JPH0994785A

JPH0994785A - 脚式歩行ロボットの歩容生成方法

Info

Publication number: JPH0994785A
Application number: JP7276487A
Authority: JP
Inventors: Katsutoshi Tagami; 勝俊田上; Yuji Haikawa; 有二配川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1995-09-29
Publication date: 1997-04-08
Anticipated expiration: 2015-09-29
Also published as: JP3405868B2

Abstract

(57)【要約】【課題】物理的な歩行可能条件だけを満足する無数の
歩容の中から、アクチュエータの出力や動作速度の定量
的設計が可能で、極力無理のない歩行形態を実現する歩
容に限定することで歩容生成を容易にする。【解決手段】歩行速度の２乗に反比例するようにロボ
ットの重心の上下動の振幅を決定し、それに基づいて歩
容を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は脚式歩行ロボット
の歩容生成方法に関し、より詳しくは、ヒト（人間）並
みのサイズを持つ自立型の２足歩行ロボットの関節のア
クチュエータを最適に設計するための歩容生成（歩容設
計）方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の２足歩行ロボットは、実用化目的
というよりも制御研究を目的としたものがほとんどであ
り、制御用のコンピュータや動力源としての油圧源や駆
動用バッテリーを外部に持つものが大部分であった。サ
イズ的にも重量的にも小型のものが多く、その結果、床
面（接地面）からの衝撃力の緩和やエネルギー効率向上
というような実用的観点からみた歩容設計を詳しく検討
した例は少なく、物理的な歩行可能条件、例えばＺＭＰ
が足の接地面内にあるというような理論的な最低条件は
満足させるものの、細部の条件はあまり厳密には設計せ
ずに歩行を実現しているものが多い。このような方法で
もロボットが小型軽量であれば大きな問題は起こらな
い。

【０００３】尚、ＺＭＰ（Zero Moment Point ）は、
「歩行のあらゆる瞬間において足底接地点と路面とが形
成する支持多角形の辺上あるいはその内側の、ピッチ軸
（左右面frontal plane 内の軸）およびロール軸（矢状
面sagittal plane内の軸）モーメントが零となる点」を
意味する。

【０００４】実用的観点を含むと思われる従来技術とし
ては、特公平６−８８２１８号公報が提案するものがあ
る。これは、アクチュエータの発生トルクの最適化に着
目したものであるが、足平を持つ脚式歩行ロボットに特
有の発生トルクの最適化や床面からの衝撃力の緩和まで
考慮した最適化に関する検討については記述していな
い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ヒト並
みのサイズを持つ自立型の２足歩行ロボットは、重量が
通常のヒトのそれよりもかなり大きくなることが多く、
床面（接地面）からの衝撃力を緩和しなければ機械強度
上の支障となったり、連続稼働時間を延ばすためにエネ
ルギー効率向上が必要になるなどの、実用的システムの
成立性において重要な課題が新たに発生する。

【０００６】このような条件まで考慮した歩容設計ない
し生成は、単に物理的な歩行可能条件、例えばＺＭＰが
足の接地面内にあるというような条件を満たすだけでは
十分ではなく、アクチュエータの出力や動作速度のよう
なハードウェア的な条件や床面からの衝撃力を一定レベ
ル以下にさせるというような条件を同時に満足させるこ
とが必要になる。

【０００７】ところが、物理的に歩行可能な歩容は無数
にあるが、それらの全てが必ずしも上記した実用的な制
約を考慮している訳でない。従って、その中からそのよ
うな条件まで満足する歩容を選択して設計するのは容易
ではない。まして、様々な分野で利用される２足歩行ロ
ボットはサイズが異なり、歩行速度も均一ではない。そ
のようなサイズ、歩行速度などで異なる２足歩行ロボッ
トの最適な歩容を設計することは更に困難である。

【０００８】しかし、ロボットのアクチュエータの出力
や動作速度等を設計する上では、この実際に歩行すると
きの歩容を考慮せざるを得ない。このために、あらゆる
使用形態を考慮して最適な歩容を事前に検討することも
原理的には可能であるが、現実には実機による実験を繰
り返しながら最適化を進めることが多く、多大な労力と
時間が必要になる。

【０００９】実用的に妥当な歩容の設計がオフラインに
しろリアルタイムにしろ可能になり、更に、ロボットの
用途が決定された場合、それを実行するアクチュエータ
の出力や動作速度の仕様は、その用途の中で最も厳しい
条件を満足するように決定することになる。しかし、そ
の場合でも、物理的にもシステムコスト的にも、性能の
良いアクチュエータを使用したり、やみくもに機械的強
度を増せば良いという訳にはいかない。そのため、極力
無理のない歩行形態が望まれるのは、当然である。

【００１０】従って、この発明の目的は、実用的な２足
歩行ロボットを実現する場合に、複雑な歩容の詳細設計
をすることなく、物理的な歩行可能条件だけを満足する
無数の歩容の中から、アクチュエータの出力や動作速度
の定量的設計が可能で、かつ、実用的に妥当な歩容を限
定して歩容生成を容易にする脚式歩行ロボットの歩容生
成方法を提供することにある。

【００１１】より具体的には、この発明の目的は、実用
的な２足歩行ロボットを実現する場合に、物理的な歩行
可能条件だけを満足する無数の歩容の中から、アクチュ
エータの出力や動作速度の定量的設計が可能で、極力無
理のない歩行形態を実現して実用ロボットにとって重要
な床面からの衝撃力を緩和するような歩容を限定し、よ
って歩容生成を容易にする脚式歩行ロボットの歩容生成
方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１項においては、
少なくとも上体と、前記上体に股関節を介して連結され
る２本の脚部リンクとを備え、前記２本の脚部リンクが
それぞれ大腿リンクと、前記大腿リンクに膝関節を介し
て連結される下腿リンクと、前記下腿リンクに足関節を
介して連結される足平とからなる、２足歩行の脚式歩行
ロボットの歩容生成方法において、前記ロボットの歩行
に関するパラメータに応じて前記ロボットの重心の上下
動の振幅を決定し、それに基づいて歩容を生成する如く
構成した。

【００１３】請求項２項においては、前記ロボットの歩
行に関するパラメータが歩行速度であり、その歩行速度
が上がるほど前記ロボットの重心の上下動の振幅を小さ
く決定し、それに基づいて歩容を生成する如く構成し
た。

【００１４】請求項３項においては、前記ロボットの歩
行に関するパラメータが歩行速度であり、その歩行速度
の２乗に反比例するように前記ロボットの重心の上下動
の振幅を決定し、それに基づいて歩容を生成する如く構
成した。

【００１５】請求項４項においては、前記ロボットの歩
行に関するパラメータが歩行速度であり、その歩行速度
に応じて前記ロボットの重心の上下動の振幅を決定して
上下加速度を所定の値以下に抑制し、それに基づいて歩
容を生成する如く構成した。

【００１６】請求項５項においては、前記ロボットの重
心が前記ロボットの上体の重心である如く構成した。

【００１７】

【作用】請求項１項において、ロボットの歩行に関する
パラメータに応じて前記ロボットの重心の上下動の振幅
を決定し、それに基づいて歩容を生成する如く構成した
ので、歩行速度が上がっても、前記ロボットの重心の上
下動の振幅を適切に変更することで、床面からの衝撃力
を緩和することができ、広い速度範囲で無理のない歩行
形態を実現することができ、歩容の候補をその分絞り込
めて歩容設計を大幅に簡略化することができる。

【００１８】尚、上記で" ロボットの歩行に関するパラ
メータ" と記載したのは、ロボットの歩行速度＝歩幅×
歩調で決定されるため（歩行周期：１歩踏み出す周
期）、その３つのパラメータの中で２つ以上であれば、
どの組み合わせでも良いためである。但し、請求項２項
以降に記載するように、より具体的には歩行速度を意味
する。

【００１９】

【発明の実施の形態】最初にこの発明に係る歩容生成方
法が前提とした２足歩行ロボットを説明する。

【００２０】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）。６個の関節は上から順
に、股の脚部回旋用の関節１０Ｒ，１０Ｌ（右側をＲ、
左側をＬとする。以下同じ）、股のロール方向（ｙ軸ま
わり。矢状面sagittal plane内の運動）の関節１２Ｒ，
１２Ｌ、同ピッチ方向（ｘ軸まわり。左右面frontal pl
ane 内の運動）の関節１４Ｒ，１４Ｌ、膝部のロール方
向の関節１６Ｒ，１６Ｌ、足部のロール方向の関節１８
Ｒ，１８Ｌ、同ピッチ方向の関節２０Ｒ，２０Ｌから構
成される。

【００２１】足部には足平２２Ｒ，２２Ｌが取着される
と共に、最上位には上体（基体）２４が設けられ、その
内部に図３に関して後述するマイクロコンピュータから
なる制御ユニット２６などが格納される。上記において
股関節は関節１０Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ
（Ｌ）から、足関節は関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）
から構成される。また股関節と膝関節とは大腿リンク２
８Ｒ，２８Ｌ、膝関節と足関節とは下腿リンク３０Ｒ，
３０Ｌで連結される。

【００２２】上記の構成により、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個の関節を適宜な角度で駆動する
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。

【００２３】図２は足部の断面図（矢状面で切断）であ
る。前記した足関節１８を駆動する電動モータ（図２で
図示省略）の出力はハーモニック減速機（商品名。図２
で図示省略）の入力端に入力され、周知の如く適宜な倍
率で減速して増力され、下腿リンク３０に取着される固
定部材３２とその下部の回転部材３４とを軸線３６（足
関節１８Ｒ（Ｌ）の軸線に同じ）を中心として歩行進行
方向（sagittal plane内）に相対回転（回動）させ、足
平２２Ｒ（Ｌ）をその方向に傾動させる。

【００２４】その軸線３６と直交する位置には、前記し
た足関節２０を駆動する電動モータ２０Ｍが配置され、
その出力は第２のハーモニック減速機４０に入力され、
前記固定部材３２と回転部材３４とを第２の軸線４２
（足関節２０Ｒ（Ｌ）の軸線に同じ）を中心として進行
方向に直交する左右方向（frontal plane 内）に相対回
転させ、足平２２Ｒ（Ｌ）をその方向に傾動させる。
尚、足関節を含む上記したロボットの構成の詳細は本出
願人が先に提案した出願（特開平３−１８４，７８２
号）などに述べられているので、これ以上の説明は省略
する。

【００２５】回転部材３４の下方には公知の６軸力セン
サ４４が取着され、力の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと
モーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとを測定し、
足部の着地の有無ないしは接地荷重などを検出する。６
軸力センサ４４の下部には、前記した足平２２Ｒ（Ｌ）
を構成する、平板状のフレーム４６が固定される。フレ
ーム４６の下面（足底）は大略平坦に形成され、爪先部
４６ａとかかと部４６ｂには、着地時の衝撃を吸収する
弾性体５０，５２が張りつけられる。

【００２６】また、図１に示すロボットにおいて、上体
２４には傾斜センサ６０が設置され、左右面内のｚ軸
（重力方向）に対する傾きとその角速度、同様に矢状面
内のｚ軸に対する傾きとその角速度を検出する。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では図示を省略す
るが、ロボット１の適宜な位置には傾斜センサ６０の出
力を補正するための原点スイッチ６２と、フェール対策
用のリミットスイッチ６４が設けられる。これらの出力
は前記した上体２４内の制御ユニット２６に送られる。

【００２７】図３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６０などの出力はＡ／Ｄ変
換器７０でデジタル値に変換され、その出力はバス７２
を介してＲＡＭ７４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７６を介
してＲＡＭ７４内に入力されると共に、原点スイッチな
どの出力は波形整形回路７８を経て同様にＲＡＭ７４内
に格納される。

【００２８】制御ユニット内にはＣＰＵからなる第１、
第２の演算装置８０，８２が設けられており、第１の演
算装置８０は後述の如く生成されＲＯＭ８４に格納され
ている歩容パラメータを読み出して目標関節角度を算出
し、ＲＡＭ７４に送出する。また第２の演算装置８２は
後述の如くＲＡＭ７４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
てＤ／Ａ変換器８６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。

【００２９】上記のような２足歩行ロボットを前提と
し、以下、この発明に係る歩容生成（歩容設計）方法を
説明する。

【００３０】１）２足歩行ロボットの歩容設計の一般論歩容設計では、歩行速度と歩幅と足の運び方と重心の移
動のしかたを決める必要がある。

【００３１】先に述べた通り、物理的に可能な歩容の制
約条件としてＺＭＰを足の接地面内に存在させる必要が
あることは良く知られている。

【００３２】更に、実用的なロボットを開発するために
は、関節のアクチュエータの出力や動作速度を適切に設
定したり、床面からの衝撃力を小さくしたり、歩行全体
のエネルギ効率を高くしたりする配慮が必要である。

【００３３】重心を低くした歩行にすると、膝が曲がっ
た歩行になるため、常時大きな保持トルクが必要にな
る。よって、重心の軌道はできる限り高い方が、エネル
ギー効率の点からは有利である。つまり、竹馬のように
支持点の周りに円弧状に移動して、支持脚を切り替える
のが有利である。

【００３４】一方、そのように重心の軌道をあまり高く
すると、支持脚が倒れるにつれて必然的に重心が下がる
ために、重心の上下動が発生する。上下動が大きいと、
床面反力の上下成分が増えるので、床面との接地性が悪
くなったり、床面からの衝撃力が増加したりする。

【００３５】更に、アクチュエータの小型軽量化のため
には、アクチュエータの出力を極力小さくする必要があ
り、そのためには、各関節に要求される最大トルクや最
大角速度が極力小さくなるように歩容を設計しなければ
いけない。実用的な歩容設計では、この相反する条件を
考慮しながら妥協点を見つけることになる。

【００３６】２）アクチュエータの仕様設計手順アクチュエータの仕様設計には、最大トルクと最高回転
数を決める必要がある。最大トルクなどが決定されれ
ば、それに基づいて最大出力や減速機の要否も含めた仕
様を決めることができる。

【００３７】最大トルクは歩容によって決まり、厳密に
は動的に計算すべきだが、歩容と自重から静的な計算を
行って概算しても問題ないことが多い。支持脚の股関節
の最大角速度は、片足（脚）支持期に次の一歩を踏み出
さなければいけないことから、歩行速度と片足支持期の
長さでほぼ決まる。

【００３８】このためには、歩行における歩幅と歩調
（歩行周期（ピッチ）、一歩踏み出す周期）を決める必
要がある。歩行速度が決まっていれば、歩行速度＝歩幅
×歩調なので、歩幅と歩調の一方を決めれば良いことに
なる。歩幅は股関節の最大トルクと、歩調は関節の最大
角速度と、関係が深い。

【００３９】膝関節の最大角速度は、遊脚を床からどの
程度上げるかとか、足を早めに出すか遅めに出すかとい
うような遊脚の足平２２Ｒ（Ｌ）の運び方に大きく依存
する。

【００４０】同様に、足関節１８，２０Ｒ（Ｌ）の最大
角速度も遊脚の足平の運び方に大きく依存する。また、
遊脚の股関節１０，１２，１４Ｒ（Ｌ）も膝の動きに伴
って影響を受ける。そのため、足平２２Ｒ（Ｌ）の運び
方の検討、即ち、歩容の設計とその評価が必要になる。
設計すべき歩容とは、アクチュエータの性能を最大限に
生かした最適なものであることが望ましい。

【００４１】その歩容が決定できれば、各関節の最大角
速度はその歩容から自動的に決まり、必要なトルクやア
クチュエータの最大出力も前に述べたように概算するこ
とができるので、アクチュエータの仕様設計が可能にな
る。

【００４２】以下、具体的に説明する。

【００４３】３）歩容の設計手順を含めたアクチュエー
タの設計手順上記の如く歩容設計の最終的な目的は関節アクチュエー
タの仕様を決定し、その歩容によってロボットの機械的
強度やアクチュエータ能力を有効に活用してロボットを
歩行させることになるが、この発明においてはその関節
アクチュエータ仕様の決定までは、図４に示すようにな
る。以下、同図に沿って説明する。

【００４４】ここで説明する歩容の設計手順では、まず
最初にＳ１０において歩行速度と歩幅を選定する。

【００４５】実際の歩行では、この歩行速度と歩幅は歩
行目的によって様々である。また設計者が任意に選定で
きず、状況から決めなければいけない場合もある。例え
ば、歩行が困難な場所で歩行速度を上げられなかった
り、足平の着地位置が限定されて歩幅が決まってしまう
ような場合がそれである。

【００４６】関節アクチュエータ仕様の決定において
は、実際に歩行に使用する可能性のあるものの中で、最
も厳しいもの、すなわち最高歩行速度と最大歩幅を選定
すれば良い。例えば、最高歩行速度５ｋｍ／ｈ、最大歩
幅７５０ｍｍというように設定する。

【００４７】ヒトの歩行形態に関する研究（例えば「正
常歩行における歩調歩幅の歩行パラメータへの影響」、
飯田他、整形外科バイオメカニクス、Ｖｏｌ．５，１９
８３．）によれば、両足（脚）支持期が１歩行期間に占
める割合は１５％程度であるが、これは、１歩踏み出す
のに要する時間の約３０％が両足支持期であることを意
味する。

【００４８】しかしながら、この歩行は、蹴り足の離床
時にかかとが垂直付近まで上がるというヒト特有の歩行
の特徴に関係している。即ち、２足歩行ロボットは必ず
しもヒトと同様の歩行形態をとる必要はない。後で述べ
る足関節１８，２０Ｒ（Ｌ）の動作速度などへの影響を
考慮すれば、ヒトよりもかなり少ない約２０％程度が実
用上望ましいことが実験から分かっている。

【００４９】このような事実を踏まえ、Ｓ１２において
両脚支持期の歩行周期に対する時間割合を設定する。

【００５０】次にＳ１４に進み、このようにして決まる
歩幅と両脚支持期の歩行周期に対する時間割合から、次
に両脚支持期の遊脚の離床時の遊脚の足平２２Ｒ（Ｌ）
を重力方向に傾動させる、即ち、足平２２Ｒ（Ｌ）のか
かと部４６ｂの上げ量を決定し、続いてＳ１６に進んで
足平を上げる量などの足の運び方の条件を設定する。

【００５１】足平２２Ｒ（Ｌ）の軌道は、その軌道条件
の満たす範囲で滑らかな軌道をスプライン関数や、その
他の滑らかな曲線を発生させる手段によって生成すれば
良いが、いずれにしても、足平２２Ｒ（Ｌ）の軌道で
は、両脚支持期の支持脚の離床時にかかと部４６ｂを上
げる量も重要な歩容のパラメータである。

【００５２】このかかと部４６ｂの上げ量を決定する必
要性とその方法について以下説明すると、２足歩行ロボ
ットの歩容としては、エネルギ的には遊脚の足平を上げ
ずに床をすりながら歩行することが一番効率が良いが、
そのような歩容では実際の歩行路面上に存在する凹凸の
ような様々な外乱形状に対してつまづきやすくなってし
まう。そのため、状況によって量は変えるが、少なくと
も必要最低限は遊脚を上げるのが望ましい。この上げる
量は路面の凹凸等の状況次第なので、それに応じた値を
適当に設定すれば良い。

【００５３】遊脚を高く上げれば膝も大きく曲げること
になり、膝関節１６Ｒ（Ｌ）の最大角速度は、当然大き
くなる。また関係する股関節１０，１２，１４Ｒ（Ｌ）
の角速度も増大する。よって、実用上考えられる使用条
件のなかで一番厳しいものに対して十分となる最小の高
さを選ぶことが実用的である。例えば「幅１００ｍｍ高
さ３０ｍｍのブロックをまたげるような高さまでは上げ
る」というような軌道条件を設定すれば良い。

【００５４】足平を持たない竹馬のようなロボットもあ
るように、力学的にはかかと部を上げなくても歩行は可
能である。またヒトの歩容では、先に述べたヒトの歩行
形態に関する研究にもあるように、かなりの量かかとを
上げていることが分かっている。

【００５５】ロボットでヒトと同じ歩行形態をとると、
足部のかかと部を垂直付近まで上げることになり、可動
角度や最大関節角速度が増加して、結果としてアクチュ
エータ出力の増大につながり設計上は好ましくない。特
に、両足支持期の時間が短くなる速い歩行では足関節の
角速度が増大して問題となる。

【００５６】このような観点からのみ考えると、ロボッ
トによる２足歩行では、かかと部を上げる量を小さくし
た方が定性的には良い歩容であるといえる。

【００５７】ところが、かかと部を全く上げないと、上
体の重心軌道が重力方向高さにおいて低い、膝の曲がっ
た歩行形態となることは容易に想像できる。同時に、足
を上げる動作においても、両足支持期にかかと部が上が
っていない分だけ、足部をより速く引き上げることにな
り、結果として遊脚の膝を曲げる速さを増大させる場合
もある。

【００５８】また２足歩行ロボットの歩容では、上体２
４の上下動（重力方向の運動）の量も、重要な歩容パラ
メータである。膝関節１６Ｒ（Ｌ）の屈伸によって脚部
リンクの長さは変わるので脚部リンク長などだけでは一
意的には決まらない。しかし、例えば「幾何学的に可能
な最も高い上体軌道を選択する」などの制約条件によっ
て決定することは可能である。

【００５９】上体軌道はそれよりも低ければ、幾何学的
には任意に設定できることになる。上体の上下動は着地
衝撃などに影響が大きいので、実際にはその振幅を縮小
した軌道に設定する。当然、その縮小は上体軌道を下げ
ることで実現することになる。

【００６０】４）かかと部を上げる量の適正な範囲の決
定まず、上下Ｇ（ｚ方向（重力方向）の変位加速度）を一
定値以下に保つという制約条件でかかと部を上げる量を
変えながら、上体２４の重心軌道の高さがどのように変
化していくかの関係を図５に示す。これから、かかと部
を上げる量がある角度よりも小さくなると、極端に軌道
の高さが低くなることが分かる。これは、かかと部が上
がらないため後ろ足が届かず、上体が低くなっていると
理解できる。

【００６１】このような結果を踏まえて、実施の形態に
係る方法では、上体の重心軌道を高く維持するのに十分
な量だけ上げるという考え方に基づいて、かかと部を上
げる量の適正な範囲を決定することにした。即ち、上体
の重心軌道を高く維持した軌道で、歩行時の後ろ足とな
る蹴り足が上体を支えることができるように、かかと部
を上げるようにした。

【００６２】この考え方に基づいて決定するために、蹴
り終わった時点での上体の位置を予め推定しておく必要
がある。即ち、上体２４の重心軌道の重力方向高さを所
望の値に設定し、蹴り終わった時点の上体２４の位置を
推定することとする。

【００６３】先に述べたように歩行形態は極めて大きな
自由度を持っているために、上体の厳密な位置は一意的
には決定できない。しかしながら、多数の歩行形態につ
いて検討した結果によれば、以下のように簡単に近似計
算することができる。

【００６４】５）蹴り終わった時点（両脚支持期の最
後）での上体の位置の近似計算ここでは、前記したロボットにおいて、大腿リンク２８
Ｒ（Ｌ）と下腿リンク３０Ｒ（Ｌ）の長さを４００ｍｍ
とし、歩行速度１〜４ｋｍ／ｈとした場合に基づいて説
明する。この程度の速度になると静歩行で歩行すること
はできないことから、完全な動歩行の領域になるので、
動歩行における歩行形態の検討には十分である。

【００６５】問題を簡単に説明するため、３次元運動を
する２足歩行ロボットの左右方向の運動（frontal plan
e内の運動）は、この問題にはあまり関係しないので、
ここでは考えない。

【００６６】また、２足歩行の前後方向の運動（sagitt
al plane内の運動）においては、足平の加重中心（ＺＭ
Ｐ）の動かし方も歩行形態に影響を与えてくる。

【００６７】通常のヒトの歩行形態での足平の加重中心
は、不規則に変動しているとはいえ、平均的には足平の
中心付近になっている。図示のロボットも同じにする必
要は必ずしもないが、足平の加重中心を、足平２２Ｒ
（Ｌ）の幾何学的な中心付近になるようにすれば、外乱
に対する復元力の発生余裕を大きくするという効果があ
るので、実用上は、ロボットにおいても有効な歩行形態
と考えられる。

【００６８】この実施の形態ではこのように考えて、基
本的には、足平２２Ｒ（Ｌ）の幾何学的な中心付近に、
より具体的には足関節１８，２０Ｒ（Ｌ）の交点（軸線
３６，４２の交点）の投影点より３０ｍｍ進行方向寄り
に足平の加重中心（図２にＰで示す）を設定する。尚、
凹凸路面や狭い着地点上の歩行のように足平全体を路面
に接地させることが困難な場合は、当然この限りではな
い。

【００６９】このような条件で、様々な歩行形態を検討
した結果、次のような結果が得られた。

【００７０】上体２４の重心移動軌跡は、倒立振子とし
てモデル化されることもあるように、ｚ方向の上下動を
伴っている。その結果、上体のｘ，ｙ方向の移動速度も
変動する。通常の歩行では両脚支持期は上体の高さが低
くなっており、移動速度は全体の平均歩行速度よりも速
くなっている。図６に示すように移動速度の変動は低速
歩行で著しく、高速歩行では小さくなる。この実施の形
態のロボットの大きさにおいて、２ｋｍ／ｈでは約２
割、３ｋｍ／ｈでは約１割ほど平均歩行速度（等速歩
行）よりも速い。

【００７１】このロボットの大きさとしては低速歩行と
いえる１ｋｍ／ｈでは７割近くも速くなっている。しか
し、低速歩行での極端な速度変動は、静歩行的な歩行形
態に近くなるからである。そのような歩行形態の領域で
は、かかと部を上げる量も静歩行的に設計が可能であ
り、それが上下Ｇやエネルギー効率に影響することもほ
とんどないので、この発明による設計手法を適用する必
要はない。よって、速度変動が著しく大きくない歩行速
度領域においては、上体の平均移動速度である歩行速度
で近似できる。

【００７２】両脚支持期には、後ろ足から前足に重心が
移動していくことになる。図７に、歩行速度１〜４ｋｍ
／ｈにおける両脚支持期の上体２４の位置を示す。この
ときの両足支持期の上体２４の位置は、前足と後ろ足の
足関節１８，２０Ｒ（Ｌ）のほぼ中間点付近にあり、歩
行速度との関係も小さいことが分かる。

【００７３】更に、この上体の位置について詳しく調べ
ると、支持脚期における足平の加重中心の位置や、蹴り
足である後ろ足の足平のかかと部４６ｂを上げる角度に
若干依存することが分かる。

【００７４】図８に、歩行速度２ｋｍ／ｈ、歩幅５００
ｍｍとしたときの、足平２２Ｒ（Ｌ）の加重中心を、足
平の幾何学的中心から前後に動かした場合の上体の重心
位置の変化を示す。足平の幾何学的な中心は前記の如
く、足関節の位置より３０ｍｍ前方（図２のＰ点）とな
っている。加重中心を前に動かした場合には、上体２４
も前に移動する傾向があることが分かる。上体の位置の
移動量は、加重中心を前に動かす量に比例して移動する
傾向が読みとれる。しかし、移動量は同じではなく、上
体の位置の方が小さい。

【００７５】加重中心を前記した点Ｐに設定した場合に
は、上体２４は、着床時に中間点より５０ｍｍ手前、離
床時に７０ｍｍ先に移動している。両足支持期の上体２
４の位置は、平均すれば１０ｍｍほど中間点より先にず
れていることになる。

【００７６】また、かかと部４６ｂを上げる角度でも、
上体２４の位置は移動する。図９に歩行速度２ｋｍ／
ｈ、歩幅５００ｍｍにおける、足平２２Ｒ（Ｌ）のかか
と部４６ｂを上げる角度と上体の位置の関係を示す。か
かと部を全く上げないものから０．９（ｒａｄ）上げる
ものまで検討した結果、かかと部を上げるにつれて、両
脚支持期における上体２４の位置は後方にずれる傾向が
あること、および、その量は１０ｍｍ強であることが分
かった。

【００７７】この２つの知見から、両脚支持期の終了時
点、つまり、後ろ足の離床時点には、上体２４は、前足
と後ろ足の中間点よりその時の歩行速度で両脚支持期の
時間の半分だけ移動したところに到達していると近似し
ても、その誤差は最大でも前方側に３０ｍｍ程度で収ま
ることが分かる。

【００７８】この誤差は、ロボットの大きさや歩行速度
などのパラメータである程度補正することが可能と思わ
れるが、先に述べたようにあまり複雑な補正式ではその
パラメータを定めること自体が困難になり、結果として
アクチュエータを具体的に設計するためには役立たない
ことが多い。

【００７９】このような判断から、両脚支持期の終了時
点、つまり、後ろ足の離床時点には、上体は、前足と後
ろ足の中間点より、そのときの歩行速度で両脚支持期の
時間の半分だけ移動したところに到達していると、単純
に近似することが実用的には妥当である。

【００８０】６）かかと部を上げる量このようにして近似的に推定される上体の重心位置に対
して、蹴り足が届くようにするためのかかと部を上げる
べき最低限の量は、図１０に示すように計算するように
した。

【００８１】ここで、Ｌ：大腿リンク長（Ｌ１）と下腿
リンク長（Ｌ２）の合計（脚を延ばした軌道を意味す
る）、ＳＴ：歩幅、ＰＳ：両足支持期の時間割合、Ｌ
Ｔ：足関節１８，２０Ｒ（Ｌ）の交点の足裏面への投影
点から爪先部４６ｂまでの長さ、ＬＡ：足平裏底面から
足関節１８，２０Ｒ（Ｌ）の交点までの長さ、ＬＤ：両
脚支持期に上体が移動する距離、ＬＨ、ＬＰ、ｔｈＡ、
ｔｈＢ、ｔｈＣ：図１０参照、ｔｈＨｍｉｎ：かかと部
４６ｂを最低限上げる角度、とした場合、以下のように
なる。

【００８２】ＬＤ＝ＳＴ×ＰＳＬＳ＝０．５×（ＳＴ−ＬＤ）ＬＨ＝ＬＡ＋√（Ｌ×Ｌ−ＬＳ×ＬＳ）ＬＰ＝ＳＴ−ＬＳ−ＬＴｔｈＣ＝ｔａｎ^-1（ＬＨ／ＬＰ）ｔｈＡ＝ｔａｎ^-1（ＬＡ／ＬＴ）ＬＢ＝√（ＬＴ×ＬＴ＋ＬＡ×ＬＡ）ＬＸ＝√（ＬＰ×ＬＰ＋ＬＨ×ＬＨ）ｔｈＢ＝ｃｏｓ^-1（ＬＢ×ＬＢ＋ＬＸ×ＬＸ−Ｌ×Ｌ）
／２．０／ＬＢ／ＬＸ）ｔｈＨｍｉｎ＝π−ｔｈＡ−ｔｈＢ−ｔｈＣ

【００８３】上記において、上体２４の重心がそのとき
の歩行速度で両脚支持期の時間の半分だけ移動した位置
（上記ＬＳ）に到達するのに必要な、蹴り足のかかと部
４６ｂの上げ量ｔｈＨｍｉｎを下限値とし、その姿勢と
なるように歩容を生成する。

【００８４】尚、実施の形態に係るロボットのように、
足部において爪先部４６ａが円弧状に反っていると共
に、その円弧の半径が小さく、単に先端部に追加された
程度なので、近似的にその部分を無視してＬＴとしても
支障ない。

【００８５】上記について、幾つかの歩幅と両脚支持期
の割合について計算した結果を図１１に示す。

【００８６】また、かかと部４６ｂを上げる量の上限値
ｔｈＨｍａｘを考えると、上体の重心軌道の重力方向高
さを可能な限りを高くするという観点では、図１２に示
すように、爪先部４６ａと足関節１８Ｒ（Ｌ）と股関節
１２Ｒ（Ｌ）が一直線に並ぶような姿勢以上にかかと部
４６ｂを上げても効果がないといえる。よって、ｔｈＨｍａｘ＝π−ｔｈＡ−ｔｈＣとする。

【００８７】かかと部４６ｂを上げる量の上限値と下限
値が求まったので、かかと部４６ｂを上げる量の設計値
は、原理的にその間にあれば良い。しかし、下限値は上
体の重心軌道を所望の高さとするための必要最小量であ
り、より高く上げれば上体の高さはある程度まで高くす
ることはできる（図５）。よって、アクチュエータの駆
動能力が許せば、それ以上に上げることには大きな問題
はない。

【００８８】この実施の形態では、下限値からのマージ
ンを確保して、かつ、不必要にかかと部を上げないとい
う観点から、両者の中間値である平均値をかかと部を上
げる量の設計値とした。

【００８９】７）アクチュエータの設計手順のつづきかかと部の上げ量が決まった後で、Ｓ１８，Ｓ２０に進
んで歩容の探索による最適化を行う。即ち、Ｓ２０に進
んで関節角速度と上体２４の変位加速度（ｘ，ｙ方向に
おける）が最小となるように歩容の最適化を行い、次い
でＳ２２に進んで最適歩容の候補を決定する。

【００９０】歩容の最適化に先立つ力学的な歩容生成の
手法としては、これまでいくつかの方法（例、ロボット
学会誌１１巻３号「上体の運動によりモーメントを補償
する２足歩行ロボット」）が公開されており、それらを
応用すれば可能である。この例の文献では、上体の重心
位置の高さを一定として遊脚軌道とＺＭＰ軌道から歩容
を生成する方法が示されているが、膝を曲げないように
上体を高くするような滑らかな軌道を設定しても問題は
ない。軌道設定は、直接軌道を指定しても良いし、別に
拘束条件を定めて、遊脚軌道やＺＭＰ軌道に従属して決
定するようにしても良い。

【００９１】Ｓ２２までの処理で生成された歩容は、そ
の時点では未だ、上体の上下加速度（ｚ方向の変位加速
度）の点では着地衝撃力が許容範囲内にあるかなどの条
件を満たしているとは限らない。このため、続いてＳ２
４に進んで上体の上下加速度の最大値を設定し、上下加
速度をその範囲内に押さえることとする。以下説明す
る。

【００９２】８）歩行速度と上体の上下動の大きさの関
係図１に示す自立型２足歩行ロボット１において、上体２
４の重さは、ロボット全体の重さの中でもかなりの部分
を占め、その上体の重心の上下動の大きさが脚に対する
力学的負荷や床面からの衝撃力に直接関係することか
ら、その上体重心軌道の設計は重要な項目である。

【００９３】即ち、上下動によって発生する慣性力は、
ロボットを支える脚部リンクのアクチュエータへの出力
設計に関わるだけでなく、脚部リンクの強度やその力を
直接受ける床反力計測用の６軸力センサ４４の強度、更
には、歩行制御の観点からは床面との接地性にも関係し
ている。この点では、上下動が少ないほうが望ましい
が、そうすると上体重心軌道の低いエネルギ効率の悪い
歩行形態になる。よって、ある程度の上下動を伴うこと
になる。

【００９４】その場合も脚の負荷を一定レベル以下に抑
えるには、上下動を制限する必要がある。上下加速度が
１Ｇを越えなければ原理的にはロボットが床から跳ねる
ことはないはずであるが、実際には床の凹凸や制御誤差
等の影響でそれよりもかなり小さな上下加速度でも接地
性が悪くなることがある。図示のロボットの構造では、
実験的には０．２Ｇ程度に抑えれば実用上問題ないこと
が分かった。

【００９５】しかし、このレベルに上下加速度を低く抑
えることは、歩行形態においては大きな制約となる。よ
って、上下加速度が問題とならない低速歩行を除いて、
主として機械的強度で決まる上下加速度の制限いっぱい
まで使う歩行形態が最適な歩行形態となることが多い。
そのように、歩行速度によらず上下加速度の制限いっぱ
いまで使う歩行形態を実現するためには、２足歩行ロボ
ットの歩行速度と上下加速度に関する性質を明らかにす
る必要がある。

【００９６】一般的に歩行に伴う上下動の軌道形状が同
じならば、上下動の速度は歩行速度に比例して、上下加
速度は歩行速度の２乗に比例して増加する。簡単のため
上下動の軌道が振幅がＡで波長がＬの正弦波であると仮
定すれば、歩行速度Ｖで移動する場合の上体の高さＨ
は、Ｈ＝Ａｓｉｎ（２πＶ／Ｌｔ）となる（ｔ：時間）。

【００９７】このとき、上下動の加速度ＤＤＨはｔにつ
いて２回微分することによって、ＤＤＨ＝−Ａ（２πＶ／Ｌ）²ｓｉｎ（２πＶ／Ｌｔ）となる。この式によれば、上下動の加速度ＤＤＨは歩行
速度Ｖの２乗に比例することが分かる。

【００９８】もちろん実際の上下動の軌道は正弦波では
ないが、周期関数なのでフーリエ級数展開が可能であ
り、その各項の加速度が同様に歩行速度Ｖの２乗に比例
することから、先の仮定のように、歩行速度によらず上
下動の軌道形状が完全に同じならば、上下動に伴う上下
加速度の大きさは、歩行速度Ｖの２乗に比例することは
明らかである。

【００９９】ところが、２足歩行ロボットの運動は、運
動方程式によって大きな制約を受けており、歩行速度を
変えてなお上体の上下動の軌道を完全に同じに保つこと
は困難である。よって、厳密には歩行速度Ｖの２乗に比
例すると言い切ることはできない。

【０１００】工学的にこの性質を用いるためには、その
誤差がどの程度かを評価しておく必要がある。多くの条
件で歩容を設計して分析した結果、定性的には歩行速度
Ｖの２乗に比例すると近似できることが分かった。

【０１０１】図１のロボットにおいて大腿リンク２８Ｒ
（Ｌ）および下腿リンク３０Ｒ（Ｌ）４００ｍｍ、足関
節高さ（前記ＬＡ）１４０ｍｍ、自重１００ｋｇとし、
歩行速度２ｋｍ／ｈ、３ｋｍ／ｈ、４ｋｍ／ｈ、５ｋｍ
／ｈで、上体２４の重心の上下動の振幅を一定（２２ｍ
ｍ）に保った場合の、上体２４の重心軌道と上下加速度
のシミュレーションデータを図１３から図１６に示す。

【０１０２】歩行速度の増大に伴って、上下動の軌道形
状は歩行速度によって時間軸が変わるものの、見た目に
はかなり類似しており、上下加速度も予想通り増大する
ことが理解できよう。また、歩行速度と最大上下加速度
の関係を図１７に実線で示す。同図で破線は２ｋｍ／ｈ
での加速度を基準にして歩行速度の２乗に比例するとし
た場合の算出値を示すが、その破線との比較から、厳密
に歩行速度の２乗に比例しているわけではないが、近似
的には成り立っていることが見てとれよう。

【０１０３】上記の如く、歩行速度を変えることができ
る２足歩行ロボットでは、上体の上下加速度の要件は、
脚強度やセンサ強度などによって決まっており、歩行速
度にあまり依存しない。

【０１０４】このことから、上下加速度の制限いっぱい
まで使う歩行形態を実現するためには、上下動の振幅が
歩行速度によらず一定で、かつ上下加速度の制限いっぱ
いとなるように上下動の振幅を決めれば良いことにな
る。

【０１０５】即ち、上下動の振幅を歩行速度Ｖの２乗に
反比例させて小さくすることにより実際の上下加速度を
ほぼ一定とすることができる。この結果、すべての歩行
速度で、ロボットの脚強度やセンサ強度などの機械性能
を最大限活かした歩行形態を実現することができる。

【０１０６】上記をより具体的に敷衍すると、前記した
手法に基づいて、大腿リンク、下腿リンク４００ｍｍ、
足関節高さ１４０ｍｍ、自重１００ｋｇの２足歩行ロボ
ットが、歩行速度２ｋｍ／ｈで、上下加速度２０００ｍ
ｍ／ｓｅｃ²以下の条件で歩行する歩容が得られる。こ
のときの上下動の振幅は２２ｍｍである。

【０１０７】この歩容を基準に、上体の上下動の振幅を
歩行速度の２乗に反比例するように変えて歩容設計を行
う。歩行速度３ｋｍ／ｈで上下動の振幅２２ｍｍを、歩
行速度２ｋｍ／ｈの歩容の（２／３）²＝４／９倍の
９．７ｍｍとした歩容の、ロボット全体の上下加速度を
図１８に示す。同様に、歩行速度５ｋｍ／ｈにおける上
下動の振幅を３．５ｍｍとした場合のロボット全体の上
下加速度を図１９に示す。

【０１０８】３ｋｍ／ｈでは、予想通り上下加速度が抑
えられているが、５ｋｍ／ｈでは、抑えられているとは
いえ、やや上下加速度の増加が見られる。この点を細か
く見るために、上体２４のみの上下加速度を図２０に示
す。上体のみの上下加速度をみれば、上下加速度は良く
抑えられていることが分かる。つまり、５ｋｍ／ｈ程度
の歩行速度になると、低速歩行では無視することができ
た脚部リンク（遊脚）の慣性力（Ｚ軸成分）による上下
加速度が無視できなくなっていることを意味する。

【０１０９】しかし、これに対しては当然のことながら
上体２４の上下動を小さくしても関係ないので、高速歩
行が必要な場合には、このような上下加速度の増加要因
を考慮してあらかじめ設計強度に余裕を持たせるなどの
対策などを併用することになる。このように、上体の上
下動の振幅を歩行速度の２乗に反比例させることによっ
て、広い歩行速度の範囲で、ロボット全体の上下加速度
による床面からの衝撃力の主要な成分を抑えることがで
き極端な床面からの衝撃力を緩和することができる。

【０１１０】より具体的には、上体の最大上下加速度の
設定においては、ロボットの力学的強度や歩行路面の剛
性、更には、路面との接地性を考慮する必要がある。条
件にもよるが、実験的には、±２０００ｍｍ／ｓｅｃ²
程度ならば路面との接地性は問題にならない。

【０１１１】図４フロー・チャートの説明に戻ると、Ｓ
２６，Ｓ２８，Ｓ２０，Ｓ２２，Ｓ２４とループし、先
に述べたように上体軌道の上下動の振幅を縮小して軌道
について再度歩容生成を行い、最適化する。この結果の
上下動が設定値と同程度になれば、それが現実的に歩行
可能な最適歩容となる（Ｓ３０）。

【０１１２】このようにして最適歩容を決定し、次いで
Ｓ３２に進んで各関節の角速度を、その歩容での関節の
動きとして直接的に決定し、Ｓ３４に進んで関節トルク
Ｔを、各時点のＺＭＰの位置ベクトルＺと関節アクチュ
エータの位置ベクトルＰと重心運動から決まる床面から
の力ベクトルＦからＴ＝（Ｐ−Ｚ）×Ｆとして決定する。

【０１１３】関節アクチュエータに必要な最大角速度と
最大トルクの仕様がこのように決定できたことから、次
いでＳ３６に進んでその最大値を満足する関節アクチュ
エータの仕様を決定する。

【０１１４】

【実施例】以下、この発明の実施例を説明する。

【０１１５】図１に示すロボット１のパラメータは、図
２１に示す通りとする。また、自重１００ｋｇ、一歩を
踏み出す時間の中の両脚支持期の割合（前記したＰＳ）
を２０％とする。このロボットが移動速度２ｋｍ／ｈ、
歩幅５００ｍｍで歩行する場合のかかと部４６ｂを上げ
る量の決定と、それに基づいた最適歩容によるアクチュ
エータ仕様の決定方法を、より具体的に、説明する。

【０１１６】これらのデータを前に述べたかかと部４６
ｂを上げる量を求める関係式に適用して、図２２フロー
チャートのＳ１００からＳ１１０に示すような手順で、
角度の上限値ｔｈＨｍａｘ（５６．２９度）と下限値ｔ
ｈＨｍｉｎ（９．６４度）を求め、その平均値ｔｈＨと
して３２．９６度を、かかと部４６ｂを上げる量の設計
値とする。

【０１１７】次に、離床時のかかと部４６ｂを上げる角
度を３２．９６度とする条件で、遊脚軌道を生成する。
この軌道は歩行周期の間に滑らかに前に踏み出すような
軌道にする。このとき、路面の凹凸へのロバスト性を確
保するために遊脚の足平２２Ｒ（Ｌ）をある程度、例え
ば４０ｍｍ上げるような軌道を選ぶ。ＺＭＰ軌道も力学
的条件を考慮して定める。

【０１１８】具体的には、歩行の安定性を確保するため
に、基本的にはＺＭＰは足平２２Ｒ（Ｌ）の中央付近に
あるように設定し、両足支持期に前方の足平に滑らかに
移動するように設定する。両足支持期と片足支持期の移
行の前後ではＺＭＰ足平の端点から中央まで滑らかに移
動するように移行期間を設ける。上体重心軌道は拘束条
件によって極力高く維持するように決定する。

【０１１９】この条件のもとで、遊脚軌道の探索によっ
てアクチュエータ設計で望ましい関節角速度が極力小さ
い歩容を先ず求める。このようにして求められた歩容
は、まだ、床面の衝撃力等に関する条件である上下加速
度の条件を満たしていない。ここでは上下加速度の条件
を±２０００ｍｍ／ｓｅｃ²としている。この歩容と上
体の上下動の軌道と上下加速度を、図２３、図２４、図
２５に示す。

【０１２０】図２５から分かるように、上下加速度の条
件を越えているので、この歩容に対して上下加速度に対
して支配的な影響を与える上体の上下動の振幅が小さく
なるような上体軌道の修正を行い、再度歩容を生成す
る。この結果が図２６、図２７、図２８である。図２８
によれば、この歩容は上下加速度の条件を満足している
ことが分かる。

【０１２１】このようにして、上下加速度まで考慮した
歩容を求めることができる。

【０１２２】この歩容から直接各関節の角速度を求める
ことができる。この歩容における足関節１８Ｒ（Ｌ）の
角速度を図２９に、膝関節１６Ｒ（Ｌ）を図３０に、股
関節１２Ｒ（Ｌ）を図３１に示す。次に、先に述べた簡
単な計算によって関節トルクを求める。

【０１２３】この歩容における足関節１８Ｒ（Ｌ）のト
ルクを図３２に、膝関節１６Ｒ（Ｌ）のトルクを図３３
に、股関節１２Ｒ（Ｌ）のトルクを図３４に示す。但
し、遊脚を駆動するトルクは計算に入れていない。尚、
ロボットの自重を１ｋｇとして規格化した計算値である
ので、自重１００ｋｇの場合にはこの１００倍のトルク
が必要である。

【０１２４】これらの結果から、アクチュエータに必要
となるの最大角速度と最大トルクは、足関節１８Ｒ
（Ｌ）において２４ｒｐｍ、１５ｋｇｍ、膝関節１６Ｒ
（Ｌ）において３２ｒｐｍ、１７ｋｇｍ、股関節１２Ｒ
（Ｌ）において３２ｒｐｍ、１１ｋｇｍが必要であるこ
とが分かる。

【０１２５】次いで、上記の如くして生成された歩容に
基づいて図示のロボットの歩行を制御する場合につい
て、図３５フロー・チャートを参照して簡単に説明す
る。

【０１２６】まず、Ｓ２００で装置各部をイニシャライ
ズしてＳ２０２に進み、そこで歩容パラメータを前記し
たＲＯＭ８４からロードする。前記の如くして生成され
たロボットの歩容は、歩容パラメータとしてＲＯＭ８４
に記憶される。続いてＳ２０４に進んでスタート信号を
待機し、スタート信号が生じるとＳ２０６に進んでカウ
ンタをインクリメントする。

【０１２７】続いてＳ２０８に進んで姿勢パラメータを
計算する。これは前記した歩容パラメータの中に補間演
算を必要とするものがあるため、ここでそれを求め、Ｓ
２０６のカウンタで指定される時刻の姿勢パラメータを
計算する。続いてＳ２１０に進んでそれから１２個の関
節の角度を計算し、Ｓ２１２に進んで同期信号を待機
し、同期が取れたところでＳ２１４に進んで算出した関
節角度を出力し、Ｓ２１６に進んで歩行終了と判断され
ない限り、同様の作業を繰り返すと共に、終了と判断さ
れるときはＳ２１８に進んでカウンタをリセットして終
わる。

【０１２８】またＳ２１４で出力された関節角度に基づ
き、その関節角度となるように前記した第２の演算装置
８２においては図３６に示すフロー・チャートに従って
サーボ制御が並行的に行われるが、この作業は公知であ
るので、説明は省略する。

【０１２９】この実施の形態は上記の如く構成したの
で、実用的な２足歩行ロボットを実現する場合に、複雑
な歩容の詳細設計をすることなく、物理的な歩行可能条
件だけを満足する無数の歩容の中から、アクチュエータ
の出力や動作速度の定量的設計が可能で、かつ、実用的
に妥当な歩容を限定することで歩容生成を容易にするこ
とができる。

【０１３０】具体的には、実用的な２足歩行ロボットを
実現する場合に、物理的な歩行可能条件だけを満足する
無数の歩容の中から、アクチュエータの出力や動作速度
の定量的設計が可能で、極力無理のない歩行形態を実現
して実用ロボットにとって重要な床面からの衝撃力を緩
和するような歩容を限定し、よって歩容生成を容易にす
ることができる。

【０１３１】より具体的には、ロボットの歩行に関する
パラメータに応じて前記ロボットの重心の上下動の振幅
を決定し、それに基づいて歩容を生成する如く構成した
ので、歩行速度が上がっても、前記ロボットの重心の上
下動の振幅を適切に変更することで、床面からの衝撃力
を緩和することができ、広い速度範囲で無理のない歩行
形態を実現することができ、歩容の候補をその分絞り込
めて歩容設計を大幅に簡略化することができる。

【０１３２】図３７ないし図３９は、この発明に係る２
足歩行ロボットの歩容生成方法が前提とする２足歩行ロ
ボットの足部の別の例を示す、説明図である。

【０１３３】図示の如く、足部は平面大略Ｃ字状の部材
２２０と、平面大略矩形状の部材２２２とからなり、Ｃ
字状部材２２０と矩形状部材２２２とはロッド２２４を
介して連結される。即ち、ロッド２２４はＣ字状部材２
２０と矩形状部材２２２に穿設された孔内に挿入され、
Ｃ字状部材２２０とはピン２２６によって固定され、爪
先関節を構成する。

【０１３４】他方、矩形状部材２２２内に穿設された孔
の内径は、ロッド２２４の外径より比較的大きく形成さ
れ、矩形状部材２２２はロッド２２４を中心に回動自在
に構成される。矩形状部材２２２の中央位置付近には大
径の環状孔２２８が形成され、そこに６軸力センサ４４
（図示省略）が設置され、その上部に足関節１８，２０
Ｒ（Ｌ）が連結される。

【０１３５】そして、ロッド２２４と矩形状部材２２２
との間にはバネ２２９が装着され、矩形状部材２２２を
上方（重力方向）に付勢する。従って、足関節１８Ｒ
（Ｌ）が軸線３６を介して回動すると、矩形状部材はそ
れに追随して路面から上昇する。この状態で足裏面は、
Ｃ字状部材２２０のみが路面に接触する。

【０１３６】図２に示した足平構造について先に述べた
が、図３７などに示す足平構造に対しても、爪先部まで
の長さＬＴを正確に決定することが困難である場合も考
えられる。しかし、その場合でも原則的にはかかと部４
６ｂを上げていくときに、等価的にその支点と考えられ
る長さを使えば問題はない。

【０１３７】図３７などに示す例では爪先関節の回転軸
が機構上床面よりも若干上側になるので、厳密にはこの
軸までの距離をＬＴとしては正しくないが、近似的には
十分であり、極端な例を除けば、爪先部分を除いた回転
軸までの距離をＬＴとして問題ない。

【０１３８】尚、かかる近似が成り立たないような足平
形状については、その形状の可能性が多岐にわたるた
め、全ての場合について具体的な手法を表現することは
できないが、初めに述べた原則に基づいて、両脚支持期
の離床時にあげるべきかかと部の量を収束演算等により
計算することにすれば、かかと部を上げる適正量を同様
に計算することができる。

【０１３９】尚、上記において、ロボットの重心を上体
のそれで近似したが、ロボット全体の重心を求めても良
いことは言うまでもない。

【０１４０】尚、上記において、２足歩行脚式移動ロボ
ットの例のみ示したが、上記した構成は３足以上の脚式
移動ロボットにおいても原理的には妥当する。

【０１４１】

【発明の効果】ロボットの歩行に関するパラメータに応
じて前記ロボットの重心の上下動の振幅を決定し、それ
に基づいて歩容を生成する如く構成したので、歩行速度
が上がっても、前記ロボットの重心の上下動の振幅を適
切に変更することで、床面からの衝撃力を緩和すること
ができ、広い速度範囲で無理のない歩行形態を実現する
ことができ、歩容の候補をその分絞り込めて歩容設計を
大幅に簡略化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る脚式歩行ロボットの歩容生成方
法が前提とする２足歩行ロボットを全体的に示すスケル
トン図である。

【図２】図１に示す２足歩行ロボットの足平の構造を詳
細に示す説明断面図である。

【図３】図１に示す２足歩行ロボットの制御ユニットの
詳細を示すブロック図である。

【図４】図１に示す２足歩行ロボットを前提に、この発
明に係る歩容生成方法を示すフロー・チャートである。

【図５】図１に示すロボットが上下Ｇを一定値以下に保
つという制約条件でかかと部を上げる量を変えながら、
上体の重心軌道の高さがどのように変化していくかの関
係を示すデータ図である。

【図６】図１に示すロボットの歩行速度に対する両脚支
持期の上体の移動量を示すデータ図である。

【図７】図１に示すロボットの歩行速度に対する両脚支
持期の上体の位置を示すデータ図である。

【図８】図１に示すロボットの足平の加重中心（ＺＭ
Ｐ）を足平の幾何学中心から前後に動かした場合の上体
の位置の変化を示すデータ図である。

【図９】図１に示すロボットのかかと部の上げ量に対す
る上体の位置の関係を示すデータ図である。

【図１０】図１に示すロボットについてかかと部の上げ
量の下限値の算出を示す説明図である。

【図１１】図１に示すロボットについて歩幅に対するか
かと部上げ量の関係を示すデータ図である。

【図１２】図１に示すロボットについてかかと部の上げ
量の上限値の算出を示す説明図である。

【図１３】図１に示すロボットについて歩行速度２ｋｍ
／ｈでの上体の上下動の振幅を一定に保った場合の上体
の重心軌道と上下加速度の関係を示すデータ図である。

【図１４】図１に示すロボットについて歩行速度３ｋｍ
／ｈでの上体の上下動の振幅を一定に保った場合の上体
の重心軌道と上下加速度の関係を示すデータ図である。

【図１５】図１に示すロボットについて歩行速度４ｋｍ
／ｈでの上体の上下動の振幅を一定に保った場合の上体
の重心軌道と上下加速度の関係を示すデータ図である。

【図１６】図１に示すロボットについて歩行速度５ｋｍ
／ｈでの上体の上下動の振幅を一定に保った場合の上体
の重心軌道と上下加速度の関係を示すデータ図である。

【図１７】図１に示すロボットについて歩行速度に対す
る上下加速度の関係を示すデータ図である。

【図１８】図１に示すロボットについて歩行速度３ｋｍ
／ｈのときの上下動の振幅を歩行速度の２乗に反比例さ
せて変えた場合の上下加速度を示すデータ図である。

【図１９】図１８と同様のデータ図で歩行速度５ｋｍ／
ｈのときの上下加速度を示すデータ図である。

【図２０】図１８と同様のデータ図で歩行速度５ｋｍ／
ｈのときの上体のみの加速度を示すデータ図である。

【図２１】この発明の実施例で用いる、図１のロボット
のパラメータの説明図である。

【図２２】この発明に実施例における、かかと部の上げ
角度の算出を示すフロー・チャートである。

【図２３】図２２フロー・チャートで算出された歩容を
示すシミュレーションデータ図である。

【図２４】図２３に示す歩容の上体の上下動の軌跡を示
すデータ図である。

【図２５】図２３に示す歩容の上体の上下加速度を示す
データ図である。

【図２６】図２３に示す歩容の修正例を示すシミュレー
ションデータ図である。

【図２７】図２６に示す歩容の上体の上下動の軌跡を示
すデータ図である。

【図２８】図２６に示す歩容の上体の上下加速度を示す
シミュレーションデータ図である。

【図２９】図２６の歩容から求められる足関節の角速度
を示すシミュレーションデータ図である。

【図３０】図２６の歩容から求められる膝関節の角速度
を示すシミュレーションデータ図である。

【図３１】図２６の歩容から求められる股関節の角速度
を示すシミュレーションデータ図である。

【図３２】図２６の歩容から求められる足関節の関節ト
ルクを示すシミュレーションデータ図である。

【図３３】図２６の歩容から求められる膝関節の関節ト
ルクを示すシミュレーションデータ図である。

【図３４】図２６の歩容から求められる股関節の関節ト
ルクを示すシミュレーションデータ図である。

【図３５】この実施の形態に係る歩容生成方法で生成さ
れた歩容に基づいて図１のロボットの歩行を制御する例
を示すフロー・チャートである。

【図３６】図３５の制御における関節角度のサーボ制御
を行う例を示すフロー・チャートである。

【図３７】この発明に係る歩容生成方法で前提とする２
足歩行のロボットの別の例を示す足平の説明断面図であ
る。

【図３８】図３７のＸＸＸＶＩＩＩ−ＸＸＸＶＩＩＩ線
断面図である。

【図３９】図３７の足平のかかと部を上げた場合を示す
説明側面図である。

【符号の説明】

１ロボット２脚部リンク１０，１２，１４Ｒ，Ｌ股関節１６Ｒ，Ｌ膝関節１８，２０Ｒ，Ｌ足関節２２Ｒ，Ｌ足平４６ｂかかと部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも上体と、前記上体に股関節を
介して連結される２本の脚部リンクとを備え、前記２本
の脚部リンクがそれぞれ大腿リンクと、前記大腿リンク
に膝関節を介して連結される下腿リンクと、前記下腿リ
ンクに足関節を介して連結される足平とからなる、２足
歩行の脚式歩行ロボットの歩容生成方法において、前記
ロボットの歩行に関するパラメータに応じて前記ロボッ
トの重心の上下動の振幅を決定し、それに基づいて歩容
を生成するように構成したことを特徴とする脚式歩行ロ
ボットの歩容生成方法。
【請求項２】前記ロボットの歩行に関するパラメータ
が歩行速度であり、その歩行速度が上がるほど前記ロボ
ットの重心の上下動の振幅を小さく決定し、それに基づ
いて歩容を生成するように構成したことを特徴とする請
求項１項記載の脚式歩行ロボットの歩容生成方法。
【請求項３】前記ロボットの歩行に関するパラメータ
が歩行速度であり、その歩行速度の２乗に反比例するよ
うに前記ロボットの重心の上下動の振幅を決定し、それ
に基づいて歩容を生成するように構成したことを特徴と
する請求項２項記載の脚式歩行ロボットの歩容生成方
法。
【請求項４】前記ロボットの歩行に関するパラメータ
が歩行速度であり、その歩行速度に応じて前記ロボット
の重心の上下動の振幅を決定して上下加速度を所定の値
以下に抑制し、それに基づいて歩容を生成するように構
成したことを特徴とする請求項１ないし３項のいずれか
に記載の脚式歩行ロボットの歩容生成方法。
【請求項５】前記ロボットの重心が前記ロボットの上
体の重心であることを特徴とする請求項１項ないし４項
のいずれかに記載の脚式歩行ロボットの歩容生成方法。