WO2003106112A1

WO2003106112A1 - 歩行式移動装置及びその歩行制御装置並びに歩行制御方法

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Publication number: WO2003106112A1
Application number: PCT/JP2003/007089
Authority: WO
Inventors: 古田　貴之; 田原　哲雄; 奥村　悠; 北野　宏明; 清水　正晴
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2004-12-12
Also published as: KR20050016533A; CN1659002A; KR100608983B1; EP1552909A1; JP2004017180A; JP3598507B2; TW589245B; CN100588509C; US20050171635A1; TW200405844A; EP1552909A4

Abstract

歩容データに基づいて各脚部（１３Ｌ，１３Ｒ）の各関節部（１５Ｌ，１５Ｒ～２０Ｌ，２０Ｒ）の駆動手段を駆動制御する歩行制御装置（３０）が、各足部（１４Ｌ，１４Ｒ）における足裏に加わる力を検出する力センサ（２３Ｌ，２３Ｒ）と、力センサで検出した力のうち水平床反力に基づいて歩容生成部（２４）からの歩容データを修正する補償部（３２）とを含み、各力センサ部（２３Ｌ，２３Ｒ）が、各足部（１４Ｌ，１４Ｒ）の複数に分割した足裏の各部に設けた三軸力センサ（３６ａ～３６ｄ）から成り、各足裏の端縁に隣接する領域に備えられた力センサにより、接触検知部（３２ｂ）が足側面の接触を検知し、補償部（３２）が足側面の接触を参照しながら歩容生成部（２４）からの歩容データを修正し、これにより障害物等の物体に対する足側面の接触を検知して、歩行安定性を実現する。

Description

JP03/07089 明細書歩行式移動装置及びその歩行制御装置並びに歩行制御方法技術分野

本発明は、歩行式移動装置に関し、足側面の接触を検出でき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って、所定の歩行、。ター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ノ、'ラメ一夕の誤差等によつ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、歩容デ一夕を前もって設定せずに、リアルタイムにロボット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が発生した場合には、歩行姿勢が崩れて口ボットが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トの足裏における床反力と重力の合成モ一メントがゼロとなる点（以下、 ZMP (Z e r 0 Moment Po i nt) という）を目標値に収束させる、所謂 ZMP補償を行なう必要がある。このような Z MP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、口ボットの上体を加速させて修正する方法や、口ボット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、 ZMP規範によりロボットの安定化を図るようにしており、この ZMP規範においては、水平床反力を測定することが前提条件となっている。このため、従来の二脚歩亍式ロボットにおいては、足裏に力センサを備えており、この力センサにより足裏における水平床反力を測定するようにしている。

しかしながら、このような構成の二脚歩行式ロボッ卜においては、上述したように足裏に設けられた力センサは、水平床反力を測定するだけであって、例えば二脚歩行式ロボッ卜の歩行動作中に、足部を移動させたとき、足部の側面が障害物に当たったような場合、二脚歩行式ロボットは、このような障害物への足側面の接触を認識することができず、歩行を続けようとして場合によっては転倒してしまうことがあった。発明の開示

この発明は、以上の点にかんがみて、障害物等の物体に対する足側面の接触を検知して、歩行安定性を実現できるようにした歩行式移動装置と、その歩行制御装置及び歩行制御方法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複数本の脚部と、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ータを生成する歩容生成部と、この歩容デー夕に基づいて上記駆動手段を駆動制御する歩行制御装置と、を備えており、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センサと、上記力センサで検出された力のうち、水平床反力に基づいて歩容生成部からの歩容データを修正する補償部と、を含んでいる二脚歩行式移動装置であって、上記力センサが、各足部の足裏の複数に分割された領域にそれぞれ備えられていて、各足裏の端縁に隣接する領域に備えられた力センサが、それぞれ足側面の接触を検知すると共に、上記補償部が、足側面の接触を参照しながら歩容生成部からの歩容データを修正することを特徴とする歩行式移動装置により、達成される。

好ましくは、上記力センサは三軸力センサであって、上記各足裏の端縁に隣接する領域にて、対応する力センサの検出部材としてのソール外縁の少なくとも一部が、当該力センサを中心とする円弧面を形成している。

本発明による歩行式移動装置は、好ましくは、上記力センサが三軸力センサであって、上記補償部は、各力センサからの検出信号に基づいて六軸方向のカを演算する六軸力算出部と、力成分の分解により足側面の接触を検出する接触検知部と、を備えている。上記接触検知部は、好ましくは、各力センサからの検出信号が、床面からの力によるものか床面上の物体との接触によるものかを判断して、どのカセンサが足側面の接触を検出したかのフラグ情報を補償部に出力する。また、上記目的は、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複数本の脚部と

、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， S柰部及ぴ足部を揺動させる駆動手段と、から成る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と共に、各足部における足裏に加わる力を検出する力センサと、上記力センサで検出された力のうち、水平床反力に基づいて歩容生成部からの歩容データを修正する補償部と、を含んでいる歩行式移動装置の歩行制御装置であって、上記力センサが、各足部の足裏の複数に分割された領域にそれぞれ備えられていて、各足裏の端縁に隣接する領域に備えられた力センサが、それぞれ足側面の接触を検知すると共に、上記補償部が、足側面の接触を参照しながら歩容生成部からの歩容デ一タを修正することを特徴とする歩行式移動装置の歩行制御装置により、達成される。

好ましくは、上記力センサは三軸力センサであって、上記各足裏の端縁に隣接する領域にて、対応する力センサの検出部材としてのソ一ル外縁の少なくとも一部が、当該力センサを中心とする円弧面を形成している。

本発明による歩行式移動装置の歩行制御装置は、好ましくは、上記力センサが三軸力センサであって、上記補償部が、各力センサからの検出信号に基づいて六軸方向の力を演算する六軸力算出部と、力成分の分解により足側面の接触を検出する接触検知部と、を備えている。上記接触検知部は、好ましくは、各力センサからの検出信号が、床面からの力によるものか床面上の物体との接触によるものかを判断して、どの力センサが足側面の接触を検出したかのフラグ情報を補償部に出力する。

さらに、上記目的は、この発明の第三の構成によれば、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複数本の脚部と、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と共に、各足部における足裏に加わる力を力センサにより検出して、上記力センサで検出された力のうち、水平床反力に基づいて、補償部により歩容生成部からの歩容デー夕を修正する歩行式移動装置の歩行制御方法であつて、各足部の足裏の複数に分割された領域にてそれぞれ力センサにより力を検出する第一の段階と、各力センサのうち、足裏の端縁に隣接する領域に備えられた力センサからの検出信号により、それぞれ足側面の接触を検知する第二の段階と、上記補償部が、足側面の接触を参照しながら歩容生成部からの歩容デ一タを修正する第三の段階と、を含んでいることを特徴とする歩行式移動装置の歩行制御方法により、達成される。

好ましくは、上記力センサは三軸力センサであって、上記各足裏の端縁に隣接する領域にて、対応する力センサの検出部材としてのソール外縁の少なくとも一部が当該力センサを中心とする円弧面を形成している。本発明による歩行式移動装置の歩行制御方法は、好ましくは、上記力センサが三軸力センサであって、上記補償部が、各力センサからの検出信号に基づいて、六軸方向の力を演算する六軸力算出部と力成分の分解により足側面の接触を検出する接触検知部とを備えている。上記接触検知部は、好ましくは、各力センサからの検出信号が、床面からの力によるものか床面上の物体との接触によるものかを判断して、どの力センサが足側面の接触を検出したかのフラグ情報を補償部に出力する。

上記構成によれば、各足部の足裏の複数に分割された領域にそれぞれ設けられた力センサにより検出した水平床反力に基づいて、補償部により歩容生成部からの歩容デ一タを修正して駆動手段を駆動制御する。その際、補償部は、上記カセンサのうち、各足裏の端縁に隣接する領域に備えられた力センサにより検知された足側面の接触を参照しながら歩容データの修正を行なう。従って、ロボットの各足部が歩行動作中に、足側面が物体に接触したときには、足側面の接触をカセンサにより検知して、この足側面の接触を参照しながら足裏の床面との摩擦力によって生ずる水平床反力に基づいて歩容データを修正して、本体、好ましくは口ボットの上体の安定化が図られる。従って、ロボッ卜の各足部が、例えば床面上に在る障害物や段差等に当たったときでも、足側面の接触を検知して歩容デ一夕を修正することにより、ロボットの安定性を確保することができ、転倒することがなく確実に歩行制御を行なうことが可能である。

上記各分割部にそれぞれ備えられたカセンサが三軸力センサであって、上記各足裏の端縁に隣接する領域にて、対応する力センサの検出部材としてのソール外縁の少なくとも一部が、当該力センサを中心とする円弧面を形成している場合には、これらの領域の外縁の円弧面の部分に物体が接触したとき、接触点と力センザの距離が常に等しいことから、力センサの検出信号に基づいて接触力を計算する際の計算が簡略化され、検出時間を短縮することができる。また、上記補償部が、各力センサからの検出信号に基づいて、六軸方向の力を演算する六軸力算出部と力成分の分解により足側面の接触を検出する接触検知部とを備えている場合には、六軸力算出部により、少なくとも二つの三軸力センサにより六軸方向の力を演算することができるので、各分割部には、それぞれ安価な三軸力センサを備えることにより、六軸力センサと同様に六軸方向の力を検出することができると共に、コストを低減することができる。また、接触検知部にて力成分を分解して、力センサの構成に基づいてどの力センサが足側面の接触を検知しているかを判別することにより、足側面の接触を検知することができる。

上記接触検知部が、各力センサからの検出信号が床面からの力によるものか床面上の物体との接触によるものかを判断して、どの力センサが足側面の接触を検出したかのフラグ情報を補償部に出力する場合には、補償部は、このフラグ情報に基づいて、どの力センサが足側面の接触を検知したかを参照しながら、歩容生成部からの歩容デ一夕の修正を行なうことができる。図面の簡単な説明

本発明は、以下の詳細な発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、添付図面に示す種々の実施例は本発明を特定また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のものである。

図 1は、この発明による二脚歩行式ロボット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の二脚歩行式ロボットの電気的構成を示すプロック図である。図 3は、図 1の二脚歩行式ロボットの歩行制御装置における補償部の構成を示すブロック図である。

図 4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力センサの構成を示すもので、（A) は平面図、（B ) は断面図である。

図 5 (A) 〜（C ) は、それぞれ図 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 ί亍式ロボットの歩行制御動作を示すフローチャートである。

図 7は図 1の二脚歩亍式口ボットの接角虫検知動作を示すフローチャートである。

図 8 (Α) 〜（C ) は、それぞれ図 1の二脚歩行式ロボットにおける力センサによる足側面の接触検知の状態を示す概略図である。

図 9 (Α) 及び（Β ) は図 4に示した力センサの変形例を示す平面図である。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、この発明による歩行式移動装置を適用した二脚歩行式ロボット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 1 1と、上体 1 1 の下部両側に取り付けられた中間に膝部 1 2 L , 1 2 Rを備えた二本の脚部 1 3

L， 1 3 Rと、各脚部 1 3 L , 1 3 Rの下端に取り付けられた足部 1 4 L， 1 4

Rと、を含んでいる。

ここで、上記脚部 1 3 L， 1 3 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 1 5L, 1 5 R、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 1 7L， 1 7R. a«l 2 L, 1 2 Rのピッチ方向の関節部 1 8 L， 1 81¾、足部1 4し， 1 4 Rに対する足首部のピッチ方向の関節部 1 9 L， 1 9 R、足首部のロール方向の関節部 20 L, 2 ORを備えている。なお、各関節部 1 5 L, 1 5R乃至 20 L, 20 Rは、それぞれ関節駆動用モ一夕により構成されている。

このようにして、腰関節は、上記関節部 1 5 L, 1 5 R, 1 6 L, 1 6 R, 1 7 L, 1 7 Rから構成され、また足関節は、関節部 1 9 L， 1 9 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 1 R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、二脚歩行式ロボット 1 0の左右両側の脚部 1 3 L， 1 3 R及び足部 1 4L, 1 4Rは、それぞれ 6自由度を与えられ、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て適宜の角度に駆動制御することにより、脚部 1 3 L, 1 3 R，足咅 P14 L, 1 4 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。

さらに、上記足部 1 4 L, 1 4 Rは、足裏（下面）に、力センサ部 23 L, 2 3Rを備えている。この力センサ部 2 3 L， 23 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、上記上体 1 1は、図示の場合、単に箱状に示されているが、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ト 1 0の電気的構成を示している。図 2 において、二脚歩行式ロボット 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 24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即ち関節駆動用モータ 1 5 L， 1 5 R乃至 20L, 20 Rを駆動制御する歩行制御装置 30と、を備えている。なお、二脚歩行式ロボット 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 xyz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, 20 Rの目標角度軌道，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、モ一タ制御ュニット 3 4と、から構成されている。

上記角度計測ュニット 3 1は、各関節部 1 5 L, 1 5 R乃至 2 0 L, 2 0 Rの関節駆動用モ一タに備えられた、例えばロー夕リエンコ一ダ等により各関節駆動用モータの角度情報が入力されることにより、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 øを計測して、補償部 3 2に出力するようになつている。上記補償部 3 2は、図 3に示すように、六軸力算出部 3 2 a と、接触検知部 3 2 bと、補償部本体 3 2 cと、を備えている。上記六軸力算出部 3 2 aは、力センサ部 2 3 L, 2 3 Rからの検出出力に基づいて六軸力（F_x , F_Y , F_z , Τχ , Τγ , Tz ) を補償部本体 3 2 cに出力する。また、接触検知部 3 2 bは、力センサ部 2 3 L, 2 3 Rからの検出出力に基づいて力成分を分解し、各力センサ部 2 3 L, 2 3Rの各検出出力が、床面からの力によるものか、床面上に在る物体との接触によるものかを判断し、前もってセンサ構成情報部 3 dに記録されているセンサ構成情報を参照しながら、各力センサ部 2 3 L , 2 3 Rのどの力センサ 3 6 a, 3 6 b， 3 6 c, 3 6 d (後述）が足側面の接触を検知したかを判別して、当該力センサのフラグ情報を補償部本体 3 2 cに出力する。その際、接触検知部 3 2bは、各力センサの夕ツチセンサとしての出力信号 {Swx (0) ， Swy (0) , Swz (0) ； Swx ( 1 ) , Swy ( 1 ) ， Swz ( 1 ) ； · · · } を出力するが、足側面の接触を検知した力センサの出力信号のフラグを例えば 0力、ら 1に設定することにより、各力センサのフラグ情報を出力する。

これにより、補償部本体 3 2 cは、六軸力算出部 3 2 aからの六軸力に基づいて水平床反力 Fを演算し、さらに接触検知部 3 2 bからのフラグ情報を参照して、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、ベクトル Θ i ( 1 = 1から11、ただし、 nはロボット 1 0の歩行に関する自由度）を制御部 3 3に出力する。上記制御部 3 3は、補償部 3 2で修正された歩容デ一夕であるべクトル Θ iから、ロボッ卜の各関節部における角度べクトル Θ 0を減算して、べクトル（Θ i 一 Θ 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する。上記モータ制御ュニット 3 4は、制御部 3 3からの制御信号（トルクベクトルて）に従って各関節駆動用モータを駆動制御する。

ここで、上記力センサ部 2 3 L， 2 3 Rは左右対称の構成であるから、力センサ 2 3 Lについて図 4を参照して説明する。力センサ部 2 3 Lは、足部 1 4しの下面である足裏板 3 5の下側にて、水平方向に分割して、即ち X方向に二分割， y方向に二分割して設けられた四個の力センサ 3 6 a , 3 6 b , 3 6 c , 3 6 d として構成されている。各力センサ 3 6 a， 3 6 b , 3 6 c , 3 6 dは互いに同じ構成であり、力センサ 3 6 aについて、以下に説明する。この力センサ 3 6 a は、上方のソ一ル 3 7と下方のソ一ル 3 8との間に取り付けられた三軸力センサであって、下方のソ一ル 3 8が受ける力を検出するようになっている。

ここで、下方のソール 3 8は、力センサ 3 6 aのセンサ軸を中心に前後左右に揺動可能に支持されており、全方位について揺動により接地し得るようになっていると共に、足部 1 4 Lの外縁に隣接する部分、即ち、足側面に、上方に向かつて立ち上がる側壁 3 8 aを備えている。これにより、足部 1 4 Lが、床面上に在る物体に対して側方に当たったとき、下方ソ一ル 3 8の側壁 3 8 aが当該物体に衝突して、その衝撃力が力センサ 3 6 aに伝達して、力センサ 3 6 aがこの接触を検出することができる。なお、力センサ部 2 3 L及び 2 3 Rはそれぞれ四個の各力センサ 3 6 a〜3 6 dに分割されているが、これに限らず、少なくとも各足部 1 4 L , 1 4 Rのかかと部の両側及び足先部の両側の四個に分割されていればよく、さらに五個以上に分割されていてもよい。また、各力センサ 3 6 a乃至 3 6 dは、図示の場合、足裏にて整列して配置されているが、これに限らず任意に配置されていてもよい。

ところで、一般的には同一平面上に四個以上のカセンサが設けられていても、すべての力センサが着地した状態で、それぞれ力を検出することは幾何学的にも不可能になり、四個目以上は冗長となる。しかしながら、この場合には、各分割部が互いに分割されていることにより、すべての力センサ 3 6 a乃至 3 6 dが床面に着地可能となり、冗長な力センサがなくなって、各力センサがそれぞれ力を検出することができる。

従って、足部 1 4 L, 1 4 Rの床面への着地により加えられる力は、各力センサ 36 a乃至 36 dに分散して印加されることになるので、各力センサ 3 6 a乃至 36 dは、小型で軽量のものを使用することができ、これにより、各力センサ 36 a乃至 3 6 dのコストを低減することができる。また、各力センサ 36 a乃至 36 dに印加される力が小さくなるので、解像度が向上する。従って、同じ解像度を得るためには、各力センサ 36 a乃至 36 dを受けて AD変換する ADコンバ一夕として、比較的性能が低く安価なものを使用することができるので、 A Dコンバータのコストを低減することができる。

ここで、上述した各力センサ 36 a乃至 36 dは、三軸力センサであるが、二個以上の三軸力センサが在れば、六軸方向の力を演算することができる。

以下、一般的に n個の三軸力センサから、六軸方向の力を演算する場合について図 5を参照して説明する。図 5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 l， 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が好ましい。

ここで、各三軸力センサ S iの位置を、 S i = (X ( i ) ， Y ( i ) ) とすると、六軸方向の力は、それぞれ以下の式で与えられる。

即ち、各方向の力 F_x , F_Y ， F_z は、 (('） (1)

/=1

(3) で与えられ、また各方向のトルク Τχ ， Τ_Υ ， T_z は、

Tx-∑f_z(i)-(Y(i)-0_Y) (4)

で与えられる。ただし、上記式（6 ) において、 αは、

で与えられる。

このようにして、各三軸力センサ 3 6 a乃至 3 6 dの検出出力に基づいて、補償部 3 2内に設けられた六軸力算出部 3 2 aにより演算が行なわれ、六軸方向の力が検出されることになる。

さらに、これらの六軸方向の力から、水平床反力 Fは、床面とロボット 1 0の足裏の摩擦力によつて生ずる水平方向の力、即ち上記 X方向及び Y方向の力 F X

， F y の合力として表わされ、そのべクトル F _c 及び大きさ I F _c Iは、

で表わされる。

なお、各三軸力センサ 3 6 a乃至 3 6 d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 3 6 a乃至 3 6 dの検出出力は、例えば自動キヤリブレ一ションにより補償部 3 2内にて自動的に較正される。

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に示すフロ一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が、入力された要求動作（J = 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に備えられたカセンサ 2 3 L , 2 3 Rがそれぞれ力を検出して、補償部 3 2の六軸力算出部 3 2 a及び接触検知部 3 2 bへ出力する。これと並行して、ステップ S T 3にて、角度計測ュニット 3 1が、各関節部 1 5 L， 1 5 R乃至 2 0 L， 2 0 Rの状態べクトル^)を計測して、補償部 3 2へ出力する。

ステップ ST4にて、六軸力算出部 32 aは、力センサ部 2 3 L, 2 3 Rの各力センサ 36 a乃至 36 dの検出出力に基づいて六軸力を算出し、補償部本体 3 2 cへ出力する。これと並行して、ステップ ST5にて、接触検知部 32 bが、力センサ部 2 3 L, 23 Rの各力センサ 36 a乃至 36 dの検出出力に基づいて、後述するように、どの力センサ 36 a乃至 36 dが足側面の接触を検知しているかを判断して、当該力センサ 36 a乃至 36 dのフラグ情報を補償部本体 32 cへ出力する。これにより、ステップ ST 6にて、補償部 32の補償部本体 32 cが、六軸力算出部 32 aからの六軸力に基づいて水平床反力 Fを演算する。ステツプ ST7にて、補償部 32の補償部本体 32 cは、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 5 L , 1 5 R乃至 20 L , 20 Rの状態べクトル (^に基づいて、接触検知部 32 bからのフラグ情報を参照しながら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。ここで、補償部 32 は、六軸力を公知の Z M P補償関数に適用して歩容デー夕を修正するようにしてもよレ、。この公知の ZMP補償関数については、例えば本出願人による 2002 年 1 2月 1 9日付で国際公開された国際特許出願（国際公開番号 W002/ 1 0 0606 A 1 ) を参照できる。なお、上記 Z MP補償関数に限らず、従来の補償関数に六軸力を適用して歩容デ一夕を修正してもよいことは勿論である。次に、ステップ ST 8にて、制御部 33は、ベクトル 0 iからロボットの各関節部における角度べクトル Θ 0を減算して、ベクトル（θ ί— Θ 0) に基づいて各関節駆動用モ一夕の制御信号、即ちトルクベクトルてを生成し、モータ制御ュニット 34へ出力する。そして、ステップ ST 9にて、モータ制御ュニット 34 が、このトルクベ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 ifなうことになる。

その後、ステップ ST 1 0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、ステップ ST 1 1にて、上記 Jが前以て決められた動作終了カウント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 ST 1 1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。

ここで、上述したステップ ST 5における接触検知部 32 bによる足側面の接触の検知は、図 7のフローチャートに示すようにして行なわれる。図 7において、接触検知部 32bは、初期条件 K=0から、ステップ ST2 1にて、 Κ = Κ + 1として、ステップ ST22にて、 Κ番目（各力センサ部 2 3 L, 23 Rの個々の力センサ 36 a乃至 36 dには予め通し番号が付されている）の力センサ 36 a乃至 36 dの接触検知作業を開始する。図において、 N個のセンサを有している場合を説明しているが、ここでは N=8、即ち K== 1〜8として説明する。ステップ ST23にて、前もってセンサ構成情報部 3 2 dに記録されているセンサ構成情報から当該力センサの足中心方向を取得して、三軸に関してその方向を正と設定する。続いて、ステップ ST24にて、当該力センサ 36 a乃至 36 dがカを検知すると、ステップ ST2 5にて、接触検知部 3 2 bは、 X方向に関して正の力を検出しているか否か（Fx (K) 〉0 ?) を半 lj断し、正の力である場合には、ステップ ST26にて、当該力センサに関してフラグを立てる（Sw X (K) = 1に設定）と共に、正の力でない場合には、ステップ ST2 7にて、当該力センサに関してフラグを下ろす（Swx (K) =0に設定）。

ステップ ST 28にて、接触検知部 32 bは、 Y方向に関して正の力を検出しているか否か（F_Y (K) >0？) を判断し、正の力である場合には、ステップ ST 29にて、当該力センサに関してフラグを立てる (Swy (K) = 1に設定 ) と共に、正の力でない場合には、ステップ ST30にて、当該力センサに関してフラグを下ろす（Swy (K) =0に設定）。

その後、ステップ ST3 1にて、接触検知部 32 bは、 Z方向に関して、正の力を検出しているか否か（F_z (K) >0？) を判断し、正の力である場合には、ステップ ST32にて、当該力センサに関してフラグを立てる（Swz (K) = 1に設定）と共に、正の力でない場合には、ステップ ST 3 3にて、当該カセンサに関してフラグを下ろす（Swz (K) =0に設定）。

最後に、ステップ ST 34にて、接触検知部 32 bは、上記各フラグ情報を補償部本体 32 cに出力すると共に、 K= 8？の判定を行ない、 Κ≠ 8の場合には、ステップ ST 2 1に戻って、 Κ-Κ+ 1として、上記ステップ ST 2 2から S T 3 4の動作を繰り返し行なう。また、 Κ = 8の場合には、接触検知の作業を終了する。

このようにして、図 8 (Α) に示すように、足部 1 4 Lに関して、左方から接触力を受けたとき、あるいは図 8 ( Β ) に示すように、足部 1 4 Lに関して、斜め下方から接触力を受けたとき、さらには図（C ) に示すように、左方及び斜め下方の複数方向から接触力を受けたとき、それぞれ力センサ 3 6 a及び/又は 3 6 dが、それぞれ夕ツチセンサとして作用することにより、接角虫検知部 3 2 bによる接触検知が行なわれる。

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、補償部 3 2の補償部本体 3 2 cにて、各足部 1 4 L , 1 4 Rの足裏に設けられた力センサ部 2 3 L , 2 3 Rからの水平床反力 Fに基づいて、接触検知部 3 2 bによる足側面の接触を示すフラグ情報を参照しながら歩容デ一夕が修正され、べクトル Θ iが生成され、この水平床反力 Fを規範としてロボット 1 0の安定性が得られる。これにより、ロボット 1 0の各足部 1 4 L , 1 4 Rが、例えば床面上に在る障害物や段差等に当たったとしても、足裏に設けられた力センサ部 2 3 L， 2 3 Rが足側面の接触を検知することができるので、従来のようにそのまま歩行動作を続行して場合によっては転倒してしまうことはなく、要求動作に対する歩行動作を確実に行なうことが可能になる。

この実施形態の二脚歩行式ロボット 1 0によれば、各足部 1 4 L , 1 4 Rの足裏に設けられた力センサ部 2 3 L , 2 3 R、即ち複数に分割された足裏にそれぞれ設けられた三軸力センサ 3 6 a乃至 3 6 d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、さらに接触検知部 3 2 bによる足側面の接触の検知を参照しながら歩容デ一夕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 7K平床反力 Fを規範として歩行制御を行なうことができる。さらに、カセンサ部 2 3 L , 2 3 Rを側面に関する夕ツチセンサとしても利用して、足側面の接触を検知することができるので、簡単な構成になり低コストで、床面上に在る障害物や段差等があっても、ロボット 1 0の歩行安定化を実現することができる。上述した実施形態においては、力センサ部 2 3 L , 2 3 Rは、それぞれ図 4に示すように、各力センサ 3 6 a乃至 3 6 dの下方のソール 3 8の側壁 3 8 aが全 _m

PCT/JP03/07089 体として長方形の外形を有しているが、これに限らず、図 9 (A) に示すように、検出部材としての下方のソール 3 8の仴 ij壁 3 8 aの少なくとも一部、図示の場合、角部が、それぞれ各力センサ 3 6 a， 3 6 b , 3 6 c , 3 6 dを中心とする半径 R 1， R 2 , R 3 , R 4の円弧面として形成されていてもよい。このような構成により、円弧面として形成された側壁 3 8 aの部分に関して、床面上に在る障害物や段差等の物体が接触した場合、対応する力センサ 3 6 a乃至 3 6 dが接触力を計算する際に、これらの部分から力センサ 3 6 a乃至 3 6 dまでの距離が常に等しいことから、計算が簡略化され、検出時間が短縮される。さらに、図 9 ( B ) に示すように、各側壁 3 8 aの少なくとも一部が、それぞれ各力センサ 3 6 a乃至 3 6 dを中心とする互いに同じ半径 Rの円弧面として形成されている場合には、各力センサ 3 6 a乃至 3 6 dにおける計算式のパラメータが同一になり、より計算が簡略化され、より一層検出時間が短縮される。

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ト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や、さらには複数本の脚部で支持し且つ歩行を行なう歩行式ロボットや歩行式移動装置に対しても本発明を適用し得ることは明らかである。産業上の利用可能性

以上述べたように、この発明によれば、ロポッ卜が歩行動作中に各足部が、例えば床面上に在る障害物や段差等に当たったときでも、足側面の接触を検知して歩容データを修正することにより、ロボッ卜の安定性を確保することができ、転倒することがなく確実に歩行制御を行なうことが可能となり、歩行安定性を実現できる極めて優れた二脚歩行式移動装置と、その歩行制御装置及び歩行制御方法が提供される。

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複数本の脚部と、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ータを生成する歩容生成部と、この歩容データに基づいて上記駆動手段を駆動制御する歩行制御装置と、を備えており、

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センサと、上記力センサで検出された力のうち、水平床反力に基づいて歩容生成部からの歩容データを修正する補償部と、を含んでいる二脚歩行式移動装置であって、上記カセンサが、各足部の足裏の複数に分割された領域にそれぞれ備えられていて、各足裏の端縁に隣接する領域に備えられた力センサが、それぞれ足側面の接触を検知すると共に、

上記補償部が、足側面の接触を参照しながら、歩容生成部からの歩容データを修正することを特徴とする、歩行式移動装置。

2 . 前記力センサが、三軸力センサであって、前記各足裏の端縁に隣接する領域にて、対応する力センサの検出部材としてのソール外縁の少なくとも一部が、当該力センサを中心とする円弧面を形成していることを特徴とする、請求項 1に記載の歩行式移動装置。

3 . 前記力センサが、三軸力センサであって、前記補償部が、各力センサからの検出信号に基づいて、六軸方向の力を演算する六軸力算出部と、力成分の分解により足側面の接触を検出する接触検知部と、を備えていることを特徴とする、請求項 1又は 2に記載の歩行式移動装置。

4 . 前記接触検知部は、各力センサからの検出信号が、床面からの力によるものか、床面上の物体との接触によるものかを判断して、どの力センサが足側面の接触を検出したかのフラグ情報を補償部に出力することを特徴とする、請求項 1又は 3に記載の歩行式移動装置。

5 . 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複数本の脚部と、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，膝部及び足部を摇動させる駆動手段と、から成る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と共に、各足部における足裏に加わる力を検出する力センサと、上記力センサで検出された力のうち、水平床反力に基づいて歩容生成部からの歩容デ一夕を修正する補償部と、を含んでいる歩行式移動装置の歩行制御装置であつて、

上記力センサが、各足部の足裏の複数に分割された領域にそれぞれ備えられていて、各足裏の端縁に隣接する領域に備えられた力センサが、それぞれ足側面の接触を検知すると共に、

上記補償部が、足側面の接触を参照しながら、歩容生成部からの歩容データを修正することを特徴とする、歩行式移動装置の歩行制御装置。

6 . 前記力センサが、三軸力センサであって、前記各足裏の端縁に隣接する領域にて、対応する力センサの検出部材としてのソール外縁の少なくとも一部が、当該力センサを中心とする円弧面を形成していることを特徴とする、請求項 5に記載の歩行式移動装置の歩行制御装置。

7 . 前記力センサが、三軸力センサであって、前記補償部が、各力センサからの検出信号に基づいて、六軸方向の力を演算する六軸力算出部と、力成分の分解により足側面の接触を検出する接触検知部と、を備えていることを特徴とする、請求項 5又は 6に記載の歩行式移動装置の歩行制御装置。

8 . 前記接触検知部は、各力センサからの検出信号が、床面からの力によるものか、床面上の物体との接触によるものかを判断して、どの力センサが足側面の接触を検出したかのフラグ情報を補償部に出力することを特徴とする、請求項 7に記載の歩行式移動装置の歩行制御装置。

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複数本の脚部と、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尾区動制御すると共に、各足部における足裏に加わる力を力センサにより検出して、上記力センサで検出された力のうち、水平床反力に基づいて、補償部により歩容生成部からの歩容デ一タを修正する、歩行式移動装置の歩行制御方法であつて、

各足部の足裏の複数に分割された領域にてそれぞれ力センサにより力を検出する第一の段階と、

各力センサのうち、足裏の端縁に隣接する領域に備えられたカセンサからの検出信号により、それぞれ足側面の接触を検知する第二の段階と、

上記補償部が、足側面の接触を参照しながら、歩容生成部からの歩容データを修正する第三の段階と、

を含んでいることを特徴とする、歩行式移動装置の歩行制御方法。

1 0 . 前記力センサが、三軸力センサであって、前記各足裏の端縁に隣接する領域にて、対応する力センサの検出部材としてのソ一ル外縁の少なくとも一部が、当該力センサを中心とする円弧面を形成していることを特徴とする、請求項 9に記載の歩行式移動装置の歩行制御方法。

1 1 . 前記力センサが、三軸力センサであって、前記補償部が、各力センザからの検出信号に基づいて、六軸方向の力を演算する六軸力算出部と、力成分の分解により足側面の接触を検出する接触検知部と、を備えていることを特徴とする、請求項 9又は 1 0に記載の歩行式移動装置の歩行制御方法。

1 2 . 前記接触検知部は、各力センサからの検出信号が、床面からの力によるものか、床面上の物体との接触によるものかを判断して、どの力センサが足側面の接触を検出したかのフラグ情報を補償部に出力することを特徴とする、請求項 1 0又は 1 1に記載の歩行式移動装置の歩行制御方法。