JPH0332582A - 脚式移動ロボットの駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は脚式移動ロボットの駆動制御装置及び脚式移動
ロボットを含む作業用ロボットの関節機構に関し、より
具体的には接地面からロボット脚部に作用する摩擦力と
ロボットの脚部関節の駆動力との間に生ずる干渉を防止
して滑らかな姿勢制御を実現する様にした脚式移動ロボ
ツト・の駆動制御装置、及び脚式移動ロボットを含む作
業用ロボットについて関節軸を直交配置し１て直交座標
での位置決め制御を可能にした関節機構に関する。

（従来の技術及び発明が解決しようとする課題）近時、
多関節型の作業用ロボットが広く開発されつつあり、そ
の−例としては例えば特開昭５８−５１０９０号公報記
載のものがある。而して、斯る多関節機構を用いて脚穴
の移動ロボット、例えば２足歩行の移動ロボットを構成
した場合、その姿勢制御において両足を着地させつつ各
関節を駆動するとき、２つの着地点において路面からロ
ボットに働（水平方向の摩擦力と、ロボットの各関節が
出力する水平方向の駆動力の総和とが干渉しあい、所謂
コジリを生ずることがある。二の現象は２本の脚部と路
面とがクローズドリンクを構成し、位置の制御だけでは
制御に際して生ずる誤差を吸収しきれないことに起因す
る。

例えば、後で詳細を述べる第１図に示す如き２足歩行の
ロボットが両方の脚部を接地したまま各関節を駆動して
その姿勢を変える場合を考えるに、各関節の出力する位
置（この場合は角度）の集積誤差が両脚の接地点に現れ
て路面を擦ろうとするが、一方ではロボット・の自重が
両脚にかかっているため、その摩擦力がその動きに抗し
て無理な力がリンクにかかり、また接地点では脚部が断
続的に滑ることによって振動が生ずる。この結果、ロボ
ットの滑らかな動きが阻害される。

固定型の作業用ロボットにおいては、位置の制御を行っ
たとき力の干渉が生じれば力の制御を加味することで問
題の解決を図ることは公知であるが、歩行ロボットにお
ける以上の問題も位置の制御のみで姿勢制御を行お・う
とするところに問題があり、位置の制御に加えて力の制
御を行えば、こうした不都合を解消することが出来る。

以上の問題は、ロボットが第１図に示す佇立した状態で
その姿勢を変える場合のみならず、歩行に際しても生ず
るものであり、例えば進行中のロボットを前面から見れ
ば、両脚を着地している期間においては同様な問題が生
ずるであろう。また歩行中のロボットを側面から観察し
たときは、両脚を拡げて路面に立った状態となり、路面
反力はもともと路面に対して垂直ではなく、ロボットの
重心に向かって傾いているのが正常であるから、やや問
題が複雑となるが、それでも脚関節の位置制御の誤差が
接地点における異常な水子反力を生み出すと言う点では
同じであり、力を制御することで正常な水子反力に戻す
必要がある。

従って、本発明の第１の目的は歩行ロボットにおける上
記の欠点に対して有効に力制御を取り入れて滑らかな姿
勢制御を実現することが出来る脚式移動ロボットの駆動
制御装置を提供することにある。

また上記した事情はロボットが旋回するときにも妥当し
、両脚を着地しつつ脚の回動を行う場合、路面からロボ
ットに働く回転方向の摩擦力とロボットの駆動関節が出
力する回動駆動力とが干渉する。即ち、第１図に示す２
足歩行ロボットが両足を接地したまま脚の回転駆動用関
節を作動させてその姿勢を変える場合を考えると、同様
に該関節の出力する角度の集積誤差が両脚の接地点に現
れて路面との間にコジリを生ずる。これが例えば人の歩
行であれば腰を水平面内で歩行周期に併せて揺動させて
おり、そうすることによって歩幅を広くとりながら疲労
しない歩行を無意識のうちに可能としている。図示の如
き人の動きを模したロボットにおいても、消費エネルギ
を少なくして歩行させようとすれば、必然的に脚部の回
転用の関節を駆動して人と同じ様な歩容をとることにな
る。そのため、歩行中にあっても上記の干渉問題が生ず
る可能性がある。

従って、本発明の第２の目的は上記した欠点を解消する
ことにあり、歩行ロボットにおける旋回時の上記した干
渉に対して有効に力（モーメント）制御を取り入れて滑
らかな姿勢制御を行うことが出来る脚式移動ロボットの
駆動制御装置を提供することにある。

更に、各関節には固有のフリクションや機械的なガタな
ど制御にとって不都合なものが多々あり、力のセンシン
グをする個所が問題となる。歩行ロボットの場合、運動
力学的な外力は大部分が接地反力であり、この反力を精
度良く検出する必要がある。このセンシングの精度には
センサの配置をどの様にするかが極めて重要な関わりを
持ってくる。

従って、本発明の第３の目的は、歩行ロボットにおける
上記の問題に対し、路面反力を効果的にセンシングして
干渉を防止することが出来る脚式移動ロボットの駆動制
御装置を提供することにある。

更に、上記した脚式移動ロボットのみならず、固定型の
ものも含めて多関節型の作業用ロボットにおいては、関
節が３つの自由度を持つことに対する要求が強い（尚、
本明細書において自由度なる語は、制御或いは動作の融
通性を表す尺度であって、具体的には直進移動、回転成
いは旋回部分を構成する駆動軸の個数で表したものを意
味するものとして使用する）。例えば、前記した２足歩
行ロボツトについて考えると、片足が接地しているとき
、その足がどのような路面に位置する場合でも胴体部を
望ましい位置と姿勢角度に置こうとすれば、最低でも６
つの自由度が必要となる。

これはどちらの足についても言えるので、結局１木の足
の自由度は６以上あれば上記の要求を満たすことが出来
る。

２足歩行のロボットは人体を模倣するものであるから、
この６つの自由度の配置も人体に似せて行うことになる
。人体の関節も単純なものは膝関節に代表される様に１
つの関節の場合もあるが、例えば股関節の様に３つの自
由度が１個所に集中する例もある。人体の股関節は周知
の如くボールとソケットとの組み合わせからなり、数多
くの屈伸する筋肉群で構成されているが、機械工学的に
こうした動きを実現することは現在の技術レベルでは大
変に難しい。

無論、関節を３個連結して股関節の動きを模することも
理論上は可能であるが、１つの関節が駆動されると他の
関節の位置が変わるので、位置決め制御の際にその多関
節リンクの計算が極めて面倒となり、ロボットの速い歩
行を実現する上の大きなネックになっている。−船釣に
、マイクロ・コンピュータを用いて位置決め制御を行う
場合、マイクロ・コンピュータの演算時間の多くが座標
変換に用いられると言われている。

これは歩行式の作業用ロボットについてのみ言えるもの
ではな（、第１３図に示す如き据え付は型のロボットア
ームを含む作業用ロボット全般について妥当するもので
あり、例えば台車１００からワーク１０２を取ってコン
ベア１０４に移す作業を行うアームの付は根部であると
か、或いはその手首部においても３つの自由度を持つ、
小型でシンプルな関節機構の実現が待たれている。尚、
手首部の関節の様に２つの自由度が１個所に存在するも
のにあっては特開昭５４−１０７０６０号公報に示す如
く、ベベルギア等を使用した構造が既に提案されており
、性能面はともかく構造的には基本的に実現されている
。

従って、本発明の第４の目的は３自由度以上の自由度を
備えた作業用ロボットの関節機構において、その３自由
度を構成する駆動軸群を互いに直交させつつ空間上の１
点に集中する如く構成することによって直交座標系での
変換が可能となって位置決め制御Ｂが容易となる作業用
ロボットの関節機構を提供することにある。

また本発明の第５の目的は、小型・軽量で構造の簡易な
作業用ロボットの関節機構を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記した目的を達成するために例えば請求項１項は、複
数本の脚部を備えた脚式移動ロボットの脚部関節を角度
検出手段の検出値に応じ゛ζ駆動制御して歩行動作させ
る脚式移動ロボットの駆動１ｔｉ１１御装置において、
前記脚部から接地面に作用する路面反力を検出する路面
反力検出手段を設け、検出した路面反力の水平方向成分
に応じて前記関節駆動の制御量を補正する様にした。

（作用） 例えば請求項１項記載の脚式移動ロボットの駆動制御装
置においては、路面反力の水平方向成分に応じて関節駆
動の制′４′ｎ量を補正する様にしたので、位置の制御
に力の制１１１１を有効に加えることが出来、滑らかな
歩行動作を実現することが出来る。

（実施例〉 以下、添付図面に即して本発明の詳細な説明する。第１
図は本発明に係る脚式移動ロボットの駆動制御装置を示
す説明図である。同図の説明に入る前に、第２図以下を
参照して本発明が予定する脚式移動ロボット自体につい
て全体的に概説する。第２図はそのロボットを概念的に
示す説明側面図であり、第３図はその関節骨格図である
。

図示例に係る作業用ロボットｌは２足歩行の脚式移動型
であって人体類似の構造を有し、腰部３を備え、その上
部には胴部５が連結されると共に、その下方には脚部が
取着される。腰部３は第３図に示す如く、脚部回転用の
第１の関節１０（１０゛）、股の前後方向連動用の第２
の関節１２（１２°）及び股の左右方向運動用の第３の
関節１４（１４’）からなる股関節を備える。腰部３の
下方の脚部には、第４の関節たる膝関節１６（１６°）
が設けられると共に、その更に下方には足首（踵）の前
後方向運動用の第５の関節１Ｂ（１８′）と、足首（踵
）の左右方向運動用の第６の関節２０（２０’）が設け
られ、その下部には足ヒラ部２２（２２’）が取着され
る。各関節は適宜なリンクで接続されており、例えば膝
関節１６（１６′）はリンク２４（２４’）を介して腰
部３と連結されると共に、リンク２５（２５’）を介し
て足首部と連結される。また足首部には後述する６軸カ
トルクセンサ２６（２６’）が配置されると共に、足底
部には接地センサ２８（２８’）が装着される。

第４図及び第５図（第４図Ｖ−Ｖ線断面図）は上記腰部
３の股関節の詳細を示す説明断面図である。以下、左右
の股関節は対称の構造を備えるものとして、その一方の
みを説明する。

図において符号３０は電動（ＤＣサーボ）モータを示し
、その出力は出力軸３１を介してハーモニック減速機３
２に入力される。ハーモニック減速機３２において適宜
な倍率で減速されトルクを増幅されたモータ出力は一方
では脚の付は根部に相当する回動部材３４に伝えられ、
他方ではベアリング３５を介してその外方に回転自在に
配置される前記した胴部５の基端部３６に伝達され、回
動部材３４を基端部３６に対して軸線３７を中心として
矢印Ｘで示す方向に相対回転させる。回動部材３４には
先に述べた脚部全体が懸吊されており、電動モータ３０
の駆動によって胴部３６に対して回動する。電動モータ
３０の回転角度は、電動モータ３０の上方に配置される
ロークリエンコーダ３０ａによって検出され、検出信号
は後述する制御ユニットに送出される。この部位が前記
した第１関節１０（１０’）に相当する。

回動部材３４の下部には脚部を左右に振るための第２の
電動（ＤＣサーボ）モータ４０が設けられ、その出力は
出力軸４１を通じて第２のハーモニック減速機４２に入
力される。第２ハーモニック減速機４２の出力は一方で
は第５図に良く示す断面略円形状のモータケーシング４
４に伝達され、その回転力は更にスプライン４６を経て
その外周に位置する同様に断面略円形状のピッチ部材５
４に伝えられる。第２ハーモニック減速機４２の他方の
出力は、ベアリング４７を介してモータケーシング４４
の外周に配置される揺動ケーシング４８に伝達され、そ
の結果ピッチ部材５４は電動ケーシング４８に対して軸
線４９を中心として矢印ｙで示す方向に相対回転（旋回
）する。該ピンチ部材５４は下端において前記した脚部
リンク２４（２４°）とが連結しており、この回転（旋
回）運動によって脚部は進行方向に対して左右に揺動す
る。ここにおいて、軸線４９と前記軸線３７とは図示の
如く直交しており、−息Ａで交差する。尚、矢印ｙで示
す回転（旋回）運動の角度は、第２電動モータ４０に隣
接して配置された第２のロータリエンコーダ４０ａで検
出され、検出値は同じく前記制御ユニットに送出される
。この部位が前記した第３関節１４（１４’）に該当す
る而して、リンク２４（２４’）とピッチ部材５４とが
連結する位置付近には凹部が形成され、そこに脚部のピ
ッチ運動用の第３の電動（ＤＣサーボ）モータ５０が、
その軸を前記第２を動モータ４０の軸と直交させて配置
されており、その出力は出力軸５１から取り出され、タ
イミングベルト５０ｂを介して第３のハーモニック減速
機５２に入力される。第３ハーモニック減速機５２は図
示の如く第２ハーモニック減速機４２に対して直交する
如くに配置されており、その出力は第５図から明らかな
如く一方ではディスク５３を介してそれに一体的に固定
された前記ピッチ部材５４に伝えられる。第３ハーモニ
ック減速機５２の他方の出力は、前記ディスク５３の外
周にベアリング５５を介して配置された関節ケーシング
５６に伝達され、ピッチ部材５４は従って関節ケーシン
グ５６に対して軸線５７を中心として矢印２で示す方向
に相対回転（旋回）する。この部位が前記した第２関節
１２　（１２°）に該当し、この回転（旋回）運動の結
果、脚部は進行方向の前後に揺動する。而して、図示の
如く３つの軸線３７，４９．５７は相互に直交すると共
に、等しくＡ点で交差することとなり、これによって人
体の股関節と等価のジオメＩ・りを得ることが出来るゆ
尚、このピッチ運動の角度も第３電動モータ５０の左側
（第４図）に位置するロータリエンコーダ５０ａで読み
取られ、同じく制御ユニットに送出される。

上記の如く、実施例に係る脚式移動ロボットの関節機構
においては、３自由度を構成する電動モータの３つの軸
線３７，４９．５７が等しく一点Ａで交差する様に構成
したことから、マイクロ・コンピュータからなる制御ユ
ニットで位置決め制御する際に演算が容易となり、また
移動ロボットとしての歩行動作も人間の歩行動作に似た
滑らかなものを実現することが出来る。また上記軸線は
互いに直交する様に配置されたことから、直交座標系の
演算が可能となって位置決め制御が一層容易となり、歩
行速度を早めることが可能となる。更に、交点Ａを第２
電動モータ４０の軸線上に位置させたので、関節機構全
体としてもコンパクトで簡易なものとなり、この点から
も脚部の駆動速度を上昇させることが可能となる。

尚、上記実施例においては、３個の回転（旋回）軸を組
み合わせて関節機構を構成する例を示したが、これに限
られるものではなく、一部を直進運動に代えても良く、
また直進運動、回転運動及び旋回運動の一部又は全部を
組み合わせて３自由度以上の自由度を奏する様にしたも
のについても妥当する。

また股関節について例示したが、肩部の関節機構であっ
ても良く、また２足歩行弐について例示したが、４足等
の多足型であっても良く、或いは移動式のものについて
例示したが、第１３図で示す据え付は型の作業用ロボッ
トアームにも応用可能である。

続いて、第６図及び第７図断面図を参照して足首部の関
節を詳細に説明する。図示の如く、これは前記した股関
節を倒立した構造であり、以下説明すると、第５関節１
８　（１８’）（正確にはリンク２５（２５”）下端部
）には電動（ＤＣサーボ）モータ６０が格納されており
、その出力はモータ出力軸６１を経て取り出され、タイ
もフグベルト６２を経てハーモニック減速機６４の入力
軸を駆動する。ハーモニック減速機６４の一方の出力は
、ディスク６５及びそれに一体内に取着された揺動ケー
シング６６に伝えられると共に、その他方の出力は、ベ
アリング６７を介して揺動ケーシング６６の外周側に回
転自在に位置する関節ケーシング６８に伝えられる。よ
って、揺動ケーシング６６（及びディスク６５）と関節
ケーシング６８とは軸線６９を中心として矢印Ｘで示す
方向に相対回転する。

また揺動ケーシング６６内には第２の電動（ＤＣサーボ
）モータ７０が収納されており、その出力軸７１は第７
図に良く示す如く、第２のハーモニック減速機７２に入
力され、第１ハーモニック減速機６４と直交する位置に
配された第２ハーモニック減速機７２の一方の出力は円
筒状のモータケーシング７３に伝えられる。モータケー
シング７３の出力は、スプライン７４を経て前記した揺
動ケーシング６６に伝達される。第２ハーモニック減速
機７２の他方の出力は、ベアリング７５を介して揺動ケ
ーシング６６の外周に回転自在に配置される関Ｒｆｆｆ
２０（２０’）用の第２の関節ケーシング７６に伝えら
れ、よって揺動ケーシング６６（及びディスク６５）と
第２関節ケーシング７６とは軸線７７を中心として矢印
ｙで示す方向に相対回転する。図から明らかな如く、足
部の関１１８　（１８”）、２０　（２０’）（７）構
造は、軸線６９．７７とは直交すると共に、関節内にお
いて１点Ｂに交わる様に構成される。尚、符号６０ａ、
７０ａは電動（ＤＣサーボ）モータ６０．７０の回転角
度を通じて関節角度を検出するロータリエンコーダを示
す。また膝関節１６（１６“）については図示を省略す
るが、１ｆｉｌの電動（ＤＣサーボ）モータを備えてリ
ンク２４（２４’）２５　（２５°）を回動する様に構
成される。

而して、第２関節ケーシング７６の下部は部材７８を介
して前記６軸力トルクセンサ２６に連結され、その下方
に前記した足ヒラ部２２が形成される。即ち、６軸力ト
ルクセンサ２６の下端は甲部８０に連結されており、甲
部８０はインナプレート８１に固定される。インナプレ
ート８１の下側には、その側面に設けられた各角部に２
個づつ計８個のビン８２ａ〜８２ｈ（符号一部図示省略
）によるロストモーシラン機構で吊られたアウタプレー
ト（足底面）８４が設けられる。アウタプレート８４の
四隅には小孔８６が穿設されており、その小孔８６に位
置決めされる状態で接地センサ２８が４個、インチプレ
ート８１側に固定される。

ここで第８図を参照して６軸力トルクセンサ２６につい
て説明すると、該センサ２６は、路面に平行な進行方向
及び左右方向並びに路面に直交する垂直方向の３つの力
成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、更に進行方向の軸廻りのモー
メントＭｘ、左右方向の軸廻りのモーメントＭｙ、垂直
軸廻りのモーメントＭｚからなる３つのモーメント成分
との計６個の力（荷重）を同時に検出する。尚、斯るセ
ンシ自体は公知であり、例えば「６軸カセンサＬＳＡ６
０００Ａの開発」　（昭和６３年１月２２日〜２３日、
日本ロボット学会、第１回ロボットセンサシンボジュウ
ム）に詳しい。而して、６軸力トルクセンサ２６を図示
位置に設置するに際しては、その水平面の向きは望まし
くは、脚式移動ロボット１の進行方向の路面反力のみが
生じたときに１つの出力Ｆｘのみが得られる様に、その
方向を決めて配置する。こうすることにより、該６軸力
トルクセンサ２６は左右方向の路面反力のみが生じたと
きは只１つ信号Ｆｙを出力し、従って補正すべき路面反
力と対応する補正すべき関節の運動方向とが一敗するの
で、複雑な演算を要せずに、修正すべき各関節の補正量
を求めることが出来る。更に、この場合、垂直方向のモ
ーメントＭｚについてもその軸が路面と接触するアウタ
ブレー１・８４と直交する様に位置決めして設置する。

その結果、足底部に作用するコジリモーメントを直接に
精度良く検出することが出来、回転用の前記した第１閏
！ｆｆｆｌｏ（１０′）の補正量を容易に求めることが
出来る。

また第９図を参照して接地センサ２８について簡単に説
明すると、その下部の円錐部８７は図示の様に２個のバ
ネ８８ａ、８８ｂに吊られた、電気的にＩＩＡ縁性のス
テム８９に弾性材からなる連結部材９０を介して物理的
に当接しており、ステム８９の周辺には図示しない電源
から延びる電気接点９１ａ、９１ｂが届いてバネ８８ａ
で互いに導通している。ここでステム８９はバネ８８ａ
の下端に接する付近で突起が突設されて十字架状となっ
ており、接地によってインナプレート８１とアウタプレ
ート８４とが相対変位すると、その変位が円錐部８７に
伝えられ、導通を断ることによって脚部の接地を検出す
ることが出来る。尚、符号９２は後ｊｔする制御ユニン
トに検出信号を送出する信号線を示す。

ここで、第１図に戻って本発明に係る脚式移動ロボット
の駆動制御装置を説明すると、図示の如く、前記した胴
部５にはマイクロ・コンピュータからなる制御ユニット
９４が設けられており、６軸カトルクセンサ２６及び接
地センサ２８並びにロータリエンコーダ３０ａ、４０ａ
、５０ａ６０ａ、７０ａからの検出信号を入力して直交
座標系において現在位置（角度）を求めて関節駆動の制
ｉｎ量を演算して出力すると共に、続いて述べる如くコ
ジリが発生したときはそれに応じてその補正を行うもの
である。尚、符号９６．９６ａは膝関節１６　（１６°
）用の電動（ＤＣサーボ）モータ及びその回転角度検出
用のロータリエンコーダを示す。

続いて、第１０図フロー・チャー１・を参照して本発明
に係る一脚式移動ロボットの駆動制御装置の動作を説明
する。尚、このプロゲラｌ、は前記した制御ユニットの
マイクロ・コンピュータにおいて所定時間毎に起動され
る。

先ず、ＳＩＯにおいてメモリ（図示せず）から目標歩容
のデータを検索する。第１１図は人間が平地を歩行する
場合の膝関節と足首（踵）関節の屈伸を示す実験データ
であるが、斯るデータに基づいて各関節について時系列
的に設定されたデータが予め求められてメモリ内に格納
されているものとする。

続いて、３１２において検索したデータから各関節の目
標角度θｉを適宜に算出し、次いでＳ１４において前記
したロークリエンコーダ３０ａ他の出力から各関節の実
際の関節角度θを読み込み、続いて３１６において目標
角度と実際角度との偏差を求めて指令角度θＣＭＤを決
定する。続いて、３１８において適宜な手法で各関節の
電動モータの指令値に変換して出力する。

続いて、Ｓ２０において前記した６軸力訃ルクセンサ２
６の出力を読み込み、３つの力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚを検出
する。続いて、３２２において歩行の前後方向と左右方
向のコシリカＦχ、Ｆｙを所定値と比較する。この所定
値は、補正に該る程のコジリが生じたか否かを判別する
に足る値を適宜設定する。尚、３２２でコジリが生じて
いないと判断されるときは直ちにプログラムを終了する
。

而して、３２２においてコジリが所定値以上生じたと判
断されるときは続いて３２４に進み、そこで垂直方向の
力について左足側の値Ｆｚｌ、と右足側の値ＦＺＲとを
比較する。而して、比較した結果、右脚が支えていると
判断されるときは３２６に進み逆側の左脚についてその
股関節１２．１４の角度補正量θＣＯＲを算出すると共
に、左脚が主として体重を支えていると判断されるとき
はＳ２８に至り、右脚側の関ｆｌｆｊ１２’、１４°に
ついて角度補正量θＣＯＲを算出する。斯くすることに
より、分担力の少ない方の脚部を駆動修正し、その分だ
け消費エネルギを少なくすることが出来る。

続いて、Ｓ３０に進み、算出した角度を適宜な手法でモ
ータ制御量に変換して当該関節を駆動する電動（ＤＣサ
ーボ）モータ４０．５０に出力する而して、関節１２　
（１２’）、１４　（１４゜）に補正を加えることによ
り、今度は前後左右の軸廻りのモーメンＩ・が新たに生
ずる恐れがある。

そこで、Ｓ３２に進んでモーメントＭｘ、Ｍｙを検出し
、３３４で検出したモーメントが所定値以上生じている
か否か判断し、所定値以上と判断されるときは３３６に
移行して再び体重を支える脚を判定し、判定結果に応じ
て３３８，３４０で足首部の関節１８（１８°）、２０
　（２０’）の角度補正量θＣＯＲを算出し、Ｓ４２に
おいて当該電動（ＤＣサーボ）モータ６０，７０に出力
する。尚、Ｓ２６〜Ｓ３０で関節１２　（１２’）、１
４　Ｃ１４°）を補正したが、関節１４（１４′）に代
えて関節１６　（１６°）を補正しても良い。

本実施例においては以上詳述した様に、足底部に働く水
平方向のＦＪ擦力を検知し、その摩擦力が減少する方向
に各関節の位置制御量を修正するので、脚式移動ロボ・
／トｌが佇立した状態において脚同士が干渉しあうのを
効果的に防止することが出来、これによってロボントの
滑らかな姿勢制御を実現することが出来る。

また歩行のときも前述の様に、脚式移動ロボット１を前
面から見れば左右方向の水平分力に対し効果的に制御す
ることが可能となり、その利用価値が高く、側面から見
た場合でも理論的な（正常な）水平反力と検出された実
際の水平反力とを比較することで適正な修正を各関節に
加える道が拓かれる等、応用範囲の広いことが予想出来
るものである。

また水平力を検出する６軸力トルクセンサ２６を足首よ
り下の、より路面に近い場所に設けているため足底部に
かかるコシリカを直接検出することになって検出精度が
極めて向上し、良好な結果を得ることが出来る。斯る場
合に股関節にかかるモーメントを、股関節と膝関節との
中間に設けたトルクセンサで検出して制御することも考
えられるが、その場合はトルクセンサより下位の関節の
フリクション乃至は制御の際の関節部の機械的なガタの
集積誤差等の制御し難い他のファクタが関与する恐れが
ある。それに対し、本実施例によるときはその様な恐れ
もなく、良好な結果を得ることが出来る。

更に、上記実施例においては、関節１２（１２’）、１
４　（１４’）、１６　（１６°）、１８（１８“）、
２０　（２０”）の駆動方向と路面反力の検出方向が一
致しているので、複雑な演算をする必要がなく、当該関
節を修正駆動して該路面反力を効果的に減少乃至解消す
ることが出来、制御応答性が向上してリアルタイムで制
御することが可能となる。

第１２図は本発明に係る脚式移動ロポ・ントの駆動制御
装置の第２の実施例を示すフロー・チャートであり、旋
回時の回転方向の干渉を解消する補正制御手法を示す。

同図を参照し°ζ説明すると、先の第１Ｏ図フロー・チ
ャートの場合と同様に、目標歩容データに基づいて制御
値を演算して電動モータに出力した後（Ｓ　１００〜３
１０８）、５１１０において左右の脚についてモーメン
トＭＺＬ、　ＭＺＲを検出する。

次いで、５１１２においてモーメントが適宜設定した所
定値以上か否か判断し、所定値以上であれば５１１４に
進み、左右の関節１０（１０’）の角度補正量θＣＯＲ
をコジリが減少乃至零となる様に算出する。次いで、３
１１６に進んで算出した角度補正量をモータ制？ｌｌ１
ｆｆｉに変換して当該電動（ＤＣサーボ）モータ３０に
出力する。

次いで、５１１８において新たにコシリカＦｘ、Ｆｙ、
Ｆｚが発生したか否か検出し、５１２０で所定値以上の
コジリが発生したと判断されるときは５１２２に進んで
該当する関節について再度補正値を算出し、５１２４に
おいて電動（ＤＣサーボ）モータ４０イ也の中の該当す
るモータに出力する。即ち、脚部はいつも鉛直方向に立
っているとは限らないので、脚部の回転関節１０（１０
’）に補正を加えることにより、今度は他の分力が接地
点に生ずる可能性があるが、その場合には他の関節に修
正を加えることで解消する。例えば、左右方向のコシリ
カが生ずれば関節１４（１４’）、２０　（２０“）に
補正を加えれば良く、前後方向のコシリカであれば関ｆ
Ｉｉ１２（１２°）、１８（１８°）を修正する。

第２実施例においては上記の如（構成したことから、旋
回時のコシリカを有効に解消することが出来て滑らかな
姿勢制御を実現することが出来る。尚、残余の横取は、
第１実施例のそれと同様であり、本例においても場合に
より体重を支えている側の脚部を判別して補正しても良
い。

尚、上記した第１、第２の実施例では６軸力トルクセン
サを使用したが、それに限る必要はなく、例えば水平力
を検出するセンサと、足底部に垂直力を検出する分布荷
重センサとを併設し、分布荷重センサによってＦ　ｚ、
　Ｍｘ、　Ｍｙの３分力を検出しても良いことは自明で
あろう。斯る分布荷重センサは少なくとも足底部の３点
で垂直力を検出出来れば良く、また３点〜４点の荷重セ
ンサを使用した歩行ロボットの例は公知である。

また図示例においては脚式移動ロボットとして２足歩行
のものを示したが、それに限られるものではなく、４足
歩行等の多足歩行のものであっても良い。

（発明の効果） 請求項１項は、複数本の脚部を備えた脚式移動ロボット
の脚部関節を角度検出手段の検出値に応じて駆動制御し
て歩行動作させる脚式移動ロボットの駆動制御装置にお
いて、前記脚部に接地面から作用する路面反力を検出す
る路面反力検出手段を設け、検出した路面反力の水平方
向成分に応じて前記関節駆動の制御量を補正する様にし
たので、位置の制御に力の制御を加えて滑らかな姿勢制
御を実現することが出来る。

請求項２項記載の脚式移動ロボットの駆動制御装置は、
検出される前記それぞれの脚部について前記路面反力の
垂直方向成分の大きさを比較し、該垂直方向成分が最大
となる脚部を除く他の脚部の一部又は全部について前記
補正を行う様にしたので、前記した効果にカロえて、角
度補正に要するエネルギを効果的に節約することが出来
、その分だけ駆動速度を早めることが出来る。

請求項３項記載の脚式移動ロボットの駆動制御装置は、
前記路面反力検出手段を、前記脚部においてその最下位
関節と接地面との間の路面反力が伝達される経路中に配
置する様にしたので、前記した効果に加えて、脚部にか
かる荷重を外乱等の影響を受けることなく直接に検出す
ることが出来て検出精度が向上し、それに基づいて関節
駆動量を正確に修正することが出来る。

請求項４項記載の脚式移動ロボットの駆動制御装置は、
前記脚部が進行方向又はそれと直交する方向の中の少な
くともいずれかに揺動する動作自由度を備えるものであ
り、その方向と検出感度が最大となる方向とが一層する
様に前記路面反力検出手段を脚部に配置したので、前記
した効果に加えて、簡単な演算で必要な補正量を正確に
算出することが出来、制御の応答性が向上する。

請求項５項は、複数本の脚部を備えると共に、少なくと
もその１本が回転して方向転換自在である脚式移動ロボ
ットの脚部関節を角度検出手段の検出値に応じて駆動制
御して歩行動作させる脚式移動ロボット−の駆動制御装
置において、前記脚部ど接地面との間に発生する垂直方
向のモーメントを検出するモーメント検出手段を設け、
検出したモーメントに応じて前記関節駆動の制御量を補
正する様にしたので、位置の制御に力の制御を有効に加
味して脚式移動ロボットの旋回時の干渉を防止して滑ら
か姿勢制御を実現することが出来る請求項６項記載の脚
式移動ロボットの駆動制御装置は、前記脚部においてそ
の最下位関節と接地面との間に、前記脚部と接地面との
間に生ずる剪断力を検出する剪断力検出手段を設け、前
記補正によって新たに生ずる接地荷重を検出して該接地
荷重を低減する様に前記関節駆動の制御量を再度補正す
る様にしたので、前記した効果に加えて一層滑らかな姿
勢制御を実現することが出来る請求項７項は、動力手段
により駆動され３自由度以上の自由度を有する複数個の
駆動軸を備えた作業用ロボットの関節機構において、該
複数個の駆動軸が回転軸であり、該複数個の駆動軸が互
いに直交しつつ空間上の一点で交差する様に横取したの
で、直交座標系を用いることが出来て位置決め制御が容
易となると共に、例えば人体類似の構造を備えた作業用
のロボットに応用するときは大の股関節と同様のジオメ
トりを実現することが出来て、滑らかな歩行動作を実現
することが出来る。またマイクロ・コンピュータを用い
て制御する場合にあってもその負担を軽減することが出
来、実時間の確保の点で有利となる。

請求項８項記載の作業用ロボットの関節機構は、前記交
点が前記複数個の回転軸を含む駆動ユニット内に位置す
る様に構成したので、前記した効果に加えて関節の外部
寸法を著しく小型なものとすることが出来、軽量な関節
機構を実現することが出来、移動式の作業用ロボットに
応用するときは高速駆動性を高めることが出来ると共に
、構造も簡易であって実用面での効果も高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る脚式移動ロボット（作業用ロボッ
ト）の駆動制御装置を示す説明ブロック図、第２図は該
装置が予定する脚式移動ロボットを全体的に示す説明側
面図、第３図はその関節骨格図、第４図はその股関節の
詳細を示す説明断面図、第５図は第４図■−Ｖ線断面図
、第６図は足首関節の詳細を示す説明断面図、第７図は
その■−■線断面図、第８図はその足首部に配置される
６軸力トルクセンサの機能を示す説明図、第９図はその
足首部に取着される接地センサの構造を示す説明断面図
、第１０図は本発明に係る装置の動作を示すフロー・チ
ャート、第１１図はその中で検索するロボットの歩容デ
ータを説明するために人間の平地歩行の際の関節の屈伸
を示す実験データ、第１２図は本発明の第２実施例を示
すフロー・チャート及び第１３図は本発明に係る産業用
ロボットが応用可能な据え付は型のロボット・アームで
ある。 １・・・脚式移動ロボット、３・・・腰部、５・・・胴
部、１０．１０’、１２．１２’、１４１４’、１６．
１６’、１８．１８°、２０．２０′・・関節、２２・
・・足ヒラ部、２４．２４“　２５　２５’　・・・リ
ンク、２６．２６’・・６軸力トルクセンサ（路面反力
検出手段、前断力検出手段）、２８．２８’・・・接地
センサ、３０，４０，５０，６０．７０．９６・・・電
動（ＤＣサーボ）モータ（動力手段）、３０ａ。 ４０ａ、５０ａ、６０ａ、７０ａ、９６ａ・・・ローク
リエンコーダ、３２，４２，５２．６４７２・・・ハー
モニンク減速機、３５，４７．５５　６７　５５・・・
ベアリング、３７，４９゜５７．６９．７７・・・軸線
（駆動軸）、４４゜７３・・・モータケーシング、４６
．７４・・・スプライン、４８．６６・・・揺動ケーシ
ング、５４・・・ピッチ部材、５６，６８．７６・・・
関節ケーシング、８０・・・甲部、８１・・・インナプ
レート、８４・・・アウタプレート、９４・・・制御ユ
ニット

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数本の脚部を備えた脚式移動ロボットの脚部関
   節を角度検出手段の検出値に応じて駆動制御して歩行動
   作させる脚式移動ロボットの駆動制御装置において、前
   記脚部に接地面から作用する路面反力を検出する路面反
   力検出手段を設け、検出した路面反力の水平方向成分に
   応じて前記関節駆動の制御量を補正する様にしたことを
   特徴とする脚式移動ロボットの駆動制御装置。
2. （２）検出される前記それぞれの脚部について前記路面
   反力の垂直方向成分の大きさを比較し、該垂直方向成分
   が最大となる脚部を除く他の脚部の一部又は全部につい
   て前記補正を行うことを特徴とする請求項１項記載の脚
   式移動ロボットの駆動制御装置。
3. （３）前記路面反力検出手段を、前記脚部においてその
   最下位関節と接地面との間の路面反力が伝達される経路
   中に配置したことを特徴とする請求項１項又は２項記載
   の脚式移動ロボットの駆動制御装置。
4. （４）前記脚部が進行方向又はそれと直交する方向の中
   の少なくともいずれかに揺動する動作自由度を備えるも
   のであり、その方向と検出感度が最大となる方向とが一
   致する様に前記路面反力検出手段を脚部に配置したこと
   を特徴とする請求項１項乃至３項のいずれかに記載の脚
   式移動ロボットの駆動制御装置。
5. （５）複数本の脚部を備えると共に、少なくともその１
   本が回転して方向転換自在である脚式移動ロボットの脚
   部関節を角度検出手段の検出値に応じて駆動制御して歩
   行動作させる脚式移動ロボットの駆動制御装置において
   、前記脚部と接地面との間に発生する垂直方向のモーメ
   ントを検出するモーメント検出手段を設け、検出したモ
   ーメントに応じて前記関節駆動の制御量を補正する様に
   したことを特徴とする脚式移動ロボットの駆動制御装置
   。
6. （６）前記脚部においてその最下位関節と接地面との間
   に、前記脚部と接地面との間に生ずる剪断力を検出する
   剪断力検出手段を設け、前記補正によって新たに発生す
   る接地荷重を検出して該接地荷重を低減する様に前記関
   節駆動の制御量を再度補正する様にしたことを特徴とす
   る請求項１項乃至５項のいずれかに記載の脚式移動ロボ
   ットの駆動制御装置。
7. （７）動力手段により駆動され３自由度以上の自由度を
   有する複数個の駆動軸を備えた作業用ロボットの関節機
   構において、該複数個の駆動軸が回転軸であり、該複数
   個の駆動軸が互いに直交しつつ空間上の一点で交差する
   様に構成したことを特徴とする作業用ロボットの関節機
   構。
8. （８）前記交点が前記複数個の回転軸を含む駆動ユニッ
   ト内に位置する様に構成したことを特徴とする請求項７
   項記載の作業用ロボットの関節機構。