WO2002100606A1

WO2002100606A1 - Appareil marchant sur deux jambes, et appareil et procede de commande de marche

Info

Publication number: WO2002100606A1
Application number: PCT/JP2002/005422
Authority: WO
Inventors: Takayuki Furuta; Ken Tomiyama; Hiroaki Kitano
Original assignee: Japan Science And Technology Corporation
Priority date: 2001-06-07
Filing date: 2002-06-03
Publication date: 2002-12-19
Also published as: TW544385B; US20040051493A1; EP1393866A4; EP1393866B1; JP2002361574A; US6943520B2; KR100476644B1; KR20030029788A; DE60233566D1; EP1393866A1; JP3760186B2

Description

明細書二脚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、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、歩容という）デ一夕を生成して、この歩容データに従って歩行制御を行なつて、所定の歩行ノ、。夕一ンで脚部を動作させることにより二足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ロボットは、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 ^lj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、歩行姿勢が崩れてロボッ卜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、 Z MP： Z e r 0 M o m e n t P o i n t という）を目標値に収束させる、所謂 Z M P補償を行なう必要がある。このような Z M P補償のための制御方法としては、例えば曰本国特開平 5— 3 0 5 5 8 3 号公報に示すように、コンプライアンス制御を利用して、 Z M Pを目標値に収束させ、口ポットの上体を加速させて修正する方法や、ロボットの足の接地場所を條正する制御方法が知られている。

ところで、これらの制御方法においては、何れの場合も、ロボットの関節部分の角速度を変化させて動作軌跡を変更することにより、ロボッ卜の安定化を図るようにしている。このため、ロボットの遊脚先端，上体位置等のロボットの各部の運動軌道が歩容データによる歩容からずれて、ロボットの足の歩幅や遊脚の高さが変わったり上体力傾斜してしまう。従って、上体の傾斜を傾斜センサにより検出して上体の傾斜を補償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口ボットにおいては、上体の傾斜の補償が必要であると共に、例えば飛び石上を歩行する等の遊脚着地位置を変更できない場合や、上方に在る障害物をくぐり抜けたり、路面にある障害物を跨ぐような場合には、歩容が変化することにより歩幅が変わったり、あるいは遊脚及ぴ上体の姿勢が変わってしまうので、飛び石上に遊脚を着地させることができなかったり、あるいは上方の障害物に当たってしまったり、路面にある障害物に躓いたりして、歩行できなくなってしまうことがある。

この発明は、以上の点にかんがみて、歩容すなわち各関節部分の動作軌跡を変更せずに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、その歩行制御装置及び歩行制御方法を提供することを目的としている。発明の開示

上記目的を達成するため、この発明にかかる二脚歩行式移動装置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，膝部分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、この歩容デ一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、を備えた二脚歩行式移動装置において、上記歩行制御装置が Z M P補償装置を備えており、この Z M P補償装置が、各足部における Z MPを検出する Z M P検出センサと、歩容生成部からの歩容デ一夕に基づいて Z M P目標値を算出する Z M P変換部と、 Z MP検出センサにより検出された Z MP実測値と、 Z M P変換部からの Z M P目標値を比較して歩容生成部からの歩容デ一夕の目標角速度及び角加速度を修正することにより Z M P目標値を補償する Z MP補償部と、を含んでいることを特徴としている。

本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、上記本体が人型ロボッ卜の上体であつ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、上記 Z MP補償部が、 ZM P検出センサにより検出された Z M P実測値と、 Z M P変換部からの Z M P目標値を比較して Z MP仮想目標値を生成する Z MP仮想目標値生成部と、 Z MP目標値から Z MP仮想目標値への補償のための慣性力操作パラメ一夕を生成するパラメ一夕生成部と、パラメ一夕生成部からの慣性力操作/ヽ。ラメ一夕に基づいて Z MP目標値を補償する安定化フィル夕と、から構成されている。

本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、上記 ZMP仮想目標値生成部が、生成した Z M P仮想目標値が補償可能限界内であるか否かを判別する。本発明による二脚歩行式移動装置は、好ましくは、上記 ZMP仮想目標値生成部が、生成した ZMP仮想目標値が補償可能限界を超えていると判別したときには再度 Z MP仮想目標値を生成する。

また、上記目的を達成するため、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，膝部分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一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、上記歩行制御装置が Z MP補償装置を備えており、この ZMP補償装置が、各足 ¾5における ZMPを検出する ZMP 検出センサと、歩容生成部からの歩容デー夕に基づいて Z M P目標値を算出する ZMP変換部と、 ZMP検出センサにより検出された ZMP実測値^:、 ZMP変換部からの Z M P目標値を比較して歩容生成部からの歩容デー夕の目標角速度及び角力口速度を修正することにより Z MP目標値を補償する Z MP補償部と、を含んでいることを特徴としている。

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 ZMP 補償部が、 ZMP検出センサにより検出された ZMP実測値と、 ZMP変換部からの Z M P目標値を比較して Z M P仮想目標値を生成する Z M P仮想目標値生成部と、 Z M P目標値から Z M P仮想目標値への補償のための慣性力操作/、。ラメ一タを生成するパラメ一夕生成部と、パラメータ生成部からのパラメータに基づいて Z M P目標値を補償する安定化フィル夕と、から構成されている。

本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制御装置において、好ましくは、上記 Z M P仮想目標値生成部は、生成した Z M P仮想目標値が補償可能限界内であるか否かを判別する。

本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制御装置において、好ましくは、上記 Z MP仮想目標値生成部は、生成した Z M P仮想目標値が補償可能限界を超えていると判別したときには、再度 Z M P仮想目標値を生成する。

さらに、上記目的を達成するため、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，膝部分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一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方法において、上記歩行制御方法が Z MP補償を行なう際に、 Z MP検出センサにより各足音における Z M Pを検出する第一の段階と、歩容生成部からの歩容デ一夕に基づいて Z MP変換部により Z MP目標値を算出する第二の段階と、 Z M P検出センサにより検出された Z M P実測値と Z M P目標値を比較して Z M P補償部により歩容生成部からの歩容デー夕の目標角速度及び角加速度を修正することによ 0 Z M P目標値を補償する第三の段階と、を含んでいることを特徴としている。

本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制御方法は、好ましくは、上記第三の段階が、 Ζ Μ Ρ検出センサにより検出された Ζ ΜΡ実測値と、 Ζ ΜΡ変換部からの Ζ Μ Ρ目標値を比較して Ζ Μ Ρ仮想目標値を生成する段階と、 Ζ Μ Ρ目標値から Z M P仮想目標値への補償のための慣性力操作パラメータを生成する段階と、慣性力操作パラメ―夕に基づいて Z M P目標値を安定化フィル夕により補償する段階と、を含んでいる。本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制御方法において、好ましくは、上記

Z M P仮想目標値を生成する段階が、生成した Z M P仮想目標値が補償可能限界内であるか否かを判別する。

本発明による二脚歩行式移動装置の歩行制御方法において、好ましくは、上記 Z MP仮想目標値を生成する段階が、生成した Z MP仮想目標値が補償可能限界を超えていると判別したときには、再度 Z M P目標値を生成する。

上記構成によれば、 Z MP検出センサにて検出した Z MP実測値と、歩容デ一夕から Z M P変換部にて算出した Z M P目標値とを比較して Z M P補償部にて歩容生成部からの歩容デ一タの目標角速度及び目標角加速度を修正して、移動装置に発生する慣性力を制御することにより Z MP目標値を補償する。これにより、脚部及び足部の動作軌跡を変更することなく、 Z MPの実測誤差をゼロに収束させて、本体、好ましくはロボットの上体の安定化を図るようになっている。従つて、 Z M P目標値の補償の際に、歩容デ一夕の目標角度軌道を変更することがないので、ロボット等の移動装置の本体，脚部の各部分の運動軌道が歩容データにより決められた運動軌道から外れることがない。

これにより、例えば移動装置が飛び石等の遊脚着地位置が決まっている場合であっても、また障害物を跨いだり潜り抜けるような場合であっても、確実に歩行制御を行なうことが可能である。

また、 Z MPの補償は、歩容生成部により生成された歩容データを利用することにより行なうようになっているので、歩容デ一夕の生成手法には依存しない。従って、 Z MPの補償が簡略化され得ることになる。

さらに、 Z M Pの補償に際して歩容データの目標角度軌道を変更しないので、従来のような補償の際に用いた上体の傾斜を検出して上体を補償する必要がなく、簡単な構成により Z M Pの補償を行なうことができる。

上記 Z M F補償部が、 Z MP検出センサにより検出された Z M P実測値と、 Z M P変換部からの Z M P目標値を比較して Z M P仮想目標値を生成する Z M P仮想目標値生成部と、 Z MP目標値から Z M P仮想目標値への補償のための慣性力操作ノ、。ラメ一夕を生成するパラメ一夕生成部と、パラメ一夕生成部からの慣性力操作パラメ一夕に基づいて Z M P目標値を補償する安定化フィル夕とから構成されている場合には、 Z MP仮想目標値生成部により Z M P仮想目標値を設定することにより Z MPを段階的に補償することができる。

これにより、 Z M P実測値が Z M P目標値から大きくずれた場合であつても、 Z MPの補償を段階的に行なうことにより、過大なトルクが各関節部で発生することを防止して移動装置の歩行安定性を確保することができるので、移動装置全体の転倒を防止することができる。

上記 Z M P仮想目標値生成部が、生成した Z M P仮想目標値が補償可能限界内であるか否かを判別するときには、判別の結果、生成した Z M P仮想目標値が補償可能限界内である場合には、この Z M P仮想目標値に対して Z M Pの補償を行なったとしても移動装置が転倒するようなことはない。従って、この Z M P仮想目標値に対して Z M Pの補償を行なうことができる。

上記 Z M P仮想目標値生成部が、生成した Z M P仮想目標値が補償可能限界を超えていると判別したとき、再度 Z MP仮想目標値を生成する場合には、補償可能限界内の Z M P仮想目標値を生成することにより、二脚歩行式移動装置の歩行安定性を確保しつつ、 Z MP実測値を Z M P目標値に近づけるようにすることで移動装置の転倒を防止することができる。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の二脚歩行式ロボッ卜の電気的構成を示すプロック図である。図 3は、図 1の二脚歩行式口ボットの Z M P補償装置の構成を示すプロック図である。

図 4は、図 1に示す二脚歩行式ロボッ卜の歩行時の X z平面分離モデルを示す概略図である。

図 5は、図 1の二脚歩行式ロボッ卜の歩行制御動作を示すフローチャートである。

図 6は、図 1の二脚歩行式ロボットにおける Z MP補償の角速度操作を示す概略図である。

図 7は、図 1の二脚歩行式ロボットにおけるシミュレーション実験による ZM P仮想目標値と Z M P実測値を示すグラフである。

図 8は、図 1の二脚歩行式ロボットにおけるシミュレーション実験による ZM P目標値， Z MP実測値及び Z MP補償のない場合の Z MP実測値を示すグラフである。

図 9は、図 1の二脚歩行式ロボットにおける実機実験による ZMP目標値， Z M P実測値及び Z M P補償のない場合の Z M P実測値を示すグラフである。図 1 0は、図 1の二脚歩行式ロボッ卜における他の実機実験による ZMP実測値及び従来の Z M P補償による場合の Z M P実測値を示すグラフである。

図 1 1は、図 1 0の実機実験の外乱作用直後の（A) Z MP目標値， ZMP実測値及び、（B) ZMP誤差を示す拡大グラフである。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明を好適な実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図 1及び図 1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 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 31^と、各脚部1 3し， 1 3 Rの下端に取り付けられた足部 14 L, 1 4 Rと、を含んでいる。

ここで、上記脚部 1 3 L， 1 3R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. βΐ 2 L, 1 2 Rのピッチ方向の関節部 1 8 L， 18 R、足部 1 4 L, 14 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 O Rを備えている。なお、各関節部 1 5L, 1 5 R乃至 20 L, 2 ORはそれぞれ関節駆動用モータ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 5R, 1 6 L, 16 R, 1 7KL, 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 OR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 2 2 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及び足咅 1 4 L， 14 R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一夕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 14 L， 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 4L， 1 4 Rは、 ZMP検出センサ 23 L， 23Rを備えている。この ZMP検出センサ 2 3 L, 2 3 Rは、それぞれ各足部 14 L, 14 Rにおける足裏床反力の中心点である Z M Pを検出して、 Z M P実測値を出力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 ί亍式ロボット 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 24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 10の歩行に必要な各関節部 1 5 L， 1 5R乃至 20 L, 2 ORの目標角度軌道 0ref , 目標角速度 ( d Θ ref /dt) , 目標角加速度 (d² Θ ref / d t ² ) を含む歩容デ一夕を生成するようになっている。上記歩行制御装置 3 0は、角度計測ュニット 3 1と、 ZMF補償装置 3 と、制御部 3 3と、モータ制御ュニ、ソト 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ることにより、各関節駆動用モータの角度位置を計測して、制御部 3 3に出力するようになっている。

上記 ZMP補償装置 3 2は、以下に詳細に説明するように、上記 ZMP検出センサ 2 3 L, 2 3 Rからの ZMP実測値に基づいて、歩容生成部 2 4からの歩容デ一夕の Z M P目標値補償を行うようになっている。

上記制御部 3 3は、 Z MP補償装置 3 2で補償された歩容データの Z MP目標値と、角度計測ュニット 3 1からの各関節駆動用モ一夕の角度位置に基づいて、各関節駆動用モー夕の制御信号を生成するようになっている。

上記モータ制御ュニット 34は、制御部 3 3からの制御信号に従って各関節駆動用モー夕を駆動制御するようになつている。

ここで、上記 ZMF補償装置 3 2は、図 3に示すように構成されている。図 3 において、 ZMP補償装置 3 2は、 ZMP変換部 3 5と ZMP補償咅 3 6とから構成されている。上記 ZMF変換部 3 5は、歩容生成部 2 4からの歩容データの目標角度軌道 Sref ，目標角速度 ( d Θ ref / d t ) 及び目標角加速度 (d² Θ ref /d t ² ) に基づいて、 ZMP目標値 ZMPref を算出する。 ZMP目標値 ZMPref の算出は、以下のようにして行なわれる。

図 4に示すように、二脚歩行式ロポット 1 0の支持脚を X z平面の原点として、支持脚の下腿部 2 2 Lまたは 2 2 Rの質量を m 1，角度を θ 1とし、大腿部 2 1 Lまたは 2 1 Rの質量を m 2，角度を Θ 2とし、上体 1 1の質量を m 3，角度を 0 3とし、遊脚の大腿部 2 1 Rまたは 2 1 Lの質量を m4，角度を Θ 4とし、下腿部 2 2 Rまたは 2 2 Lの質量を m5, 角度を Θ 5とすると、ピッチ軸周りの ZMP (XZMP ) は、下記（ 1 ) 式により算出される。

^Zmp— ¹⁾

同様にして、ロール軸周りの ZMP (YZMP ) も算出することができる。

上記 Z MP補償部 36は、図 3に示すように、 Z MP仮想目標値生成部 3 7とパラメータ生成部 38と安定化フィルタ 39とから構成されている。上記 ZMP 仮想目標値生成部 3 7は、 ZMP検出センサにより検出された ZMP実測値と、 ZMP変換部 3 5からの ZMP目標値 ZMPref とを比較して、 ZMP仮想、目標値 ZMFvrefを生成する。具体的には、 ZMP仮想目標値生成部 37は、減算器 37 aによる ZMP誤差 ZMPerr ( = ZMPref —ZMP実測値）と、 ZMF 目標値 ZMPref から、下記（ 2 )式により Z MP仮想目標値 ZMPvrefを生成する。

ZMP_vref = ZMP_ref + · ZMP_err0r _(£) ここで、 αはゲインである。

さらに、上記 ZMF仮想目標値生成部 37は、この ΖΜΡ仮想目標値 ZMPvr efが補償可能限界以内であるか否かの判別を行ない、補償可能限界を超えている場合には、再度 Z M P仮想目標値 ZMP vrefを生成する。

上記パラメータ生成部 38は、 ZMP仮想目標値生成部 37からの ZMF仮想目標値 ZMPvrefと、歩行生成部 24からの目標角度軌道 0ref , 目標角速度 ( d 6ref t) 及び目標角加速度（d² 9ref /d t ² ) に基づいて、 ZMP 補償関数を利用して、 Z M P実測値を Z M P仮想目標値 Z M Pvrefまで修正するために必要な慣性力を計算し、この慣性力に応じた慣性力操作パラメータ T cを算出する。この慣性力操作パラメ一夕 Tcは、ピッチ軸周りに関して、前述した ZMPの計算式から、下記（3)式により導出され、この式を ZMP補償関数という。

ここで、 f , λ，は、口ポットの物理量及び 0 r e f により決定されるパラメータである。

同様にして、ロール軸周りの Z M P補償関数も導出することができる。これにより、パラメータ生成部 38は、慣性力操作パラメータ Tcにより、 Z MPサンプリング間隔を仮想的に伸縮させて、 Z MP目標値を実現するために必要な慣性力を生じさせるようになつている。

上記安定化フィル夕 39は、パラメータ生成部 3 8からの慣性力操作パラ'メ一夕 Tcに基づいて、歩容生成部 24からの歩容データである目標角度軌道 0ref ，目標角速度（deref /d t) 及び目標角加速度（d² eref /d t² ) から、各関節部の修正した目標角度軌道 Θ c，目標角速度 (άθ c/d t)及び目標角加速度（d² Θ c/d t² ) を算出する。

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 5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 5において、先ずステップ ST 1にて、歩容生成部 24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 30の ZMP補償装置 32に出力する。

次に、ステップ ST2にて、 ZMP補償装置 3 2の ZMP変換部 35が、この歩容データに基づいて各関節部 1 6 L, 1 61乃至20し， 2 ORの目標角度 Θ ref ，目標角速度 (d0ref /d t) , 目標角加速度 (d² Θ ref /d t² ) から ZMP目標値を算出する。他方、ステップ ST 3にて、双方の足部 14 L, 1 4 Rに備えられた ZMP検出センサ 23L, 23 Rが Z MP実測値を検出する。これにより、ステップ ST 4にて、 ZMP仮想目標値生成部 37が、減算器 37 aからの ZMP誤差 ZMPerr と、 ZMP変換咅 3 5からの Z MP目標値 Z MP ref から、 ZMP仮想目標値 ZMPvrefを生成する。

続いて、ステップ ST 5にて、 Z MP仮想目標値生成部 37が、 ZMP仮想目標値 ZMPvrefが補償可能限界内であるか否かを判別する。そして、ステップ S T 5にて、 Z MP仮想目標値 ZMPvrefが補償可能限界を超えている場合には、前述したステップ ST4に戻って、 ZMP仮想目標値生成部 37が、再び ZMP 仮想目標値 ZMPvrefを生成する。また、ステップ ST 5にて、 ZMP仮想目標値 ZMPvrefが補償可能限界内である場合には、 ZMP仮想目標値生成部 37が、 ZMP仮想目標値 ZMPvrefをパラメ一夕生成部 38に出力する。

そして、ステップ ST 6にて、パラメ一夕生成部 38が、この ZMP仮想目標値 ZMPvrefと、歩容生成部 24からの歩容デ一夕による各関節部 16L, 16 R乃至 20L, 2 ORの目標角度 0ref ，目標角速度（ d Θ ref /d t ) , 目標角加速度（d² 6ref /dt² ) とから、 Z MP補償関数により慣 f生力操作パラメータ Tcを算出して、安定化フィルタ 39に出力する。

続いて、ステップ ST7にて、安定ィ匕フィルタ 39が、上記慣性力操作パラメ一夕 Tcに基づいて、歩容生成部 24からの歩容デ一夕による各関節部 16 L, 16R乃至 20 L, 2 ORの目標角度 0ref ，目標角速度 ( d Θ ref /d t) ，目標角加速度 (d² 0ref /d t ² ) に修正を加え、各関節部の修正した目標角度軌道 0 c，目標角速度（d0 c/d t)及び目標角加速度（d² Θ c/d t² ) を算出する。

次に、ステップ ST8にて、 ZMP補償装置 32は、上述した補償した歩容デ —夕、すなわち各関節部の修正した目標角度軌道 Θ c，目標角速度 (άθ c/d t)及び目標角加速度 (d² Θ c/d t ² ) を制御部 33に出力し、モータ制御ュニット 34が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 10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 ST 9にて、制御部 33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 ST10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 ST10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 10において、各関節駆動用モータの駆動制御の際に、目標角加速度 (d² 6ref /dt² ) が、修正した目標角加速度 (d² Θ c/d t² ) に変更されることにより、ロボット 10に作用する加速度が変化することになり、これに伴って、加速度の反作用としての慣性力が変化する。従つて、ロボット 10に作用する慣性力が目標角加速度（d² 6ref /d t² ) の変化により適宜に制御される。これによりロボット 10は、図 6に示すようにその歩行の際の動作軌跡 Aを変更することなく、動作軌跡 Bを時間的に伸縮させることによつて要求動作に対する歩行動作を行なう。

さらに、 Z MP仮想目標値生成部 37が、 ZMP目標値 ZMPref と ZMP実測値から、一旦 ZMP仮想目標値 ZMPvrefを生成することにより、 ZMP実測値が Z MP目標値から大きくずれている場合には、段階的に Z MP実測値を Z M P目標値に近づけるように、 ZMPの補償を行なうようになっている。これにより、 ZMP実測値が ZMP目標値から大きくずれている場合でも、ロボット 10 の各関節部に過大な角加速度が作用することがないので、ロボット 1 0が安定した状態で歩行を行なうことが可能である。

このようにして、本発明実施形態による二脚歩行式ロボット 1 0によれば、 Z M P目標値と Z M P実測値の差である Z M P誤差に基づいて、歩容デー夕の目標角速度及び目標角加速度を修正することにより、ロボット 1 0に発生する慣性力を制御して Z MP目標値を補償する。従って、歩行の際の動作軌跡を変更することなく、 ZMP誤差をゼロに収束させることによりロボット 1 0の歩行安定化を実現することができる。 ·

次に、本発明による二脚歩行式ロボット 1 0に関するシミュレーシヨン実験及ぴ実機実験について説明する。

先ず、シミュレーション実験について説明する。上述した二脚歩行式ロボット 1 0により、 yz面内での動的足踏み動作を行なわせて、一方の支持脚による片足立ち状態から 0. 42秒後に外乱を与えて、 Z MPに関して目標値からのずれを生じさせた。この結果、 ZMP仮想目標値生成部 37により生成された ZMP 仮想目標値 ZMPvrefは、図 7 (A) に示すように、 0. 43秒までには2 ？目標値にほぼ完全に収束すると共に、さらに図 7 (B) に示すように、 ZMP実測値も ZMP目標値に正しく修正されていることが確認された。なお、図 8において、上述した Z MP補償がない場合には、 ZMP目標値は ZMP目標値から大きくずれたままであった。

実機実験では、二脚歩行式ロボット 1 0として、全体質量 1 370 g, 全高 3 0. 0 cm, 足部底面形状がロール方向（y方向） 6. 0 cm, ピッチ方向（x 方向） 8. 0 cmのロボットを使用して足踏み動作を行なわせたところ、図 9に示すように、本発明による Z MP補償の場合には、 ZMF補償のない場合と比較して ZMP実測値が ZMP目標値により近づいており、ロボットの歩行安定性が向上していることが分かつた。さらに、実機実験により、上述したシミュレーション実験の場合と同様に足踏み動作中の外乱について実験したところ、図 1 0に示すように、本発明による Z M P補償の場合には、 Z M P実測値が Z MP目標値に確実に近づいて、 Z M P誤差がゼロに近づいており（図 1 1参照）、ロボットの歩行安定性が向上していることが分かる。これに対して、従来の Z MP補償による場合には、図 1 0に示すように、その後約 0 . 5秒経過後にロボットが転倒してしまった。

上述した実施形態においては、実験において、 y z面内における足踏み動作の場合について説明したが、これに限らず、 X z面内においても同様に二脚歩行式ロボット 1 0の歩行安定性が向上することは明らかである。また、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。

以上述べたように、この発明によれば、 Z MP検出センサにより検出した Z M P実測値と、歩容デー夕から Z M P変換部により算出した Z M P目標値とを比較して、 Z MP補償部により歩容生成部からの歩容データの目標角速度及び目標角加速度を修正して移動装置に発生する慣性力を制御することにより、 Z M P目標値を補償する。これにより、脚部及び足部の動作軌跡を変更することなく、 Z M Pの実測誤差をゼロに収束させて、本体、好ましくはロボッ卜の上体の安定化を図るようになつている。従って、 Z MP目標値の補償の際に、歩容デ一夕の目標角度軌道を変更することがないので、ロボット等の移動装置の本体，脚部の各部分の運動軌道が歩容データにより決められた運動軌道から外れることがなく、例えば移動装置が飛び石等の遊脚着地位置が決まっている場合であっても、また障害物を跨いだり、潜り抜けるような場合であっても、確実に歩行制御を行なうことが可能である。

また、 Z MPの補償は、歩容生成部により生成された歩容データを利用することにより行なうようになっているので、歩容デー夕の生成手法には依存しない。従って、 Z MPの補償が簡略化され得る。さらに、 Z MPの補償に際して、歩容データの目標角度軌道を変更することがないので、従来のような補償の際に用いた上体の傾斜を検出して上体を補償する必要がなく、簡単な構成により Z M Pの補償を行なうことができる。 ' 産業上の利用可能性

本発明によれば、歩容すなわち各関節部分の動作軌跡を変更せずに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とその歩行制御装置及び歩行制御方法を提供することができる。

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、を備えた二脚歩行式移動装置において、

上記歩行制御装置が、 Z MP補償装置を備えており、

この Z MP補償装置が、

各足部における Z M Pを検出する Z MP検出センサと、

歩容生成部からの歩容データに基づいて、 Z MP目標値を算出する Z M P変換部と、

Z MP検出センサにより検出された Z M P実測値と、 Z MP変換部からの Z M P目標値を比較して歩容生成部からの歩容デー夕の目標角速度及び角加速度を修正することにより Z MP目標値を補償する Z MP補償部と、 ■

を含んでいることを特徴とする、二脚歩行式移動装置。

2 . 前記本体が、人型口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に記載の二脚歩行式移動装置。

3 . 前記 Z MP補償部が、 Z M P検出センサにより検出された Z M P実測値と、 Z M P変換部からの Z M P目標値を比較して Z M P仮想目標値を生成する Z MP仮想目標値生成部と、 Z MP目標値から Z MP仮想目標値への補償のための慣性力操作ノ、"ラメ一夕を生成するパラメ一夕生成部と、パラメ一夕生成部からの慣性力操作パラメータに基づいて Z MP目標値を補償する安定化フィルタと、から構成されていることを特徴とする、請求項 1または 1に記載の二脚歩行式移

4. 前記 Z MP仮想目標値生成部が、生成した ZMP仮想目標値が補償可能限界内であるか否かを判別することを特徴とする、請求項 3に記載の二脚歩行

5. 前記 Z MP仮想目標値生成部が、生成した ZMP仮想目標値が補償可能限界を超えていると判別したときには、再度 Z MP仮想目標値を生成することを特徴とする、請求項 4に記載の二脚歩行式移動装置。

6. 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，膝部分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、

上記歩行制御装置が、 Z M P補償装置を備えており、

この Z MP補償装置が、

各足部における Z MPを検出する Z MP検出センサと、

歩容生成部からの歩容データに基づいて、 Z MP目標値を算出する Z MP変換部と、

ZMP検出センサにより検出された ZMP実測値と、 ZMP変換部からの ZM P目標値を比較して、歩容生成部からの歩容デ一夕の目標角速度及び角加速度を修正することにより、 Z MP目標値を補償する Z MP補償部と、

を含んでいることを特徴とする、二脚歩行式移動装置の歩行制御装置。

7. 前記 ZMP補償部が、 ZMP検出センサにより検出された ZMP実測値と、 Z M P変換部からの Z M P目標値を比較して Z M P仮想目標値を生成する ZMP仮想目標値生成部と、 Z M P目標値から Z M P仮想目標値への補償のための慣生力操作パラメータを生成するパラメ一タ生成音と、パラメ一夕生成部からのパラメ一夕に基づいて Z MP目標値を補償する安定化フィルタと、から構成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の歩行制御装

8 . 前記 Z M P仮想目標値生成部が、生成した Z MP仮想目標値が補償可能限界内であるか否かを判別することを特徴とする、請求項 7に記載の二脚歩行式移動装置の歩行制御装置。

9 . 前記 Z M P仮想目標値生成部が、生成した Z M P仮想目標値が補償可能限界を超えていると判別したときには、再度 Z MP仮想目標値を生成することを特徴とする、請求項 8に記載の二脚歩行式移動装置の歩行制御装置。

1 0 . 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，膝部分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方法において、

上記歩行制御方法が Z M P補償を行なう際に、

Z M P検出センサにより各足部における Z MPを検出する第一の段階と、歩容生成部からの歩容デ一夕に基づいて Z M P変換部により Z M P目標値を算出する第二の段階と、

Z M P検出センサにより検出された Z M P実測値と Z M P目標値を比較して、

Z M P補償部により歩容生成部からの歩容^一夕の目標角速度及び角加速度を修正することにより、 Z M P目標値を補償する第三の段階と、

を含んでいることを特徴とする、二脚歩行式移動装置の歩行制御方法。

1 1 . 前記第三の段階が、 Z M P検出センサにより検出された Z M P実測値と、 Z M P変換部からの Z M P目標値を比較して Z M P仮想目標値を生成する段階と、 Z M P目標値から Z M P仮想目標値への補償のための慣性力操作パラメ ―夕を生成する段階と、慣性力操作パラメ―夕に基づいて Z M P目標値を安定化フィル夕により補償する段階と、を含んでいることを特徴とする、請求項 10に記載の二脚歩行式移動装置の歩行制御方法。

1 2. 前記 Z MP仮想目標値を生成する段階が、生成した ZMP仮想目標値が補償可能限界内であるか否かを判別することを特徴とする、請求項 1 1に記載の二脚歩行式移動装置の歩行制御方法。 ^

1 3. 前記 Z MP仮想目標値を生成する段階が、生成した Z MP仮想目標値が補償可能限界を超えていると判別したときには、再度 ZMP仮想目標値を生成することを特徴とする、請求項 1 2に記載の二脚歩行式移動装置の歩行制御方法。