メンテナンス・フリーであることから、自ら行動計画を立案して自由歩行を行う脚式ロボットの関節アクチュエータなどに適用することができる。

通常のロボット構成では、１つの関節自由度を１つのアクチュエータ・モータで実現する。一方、犬や猫、熊などの４足歩行の動物、あるいは人間のように２足歩行の動物の動作メカニズムに近似したリアリステッィクな脚式ロボットを構成するためには、可能な限り生体に近似した関節自由度を供えていることが好ましい。

ロボットの機体上には、関節アクチュエータ、駆動電源としてのバッテリ、制御回路基板などさまざまな重量物が存在する。

ロボットの機構設計を行なう上で、機体の質量分布を充分に考慮しないと、姿勢安定制御や消費電力の点で不利となる。例えば、基本的な姿勢である直立状態やその他の静的な姿勢において余計な負荷がかかるような質量分布をとっていると、次の姿勢遷移まで待機しているだけの期間であっても、常に姿勢安定制御を実行しなければならず、計算機への負荷は過大である。また、基本姿勢においても、常に姿勢維持のために関節軸アクチュエータがトルクを発生しなければならなくなり、消費電力の浪費になる。

特に、２足直立歩行の脚式ロボットの場合、基本的な立ち姿勢においても常に姿勢安定制御を行なうとともに、姿勢維持するために膝関節アクチュエータのトルクを生成しなければならず、計算機負荷と装置駆動電力を消耗する。さらに質量分布のバランスがとれていない場合には、姿勢安定制御は複雑さを増すとともにアクチュエータの駆動電力はさらに増大してしまう。

また、多くの場合、脚式移動ロボットの姿勢安定制御には、足底接地点と路面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内側にモーメントがゼロとなる点を探索するというＺＭＰ安定度判別規範を用いる。このような場合、ロボットの機体に印加される各モーメントの釣合い関係を記述したＺＭＰ方程式を導出して、このＺＭＰ方程式上で現れるモーメント・エラーを打ち消すように機体の目標軌道を修正する。

ところが、上肢や下肢、頭部など、機体の各部位について質量分布が最適化されていないと、単に特定の部位だけを動作させただけでもモーメントが生成して、機体全体に作用を及ぼし、ＺＭＰ釣合い方程式に余分な項を作ってしまうことになる。この結果、姿勢安定制御を複雑にしてしまい、計算機コストの増大を招来してしまう。

従来のロボット設計では、駆動系の配置が重視してなされており、質量分布の最適化は充分なされていなかった。例えば、アクチュエータ・モータ、伝達用ベルト、高減速器の順で関節軸に駆動力が付加されるという構成が一般に採用されている。この場合、アクチュエータ・モータの他に、高減速比を得るための高減速器も重量物となる。したがって、多数の関節からなる脚式移動ロボットにおいては、バランスよく重量物を配置することはますます困難となる。

質量の大きな第１の電動モータを脚部側に取り付けることを避けて慣性質量を防止するとともに、軸線に比較的近接して配置し垂直軸回りの慣性モーメントを低減する脚式歩行ロボットについて提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。

また、重力に起因する膝関節を曲げるモーメントが発生しないように、起立したロボット全体の重心Ｇから下ろした鉛直線が膝関節の回転軸と交わるように構成したロボットの関節装置について提案がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。

特開平３−１８４７８２号公報 特開２００２−３６１５３号公報

本発明は上述したような技術的課題を鑑みたものであり、その主な目的は、機体の質量分布が最適化された、優れた脚式移動ロボットを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、機体の姿勢安定制御の観点から機体の各部位毎の質量分布が最適化された、優れた脚式移動ロボットを提供することにある。

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、可動脚を備えて直立するタイプの脚式移動ロボットであって、
機体本体部と、前記機体本体部に対して所定の関節軸回りの自由度を以って取り付けられた機体末端部とを備え、
前記機体末端部の重心は前記関節軸上に設定されている、
ことを特徴とする脚式移動ロボットである。

このように前記機体末端部の重心は前記関節軸上に設定することによって、前記機体末端部の関節回りの回転運動による関節軸回りのモーメントの発生量を軽減することにより、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が前記機体末端部の運動からの影響を受けないようにすることができる。この結果、ＺＭＰ釣合い方程式に余分な項を作ることがなくなり、姿勢安定制御が簡単化される。

また、本発明に係る脚式移動ロボットは、股関節ピッチ軸及び股関節ロール軸回りの自由度を以って前記機体胴体部に取り付けられた左右の可動脚をさらに備えていてもよい。このような場合、機体全体の重心が前記股関節ピッチ軸上で左右の前記股関節ロール軸の略中点上に設定することにより、主として安定な起動、起き上がり動作を確保することができる。

また、本発明に係る脚式移動ロボットは、前記機体胴体部において体幹ロール軸回りの自由度を備えていてもよい。このような場合、直立状態、基本立ち姿勢、並びに基本歩行姿勢において（対応路面が傾斜している場合を含む）、機体全体の重心を前記股関節ロール軸と前記体幹ロール軸の間に設定することにより、主として安定な起動、起き上がり動作を確保することができる。

また、本発明に係る脚式移動ロボットは、頭ロール軸回りの自由度を以って前記機体胴体部に取り付けられた頭部をさらに備えていてもよい。このような場合、前記頭部の重心を前記頭ロール軸上に設定することにより、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。また、首ロール運動によるロール軸モーメントの発生量を軽減することにより、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が首ロール運動からの影響を受けないようにすることができる。

また、頭部が頭ヨー軸回りの自由度を以って前記機体胴体部に取り付けられている場合には、前記頭部の重心を前記頭ヨー軸上に設定することにより、首関節ヨー軸回りのモーメントの発生量を軽減して、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

また、頭部が頭ピッチ軸及び首ピッチ軸回りの自由度を以って前記機体胴体部に取り付けられている場合には、直立状態、基本立ち姿勢、並びに基本歩行姿勢において（対応路面が傾斜している場合を含む）、前記頭部の重心を前記頭ピッチ軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定することにより、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。

また、直立状態、基本立ち姿勢、並びに基本歩行姿勢において（対応路面が傾斜している場合を含む）、前記頭部ピッチ軸及び前記ピッチ軸間の部位の重心を前記頭ピッチ軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定することにより、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。

また、頭部が頭ピッチ軸及び頭ロール軸回りの自由度を以って前記機体胴体部に取り付けられている場合には、前記頭ピッチ軸及び前記頭ロール軸間の部位の重心を前記頭ピッチ軸上に設定することにより、前記頭ピッチ軸回りの運動による前記頭ピッチ軸回りのモーメントの発生を軽減して、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

また、頭部が頭ヨー軸及び頭ピッチ軸回りの自由度を以って前記機体胴体部に取り付けられている場合には、前記頭ヨー軸及び前記頭ピッチ軸間の部位の重心を前記頭ヨー軸上に設定することにより、頭ヨー軸回りの運動によるヨー軸モーメントの発生を軽減して、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ヨー軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

また、頭部が首ピッチ軸及び頭ヨー軸回りの自由度を以って前記機体胴体部に取り付けられている場合には、前記首ピッチ軸及び前記頭ヨー軸間の部位の重心は前記首ピッチ軸上に設定することにより、前記首ピッチ軸回りの運動による前記首ピッチ軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

また、本発明に係る脚式移動ロボットは、前記機体胴体部には腕部が取り付けられているとともに、前記腕部の略末端には手首ヨー軸回りの自由度を以って手部が取り付けられていてもよい。このような場合、前記手部の重心を前記手首ヨー軸上に設定することにより、手首ヨー軸回りの運動時において、該ヨー軸回りのモーメントの発生を軽減して、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

また、本発明に係る脚式移動ロボットは、股関節ピッチ軸及び膝ピッチ軸回りの自由度を備えた脚部が前記機体胴体部に取り付けられていてもよい。このような場合、基本立ち姿勢と抱き上げ（直立状態）姿勢間における前記股関節ピッチ軸と前記ピッチ軸間の部位の重心を前記股関節ピッチ軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定することにより、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。

また、前記脚部はさらに股関節ロール軸回りの自由度を備えていてもよい。このような場合、前記股関節ロール軸と前記股関節ピッチ軸間の部位の重心を前記股関節ロール軸上に設定することにより、股関節ロール軸回りの運動時において、該ヨー軸回りのモーメントの発生を軽減して、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

また、前記脚部の略下端には足首ピッチ軸回りの自由度を以って足部が取り付けられていてもよい。このような場合、基本立ち姿勢と抱き上げ（直立状態）姿勢間における前記膝ピッチ軸と前記足首ピッチ軸間の部位の重心を前記膝関節ピッチ軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定することにより、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。

また、前記足部はさらに足首ロール軸回りの自由度を備えていてもよい。このような場合、基本立ち姿勢と抱き上げ（直立状態）姿勢間における前記股関節ロール軸と前記足首ロール軸間の部位の重心を前記股関節ロール軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定することにより、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。

また、前記足首ピッチ軸と前記足首ロール軸間の部位の重心を前記足首ピッチ軸上に設定することにより、足首ピッチ軸回りの運動時において、該ピッチ軸回りのモーメントの発生を軽減して、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

また、基本立ち姿勢と抱き上げ（直立状態）姿勢間における前記足首ロール軸より末端の部位の重心を前記足首ロール軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定することにより、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。

また、前記足首ロール軸より末端の部位の重心を前記足首ロール軸上に設定することにより、足首ロール軸回りの運動時において該ロール軸回りのモーメントの発生を軽減して、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

また、基本立ち姿勢と抱き上げ（直立状態）姿勢間における前記足首ピッチ軸より末端の部位の重心を前記足首ピッチ軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定することにより、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。

また、前記足首ピッチ軸より末端の部位の重心を前記足首ピッチ軸上に設定することにより、足首ピッチ軸回りの運動時における該ピッチ軸回りのモーメントの発生を軽減して、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

本発明によれば、機体の姿勢安定制御の観点から機体の各部位毎の質量分布が最適化された、優れた脚式移動ロボットを提供することができる。

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。

本発明の実施に供される脚式移動ロボット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。 本発明の実施に供される脚式移動ロボット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。 脚式移動ロボットが具備する関節自由度構成を模式的に示した図である。 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た図である。 本実施形態に係る脚式移動ロボットの運動系が持つ基本状態遷移を示した図である。 脚式移動ロボット１００の基本仰向け姿勢を示した図である。 脚式移動ロボット１００の基本うつ伏せ姿勢を示した図である。 脚式移動ロボット１００の基本立ち姿勢を示した図である。 脚式移動ロボット１００の基本歩行姿勢を示した図である。 脚式移動ロボット１００の機体重心の位置を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 脚式移動ロボット１００が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。 首関節ロール軸３より上の部位における重心の所在を示した図である。 首関節ヨー軸１よりも上の部位における重心の所在を示した図である。 第１の首関節ピッチ軸２Ａよりも上の部位における重心の所在を示した図である。 第１の首関節ピッチ軸２Ａと第２の首関節ピッチ軸２Ｂの間の部位における重心の所在を示した図である。 第２の首関節ピッチ軸２Ｂと首関節ロール軸３の間の部位における重心の所在を示した図である。 首関節ヨー軸１から第２の首関節ピッチ軸２Ｂの間の部位における重心の所在を示した図である。 第１の首関節ピッチ軸２Ａと首関節ヨー軸１の間の部位における重心の所在を示した図である。 第１の首関節ピッチ軸２Ａ回りに頭部が運動する様子を示した図である。 第１の首関節ピッチ軸２Ａ回りに頭部が運動する様子を示した図である。 第１の首関節ピッチ軸２Ａ回りに頭部が運動する様子を示した図である。 表２に示したような質量分布に従ってモータやフレーム、電子回路基板が配置されたロボット頭部の内部構成を示した図である。 図２５からフレームのみを抽出して描いた図である。 図２５から首関節ヨー軸１、第１の首関節ピッチ軸２Ａ、第２の首関節（頭）ピッチ軸２Ｂ、及び首関節ロール軸３の各関節軸駆動用モータのみを抽出して描いた図である。 手首ヨー軸８よりも先端の部位における重心の所在を示した図である。 上腕ヨー軸６と手首ヨー軸の間の部位における重心の所在を示した図である。 肩ロール軸５より先端の部位における重心の所在を示した図である。 肘ピッチ軸７より先端の部位における重心の所在を示した図である。 肩ピッチ軸４と肘ピッチ軸７の間の部位における重心の所在を示した図である。 肘ピッチ軸７と手首ヨー軸８の間の部位における重心の所在を示した図である。 上腕ヨー軸６と肘ピッチ軸７の間の部位における重心の所在を示した図である。 肩ロール軸５と上腕ヨー軸６の間の部位における重心の所在を示した図である。 肩ピッチ軸４と肩ロール軸５の間の部位における重心の所在を示した図である。 表３に示したような質量分布に従ってモータやフレームが配置された腕部の内部構成を示した図である。 図３７から腕部のフレームのみ（手先を含む）を抽出して描いた図である。 図３７から肩関節ロール軸５、上腕ヨー軸６、肘ピッチ軸７、手首関節ヨー軸８の各関節軸駆動用モータ、並びに手先を抽出して描いた図である。 体幹ピッチ軸９と第１の首関節ピッチ軸２Ａの間の部位における重心の所在を示した図である。 体幹ピッチ軸９と第１の首関節ピッチ軸２Ａの間の部位における重心の所在を示した図である。 体幹ロール軸１０と体幹ピッチ軸９の間の部位における重心の所在を示した図である。 股関節ピッチ軸１２と膝ピッチ軸１４の間の部位における重心の所在を示した図である。 股関節ロール軸１３と股関節ピッチ軸１２の間の部位における重心の所在を示した図である。 膝関節ピッチ軸１４と足首ピッチ軸１５の間の部位における重心の所在を示した図である。 股関節ロール軸１３と足首関節ロール軸１６の間の部位における重心の所在を示した図である。 足首ピッチ軸１５と足首ロール軸１６の間の部位における重心の所在を示した図である。 足首ロール軸１６より先端の部位における重心の所在を示した図である。 足首ロール軸１６より先端の部位における重心の所在を示した図である。 足首ピッチ軸１５より先端の部位における重心の所在を示した図である。 足首ピッチ軸１５より先端の部位における重心の所在を示した図である。 表５に示したような質量分布に従ってモータやフレームが配置された脚部の内部構成を示した図である。 図５２から脚部のフレームのみを抽出して描いた図である。 図５２から股関節ピッチ軸１２、股関節ロール軸１３、膝ピッチ軸１４、足首ピッチ軸１５、足首ロール軸１６の各関節軸駆動用モータを抽出して描いた図である。

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。

Ａ．脚式移動ロボットの機械的構成
図１及び図２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、胴体部と、頭部と、左右の上肢部と、脚式移動を行う左右２足の下肢部とで構成され、例えば胴体に内蔵されている制御部（図示しない）により機体の動作を統括的にコントロールするようになっている。

左右各々の下肢は、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。

制御部は、この脚式移動ロボット１００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。

このように構成された脚式移動ロボット１００は、制御部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、

（１）右脚を持ち上げた、左脚による単脚支持期
（２）右足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）左足が接地した両脚支持期

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。

歩行動作の軌道修正を始めとして、機体の姿勢安定制御には、一般に、ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）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。ＺＭＰ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が存在する。

図３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。

頭部を支持する首関節（Ｎｅｃｋ）は、首関節ヨー軸１と、第１及び第２の首関節ピッチ軸２Ａ及び２Ｂと、首関節ロール軸３という３自由度を有している。

また、各腕部は、その自由度として、肩（Ｓｈｏｕｌｄｅｒ）における肩関節ピッチ軸４と、肩関節ロール軸５と、上腕ヨー軸６、肘（Ｅｌｂｏｗ）における肘関節ピッチ軸７と、手首（Ｗｒｉｓｔ）における手首関節ヨー軸８と、手部とで構成される。手部は、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。

また、体幹部（Ｔｒｕｎｋ）は、体幹ピッチ軸９と、体幹ロール軸１０という２自由度を有する。

また、下肢を構成する各々の脚部は、股関節（Ｈｉｐ）における股関節ヨー軸１１と、股関節ピッチ軸１２と、股関節ロール軸１３と、膝（Ｋｎｅｅ）における膝関節ピッチ軸１４と、足首（Ａｎｋｌｅ）における足首関節ピッチ軸１５と、足首関節ロール軸１６と、足部とで構成される。

但し、エンターティンメント向けの脚式移動ロボット１００が上述したすべての自由度を装備しなければならない訳でも、あるいはこれに限定される訳でもない。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。

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。本実施形態では、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（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号公報に開示されている）。本実施形態では、直結ギアとして低減速ギアを採用することにより、人間との物理的インタラクションを重視するタイプのロボット１００に求められている駆動系自身の受動的特性を得ている。また、低減速器は高減速器に比し軽量であることから、質量分布の調整・管理が容易になるという利点もある。

Ｂ．脚式移動ロボットの制御システム構成
図４には、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、脚式移動ロボット１００は、ヒトの四肢を表現した各機構ユニット３０，４０，５０Ｒ／Ｌ，６０Ｒ／Ｌと、各機構ユニット間の協調動作を実現するための適応制御を行う制御ユニット８０とで構成される（但し、Ｒ及びＬの各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下同様）。

脚式移動ロボット１００全体の動作は、制御ユニット８０によって統括的に制御される。制御ユニット８０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やメモリ等の主要回路コンポーネント（図示しない）で構成される主制御部８１と、電源回路やロボット１００の各構成要素とのデータやコマンドの授受を行うインターフェース（いずれも図示しない）などを含んだ周辺回路８２とで構成される。

本発明を実現する上で、この制御ユニット８０の設置場所は特に限定されない。図４では体幹部ユニット４０に搭載されているが、頭部ユニット３０に搭載してもよい。あるいは、脚式移動ロボット１００外に制御ユニット８０を配備して、脚式移動ロボット１００の機体とは有線若しくは無線で交信するようにしてもよい。

図３に示した脚式移動ロボット１００内の各関節自由度は、それぞれに対応するアクチュエータによって実現される。すなわち、頭部ユニット３０には、首関節ヨー軸１、第１及び第２の首関節ピッチ軸２Ａ及び２Ｂ、首関節ロール軸３の各々を表現する首関節ヨー軸アクチュエータＡ₁、第１の首関節ピッチ軸アクチュエータＡ_2A、第２の首関節ピッチ軸アクチュエータＡ_2B、首関節ロール軸アクチュエータＡ₃が配設されている。

また、体幹部ユニット４０には、体幹ピッチ軸９、体幹ロール軸１０の各々を表現する体幹ピッチ軸アクチュエータＡ₉、体幹ロール軸アクチュエータＡ₁₀が配備されている。

また、腕部ユニット５０Ｒ／Ｌは、上腕ユニット５１Ｒ／Ｌと、肘関節ユニット５２Ｒ／Ｌと、前腕ユニット５３Ｒ／Ｌに細分化されるが、肩関節ピッチ軸４、肩関節ロール軸５、上腕ヨー軸６、肘関節ピッチ軸７、手首関節ヨー軸８の各々を表現する肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ₄、肩関節ロール軸アクチュエータＡ₅、上腕ヨー軸アクチュエータＡ₆、肘関節ピッチ軸アクチュエータＡ₇、手首関節ヨー軸アクチュエータＡ₈が配備されている。

また、脚部ユニット６０Ｒ／Ｌは、大腿部ユニット６１Ｒ／Ｌと、膝ユニット６２Ｒ／Ｌと、脛部ユニット６３Ｒ／Ｌに細分化されるが、股関節ヨー軸１１、股関節ピッチ軸１２、股関節ロール軸１３、膝関節ピッチ軸１４、足首関節ピッチ軸１５、足首関節ロール軸１６の各々を表現する股関節ヨー軸アクチュエータＡ₁₁、股関節ピッチ軸アクチュエータＡ₁₂、股関節ロール軸アクチュエータＡ₁₃、膝関節ピッチ軸アクチュエータＡ₁₄、足首関節ピッチ軸アクチュエータＡ₁₅、足首関節ロール軸アクチュエータＡ₁₆が配備されている。

各関節に用いられるアクチュエータＡ₁，Ａ₂，Ａ₃…は、より好ましくは、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・ユニット内に搭載したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータ（前述）で構成することができる。

頭部ユニット３０、体幹部ユニット４０、腕部ユニット５０、各脚部ユニット６０など各機構ユニットに対して、アクチュエータ駆動制御用の副制御部３５，４５，５５，６５が配備されている。

機体の体幹部４０には、加速度センサ９５と姿勢センサ９６が配設されている。加速度センサ９５は、Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸方向に配置する。機体の腰部に加速度センサ９５を配設することによって、質量操作量が大きな部位である腰部を制御目標点として設定して、その位置における姿勢や加速度を直接計測して、ＺＭＰに基づく姿勢安定制御を行なうことができる。

また、各脚部６０Ｒ，Ｌには、接地確認センサ９１及び９２と、加速度センサ９３，９４がそれぞれ配設されている。接地確認センサ９１及び９２は、例えば足底に圧力センサを装着することにより構成され、床反力の有無により足底が着床したか否かを検出することができる。また、加速度センサ９３，９４は、少なくともＸ及びＹの各軸方向に配置する。左右の足部に加速度センサ９３，９４を配設することにより、ＺＭＰ位置に最も近い足部で直接ＺＭＰ方程式を組み立てることができる。

質量操作量が大きな部位である腰部にのみ加速度センサを配置した場合、腰部のみが制御目標点に設定され、足部の状態は、この制御目標点の計算結果を基に相対的に算出しなければならず、足部と路面との間では以下の条件を満たすことが、前提となってしまう。

（１）路面はどんな力やトルクが作用しても動くことがない。
（２）路面での並進に対する摩擦係数は充分に大きく、滑りが生じない。

これに対し、本実施形態では、上述したように、路面との接触部位である足部にＺＭＰと力を直接する反力センサ・システム（床反力センサなど）を配備するとともに、制御に用いるローカル座標とその座標を直接的に計測するための加速度センサを配設する。この結果、ＺＭＰ位置に最も近い足部で直接ＺＭＰ方程式を組み立てることができ、上述したような前提条件に依存しない、より厳密な姿勢安定制御を高速で実現することができる。したがって、力やトルクが作用すると路面が動いてしまう砂利上や毛足の長い絨毯上や、並進の摩擦係数が充分に確保できずに滑りが生じ易い住居のタイルなどであっても、機体の安定歩行（運動）を保証することができる。

主制御部８０は、各センサ９１〜９３の出力に応答して制御目標をダイナミックに補正することができる。より具体的には、副制御部３５、４５、５５、６５の各々に対して適応的な制御を行い、脚式移動ロボット１００の上肢、体幹、及び下肢が協調して駆動する全身運動パターンを実現する。

ロボット１００の機体上での全身運動は、足部運動、ＺＭＰ軌道、体幹運動、上肢運動、腰部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コマンドを各副制御部３５、４５、５５、６５に転送する。そして、各々の副制御部３５、４５、…では、主制御部８１からの受信コマンドを解釈して、各アクチュエータＡ₁、Ａ₂、Ａ₃、…に対して駆動制御信号を出力する。ここで言う「ＺＭＰ」とは、歩行中の床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点のことであり、また、「ＺＭＰ軌道」とは、例えばロボット１００の歩行動作期間中にＺＭＰが動く軌跡を意味する（前述）。

Ｃ．脚式移動ロボットの運動系基本状態遷移
本実施形態に係る脚式移動ロボットの制御システムは、複数の基本姿勢を定義する。各々の基本姿勢は、機体の安定性や、消費エネルギ、次の状態への遷移を考慮して定義されており、基本姿勢間の遷移という形態により機体運動を効率的に制御することができる。

図５には、本実施形態に係る脚式移動ロボットの運動系が持つ基本状態遷移を示している。同図に示すように、脚式移動ロボットは、基本仰向け姿勢、基本立ち姿勢、基本歩行姿勢、基本座り姿勢、基本うつ伏せ姿勢がそれぞれ仰向け時、立脚時、歩行準備時、着席時、及びうつ伏せ時における機体の安定性や、消費エネルギ、次の状態への遷移を考慮して定義されている。

これら基本姿勢は、機体の動作制御プログラムのプラットフォームに位置付けられる。また、脚式移動ロボットは、立ち姿勢などにおいて、歩行や跳躍、ダンスなど全身動作を利用した各種のパフォーマンスを行なうが、その装置制御プログラムは、プラットフォーム上で動作するアプリケーションとして位置付けられる。これらアプリケーション・プログラムは、外部記憶から随時ロードされ、主制御部８１によって実行される。

図６には、脚式移動ロボット１００の基本仰向け姿勢を示している。本実施形態では、機体への電源投入時には基本仰向け姿勢をとり、転倒などの心配がなく機械運動的に最も安定した状態からの起動を行うことができる。また、脚式移動ロボットは、起動時だけでなくシステム動作の終了時も基本仰向け姿勢に復帰するようになっている。したがって、機械運動学的に機体が最も安定した状態で作業を開始するとともに、最も安定した状態で作業を終了することから、脚式移動ロボットの動作オペレーションは自己完結的となる。

勿論、機体の転倒時においても、床上での所定のモーションを経て一旦基本仰向け姿勢に戻った後に、規定の立ち上がり動作を実行することにより、基本立ち姿勢を介して、作業中断時の元の姿勢を回復することができる。

また、本実施形態に係る脚式移動ロボットは、床上での基本姿勢として、基本仰向け姿勢の他に、図７に示したような基本うつ伏せ姿勢を備えている。この基本うつ伏せ姿勢は、基本仰向け姿勢と同様に、機械運動学的に機体が最も安定した状態であり、電源が遮断された脱力状態においても姿勢安定性を維持することができる。例えば、脚式作業において不測の外力などにより機体が転倒した場合、仰向け又はうつ伏せのいずれの状態で落下するか不明なので、本実施形態では、このように２通りの床上基本姿勢を規定している。

基本仰向け姿勢と基本うつ伏せ姿勢の間は、各種の床上姿勢を経て可逆的に遷移することができる。逆に言えば、これら基本仰向け姿勢と基本うつ伏せ姿勢を基準にして各種の床上姿勢へ円滑に状態遷移することができる。

基本仰向け姿勢は、機械運動学的には最も安定した基本姿勢であるが、脚式作業を考慮した場合、円滑な状態遷移を行うことはできない。そこで、図８に示すような基本立ち姿勢が定義されている。基本立ち姿勢を定義することで、その後の脚式作業へ滞りなく移行することができる。

基本立ち姿勢は、立ち状態で最も安定した状態であり、姿勢安定制御のための計算機負荷や消費電力が最小又は極小となるような姿勢であり、膝を伸展させることにより直立状態を保つためのモータ・トルクを最小限に抑えている。この基本立ち姿勢から各種の立ち姿勢へ円滑に状態遷移して、たとえば上肢を利用したダンス・パフォーマンスなどを実演することができる。

他方、基本立ち姿勢は、姿勢安定性に優れているがこのまま歩行など脚式作業に移行するためには最適化されていない。そこで、本実施形態に係る脚式移動ロボットは、立脚状態の他の基本姿勢として、図９に示すような基本歩行姿勢を定義している。

基本立ち姿勢において、股関節、膝関節、並びに足首関節の各ピッチ軸１２、１４、１５を駆動して、機体の重心位置を少し落とす格好にすることによって、基本歩行姿勢に遷移する。基本歩行姿勢では、通常の歩行動作を始めとして各種の脚式動作への遷移を円滑に行なうことができる。但し、膝を屈曲させた分だけ、この姿勢を維持するためのトルクが余分に必要とならことから、基本歩行姿勢は、基本立ち姿勢に比し消費電力は増大する。

基本立ち姿勢は、機体のＺＭＰ位置はＺＭＰ安定領域の中心付近にあり、膝の曲げ角が小さくエネルギ消費量が低い姿勢である。これに対し、基本歩行姿勢では、ＺＭＰ位置が安定領域の中心付近にあるが、高い路面適応性、高い外力適応性を確保するために膝の曲げ角を比較的大きくとっている。

また、本実施形態に係る脚式移動ロボットでは、さらに基本座り姿勢が定義されている。この基本座り姿勢（図示しない）では、所定の椅子に腰掛けたときに、姿勢安定制御のための計算機負荷や消費電力が最小又は極小となるような姿勢である。前述した、基本仰向け姿勢、基本うつ伏せ姿勢、並びに基本立ち姿勢からは、可逆的に基本姿勢へ遷移することができる。また、基本座り姿勢並びに基本立ち姿勢からは、各種の座り姿勢へと円滑に移行することができ、座り姿勢で例えば状態のみを用いた各種のパフォーマンスを実演することができる。

Ｄ.機体の質量分布
ロボットの機構設計を行なう上で、機体の質量分布を充分に考慮しないと、姿勢安定制御や消費電力の点で不利となる。例えば、基本的な姿勢である直立状態やその他の静的な姿勢において余計な負荷がかかるような質量分布をとっていると、姿勢安定制御が困難となり、消費電力の増大にもなる。

また、上肢や下肢、頭部など、機体の各部位について質量分布が最適化されていないと、単に特定の部位だけを動作させただけでもモーメントが生成して、機体全体に作用を及ぼし、ＺＭＰ釣合い方程式に余分な項を作ってしまうことになる。この結果、姿勢安定制御を複雑にしてしまい、計算機コストの増大を招来してしまう。

そこで、本実施形態に係る脚式移動ロボット１００においては、基本姿勢間の円滑な移行や、各部位の動作時におけるモーメントの発生などを考慮して、機体全体、並びに各部位についての質量分布を最適化している。

Ｄ−１．機体全体の質量分布
機体全体の重心は、直立状態、基本立ち姿勢、並びに基本歩行姿勢において（対応路面が傾斜している場合を含む）、Ｘ軸座標は股関節ピッチ軸１２に、Ｙ軸座標は左右の股関節ロール軸１３の中点に、Ｚ軸座標は股関節ロール軸１３と体幹ロール軸１０の間に設定している（図１０を参照のこと）。

このような機体全体の重心位置の配置は、主として安定な起動、起き上がり動作を確保するためである。

図１１〜図１３には、脚式移動ロボット１００が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示している。また、図１４〜図１６には、脚式移動ロボット１００が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示している。

脚式移動ロボット１００は、外力モーメントが最小となる動作パターンよりなる起き上がり動作を行なう。これは、図示の通りＺＭＰ支持多角形が最小となるような姿勢を時系列的に組み合わせることによって実現する。

また、図示の起き上がり動作は、体幹部を姿勢安定制御の目標位置にして動作シーケンスが組まれている。したがって、表１に示すような位置の機体重心を設定することにより、安定な起動と起き上がり動作を確保することができる。

Ｄ−２．頭部の質量分布
頭部における質量分布を以下に示す。

首関節ロール軸３より上の部位の重心は、首関節ロール軸３上に設定している（図１７を参照のこと）。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。また、首ロール運動によるロール軸モーメントの発生量を軽減することにより、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が首ロール運動からの影響を受けないようにすることができる。

また、首関節ヨー軸１より上の部位の重心は、首関節ヨー軸１上に設定している（図１８を参照のこと）。これによって、首関節ヨー軸回りのモーメントの発生量を軽減することにより、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

また、第１の首関節ピッチ軸２Ａよりも上の部位の重心は、直立状態、基本立ち姿勢、並びに基本歩行姿勢において（対応路面が傾斜している場合を含む）、頭関節ピッチ軸２Ｂと重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している（図１９を参照のこと）。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。

また、第１の首関節ピッチ軸２Ａと第２の首関節ピッチ軸２Ｂ間の部位の重心は、直立状態、基本立ち姿勢、又は基本歩行姿勢において（対応路面が傾斜している場合を含む）、頭関節ピッチ軸２Ｂと重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している（図２０を参照のこと）。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。

また、第２の首関節ピッチ軸２Ｂと首関節ロール軸３間の部位の重心は、首関節ピッチ軸２Ｂ上に設定している（図２１を参照のこと）。これによって、第２の首関節ピッチ軸２Ｂ回りの運動時において、該ピッチ軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

また、首関節ヨー軸１から第２の首関節ピッチ軸２Ｂ間の部位の重心は、該首関節ピッチ軸２Ｂ上に設定している（図２２を参照のこと）。これによって、首関節ヨー軸１回りの運動によるヨー軸モーメントの発生を軽減することにより、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ヨー軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

また、第１の首関節ピッチ軸２Ａと首関節ヨー軸１間の部位の重心は、該首関節ピッチ軸２Ａ上に設定している（図２３を参照のこと）。これによって、第１の首関節ピッチ軸２Ａ回りに頭部が運動するときに（図２４を参照のこと）、該ピッチ軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

図２５には、表２に示したような質量分布に従ってモータやフレーム、電子回路基板などの各重量物が好適に配置されたロボット頭部の内部構成を図解している。

また、図２６には、図２５からフレームのみを抽出して描いている。また、図２７には、図２５から首関節ヨー軸１、第１の首関節ピッチ軸２Ａ、第２の首関節（頭）ピッチ軸２Ｂ、及び首関節ロール軸３の各関節軸駆動用モータのみを抽出して描いている。これらの部品が配置される位置関係は、表２に示した質量分布に従って決定されている点に充分留意されたい。

Ｄ−３．腕部の質量分布
腕部における質量分布を以下に示す。

手首ヨー軸８よりも先端の部位の重心は、手首ヨー軸８上に設定している（図２８を参照のこと）。これによって、手首ヨー軸８回りの運動時において、該ヨー軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

また、上腕ヨー軸６と手首ヨー軸間の部位の重心は、上腕ヨー軸６上に設定している（図２９を参照のこと）。これによって、上腕ヨー軸６回りの運動時において、該ヨー軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

また、肩ロール軸５より先端の部位の重心は、直立状態、基本立ち姿勢、又は基本歩行姿勢において（対応路面が傾斜している場合を含む）、肩ロール軸５と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している（図３０を参照のこと）。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。

また、肘ピッチ軸７より先端の部位の重心は、直立状態、基本立ち姿勢、又は基本歩行姿勢において（対応路面が傾斜している場合を含む）、肘ピッチ軸７と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している（図３１を参照のこと）。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。

また、肩ピッチ軸４と肘ピッチ軸７の間の部位の重心は、直立状態、基本立ち姿勢、又は基本歩行姿勢において（対応路面が傾斜している場合を含む）、肩ピッチ軸４と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している（図３２を参照のこと）。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。

また、肘ピッチ軸７と手首ヨー軸８の間の部位の重心は、肘ピッチ軸７上に設定している（図３３を参照のこと）。これによって、肘ピッチ軸７回りの運動時において、該ピッチ軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

また、上腕ヨー軸６と肘ピッチ軸７の間の部位の重心は、上腕ヨー軸６上に設定している（図３４を参照のこと）。これによって、上腕ヨー軸６回りの運動時において、該ヨー軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

また、肩ロール軸５と上腕ヨー軸６の間の部位の重心は、直立状態、基本立ち姿勢、又は基本歩行姿勢において（対応路面が傾斜している場合を含む）、肩ロール軸５と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している（図３５を参照のこと）。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。

また、肩ピッチ軸４と肩ロール軸５の間の部位の重心は、肩ピッチ軸４上に設定している（図３６を参照のこと）。これによって、肩ピッチ軸４回りの運動時において、該ピッチ軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

図３７には、表３に示したような質量分布に従ってモータやフレームが配置された腕部の内部構成を図解している。

また、図３８には、図３７から腕部のフレームのみ（手先を含む）を抽出して描いている。また、図３９には、図３７から肩関節ロール軸５、上腕ヨー軸６、肘ピッチ軸７、手首関節ヨー軸８の各関節軸駆動用モータ、並びに手先を抽出して描いている。これらの部品が配置される位置関係は、表３に示した質量分布に従って決定されている点に充分留意されたい。

Ｄ−４．胴体部の質量分布
胴体部における質量分布を以下に示す。

体幹ピッチ軸９と第１の首関節ピッチ軸２Ａの間の部位の重心は、取っ手と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している（図４０を参照のこと）。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。

また、体幹ピッチ軸９と第１の首関節ピッチ軸２Ａの間の部位の重心は、直立状態、基本立ち姿勢、又は基本歩行姿勢において（対応路面が傾斜している場合を含む）、第１の首関節ピッチ軸２Ａと重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している（図４１を参照のこと）。これによって、Ｘ方向における外乱適応と移動機能の股関節と体幹ピッチ軸可動角度を最大限に活用することが可能となる。

また、体幹ロール軸１０と体幹ピッチ軸９の間の部位の重心は、体幹ロール軸１０上に設定している（図４２を参照のこと）。これによって、体幹ロール軸１０回りの運動時において、該ロール軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

Ｄ−５．脚部の質量分布
脚部における質量分布を以下に示す。

股関節ピッチ軸１２と膝ピッチ軸１４の間の部位の重心は、基本立ち姿勢と抱き上げ（直立状態）姿勢間で、股関節ピッチ軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定されている（図４３を参照のこと）。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。

また、股関節ロール軸１３と股関節ピッチ軸１２の間の部位の重心は、股関節ロール軸１３上に設定されている（図４４を参照のこと）。これによって、股関節ロール軸１３回りの運動時において、該ヨー軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

また、膝関節ピッチ軸１４と足首ピッチ軸１５の間の部位の重心は、基本立ち姿勢と抱き上げ（直立状態）姿勢間で、膝関節ピッチ軸１４と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している（図４５を参照のこと）。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。

また、股関節ロール軸１３と足首関節ロール軸１６の間の部位の重心は、基本立ち姿勢と抱き上げ（直立状態）姿勢間で、股関節ロール軸１３と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している（図４６を参照のこと）。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。

また、足首ピッチ軸１５と足首ロール軸１６の間の部位の重心は、足首ピッチ軸１５上に設定している（図４７を参照のこと）。これによって、足首ピッチ軸１５回りの運動時において、該ピッチ軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

また、足首ロール軸１６より先端の部位の重心は、基本立ち姿勢と抱き上げ（直立状態）姿勢間で、足首ロール軸１６と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している（図４８を参照のこと）。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。

また、足首ロール軸１６より先端の部位の重心は、足首ロール軸１６上に設定している（図４９を参照のこと）。これによって、足首ロール軸１６回りの運動時において、該ロール軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

また、足首ピッチ軸１５より先端の部位の重心は、基本立ち姿勢と抱き上げ（直立状態）姿勢間で、足首ピッチ軸１５と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している（図５０を参照のこと）。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。

また、足首ピッチ軸１５より先端の部位の重心は、足首ピッチ軸１５上に設定している（図５１を参照のこと）。これによって、足首ピッチ軸１５回りの運動時において、該ピッチ軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のＺＭＰ姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。

図５２には、表５に示したような質量分布に従ってモータやフレームが配置された脚部の内部構成を図解している。

また、図５３には、図５２から脚部のフレームのみを抽出して描いている。また、図５４には、図５２から股関節ピッチ軸１２、股関節ロール軸１３、膝ピッチ軸１４、足首ピッチ軸１５、足首ロール軸１６の各関節軸駆動用モータを抽出して描いている。これらの部品が配置される位置関係は、表５に示した質量分布に従って決定されている点に充分留意されたい。

以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。

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。

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、特許請求の範囲の記載を参酌すべきである。

１…首関節ヨー軸
２Ａ…第１の首関節ピッチ軸、２Ｂ…第２の首関節（頭）ピッチ軸
３…首関節ロール軸、４…肩関節ピッチ軸、５…肩関節ロール軸
６…上腕ヨー軸、７…肘関節ピッチ軸、８…手首関節ヨー軸
９…体幹ピッチ軸、１０…体幹ロール軸、１１…股関節ヨー軸
１２…股関節ピッチ軸、１３…股関節ロール軸、１４…膝関節ピッチ軸
１５…足首関節ピッチ軸、１６…足首関節ロール軸
３０…頭部ユニット、４０…体幹部ユニット
５０…腕部ユニット、５１…上腕ユニット
５２…肘関節ユニット、５３…前腕ユニット
６０…脚部ユニット、６１…大腿部ユニット
６２…膝関節ユニット、６３…脛部ユニット
８０…制御ユニット、８１…主制御部、８２…周辺回路
９１、９２…接地確認センサ
９３、９４…加速度センサ
９５…姿勢センサ、９６…加速度センサ、１００…脚式移動ロボット

Claims (9)

1. 機体胴体部と、
   前記機体胴体部に取り付けられ、股関節ピッチ軸及び膝関節ピッチ軸回りの自由度をそれぞれ備えた左右の可動脚と、
   前記機体に印加される各モーメントの釣合い関係を記述したＺＭＰ方程式を導出し、該ＺＭＰ方程式上で現れるモーメント・エラーを打ち消すように前記機体の目標軌道を修正することによって、前記可動脚の足底接地点と路面の形成する支持多角形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なるＺＭＰを存在させて前記機体の姿勢安定制御を行なう姿勢安定制御手段と、
   直立状態、基本立ち姿勢、又は直立状態と基本立ち姿勢間で、前記股関節ピッチ軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定することによって前記ＺＭＰ方程式の項数を削減した、前記股関節ピッチ軸と前記膝ピッチ軸間の部位の重心と、
   を具備することを特徴とする脚式移動ロボット。
2. 前記脚部はさらに股関節ロール軸回りの自由度を備え、
   前記股関節ロール軸と前記股関節ピッチ軸間部位の重心は前記股関節ロール軸上に設定されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボット。
3. 前記脚部の略下端には足首ピッチ軸回りの自由度を以って足部が取り付けられており、
   前記膝ピッチ軸と前記足首ピッチ軸間の部位の重心は前記膝関節ピッチ軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボット。
4. 前記足部はさらに足首ロール軸回りの自由度を備え、
   前記股関節ロール軸と前記足首ロール軸間の部位の重心は前記股関節ロール軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定されている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の脚式移動ロボット。
5. 前記足首ピッチ軸と前記足首ロール軸間の部位の重心は前記足首ピッチ軸上に設定されている、
   ことを特徴とする請求項４に記載の脚式移動ロボット。
6. 前記足首ロール軸より末端の部位の重心は前記足首ロール軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定されている、
   ことを特徴とする請求項４に記載の脚式移動ロボット。
7. 前記足首ロール軸より末端の部位の重心は前記足首ロール軸上に設定されている、
   ことを特徴とする請求項４に記載の脚式移動ロボット。
8. 前記足首ピッチ軸より末端の部位の重心は前記足首ピッチ軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定されている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の脚式移動ロボット。
9. 前記足首ピッチ軸より末端の部位の重心は前記足首ピッチ軸上に設定されている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の脚式移動ロボット。