JPS62187671A - 足底付き多関節二脚歩行ロボットの歩行安定制御方式 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、多関節の脚を持つ歩行口Ｈ−ットの動的な（
すなわち重心が足底の外に来るような）自立歩行を安定
に行わせるための制御方式に関する。

〔発明の背景〕

ロボットの自立歩行を行なうためには、必要な全機能装
置をロボット本体に搭載しなければならないが、頭部に
これらを搭載した多関節歩行ロボットの場合、重心が上
部に存在することになり不安定である。更に、多関節歩
行ロボットに高速歩行を行なわせるには、重心位置が足
底面から外に出る動的歩行方法を採用するため、外乱及
び内乱による影響で不安定になる可能性が高い。たとえ
ば、必要な全機能装置を搭載する多関節歩行ロボットで
は、関節に大きなトルクがかかるためて関節に油圧式の
駆動機構が多く用いられるが、油圧式の場合油温の影響
によって関節動作に変化が生じ、これが内乱として作用
する。また、歩行する床や地面（単に地面と総称する）
が不整地であることや衝撃等が外乱として作用する。

多関箇ロゴットの一例である２足歩行口Ｒントにおいて
、重心を支える脚を交換する期間の制御について述べた
ものに、日本ロボット学会誌１巻３号（１９８３年１０
月）ＰＰ、３１〜３５における伊藤正美、成清辰生によ
る「拘束のある二足歩行運動の解析と制御」がある。こ
の論文では、２足歩行ロボットの動的安定制御において
支持脚を交換する期間の制御が重要であることを述べて
いるが、交換する期間中の衝撃や不整地から受ける外乱
、及び／又は温度等の変化から生じる動特性の変化によ
る内乱に起因する不安定さの解決策については検討され
ていない。

また、足底を持った２足歩行口ゴツトの制御に関する文
献として、ロボットエンジニアリング（１９８２年９月
）、ＰＰ、１０４〜１１４における美多勉による「高速
二足歩行ロボットの制御と実現について」がある、この
論文の中で足底の制御について述べているが、これは空
中にある方の足底を地面に水平にする制御と、支持脚の
姿勢制御を論じており、前述の文献と同様に不安定要因
への積極的対応策は述べられていない。

〔発明の目的〕 本発明の目的は、多関節歩行ロボットの歩行の高速化に
不可欠な動的歩行制御において、足底に設置した接地情
報センサからの信号を利用することにより外乱や内乱の
影響を排除して安定な制御を行ない、多関節歩行ロヒッ
トの自立歩行を可能にする方法を実現せしめる制御装置
を提供することにある。

〔発語の概要〕

本発明は、予め設定された歩行パターンに基づく逐時の
各関節角度指令信号に対応して各関節を遂時駆動して歩
行を実現する多関節歩行ロボットの歩行制御方式におい
て、ロボットの足底が地面に対して左右方向に傾いて接
地したことを足底接地情報センサーが検知したときは、
上記予め設定された歩行パターンに基づくピッチ方向の
関節角度をロックする手段、および該ロック期間中にロ
ール方向関節角度を上記の足底の左右方向に傾いた接地
を補正するよう制御する手段を備えたことを特徴とする
。

〔発明の実施例〕

以下に１本発明を２足歩行口ゲット装置に適用した実施
例を示す。

第２図に本実施例の２足歩行ロボット装置の正面図を示
す。２足歩行口ビット装置は１両足合計で１２自由度を
持っている。すなわち人間の腰部に相当する位置には、
腰ピッチ軸１と腰ロール軸２、膝部に相当する位置には
膝ピッチ軸３、足首部に相当する位置には、足首ピッチ
軸４と足首ロール軸５、更に、方向を変えるために大腿
部に方向転換ヨー軸６を持っている。各関節軸には、関
節駆動用の油圧揺動アクチュエータ１０．更に、油圧揺
動アクチュエータｌＯのシャフトに、関節角度検出用の
ポテンショメータ１２．油圧揺動アクチュエータｌＯの
動作を制御するサーボ弁１３が取り付けられている。

また、このロボットば両脚に足底を有しており、この足
底は、動的歩行時における不安定性をある程度まで足底
面で補償しようとするものであり、また直立状態からの
歩行開始、歩行終了及び停止した状態での作業などを実
現するうえでも重要な役割をもっている。足底面には第
３図に示すように片足４ケ、合計８ケの接地情報センサ
１１が設置されている。

油圧源は、油圧ポンプモータ９、油圧タンク９′及びリ
リーフ弁９〃等より構成されており、２足歩行ロボット
装置を駆動するために必要な圧力及び油の流量を供給す
、る。各関節の油圧揺動アクチュエータ１０への油の流
量はサーボ弁１３を動かすことにより調整する。これに
より、油圧揺動アクチュエータｌＯの駆動が制御される
。

油圧源の上には、油圧ポンプモータ９の発熱による影響
を受げないようにするため設けられた断熱材８を間に狭
んで、制御ユニット７が設置される。制御ユニット７は
１ロピツトの歩行動作を決定する情報を処理するマイク
ロコンピュータとその周辺機器、及び油の流量制御を行
なうサーボ弁１３を電流により駆動制御するサーがアン
プにより構成される。

油圧源９　、９’、　９”とサーボ弁１３との間は、柔
軟性を持つ配管ホースで接続されている。また制御ユニ
ット７と接地情報センサ１１及びサーボ弁１３、角度検
出用ポテンショメータ１２との間は、信号ケーブルで接
続されている。

第１図に本実施例の２足歩行ロボット装置の制御系統の
全体図を示す。コンピュータ制御システム１５から出力
される歩行・母ターンに従った関節の角度指令信号は、
チーがアンプ１６によって増幅され、サーボ弁１３に伝
達される。サーボ弁１３は、油圧源９　Ｆ　９Ｚ　９“
より供給される油の流量を、弁内部のスプールをサーボ
アンプ１６からの角度指令信号に従って動かすことによ
って調整し、これにより、油圧揺動アクチーエータ１０
の駆動が制御される。これと同時に実際の関節の角度を
検知するノテンショメータ１２からの信号により上記関
節の角度指令信号に対する位置（角度）帰還制御を行っ
て、歩行パターンに従った歩行が行われる。他方、足底
接地情報センサ１１からの信号によって後述のような制
御動作の切換が行われる。

第４図に制御装置（第２図中のコンピータ制御システム
１５およびサーボアンプ１６）の構成を示す。制御装置
は、内部パス２３を介して両側に図示のボードを配置し
た構成である。制御装置は、右足用サーボアンプ１６ａ
、左足用す−ビアンプ１６ｂ、マイクロコンピュータ１
７、インタフェでスピード１８ａ、１８ｂ、メモリボー
ド１９、Ｄ／Ａコンバータ２１％　Ａ／Ｄコンバータ２
２より構成される。

マイクロコンピュータ１７は、メモリデート１９に内蔵
されたプログラムや歩行パターンを用いて通常の歩行に
必要な各関節の角度指令を計算Ｌ、Ｄ／Ａコンバータ２
１へ出力する。

第５図に歩行ノ卆ターンデータの概、金回を示す。

歩行パターンデータは、２足歩行ロボット装置の各関節
が歩行時にどのような動作の軌道をとるべきかを表わし
たものであり、具体的には第９図に示すような歩行に対
応する関節の角度指令の時系列から離散的に抜き出した
関節角度指令データである。

マイクロコンピュータ１７は、この歩行パターンデータ
の中から次に゛各関節に出力すべき関節角度指令データ
を取シ出し、現在の各関節角度指令データと、取り出し
たデータとの間を補間計算する。この補間した結果の角
度指令を、Ｄ／Ａコンバータ２１に出力できるように変
換計算し、Ｄ／Ａコンバータ２１へ出力スル。Ｄ／Ａコ
ンバータ２１は、この角度指令を電流に変換し、サーボ
アンプ１６ａ、１６ｂがこの電流を増幅してサーボ弁に
出力する。

また、コネクタを介して、サーボアンプｔｅａ。

１６ｂには角度検出用ポテンショメータ１２から、実際
に関節が動作した応答角度信号が入力され、位置帰還型
制御回路を構成している。第６図に位置帰還制御回路の
ブロック図を示す。

以上述べた通常の歩行・やターンによる歩行制御の７０
−チャートは第７図のようＫなる。

第６図中の駆動信号切換回路２６は本発明により特に設
けたもので、マイクロコンピュータ１７から出力される
後述の駆動禁止信号のＯＮ　、　ＯＦＦにより、角度指
令を切換える役割をする。角度指令信号の切換状況は第
８図に示すとおりであって、駆動禁止信号がＯＦＦのと
きは駆動信号切換回路２６から出力される角度指令はマ
イクロコンピュータ１７から出力される角度指令と同様
であるが駆動禁止信号がＯＮになると、駆動信号切換回
路２６から出力される角度指令はその時の実際の角度値
に保持され、従って、マイクロコンピュータ１７からの
角度指令にかかわらず、その関節はその時の角度にロッ
クされる。

第９図は、本実施例の２足歩行ロボット装置の歩行の様
子を示したものであシ、Ａ、Ａ’は車脚支持期間、Ｂは
重心を支持する脚を交換する支持脚切換期間である両脚
支持期間であシ、本発明ではこの支持脚切換期間Ｂのと
きのみ動的歩行を行なう。よって支持脚切換期には歩行
は非常に不安定になシ勝ちである。安定な歩行を実現す
る関節動作軌道は歩行パターンという形でメモリに内蔵
しであるが、支持脚交換期間ではこの軌道への追従だけ
では対応しきれない問題がある。例えば、不整地への適
応や油温の変化による動特性の変化、接地時の衝撃など
である。本実施例では、これらの問題に対応するために
、支持脚交換期Ｂにおいて足底の接地情報センナからの
信号を用いて関節動作軌道を歩行状況に撰罹的に適応さ
せるような制御方法を採る。以下これを説明する。

支持脚切換期の目漂動作における接地情報の変化を第１
Ｏ図（、）〜（ｅ）に示す。歩行は図の矢印方向、すな
わち同図（、）から（ｅ）の方向に行われる。図中、黒
丸は接地して接地情報ＯＮの信号を出している接地情報
センサーを、また白丸は非接地であって接地情報ＯＦＦ
の信号を出している接地情報センサーを表わしている。

本実施例の２足歩行口ビット装置が支持脚交換期間に第
１０図のように動作するための歩行制御は、第１１図の
フローチャートに示すように、下記の如く行われる。

まず、第１０図の（、）の状態になる１で歩行パターン
を出力し、その後、前足のかかとの接地情報センサがＯ
Ｎになるまで第１２図（、）の矢印の方向に前足の腰ピ
ッチ、後足の腰ピッチと足首ピッチの各関節を同角度ず
つゆっくり動かす。前足かかとの接地情報センサのうち
どちらか一方がＯＮになったら、即座にピッチ方向の全
関節に前述の運動禁止信号と入力し、ピッチ方向の全関
節をロックする。次に前足かかとのＯＦＦの方の接地情
報センサもＯＮになるように、すなわち、前足かかとの
両方の接地情報センサーがｏＮＨｃなるように第１２図
（ｂ）の如く両足の足首および腰のロール方向油圧揺動
アクチュエータ分制御する。前足かかとの両方の接地情
報センサがＯＮになる第１Ｏ図（ｂ）の状態になったら
、ロール方向の全関節をロックし、ピッチ方向の関節の
ロックを解除する。

次に第１Ｏ図（ｂ）の状態から第１Ｏ図（ｃ）の状態に
なるまで第１２図（ｃ）のように重心移動をする。この
ためには、あらかじめ設定した歩行パターンのうち、ピ
ッチ方向の関節データのみを用いて制御する。このとき
、後足の足底が地面から浮かないように、後足の足首ピ
ッチ関節と腰ピンチ関節を同じ角度ずつ動かして調整す
る。前足の足底が地面に水平に接してかかと及びつま先
の全ての接地情報センサがＯＮの状態（第１０図（ｃ）
の状態）になるまで以上の動きを続行する。

次に、この状態から第１Ｏ図（ｄ）の状態（後足のかか
とが上った状態）になるまで歩行・臂ターンにより制御
するが、このとき重心が前足に移動するまでに後足のつ
ま先が地面を離れなめように、後足の足首ピッチ関節を
制御する。重心の移動が完了する姿勢（第１０図（、）
の状態）まで動作しだらロール方向の関節のロックを解
除し１通常の歩行・やターンによる制御方法に戻る。

以上により、歩行・ｅターンによる制御だけでは対応し
きれなかった。不整地の影響や油温の変化による動特性
の変化の影響による歩行の不安定性−を解決し、支持脚
切換期における安定制御を実現し得る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、足底接地情報センサの信号を用いて足
底の左右に傾いた接地を補正することにより、内乱や外
乱による影響を補償して安定な動的歩行を達成し、ロボ
ットの自立歩行性能を大巾に向上させることができ、し
かも、制御系を構成する構成要素も少く、計算処理ステ
ップ数も少くて済むため、制御の複雑さに起因する誤処
理や誤動作の可能性が少い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例による二足歩行ロボットの制御系
統の全体図、第２図は該二足歩行ロボットの正面図、第
３図は該二足歩行口ピットの足底の平面図、第４図は同
実施例の制御装置の構成概要図、第５図は歩行パターン
に基づく関節角度指令を示した図、第６図は関節角度位
置帰還制御回路のブロック図、第７図は通常の歩行／ｊ
Ｐターンに基づく歩行制御のフローチャート、第８図（
ａ）　ｌ　（ｂ）＋（ｃ）は上記実施例におけるマイク
ロコンピュータからの角度指令、駆動信号切換回路から
出力される角度指令および駆動禁止信号を示す図、第９
図は歩行ｉ４ターンによる歩行の様子を示す図、第１０
図（、）〜（、）は支持脚切換期の逐時の足底接地状態
を示す図、第１１図は本発明実施例における支持脚切換
期における歩行制御フローチャート、第１２図（ａ）　
ｌ　（ｂ）　ｌ　（ｅ）は上記の支持脚切換期における
関節の制御態様を示す側面および正面模式図である。 １・・・腰ピッチ軸、　　　　２・・・腰ロール軸、３
・・・膝ピッチ軸、　　　　４・・・足首ピッチ軸、５
・・・足首ロール軸、　　６・・・方向転換ヨー軸、７
・・・制御ユニット、　　８・・・断熱材、９・・・油
圧ポンプモータ、 １０・・・油圧揺動ロータリーアクチュエータ、１１・
・・接地情報センサ、 １２・・・ポテンショメータ、１３・・・サーボ弁、１
４・・・電源ユニット、 １５・・・コンピュータ制御システム、１６・・・サー
ブアンプ、 １７・・・マイクロコンピュータ、 １８・・・インタフェースデート、 １９・・・メモリピード、　　２１・・・Ｄ／Ａコンバ
ータ、２２・・・Ａ／Ｄコンバータ、２３・・・内部ハ
ス、２４・・・増幅器、　　　　　２５・・・リミット
回路。 ２６・・・駆動君号切換回路、 Ａ　、　Ａ’・・・単脚支持期、　Ｂ・・・支持脚切換
期。 宅１図 莞２図 第５図 第７図 （α）マイクロコンじニータカ）ら出力されう角度１宮
′９゛を 汁テ間 （（Ｌ）　　　　　　（ｂ） 進行方向 （ｃ）　　　　　　　　　（ｄ）　　　　　　　　（ｅ
）范１１図 兇１２図 （Ｃ）　　　　　　進行方向

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 予め設定された歩行パターンに基づく逐時の各関節角度
   指令信号に対応して各関節を遂時駆動して歩行を実現す
   る多関節歩行ロボットの歩行制御方式において、ロボッ
   トの足底が地面に対して左右方向に傾いて接地したこと
   を足底接地情報センサーが検知したときは、上記予め設
   定された歩行パターンに基づくピッチ方向の関節角度を
   ロックする手段、および該ロック期間中にロール方向関
   節角度を上記の足底の左右方向に傾いた接地を補正する
   よう制御する手段を備えたことを特徴とする、多関節歩
   行ロボットの歩行安定制御方式。