WO2003068462A1

WO2003068462A1 - Two-legged walking locomotion apparatus and its walking controller

Info

Publication number: WO2003068462A1
Application number: PCT/JP2003/001324
Authority: WO
Inventors: Takayuki Furuta; Tetsuo Tawara; Yu Okumura; Hiroaki Kitano
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-02-18
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2004-08-18
Also published as: CN100336633C; TW586994B; KR20040089632A; EP1477283A1; KR100581372B1; JP3574952B2; EP2208583A1; US6992457B2; JP2003236782A; TW200303809A; CN1633351A; EP1477283A4; US20050088131A1

Description

明細書二脚歩行式移動装置及びその歩行制御装置技術分野

本発明は二脚歩行式移動装置に関し、特に歩行安定化を実現するようにした歩行制御に関するものである。背景技術

従来、所謂二脚歩行式ロボットは、前もって設定された歩行パターン（以下、歩容（ga i t) という）データを生成して、この歩容データに従って歩行制御を行なつて、所定の歩行パタ一ンで脚部を動作させることにより二脚歩行を実現するようにしている。

ところで、このよう.な二脚歩行式口ボットは、例えば路面状況，ロボット自体の物理パラメ一夕の誤差等によって、歩行の際の姿勢が不安定になりやすく、場合によっては転倒してしまう。これに対して、歩容データを前もって設定せずに、リアルタイムにロボッ卜の歩行状態を認識しながら歩行制御を行なうようにすれば、歩行の際の姿勢を安定させて歩行を行なわせることも可能であるが、このような場合でも、予期しない路面状況等力発生した場合には、歩行姿勢が崩れてロボットカ <転倒してしまうことになる。

このため、歩行制御によってロボッ卜の足裏における床反力と重力の合成モーメン卜がゼロとなる点（以下、 ZMP (Z e r 0 Momen t Po i n t) という）を目標値に収束させる、所謂 Z MP補償を行なう必要がある。このような ZMP補償のための制御方法としては、例えば特開平 5— 305583号公報に示すように、コンプライアンス制御を利用して、 ZMPを目標値に収束させ、口ボッ卜の上体を加速させて修正する方法や、口ボッ卜の足の接地場所を修正する制御方法が知られている。

ところで、このような制御方法においては、 Z MP規範によりロボットの安定化を図るようにしている。そして、この ZMP規範においては、足裏における床反力を正確に検出することが前提条件となっている。

しかしな力ら、このような構成の二脚歩行式ロボッ卜においては、複雑な凹凸がある不安定な路面状況においては、 S¾全体が路面に着地しなくなることがあり、における床反力を正確に検出することができず、従って Z M Pの補償を正確に行なうことができなくなることがある。このため、口ボットの安定性を確保することができず、口ボットの二脚歩行が困難になつてしまう。発明の開示

本発明は、以上の点にかんがみて、複雑な凹凸がある不安定な路面状況においても、足裏における床反力を正確に検出して、歩行安定性を実現できるようにした二脚歩行式移動装置と、その歩行制御装置を提供することを目的としている。上記目的は、この発明の第一の構成によれば、本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部を有する二本の脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部と、各脚部，膝部及び足部を揺動させる駆動手段と、要求動作に対応して目標角度軌道，目標角速度，目標角加速度を含む歩容デ一夕を生成する歩容生成部と、この歩容デ一タに基づ L、て上記駆動手段を駆動制御する歩行制御装置とを備えた二脚歩行式移動装置において、上記歩行制御装置が、各足部における^に加わる力を検出する力検出部と、上記力検出部で検出された力に基づ、て歩容生成部からの歩容デ一夕を修正する捕償部と、を含んでおり、上記力検出部が、各足部の足裏に配置された少なくとも三個の三軸力センサから構成されており、上言己補償部が、力検出部の各三軸カセンサのうち、有効な力を検出している三個の三軸力センサの検出信号に基づいて歩容データの修正を行なうことにより、達成される。

本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、上記本体力人型ロボッ卜の上体であって、頭部及び両手部を備えている。

本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、各三軸力センサが^から下方へ突出している。好ましくは、三個の三軸力センサが、各足部の足裏にて二等辺三角形の各頂点位置に配置されている。また、各三軸力センサは、各足部のにて足部の垂直駆動軸を中心とする同一円周上に配置されていてもよい。本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、各足部が、脚部の下端に直接に取り付けられた足元部と、足元部の先端に上下に揺動可能に取り付けられた爪先としての足先部と、から構成されており、力検出部の各三軸力センサが足元部及び足先部に分散配置されている。

本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、一つの三軸力センサが足元部の踵付近に配置され、また他の一つの三軸カセンサが足先部の先端付近に配置され、さらに二つの三軸力センサが、足元部及び足先部の境界付近の領域にて左右に配置されている。

本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、前記補償部が、自動キヤリブレーションにより各三軸カセンサからの検出信号を自動的に較正する。

また、上言己目的は、この発明の第二の構成によれば、本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部分を有する二本の脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部と、各脚部，膝部及び足部を揺動させる駆動手段とカヽら成る二脚歩行式移動装置に関して、要求動作に対応して歩容生成部により生成される目標角度軌道，目標角速度，目標角加速度を含む歩容デー夕に基づいて上記駆動手段を駆動制御する二脚歩行式移動装置の歩行制御装置において、各足部における足裏に加わる力を検出する力検出部と、上記力検出部で検出された力に基づ L、て歩容生成部からの歩容デ一タを修正する補償部と、を含んでおり、上記力検出部が、各足部の足裏に配置された少なくとも三個の三軸力センサから構成されており、上記補償部が、力検出部の各三軸力センサのうち、有効な力を検出している三個の三軸カセンサの検出信号に基づヽて歩容データの修正を行なうことにより、達成される。

本発明による第二の構成で成る二脚歩行式移動装置の歩行制御装置は、好ましくは、各三軸力センサが足裏から下方へ突出している。また、好ましくは、三個の三軸カセンサが、各足部の足裏にて二等辺三角形の各頂点位置に配置されている。或いは、各三軸力センサが、各足部の足裏にて足部の垂直駆動軸を中心とする同一円周上に配置されていてもよい。

本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制御装置は、好ましくは、上記補償部が、自動キヤリブレーシヨンにより各三軸力センサからの検出信号を自動的に較正する。

上記構成によれば、各足部の足裏に設けられた少なくとも三個の三軸力センサから成る力検出部により検出した力に基づ L、て、補償部により歩容生成部からの歩容デ—タを修正して駆動手段を駆動制御する。その際、複雑な凹凸を備えた路面に足部が着地しているときでも、足裏から下方に突出している三個の三軸カセンサ力く確実に路面に接している。従って、不安定な路面であっても有効なカを検出している三個の三軸カセンサの検出信号に基づ、て、歩容デ一タを確実に修正することにより、本体、例えば人型ロボッ卜の上体の安定ィ匕を図るようになっている。これにより、ロボッ卜の各足部の足裏が、複雑な凹凸を備えた不安定な路面状況であっても、ロボッ卜の安定性を確保することができ、確実に歩行制御を行なうこと力可能である。

三個の三軸力センサが、各足部の足裏にて、二等辺三角形の各頂点位置に配置されている場合には、二等辺三角形の底辺の両端の頂点に位置する三軸カセンサ力く左右対称の条件となるので、各三軸カセンサにかかる負荷荷重を左右均等に分散することができると共に、各三軸力センサのキヤリブレーシヨンを容易に行なうことができる。

各三軸力センサが、各足部の足裏にて、足部の垂直駆動軸を中心とする同一円周上に配置されている場合には、当該垂直駆動軸周りのトルクが同一条件となるので、このトルクに関する負荷を各三軸力センサに均等に分散することができると共に、各三軸力センサのトルクに関するキヤリブレーシヨンを容易に行なうことができる。

各足部が、脚部の下端に直接に取り付けられた足元部と、足元部の先端に上下に揺動可能に取り付けられた爪先としての足先部と、から構成されており、カ検出部の各三軸力センサが、足元部及び足先部に分散配置されている場合には、足元部のみまたは足先部のみ力着地しているときでも、力検出部の各三軸カセンサが足裏における床反力を検出することができる。

—つの三軸カセンサが足元部の踵付近に配置され、また他の一つの三軸カセンザが足先部の先端付近に配置され、さらに二つの三軸力センサが、足元部及び足先部の境界付近の領域にて左右に配置されている場合には、足元部のみまたは足先部のみが着地しているときでも、力検出部の三個の三軸力センサカ请地することになり、 ^における床反力を確実に検出することができる。

上記補償部が、自動キャリブレーションにより、各三軸力センサからの検出信号を自動的に較正する場合には、力検出部の個々の三軸力センサが周囲の温度や経年変ィ匕によって検出精度力く変化したとしても、自動キヤリブレーシヨンによつて自動較正され、力検出部の各三軸力センサからの検出信号により正確に床反力を検出することができる。図面の簡単な説明

本発明は、以下の詳細な説明及び本発明の幾つかの実施の形態を示す添付図面に基づいて、より良く理解されるものとなろう。なお、添付図面に示す実施の形態は本発明を特定又は限定することを意図するものではなく、単に本発明の説明及び理解を容易とするためだけに記載されたものである。

図中、

図 1は、この発明による二脚歩行式ロボッ卜の一実施形態の機械的構成を示す概略図である。

図 2は、図 1の二脚歩行式口ボッ卜の電気的構成を示すブロック図である。図 3は、図 1の二脚歩行式ロボッ卜の各足部の足裏に設けられた三軸カセンサの構成を示し、（A) は斜め上方から見た概略斜視図、（B ) は斜め下方から見た概略斜視図である。

図 4は、図 3の三軸力センサの配置を示す足裏の平面図である。

図 5は、図 4の各三軸力センサと力計測の基点の配置を示すグラフである。図 6は、図 1の二脚歩行式口ボットの歩行制御動作を示すフローチャートであ図 7は、図 3 (C ) の三軸力センサの配置の第一の変形例を示す足裏の平面図である。

図 8は、図 3 ( C ) の三軸力センサの配置の第二の変形例を示す足裏の平面図であ。

図 9は、図 3 (C ) の三軸力センサの配置の第三の変形例を示し、（A) は足部の側面図、（B) は S¾の平面図である。

図 10は、図 9の変形例における足先部で着地した場合の、（A) は足部の側面図、（B) は^ ¾の平面図である。

図 11は、図 3 (C) の三軸力センサの配置の第四の変形例を示す足裏の平面図である。発明を実施するための最良の形態

以下、図面に示した実施形態に基づいて、この発明を詳細に説明する。

図 1乃至図 2は、この発明による二脚歩行式移動装置を適用した二脚歩行式口ボッ卜の一実施形態の構成を示している。図 1において、二脚歩行式ロボット 1 0は、本体である上体 11と、上体 1 1の下部両側に取り付けられた中間に膝部 12 L, 1 2 Rを備えた二本の脚部 1 3 L， 131 と、各脚部13し， 13 Rの下端に取り付けられた足部 14 L, 14尺と、を含んでいる。

ここで、上記脚部 13 L， 13 Rは、それぞれ六個の関節部、即ち上方から順に、上体 1 1に対する腰の脚部回旋用（z軸周り）の関節部 15 L, 1 5R、腰のロール方向（X軸周り）の関節部 1 6 L， 1 6 R、腰のピッチ方向（y軸周り ) の関節部 17 L， 1 71^、膝部12し， 1 2 Rのピッチ方向の関節部 18 L， 18 、足部1 4し， 14 Rに対する足首部のピッチ方向の関節部 19 L, 1 9 R、足首部のロール方向の関節部 20 L, 2 O Rを備えている。各関節部 1 5 L ， 1 5 R7¾S2 0 L, 20 Rは、それぞれ関節駆動用モータで構成されている。このようにして、腰関節は、上記関節部 15 L， 15 R, 1 6 L, 16 R， 1 7 L， 17 Rから構成され、また足関節は、関節部 19 L， 19 R, 20 L, 2 0 Rから構成されることになる。

さらに、腰関節と膝関節との間は、大腿リンク 2 1 L, 2 1Rにより連結されており、また膝関節と足関節との間は、下腿リンク 22 L， 22 Rにより連結されている。これにより、二脚歩行式ロボッ卜 1 0の左右両側の脚部 13 L， 13 R及び足部 14 L, 14Rは、それぞれ 6自由度を与えられることになり、歩行中にこれらの 1 2個の関節部をそれぞれ駆動モータにより適宜の角度に駆動制御することにより、脚部 13 L， 1 3 ，足部14し 14 R全体に所望の動作を与えて、任意に三次元空間を歩行することができるように構成されている。さらに、上記足部 1 4 L , 1 4 Rは、足裏（下面）に、力検出部 2 3 L , 2 3 Rを備えている。この力検出部 2 3 L， 2 3 Rは、後述するようにそれぞれ各足部 1 4 L， 1 4 Rにおける力、特に水平床反力 Fを検出するようになっている。なお、上言己上体 1 1は、図示の場合、単に箱状に示されている力実際には頭部や両手を備えていてもよい。

図 2は、図 1に示した二脚歩行式ロボッ卜 1 0の電気的構成を示している。図 2において、二脚歩行式ロボッ卜 1 0は、要求動作に対応して歩容データを生成する歩容生成部 2 4と、この歩容データに基づいて駆動手段、即ち上述した各関節部の関節駆動用モータ 1 5 L， 1 5 R乃至 2 0 L , 2 0 Rを駆動制御する歩行制御装置 3 0と、を備えている。

なお、二脚歩行式ロボッ卜 1 0の座標系として、前後方向を X方向（前方 +) ，横方向を y方向（内方 +) そして上下方向を z方向（上方 + ) とする x y z座標系を使用する。

上記歩容生成部 2 4は、外部から入力される要求動作に対応して、二脚歩行式ロボット 1 0の歩行に必要な各関節部 1 5 L， 1 5 R乃至 2 0 L , 2 0 Rの目標角度 lit, 目標角速度，目標角加速度を含む歩容データを生成する。

上記歩行制御装置 3 0は、角度計測ュニット 3 1と、補償部 3 2と、制御部 3 3と、モータ制御ュニット 3 4と、から構成されている。

上記角度計測ュニッ卜 3 1は、各関節部 1 5 L , 1 5 R乃至 2 0 L , 2 0尺の関節駆動用モータに備えられた例えばロータリエンコーダ等により各関節駆動用モータの角度情報が入力されて、各関節駆動用モータの角度位置、即ち角度及び角速度に関する状態べクトル 0を計測して、補償部 3 2に出力する。上記補償部 3 2は、力検出部 2 3 L , 2 3 Rからの検出出力に基づいて水平床反力 Fを演算して、この水平床反力 F及び角度計測ュニット 3 1からの状態べクトル 0に基づいて歩容生成部 2 4からの歩容データを修正し、べクトル i ( 1 = 1から：1、ただし、 nはロボッ卜 1 0の歩行に関する自由度）を制御部 3 3に出力する。また、上言己制御部 3 3は、補償部 3 2で修正された歩容データであるべクトル 0 i から、ロボッ卜の各関節部における角度べクトル 0 0を減算して、べクトル Θ i -Θ Ο) に基づいて、各関節駆動用モータの制御信号、即ちトルクべクトルてを生成する。さらに、上記モータ制御ュニット 34は、制御部 33からの制御信号（トルクべクトノレて）に従って各関節駆動用モータを駆動制御する。

ここで、上言己力検出部 2 3 L, 23 Rは左右対称の構成であるから、力検出部 23 Lについて、図 3を参照して説明する。図 3において、力検出部 2 3 Lは、足部 14 Lの下面である足裏板 35の下側にて、前縁両側及び後縁中央に配置された三個の三軸力センサ 36 a, 36 b, 3 6 cから構成されている。

各三軸力センサ 36 a， 36 b, 36 cは互いに同じ構成であり、図 3 (A) 及び（B) に示すように、から下方に突出するように構成されている。さらに、各三軸力センサ 36 a， 36 b, 36 cは、図 4に示すように、足部の足裏にて、後縁が尖つた二等辺三角形の各頂点に配置されるようになっている。各三軸力センサ 36 a乃至 36 cは、個々の検出出力のバラツキがあると共に、周囲の温度，経年変化等によって検出出力が変動する。従って、各三軸力センサ 36 a乃至 3 6 cの検出出力は、以下のような自動キヤリブレーションにより、補償部 32内にて自動的に較正されるようになっている。

先ず、 Z軸方向のキヤリブレーシヨンについて説明する。

図 5 (A) において、足裏にて、力計測の原点 0 (Ox， Oy) に対して、 n 個の三軸力センサ S I， S 2, S 3, · · ·， Snが配置されている。なお、力計測の原点 0は、例えば足部の関節の駆動座標系に一致させること力好ましい。ここで、各三軸力センサ S iの位置を、 S i = (X (i)， Y ( i ) ) として、上述したように分散配置された三軸力センサ S 1乃至 Snのうち、任意の三個の三軸力センサ、例えば S 1， S 2, S 3を選択し、これらの座標位置をそれぞれ、 S 1 =X (1) ， Y (l) , Z (l) ， S 2=X (2) , Y (2) , Z (2) ， S 3 =X (3) , Y (3)， Z (3) とする。

そして、これらの三軸力センサ S 1乃至 S 3のみに負荷がかかるように、三点支持の状態にして、図 5 (B) に示すように、これらのうち、適宜の二つの三軸力センサ、例えば S 1及び S 2を直線で結び、この直線に対する残りの一個の三軸力センサ S 3からの垂線の足を Cとする。

ここで、上記垂線上にて駆動対象の重心位置を S 3力、ら Cへ静的に移動させて、そのときの S 1乃至 S 3から出力される電圧値を計測する。その際、移動中の計測ボイントが多いほど、正確な較正を行なうことができる。

f を計測した力， A, Bをキャリブレーションパラメ一夕、 Vをそのときの電圧値とし、 Mを駆動対象の全質量， gを重力の加速度とし、 kを計測ポイントとすると、以下の関係式

fz(l)k + fz{2)k ⁺ fz )k = ^MS

f尋 'TO + f -X(2) + f尋 ·Ζ(3) = 0

)k ^(1) + (₂), -^(2) + f_z(3)k ·Υ(3) = 0

が成立する。

そして、 V, Μ , Υを既知として、これらの式を f の連立方程式として解いて、その結果を、以下の式

に代入することにより、求める F / V直線の傾き Α及び切片 Bを同時に求めることができる。さらに、 n回の計測を行なうことにより、較正のための補正パラメ一夕を算出することができる。

このようにして、上記三つの三軸力センサ S 1乃至 S 3に関する Z軸方向のキヤリブレ一シヨンが終了する。そして、他の異なる三つの三軸力センサを選択して、同様にして補正パラメ一夕の算出を繰り返し、すべての三軸力センサについて補正パラメ一夕の算出を行なうことにより、すべての三軸力センサの Z軸方向の較正を行なうことができる。

さらに、 X Y軸に関するキャリブレーションの方法について説明する。

先ず、図 5 ( C ) に示すように、分散配置された三軸力センサ S 1乃至 S nのうち、任意の二個の三軸力センサ、例えば S 1, S 2を選択し、ロボッ卜の上体 1 1または反対側の脚部 1 3 Lまたは 1 3 Rを利用して、 Z軸周りのモ一メン.ト mを発生させる。このとき、モーメント mと三軸力センサ S 1, S 2にかかる力 F 1, F 2は、 F 1 =F 2となり、以下の式

により表わされる。

従って、個々の三軸力センサ S 1， S 2にかかる力 F l, F.2力計算され、それぞれの X成分， Υ成分は、以下の式

f_y(1) = l-sin0

：で (2)- Z(l)、

Θ = a tan

y(2)一 γι) により表わされる。

これに対して、各三軸力センサ S 1， S 2から出力される «IEVと力 f X, yの関係は、計測回数を kとすると、以下の式

により表わされる。

これらの式を連立させて、 n回の計測を行なうと、以下の行列式

力得られ、補正パラメータ A， Bを算出することができる。

このようにして、 X軸方向及び Y方向の補正パラメータ A, Bを同時に算出して、 X Y軸方向のキヤリブレ一ションを行なうことが可能である。

ところで、上述したキャリブレーションは、各三軸力センサ 3 6 a乃至 3 6 c がそれぞれ図 4に示すような二等辺三角形の頂点に配置されている場合、三角形の前側の底辺の両端に位置する三軸力センサ 3 6 a , 3 6 bは、左右対称の配置となることから、キャリブレーションによる補正パラメータが同一値となる。従つて、キヤリブレーシヨンを容易に行なうことができる。

本発明の実施形態による二脚歩行式ロボット 1 0は以上のように構成されており、歩行動作は、図 6に示すフローチャートにより以下のように行なわれる。図 6において、先ずステップ S T 1にて、歩容生成部 2 4力^ 入力された要求動作（J二 J ) に基づいて歩容データを生成し、歩行制御装置 3 0の補償部 3 2 へ出力する。そして、ステップ S T 2にて、双方の足部 1 4 L， 1 4 Rに備えられたカ検出部 2 3 L , 2 3 Rがそれぞれ力を検出して、補償部 3 2へ出力する。また、ステップ S T 3にて、角度計測ュニット 3 1力く各関節部 1 6 L， 1 6 R乃至 2 0 L， 2 O Rの状態べクトル øを言十測して、補償部 3 2へ出力する。これにより、ステップ S T 4にて、補償部 3 2が力検出部 2 3 L， 2 3 Rからの検出出力に基づいて水平床反力 Fを演算する。そして、ステップ S T 5にて、補償部 3 2がこの水平床反力 F及び角度計測ュニット 3 1からの各関節部 1 6 L , 1 6 R 乃至 2 0 L , 2 0 Rの状態べクトル øに基づいて歩容データを修正し、べクトル Θ iを制御部 3 3へ出力する。

次に、ステップ S T 6にて、制御部 3 3はべクトル 0 iからロボッ卜の各関節部における角度べクトル 0 0を減算して、ベクトル（ i— 0 ) に基づいて、各関節駆動用モータの制御信号、即ちトルクべクトルてを生成し、モータ制御ュニット 3 4へ出力する。そして、ステップ S T 7にて、モータ制御ュニッ卜 3 4 が、このトルクべクトルてに基づいて各関節部の関節駆動用モータを駆動制御する。これにより、二脚歩行式ロボット 1 0は、要求動作に対応して歩行動作を行なうことになる。

その後、ステップ S T 8にて、制御部 3 3が動作カウンタインクリメントにより、 J = J + 1として、所定のサンプリング時間になるまで待機した後、ステツプ S T 9にて、上記 Jカ《前以て決められた動作終了カウン卜以下の場合には、再びステップ 2に戻って、上記動作を繰り返す。そして、ステップ S T 9にて、上記 Jが動作終了カウントを超えた場合には、動作を終了する。

この場合、二脚歩行式ロボット 1 0において、各関節駆動用モータの駆動制御の際に、歩容データ力補償部 3 2にて、各足部 1 4 L , 1 4 Rの^ ¾に設けられたカ検出部 2 3 L , 2 3 Rの各三軸力センサ 3 6 a , 3 6 b， 3 6 cからの検出信号による水平床反力 Fに基づいて修正され、べクトル 0 iが生成されることにより、この水平床反力 Fを規範として、ロボット 1 0の安定性を得るようになつている。これにより、ロボット 1 0の各足部 1 4 L， 1 4尺が、例えば足裏が複雑な凹凸を備えた不安定な路面に着地したとしても、に設けられた力検出部 2 3 L， 2 3 Rの各三軸力センサ 3 6 a , 3 6 b， 3 6 c力く確実に着地して水平床反力 Fを検出することができるので、要求動作に対する歩行動作を確実に行なうことが可肯となる。

図 7乃至図 8は、それぞれ上述した力検出部 2 3 L， 2 3 Rの各三軸力センサの他の構成例を示している。

先ず、図 7においては、各三軸力センサ 3 6 a , 3 6 b， 3 6 cは、正三角形の頂点に配置されている。このような三軸力センサ 3 6 a , 3 6 b , 3 6 cの配置によれば、図 4による三軸力センサ 3 6 a乃至 3 6 cと同様に作用すると共に、各三軸力センサ 3 6 a , 3 6 b， 3 6 cに対する負荷荷重力均等に分散されるので、各三軸力センサ 3 6 a , 3 6 b , 3 6 cの負荷が軽減される。

図 8においては、各三軸力センサ 3 6 a， 3 6 b， 3 6 cは、図 4の場合と同様に二等辺三角形の頂点に配置されていると共に、足部 1 4 L， 1 4 Rの脚部 1 3 L , 1 3 Rに対する垂直駆動軸 0を中心とする同一円周上に配置されている。このような三軸力センサ 3 6 a， 3 6 b , 3 6 cの配置によれば、図 4による三軸力センサ 3 6 a乃至 3 6 cと同様に作用すると共に、上記垂直尾区動軸 0周りのトルク較正を容易に行なうことができる。

図 9乃至図 1 1は、それぞれ上述した力検出部 2 3 L , 2 3 Rの各三軸力センザのさらに他の構成例を示しており、これらの構成例においては、各足部 1 4 L ， 1 4尺が、それぞれ脚部 13 L， 13 Rに直接に取り付けられる足元部 1 4 L a, 14 R aと、各足元部 14 L a， 14 Raに対して上下方向に揺動可能に取り付けられた爪先としての足先部 14 Lb， 14 Rbと、から構成されている。なお、足先部 14 Lb, 1 4Rbは、他の関節部と同様にして尾区動手段により足元部 14 L a， 14 Raに対して能動的に揺動されてもよく、また受動的に揺動されるようにしてもよい。

そして、図 9においては、足先部 14 Lb， 14Rb力^ その先端の内側に偏つた位置に一つの三軸力センサ 36 dを、また後端の両端付近の位置にそれぞれ三軸力センサ 36 e， 36 f を、それぞれ備えていると共に、足元部 14 L a， 14 R aがその後端の踵部に一つの三軸力センサ 36 gを備えている。

これに対して、補償部 32は、力検出部 23 L， 23 Rの各三軸力センサ 36 d乃至 36 gの検出信号に基づいて、例えばより大きな力を検出している三軸力センサを選択して、有効な力を検出している三個の三軸力センサ 36 d乃至 36 gによる水平床反力に基づ t、て、歩容デ一タの修正を行なうようになっている。このような三軸力センサ 36 d， 36 e, 36 f , 36 gの配置によれば、足部 14 L, 14 Rの足元部 14 L a, 14 R aが路面に着地している場合には、図 9 (A) に示すように、足先部 14 L b， 14 Rbの後端に備えられた二つの三軸力センサ 36 e， 36 f と足元部 14 L a， 14 R aの後端に備えられた一つの三軸力センサ 36 gの三つの三軸力センサ 36 e， 36 f , 36 g力く床面に接地して、図 9 (B) にて斜線で示すように負荷荷重を受け、床面から水平床反力力加えられることになる。従って、補償部 32は、上述した三つの三軸力センサ 36 e， 36 f， 36 gの検出信号に基づいて水平床反力を演算して、歩容デ —夕の修正を行なう。

これに対して、歩行姿勢の変化により、足部 14 L, 14 Rの足先部 14 L b ， 14 Rbのみが路面に着地している場合には、図 1 0 (A) に示すように、足先部 14 Lb， 14 Rbの先端及び後端に備えられた三つの三軸力センサ 36 d ， 36 e, 36 f力床面に接地して、図 1 0 (B) にて斜線で示すように負荷荷重を受け、床面から水平床反力が加えられることになる。

従って、補償部 32は、上述した三つの三軸力センサ 36 d， 36 e, 36 f の検出信号に基づいて水平床反力を演算して、歩容データの修正を行なう。このようにして、歩行姿勢の変化により、足部 1 4 L， 14 Rの床面への接地状態が変化しても、三つの三軸力センサ 36 e, 3 6 f , 368または3 6 1， 36 e ， 36 f が床面から水平床反力を受けて有効な力を検出するので、補償部 32が正確に歩容デー夕の修正を行なうことができる。

図 1 1においては、各三軸力センサ 36 d乃至 36 gは、図 9の場合と比較して、足先部 14 Lb, 14 Rbの後端の両側に備えられた三軸カセンサ 36 e， 36 f の代わりに、足元部 14 L a， 14 R aの先端の両側にそれぞれ三軸カセンサ 36 h， 36 iが備えられていると共に、足先部 1 4 L b， 1 4Rbの先端の三軸力センサ 36 (1カ左右方向に関してほぼ中央に配置されている。これにより、三軸力センサ 36 h， 36 iは、三軸力センサ 36 dまたは 36 gに対してそれぞれ二等辺三角形の頂点に配置されることになる。

このような三軸力センサ 36 d, 36 h， 36 i , 3 6 gの配置によれば、図 9による三軸力センサ 36 d乃至 36 gと同様に作用すると共に、中間の三軸力センサ 36 h， 36 iのキャリブレーションを容易に行なうことができ、さらに中間の三軸力センサ 36 h， 36 1が足先部14し13， 14 Rbより大きい足元部 1 4 L a， 1 4 R aに取り付けられることにより、より強固に足部 1 4 L， 1 4 Rに取り付けられることになる。

なお、図 11においては、中間の三軸力センサ 36 h, 36 iはそれぞれ足元部 14 L a， 1 4 R aの先端の両側に備えられている力これに限らず、図 1 1 に示すように、足元部 14 L a， 14 Raと足先部 14 L b， 1 4 Rbの連結領域に備えられていてもよい。

このようにして、本発明実施形態の二脚歩行式ロボッ卜 1 0によれば、各足部 14 L, 14 Rの足裏に設けられた力検出部 23 L， 2 3 Rの各三軸力センサ 3 6 a乃至 36 cまたは 36 d乃至 36 gあるいは 36 d, 36 h, 36 i，及び 368カ複雑な凹凸を備えた路面に対しても確実に着地する。従って、各三軸力センサからの検出信号から演算される水平床反力 Fに基づいて、歩容デ一タを修正することにより、足裏の床面との摩擦力により生ずる水平床反力 Fを規範として歩行制御を行ない、複雑な凹凸を備えた不安定な路面状況においても、ロボッ卜 1 0の歩行安定ィ匕を実現することができる。

上述した実施形態においては、例えば図 4，図 7 , 図 8，図 9及び図 1 1にて、三軸力センサは左右対称に配置されているが、これに限らず、不等辺三角形の頂点に配置されていてもよいことは明らかである。また、上述した実施形態においては、三軸力センサは、それぞれ足裏を構成する一枚板の下面に取り付けられているが、これに限らず、三軸力センサの下方にも板材カ《取り付けられて、二枚板の間に三軸力センサ力介揷されるように構成されてもよい。この場合、三軸力センサが圧縮力だけでなく引張り力も検出することができることになる。

なお、このようなセンサ構造の場合、例えば各三軸力センサが、にて前後方向及び左右方向に関してそれぞれ等分位置に配置されていると、力増幅、キヤリブレーションを容易に行なうことができると共に、最も効率よくセンサを活用することができる。

また、上述した実施形態においては、例えば図 4，図 7，図 8にて、力検出部 2 3 L , 2 3 Rは、それぞれ三個の三軸力センサ 3 6 a , 3 6 b及び 3 6 cを備えており、また図 9及び図 1 1においては、力検出部 2 3 L , 2 3 Rは、歩行姿勢の変化に伴って、常に三個の三軸力センサ 3 6 d , 3 6 e ( 3 6 h ) , 3 6 f ( 3 6 i ) または 3 6 e ( 3 6 h ) , 3 6 f ( 3 6 i ) , 3 6 gが床面に着地するようになっているが、これに限らず、それぞれ三個以上の三軸力センサが設けられていてもよい。例えば図 4にて鎖線で示すように、中間領域に二個の三軸力センサ 3 6 j， 3 6 kを備えていてもよい。この場合、補償部 3 2は各三軸カセンサ 3 6 a , 3 6 b , 3 6 c , 3 6 j , 3 6 kの検出信号を比較して、より大きな力を検出している三個の三軸力センサを選択して、選択した三個の三軸力センザの検出信号から水平床反力を演算するようにすればよ、。

さらに、上述した実施形態においては、補償部 3 2は、力検出部 2 3 L , 2 3 Rの各三軸力センサからの検出信号に基づいて、水平床反力を規範として歩容デ —夕の修正を行なうようになっているカ^ これに限らず、従来と同様に力検出部 2 3 L , 2 3 Rの各三軸力センサからの検出信号に基づいて Z M P規範で歩容デ —夕の修正を行なうようにしてもよいことは明らかである。

さらに、上述した実施形態においては、本発明を二脚歩行式ロボッ卜に適用した場合について説明したが、これに限らず、他の各種機器を二本足で支持すると共に、この二本足で歩行するようにした、二脚歩行式移動装置に対して本発明を適用し得ることは明らかである。産業上の利用可食 1¾

以上述べたように、この発明によれば、複雑な凹凸がある不安定な路面状況においても、ロボッ卜の ^における床反力を正確に検出して歩行安定性を実現できるようにした、極めて優れた二脚歩行式移動装置及びその歩行制御装置が提供される。

Claims

請求の範囲

1 . 本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部を有する二本の脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部と、各脚部，膝部及び足部を揺動させる駆動手段と、要求動作に対応して、目標角度 flit, 目標角速度，目標角加速度を含む歩容データを生成する歩容生成部と、この歩容デ一タに基づ、て上記駆動手段を駆動制御する歩行制御装置と、を備えた二脚歩行式移動装置において、

上記歩行制御装置が、

各足部における足裏に加わる力を検出する力検出部と、

上記力検出部で検出された力に基づ L、て、歩容生成部からの歩容デ一夕を修正する補償部と、を含んでおり、

上記力検出部が、各足部の足裏に配置された少なくとも三個の三軸力センサから構成されており、

上記補償部が、力検出部の各三軸力センサのうち、有効な力を検出している三個の三軸カセンサの検出信号に基づ L、て、歩容デー夕の修正を行なうことを特徴とする、二脚歩行式移動装置。

2 . 前記本体が人型ロボットの上体であつて、頭部及び両手部を備えていることを特徴とする、請求項 1または 2に記載の二脚歩行式移動装置。

3 . 各三軸力センサが、足裏から下方に突出していることを特徴とする、請求項 1または 2に記載の二脚歩行式移動装置。

4 . 三個の三軸力センサが、各足部の足裏にて、二等辺三角形の各頂点位置に配置されていることを特徴とする、請求項 1力、ら 3の何れかに記載の二脚歩行式移動装置。

5 . 各三軸力センサが、各足部の足裏にて足部の垂直駆動軸を中心とする同一円周上に配置されていることを特徴とする、請求項 1力、ら 4の何れかに記載の二脚歩行式移動装置。

6 . 各足部が、脚部の下端に直接に取り付けられた足元部と、足元部の先端に上下に揺動可能に取り付けられた爪先としての足先部と、から構成されてお、

力検出部の各三軸力センサが、足元部及び足先部に分散配置されていることを特徴とする、請求項 1カヽら 5の何れかに記載の二脚歩行式移動装置。

7. 一つの三軸力センサが足元部の踵付近に配置され、また他の一つの三軸力センサが足先部の先端付近に配置され、さらに二つの三軸力センサが、足元部及び足先部の境界付近の領域にて左右に配置されていることを特徴とする、請求項 6に記載の二脚歩行式移動装置。

8 . 前言己補償部が、自動キヤリブレーシヨンにより、各三軸カセンサからの検出信号を自動的に較正することを特徴とする、請求項 1から Ίの何れかに記載の二脚歩行式移動装置。

9 . 本体と、本体の下部両側にて二軸方向に揺動可能に取り付けられた中間に膝部分を有する二本の脚部と、各脚部の下端に二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部と、各脚部，膝部及び足部を揺動させる駆動手段と、から成る二脚歩行式移動装置に関して、要求動作に対応して歩容生成部により生成される、目標角度軌道，目標角速度，目標角加速度を含む歩容データに基づいて上記駆動手段を駆動制御する、二脚歩行式移動装置の歩行制御装置において、

各足部における足裏に加わる力を検出する力検出部と、

上記力検出部で検出された力に基づし、て、歩容生成部からの歩容データを修正する補償部と、を含んでおり、

上記力検出部が、各足部の足裏に配置された少なくとも三個の三軸力センサから構成されており、上記補償部が、力検出部の各三軸力センサのうち、有効な力を検出している三個の三軸カセンサの検出信号に基づいて歩容データの修正を行なうことを特徴とする、二脚歩行式移動装置の歩行制御装置。

1 0 . 各三軸力センサが足裏から下方に突出していることを特徴とする、請求項 9に記載の二脚歩行式移動装置の歩行制御装置。

1 1 . 三個の三軸力センサが、各足部の足裏にて二等辺三角形の各頂点位置に配置されていることを特徴とする、請求項 9または 1 0に記載の二脚歩行式移動装置歩行制御装置。

1 2 . 各三軸力センサが、各足部の足裏にて足部の垂直駆動軸を中心とする同一円周上に配置されていることを特徴とする、請求項 9から 1 1の何れかに言己載の二脚歩行式移動装置の歩行制御装置。

1 3. 各三軸力センサが、各足部の足裏にて、前後方向及び横方向に関して等分配置されていることを特徴とする、請求項 9から 1 2の何れかに記載の二脚歩行式移動装置の歩行制御装置。

1 . 前記補償部が、自動キャリブレーションにより、各三軸力センサからの検出信号を自動的に較正することを特徴とする、請求項 9から 1 3の何れかに記載の二脚歩行式移動装置の歩行制御装置。