脚式移動ロボット及びその制御方法
【課題】ロボットが着床の際に床面から受ける衝撃を可能な限り緩和する。
【解決手段】脚式移動ロボットは、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、下肢の運動により各種の動作パターンを実現する。移動ロボットは、離床期間を検出する検出手段と、離床期間中に関節アクチュエータのインピーダンスを低下させるとともに、着床を検出したことに応答して関節アクチュエータのインピーダンスを元の値に戻す制御手段とを備える。離床期間中に関節アクチュエータのインピーダンスを低下させ、関節アクチュエータが緩衝材として機能するような状態で着床を待機する。
【解決手段】脚式移動ロボットは、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、下肢の運動により各種の動作パターンを実現する。移動ロボットは、離床期間を検出する検出手段と、離床期間中に関節アクチュエータのインピーダンスを低下させるとともに、着床を検出したことに応答して関節アクチュエータのインピーダンスを元の値に戻す制御手段とを備える。離床期間中に関節アクチュエータのインピーダンスを低下させ、関節アクチュエータが緩衝材として機能するような状態で着床を待機する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体のメカニズムや動作をモデル化して構成されるリアリスティックなロボットのメカニズムに係り、特に、ヒトやサルなどの脚式移動型動物の身体メカニズムをモデル化した脚式移動型ロボットのメカニズムに関する。
【０００２】
更に詳しくは、本発明は、２以上の可動脚の各々が着床及び離床動作を協調的に繰り返し実行することにより、歩行、走行、ジャンプなどの動作パターンを実現するタイプの脚式移動型ロボットのメカニズムやその制御方法に係り、特に、ジャンプその他の動作パターンを実行した際にロボットが離床動作した後に着床する際に床面から受ける衝撃を可能な限り緩和することができる脚式移動型ロボットのメカニズムやその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ロボットの語源は、スラブ語のＲＯＢＯＴＡ(奴隷機械)に由来するといわれている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔ）であった。
【０００４】
最近では、ヒトやサルなどの２足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作を模した脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。２足直立による脚式移動は、クローラ式や、４足又は６足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、階段の昇降や障害物の乗り越えなど、柔軟な歩行・走行動作を実現できるという点で優れている。
【０００５】
例えば、脚式歩行ロボットのうち、胴体より下に相当する構造体に適用される関節構造について提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。
【０００６】
ヒトの生体メカニズムや動作をエミュレートした脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、若しくは「人間型」のロボット（ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ）と呼ぶ。人間型ロボットは、例えば、生活支援、すなわち住環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動の支援などを行うことができる。
【０００７】
人間形若しくは人間型と呼ばれるロボットを研究・開発する意義を、例えば以下の２つの視点から把握することができよう。
【０００８】
１つは、人間科学的な視点である。すなわち、人間の下肢及び／又は上肢に似た構造のロボットを作り、その制御方法を考案して、人間の歩行動作をシミュレートするというプロセスを通じて、歩行を始めとする人間の自然な動作のメカニズムを工学的に解明することができる。このような研究成果は、人間工学、リハビリテーション工学、あるいはスポーツ科学など、人間の運動メカニズムを扱う他のさまざまな研究分野の進展に大いに還元することができるであろう。
【０００９】
もう１つは、人間のパートナーとして生活を支援する、すなわち住環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動の支援を行うロボットの開発である。この種のロボットは、人間の生活環境のさまざまな局面において、人間から教わりながら個々に個性の相違する人間又は環境への適応方法を学習し、機能面でさらに成長していく必要がある。このとき、ロボットが「人間形」すなわち人間と同じ形又は同じ構造をしている方が、人間とロボットとのスムースなコミュニケーションを行う上で有効に機能するものと考えられる。
【００１０】
例えば、踏んではいけない障害物を避けながら部屋を通り抜ける方法を実地においてロボットに教示するような場合、クローラ式や４足式ロボットのように教える相手が自分と全く違う構造をしているよりも、同じような格好をしている２足歩行ロボットの方がはるかに教え易く、またロボットにとっても教わり易い筈であろう（例えば、非特許文献１を参照のこと）。そもそも、人間の住環境のほとんどは人間が持つ形態や行動様式に合わせて形成されたものであるから、ロボットが人間型の形態を有していることは人間の住環境との親和性を高める上で必須であるとも言える。
【００１１】
人間型ロボットの用途の１つとして、産業活動・生産活動等における各種の難作業の代行が挙げられる。例えば、原子力発電プラントや火力発電プラント、石油化学プラントにおけるメンテナンス作業、製造工場における部品の搬送・組立作業、高層ビルにおける清掃、火災現場その他における救助といったような危険作業・難作業の代行などである。但し、この種の産業利用に特化したロボットは、特定の用途若しくは機能を実現することが設計・製作上の至上の主題であり、２足歩行を前提とはするものの、ヒトやサルなど直立歩行動物が本来持つ身体メカニズムや動作を機械装置として忠実に再現する必要は必ずしもない。例えば、特定用途を実現するために手先の自由度や動作機能を強化する一方で、用途には比較的関係が低いとされる頭部や体幹部（脊椎など）、腰部などの自由度を制限し又を省略することはある程度許容すべきである。この結果、２足歩行と謂えども、ロボットの作業や動作の外観上で、ヒトとしては不自然さが残ることがあるが、かかる点は妥協せざるを得ない。
【００１２】
また、人間型ロボットの他の用途として、難作業の代行などの生活支援というよりも、生活密着型、すなわち人間との「共生」という用途が挙げられる。この種のロボットは、ヒトやサルなどの２足の直立歩行を行う動物が本来持つ、全身協調型の動作メカニズムを忠実に再現し、その自然に円滑な動作を実現することを至上の目的とする。また、ヒトやサルなどの知性の高い直立動物をエミュレートする以上、四肢を用いた動作の表現力が豊かであることが望ましい。さらに、予め入力された動作パターンを単に忠実に実行するだけではなく、相手の言葉や態度（「褒める」とか「叱る」、「叩く」など）に呼応した、生き生きとした動作表現を実現することも要求される。この意味において、ヒトを模したエンターティンメント・ロボットは、まさに「人間型ロボット」と呼ぶに相応しい。
【００１３】
既に周知のように、人体は数百の関節すなわち数百に上る自由度を備えている。限りなくヒトに近い動作を脚式移動ロボットに付与するためには、ほぼ同じ自由度を与えることが好ましいが、これは技術的には極めて困難である。何故ならば、１つの自由度に対して少なくとも各１つのアクチュエータを配設する必要があるが、数百のアクチュエータをロボットという機械装置上に実装することは、製造コストの点からも、重量やサイズなど設計の観点からも不可能に等しい。また、自由度が多いと、その分だけロボットの位置・動作パターン制御や姿勢安定制御等のための計算量が指数関数的に増大してしまう。
【００１４】
このため、人体よりもはるかに少ない数十程度の関節自由度で人間型ロボットを構成するのが一般的である。したがって、少ない自由度を用いてより自然な動作を如何にして実現するかが、人間型ロボットの設計・制御において重要な課題の1つといえる。
【００１５】
例えば、脊椎などのように柔軟性を持つ機構が人間の生活の場で多様で複雑な動作をするために重要であることは、人間工学などの観点から既に明らかである。脊椎を意味する体幹関節自由度は、産業的な用途上は存在価値が低いが、エンターティンメントやその他の生活密着型の人間型ロボットには重要である。なお且つ、状況に応じて柔軟さを能動的に調節できることが求められている。
【００１６】
また、２足直立歩行を行う脚式移動ロボットは、柔軟な歩行・走行動作（例えば階段の昇降や障害物の乗り越え等）を実現できる点で優れている反面、重心位置が高くなるため、その分だけ姿勢制御や安定歩行制御が難しくなる。特に、生活密着型のロボットの場合、ヒトやサルなどの知性動物における自然な動作や感情を豊かに表現しながら姿勢や安定歩行を制御しなければならない。
【００１７】
２足歩行による脚式移動を行うタイプのロボットに関する姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に数多提案されている。ここで言う安定な「歩行」とは、転倒することなく、脚を使って移動すること、と定義することができよう。
【００１８】
歩行時には、重力と歩行運動に伴なって生じる加速度によって、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが作用する。いわゆる「ダランベールの原理」によると、それらは路面から歩行系への反作用としての床反力、床反力モーメントとバランスする。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内側にピッチ及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわち「ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）」が存在する。
【００１９】
ロボットの安定歩行に関する提案の多くは、このＺＭＰを歩行の安定度判別の規範として用いている。ＺＭＰ規範に基づく２足歩行パターン生成は、足底着地点を予め設定でき、路面形状に応じた足先の運動学的拘束条件を考慮し易いなどの利点がある。
【００２０】
例えば、脚式移動ロボットの歩行制御装置について提案がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。同公報に記載の歩行制御装置は、ＺＭＰすなわち歩行するときの床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点を目標値に一致させるように制御するものである。
【００２１】
また、ＺＭＰが支持多面体（多角形）内部、又は、着地、離床時にＺＭＰが支持多面体（多角形）の端部から少なくとも所定の余裕を有する位置にあるように構成した脚式移動ロボットについて提案がなされている（例えば、特許文献３を参照のこと）。この結果、外乱などを受けても所定距離だけＺＭＰの余裕があり、歩行の安定性の向上を図ることができる。
【００２２】
また、脚式移動ロボットの歩き速度をＺＭＰ目標位置によって制御する点について提案がなされている（例えば、特許文献４を参照のこと）。すなわち、同公報に記載の脚式移動ロボットは、予め設定された歩行パターン・データを用い、ＺＭＰを目標位置に一致させるように脚部関節を駆動するとともに、上体の傾斜を検出して、その検出値に応じて設定された歩行パターン・データの吐き出し速度を変更するようにしている。この結果、予期しない凹凸を踏んでロボットが例えば前傾するときは吐き出し速度を速めることで姿勢を回復できる。またＺＭＰが目標位置に制御できるので、両脚支持期において吐き出し速度を変更しても支障がない。
【００２３】
また、脚式移動ロボットの着地位置をＺＭＰ目標位置によって制御する点について提案がなされている（例えば、特許文献５を参照のこと）。すなわち、同公報に記載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰ目標位置と実測位置とのずれを検出して、それを解消する様に脚部の一方または双方を駆動するか、又は、ＺＭＰ目標位置まわりにモーメントを検出してそれが零になる様に脚部を駆動することで安定歩行を行うようになっている。
【００２４】
また、脚式移動ロボットの傾斜姿勢をＺＭＰ目標位置によって制御する点について提案がなされている（例えば、特許文献６を参照のこと）。すなわち、同公報に記載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰ目標位置まわりのモーメントを検出し、モーメントが生じているときは、それが零になるように脚部を駆動することで安定歩行を行うようになっている。
【００２５】
マニピュレータのような据置き型ロボットやクロール式の移動ロボットとは異なり、脚式移動ロボットは複数の可動脚の各々が着床及び離床動作を強調的に繰り返すことにより、ロボット全体として歩行動作を実現する。着床時には、可動脚やロボット全体に対して床面からの反力が衝撃として印加される。度重なる衝撃や角の衝撃は、当然にして、関節（アクチュエータ）その他の部位の疲労や破損の原因となる。
【００２６】
また、人間の脚式移動は、歩行動作に限定されず、さらに走行やジャンプなどの離床期間の比較的長い動作を含む。上述した人間型ロボットに関する従来技術はいずれも歩行動作に対する提案にとどまるが、走行やジャンプなど、ロボットの離床期間を含む動作パターンの実現は、住空間におけるヒトの自然若しくは当然にして行う代表的な動作パターンの１つである。ジャンプや高所からの落下という動作パターンが、脚式若しくは人間型ロボットの設計目標に含まれることは言うまでもない。
【００２７】
例えば、前述したエンターティンメント向けの人間型ロボットの場合、ダンスをする、スポーツなどのゲームをする等、娯楽志向の強い作業を行う。このため、ヒトの代行作業上に発生する歩行や階段の昇降などの動作パターン以外に、走行する、ジャンプする、高所から飛び降りるなど、長い離床期間を伴う動作パターンを実行する頻度が極めて高いと予想される。また、離床期間が長いということは、より高い位置から落下することを意味する。ロボット自体が重量物であるから、落下時には、通常歩行時における可動脚が着床時に受けるよりもはるかに大きな衝撃が印加される。
【００２８】
エンターティンメント志向の人間型ロボットは、着床によってより大きな衝撃を受ける回数がより多いと言える。このため、関節アクチュエータの損傷や故障、その他の部位の破損を起こし易い。
【００２９】
例えば、脚式移動ロボットが転倒しそうな状況で、その転倒によりロボットが受ける損傷や、その転倒時にロボットが衝突する相手側の物体の損傷を可能な限り軽減することができる脚式移動ロボットの制御装置について提案がなされている（例えば、特許文献７を参照のこと）。
【００３０】
しかしながら、この提案された制御装置は、ロボット本体若しくは筐体の損傷を軽減することができるが、関節アクチュエータに印加される衝撃の軽減を図ったものではない。
【００３１】
また、この提案された制御装置は、転倒に伴う着床時に単にロボットの重心を下げるように制御するのみであり、離床から着床に至る期間全体を通した動作によって床面から受ける衝撃を緩和するような点については言及していない。そもそも、脚式移動ロボットの転倒時のみを考慮したものであり、ジャンプ動作や高所からの落下などのように比較的離床期間の長い動作パターンとは無関係である。
【００３２】
また、この提案された制御装置は、転倒に伴う着床時にロボットの重心を下げるように制御するが、着床後のロボットの姿勢は転倒状態しか想定されていない。言い換えれば、ジャンプ動作により離床し、再び着床する際に転倒しないようにロボットの姿勢を安定制御するという技術的課題とは無縁なのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３３】
【特許文献１】特開平３−１８４７８２号公報
【特許文献２】特開平５−３０５５７９号公報
【特許文献３】特開平５−３０５５８１号公報
【特許文献４】特開平５−３０５５８３号公報
【特許文献５】特開平５−３０５５８５号公報
【特許文献６】特開平５−３０５５８６号公報
【特許文献７】特開平１１−４８１７０５号公報
【非特許文献】
【００３４】
【非特許文献１】高西著「２足歩行ロボットのコントロール」（自動車技術会関東支部＜高塑＞Ｎｏ．２５，１９９６ＡＰＲＩＬ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
本発明は、上述したような技術的課題を鑑みたものであり、その目的は、２以上の可動脚の各々が着床及び離床動作を協調的に繰り返し実行することにより、歩行、走行、ジャンプなどの動作パターンを実現するタイプの脚式移動型ロボットのための優れた制御メカニズムを提供することにある。
【００３６】
本発明の更なる目的は、ジャンプ動作その他ロボットが離床動作した後に着床する際に床面から受ける衝撃を可能な限り緩和することができる、脚式移動型ロボットのための優れた制御メカニズムを提供することにある。
【００３７】
本発明の更なる目的は、ロボットがジャンプやその他の離床動作をした後に着床する際に関節アクチュエータが床面から受ける衝撃を可能な限り緩和することができる、脚式移動型ロボットのための優れた制御メカニズムを提供することにある。
【００３８】
本発明の更なる目的は、ロボットがジャンプその他の離床動作をした後着床に至る期間全体を通した一連の動作を以って、床面から受ける衝撃を可能な限り緩和することができる、脚式移動型ロボットのための優れた制御メカニズムを提供することにある。
【００３９】
また、本発明の更なる目的は、ロボットがジャンプやその他の離床動作をした後で着床する際にロボットが転倒しないように姿勢を安定制御することができる、脚式移動型ロボットのための優れた制御メカニズムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、下肢の運動により各種の動作パターンを実現する脚式移動ロボットであって、
少なくとも下肢に設けられたインピーダンス可変な関節アクチュエータと、
前記ロボットが離床又は着床いずれの期間中かを検出する検出手段と、
離床期間中であることを検出したことに応答して前記関節アクチュエータのインピーダンスを低下させるとともに、着床を検出したことに応答して前記関節アクチュエータのインピーダンスを着床動作前の元の値に戻すなど所定の制御を行う制御手段と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットである。
【００４１】
本発明の第１の側面に係る脚式移動ロボットによれば、離床期間中においてロボットは自らの関節アクチュエータのインピーダンスを低下させることで、関節アクチュエータ自体が緩衝材として機能するような状態で着床を待機することができる。
【００４２】
また、着床時においては、関節アクチュエータのインピーダンスを所定時間を以って元の状態に回復することで緩衝効果を確保することができる。
【００４３】
また、関節アクチュエータのインピーダンスが回復し、通常の制御状態に復帰した後は、ＺＭＰによる安定度判別規範に基づきロボット１００のＺＭＰが安定領域に入るように姿勢制御を行うことで、着床後にロボットが転倒してしまうという２次的な危険な事態を回避することができる。
【００４４】
また、本発明の第２の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、下肢の運動により各種の動作パターンを実現する脚式移動ロボットであって、
前記ロボットが離床又は着床いずれの期間中かを検出する検出手段と、
前記下肢を伸展及び屈曲させる第１の駆動手段と、
前記上体を伸展及び屈曲させる第２の駆動手段と、
前記第１及び第２の駆動手段の駆動を制御する制御手段とを具備し、
前記制御手段は、
離床期間中であることを検出したことに応答して、前記上体が重力方向とは逆方向に伸展し、及び／又は、前記下肢が重力方向に伸展するように、前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御するとともに、
着床を検出したことに応答して、前記ロボット全体の重心位置が下がるように前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御する、
ことを特徴とする脚式移動ロボットである。
【００４５】
本発明の第２の側面に係る脚式移動ロボットによれば、離床期間中においてロボットは鉛直方向に伸展したような姿勢をとり（後述：図８を参照のこと）、重心位置が着床する足底から極力高い位置になる状態で着床を待機する。さらに、着床時においては、所定加速度の範囲内で重心位置が次第に低くなるような動作パターンをとることによって、着床時に床面から受ける最大衝撃力を緩和することができる。
【００４６】
また、着床時においては、脚式移動ロボットのＺＭＰが安定領域に入るように姿勢制御を行うことで、着床後にロボットが転倒してしまうという２次的な危険な事態を回避することができる。
【００４７】
ここで、前記制御手段は、着床を検出したことに応答して、前記ロボット全体の重心位置が許容加速度以内で下がるように前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御するようにしてもよい。
【００４８】
また、前記制御手段は、着床時に、前記ロボットのＺＭＰが安定領域内にあるか否かを判定する処理と、該判定結果が否定的な場合にはＺＭＰが安定領域内に入るように前記ロボットの姿勢を変更する処理とを実行するようにしてもよい。
【００４９】
また、本発明の第３の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、下肢の運動により各種の動作パターンを実現する脚式移動ロボットであって、
前記ロボットが離床又は着床いずれの期間中かを検出する検出手段と、
前記下肢の各関節を駆動する第１の駆動手段と、
前記上体の各関節を駆動する第２の駆動手段と、
前記第１及び第２の駆動手段の駆動を制御する制御手段とを具備し、
前記制御手段は、
離床期間中であることを検出したことに応答して、仮想床平面上における仮想ＺＭＰが仮想安定領域内にあるか否かを判定するとともに、
該判定結果が否定的であったことに応答して、仮想ＺＭＰが仮想安定領域内に入るように前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御する、
ことを特徴とする脚式移動ロボットである。
【００５０】
本発明の第３の側面に係る脚式移動ロボットによれば、ロボットは、離床期間中は常に仮想床平面に対して安定した姿勢を維持しながら着床するまで待機することができる。この結果、着床時にバランスを失ってロボットが転倒する、ひいては転倒によってロボットの一部又は全部が破損するといった可能性を限りなく排除することができる。
【００５１】
前記の制御手段は、離床期間中であることを検出したことに応答して関節アクチュエータのインピーダンスを低下させるとともに、着床を検出したことに応答して関節アクチュエータのインピーダンスを元の値に戻すことにより、着床時の衝撃吸収動作を行ってもよい。あるいは、制御手段は、ロボットが着床を検出したことに応答して、前記ロボット全体の重心位置が許容加速度以内で下がるようにして、着床時の衝撃吸収動作を行ってもよい。
【００５２】
また、本発明の第４の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、下肢の運動により各種の動作パターンを実現する脚式移動ロボットの制御方法であって、少なくとも下肢に設けられた関節アクチュエータはインピーダンス可変であり、
（ａ）離床期間中に前記関節アクチュエータのインピーダンスを低下させるステップと、
（ｂ）着床時に前記関節アクチュエータのインピーダンスを元の値に戻すなど所定の制御を行うステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの制御方法である。
【００５３】
本発明の第４の側面に係る制御方法において、前記ステップ（ｂ）では、所定時間の間で連続的にインピーダンスを元の値に向かって連続的に戻すようにしてもよい。
【００５４】
また、本発明の第４の側面に係る制御方法は、
（ｃ）着床時に、前記ロボットのＺＭＰが安定領域内にあるか否かを判定するステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）における判定結果が否定的な場合には、ＺＭＰが安定領域内に入るように前記ロボットの姿勢を変更するステップと、
をさらに備えてもよい。
【００５５】
また、本発明の第５の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、下肢の運動により各種の動作パターンを実現する脚式移動ロボットの制御方法であって、前記脚式移動ロボットは前記下肢を伸展及び屈曲させる第１の駆動手段と、前記上体を伸展及び屈曲させる第２の駆動手段とを含み、
（ａ）離床期間中に、前記上体が重力方向とは逆方向に伸展し、及び／又は、前記下肢が重力方向に伸展するように、前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御するステップと、
（ｂ）着床を検出したことに応答して、前記ロボット全体の重心位置が下がるように前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御するステップと、
ことを特徴とする脚式移動ロボットの制御方法である。
【００５６】
本発明の第５の側面に係る制御方法において、前記ステップ（ｂ）では、前記ロボット全体の重心位置が許容加速度以内で下がるように前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御するようにしてもよい。
【００５７】
また、本発明の第５の側面に係る制御方法は、
（ｃ）着床時に、前記ロボットのＺＭＰが安定領域内にあるか否かを判定するステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）における判定結果が否定的な場合には、ＺＭＰが安定領域内に入るように前記ロボットの姿勢を変更するステップと、
をさらに備えてもよい。
【００５８】
また、本発明の第６の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、下肢の運動により各種の動作パターンを実現する脚式移動ロボットの制御方法であって、
（ａ）前記脚式移動ロボットが離床期間中か否かを判別するステップと、
（ｂ）前記脚式移動ロボットの重力方向を検出するステップと、
（ｃ）前記脚式移動ロボットの仮想床平面を設定するステップと、
（ｄ）前記脚式移動ロボットの仮想安定領域を設定するステップと、
（ｅ）前記脚式移動ロボットの仮想ＺＭＰを算出するステップと、
（ｆ）仮想ＺＭＰが仮想安定領域内にあるか否かを判定するステップと、
（ｇ）前記ステップ（ｆ）における判定結果が否定的であったことに応答して、仮想ＺＭＰが仮想安定領域内に入るように前記脚式移動ロボットの姿勢を変更するステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの制御方法である。
【００５９】
本発明の第６の側面に係る制御方法は、離床期間中であることを検出したことに応答して関節アクチュエータのインピーダンスを低下させるステップと、着床を検出したことに応答して関節アクチュエータのインピーダンスを元の値に戻すステップとをさらに備えてもよい。
【００６０】
また、着床を検出したことに応答して、前記ロボット全体の重心位置が許容加速度以内で下がるように姿勢制御するステップをさらに備えてもよい。
【発明の効果】
【００６１】
本発明によれば、ジャンプ動作その他ロボットが離床動作した後に着床する際に床面から受ける衝撃を可能な限り緩和することができる、優れた脚式移動型ロボット及びその制御方法を提供することができる。
【００６２】
また、本発明によれば、ロボットがジャンプやその他の離床動作をした後に着床する際に関節アクチュエータが床面から受ける衝撃を可能な限り緩和することができる、優れた脚式移動型ロボット及びその制御方法を提供することができる。
【００６３】
また、本発明によれば、ロボットがジャンプその他の離床動作をした後着床に至る期間全体を通した一連の動作を以って、床面から受ける衝撃を可能な限り緩和することができる、優れた脚式移動型ロボット及びその制御方法を提供することができる。
【００６４】
また、本発明によれば、ロボットがジャンプやその他の離床動作をした後で着床する際に、ロボットが転倒しないようにその姿勢を安定制御することができる、優れた脚式移動型ロボット及びその制御方法を提供することができる。
【００６５】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施に供される人間型ロボット１００を前方から眺望した様子を示した図である。
【図２】本発明の実施に供される人間型ロボット１００を後方から眺望した様子を示した図である。
【図３】本実施例に係る人間型ロボット１００が具備する自由度構成モデルを模式的に示した図である。
【図４】本実施例に係る人間型ロボット１００の制御システム構成を模式的に示した図である。
【図５】ロボット１００が着床する際の処理手順の一例を示したフローチャートである。
【図６】ロボット１００に用いられる１つのアクチュエータに関するサーボ回路とその制御系とを示したブロック図である。
【図７】ロボット１００が着床する際の処理手順に関する他の例を示したフローチャートである。
【図８】離床期間中のロボット１００が両手・両足が伸展し、着床を果たす足先からロボット１００全体の重心位置までの距離（高さ）が極力長くなる姿勢を取った様子を示した図である。
【図９】着床時にロボット１００がとる姿勢の具体例を示した図である。
【図１０】着床時にロボット１００が床面から受ける衝撃力を示したチャートである。
【図１１】着床時にロボット１００の重心位置を点Ｇ0から点ＧFに移動させる速度と床面から受ける衝撃力との関係を示したチャートである。
【図１２】ロボット１００が着床する際の処理手順に関する他の例を示したフローチャートである。
【図１３】離床時におけるロボット１００に対する仮想床平面を図解したものである。
【図１４】離床時におけるロボット１００の仮想安定領域を図解したものである。
【図１５】人間型ロボットについての関節モデル構成の一例を模式的に示した図である。
【図１６】人間型ロボットについての関節モデル構成の他の例を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を詳解する。
【００６８】
図１及び図２には本発明の実施に供される人間形又は人間型ロボット１００を前方及び後方の各々から眺望した様子を示している。さらに、図３には、この人間型ロボット１００が具備する関節自由度構成を模式的に示している。
【００６９】
図３に示すように、人間型ロボット１００は、２本の腕部と頭部１を含む上体と、移動動作を実現する２本の脚部からなる下肢と、上肢と下肢とを連結する体幹部とで構成される。
【００７０】
頭部１を支持する首関節は、首関節ヨー軸２と、首関節ピッチ軸３と、首関節ロール軸４という３自由度を有している。
【００７１】
また、各腕部は、肩関節ピッチ軸８と、肩関節ロール軸９と、上腕ヨー軸１０と、肘関節ピッチ軸１１と、前腕ヨー軸１２と、手首関節ピッチ軸１３と、手首関節ロール軸１４と、手部１５とで構成される。手部１５は、実際には、複数本の指を含む多関節・多自由度構造体である。但し、手部１５の動作自体は、ロボット１００の姿勢安定制御や歩行動作制御に対する寄与や影響が少ないので、本明細書ではゼロ自由度と仮定する。したがって、各腕部は７自由度を有するとする。
【００７２】
また、体幹部は、体幹ピッチ軸５と、体幹ロール軸６と、体幹ヨー軸７という３自由度を有する。
【００７３】
また、下肢を構成する各々の脚部は、股関節ヨー軸１６と、股関節ピッチ軸１７と、股関節ロール軸１８と、膝関節ピッチ軸１９と、足首関節ピッチ軸２０と、関節ロール軸２１と、足部（足底）２２とで構成される。股関節ピッチ軸１７と股関節ロール軸１８の交点は、本実施例に係るロボット１００の股関節位置を定義するものとする。人体の足部（足底）２２は、実際には多関節・多自由度の足底を含んだ構造体であるが、本実施例に係る人間型ロボット１００の足底はゼロ自由度とする。したがって、各脚部は６自由度で構成される。
【００７４】
以上を総括すれば、本実施例に係る人間型ロボット１００全体としては、合計で３＋７×２＋３＋６×２＝３２自由度を有することになる。但し、エンターティンメント向けの人間型ロボット１００が必ずしも３２自由度に限定される訳ではない。設計・製作上の制約条件や要求仕様等に応じて、自由度すなわち関節数を適宜増減することができることは言うまでもない。
【００７５】
上述したような人間型ロボット１００が持つ各自由度は、実際にはアクチュエータを用いて実装される。外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形状に近似させること、２足歩行という不安定構造体に対して姿勢制御を行うことなどの要請から、アクチュエータは小型且つ軽量であることが好ましい。本実施例では、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータを搭載することとした。なお、この種のＡＣサーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願人に既に譲渡されている特願平１１−３３３８６号明細書に開示されている。
【００７６】
図４には、人間型ロボット１００の制御システム構成を模式的に示している。同図に示すように、人間型ロボット１００は、ヒトの四肢を表現した各機構ユニット３０，４０，５０Ｒ／Ｌ，６０Ｒ／Ｌと、各機構ユニット間の協調動作を実現するための適応制御を行う制御ユニット８０とで構成される（但し、Ｒ及びＬの各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下同様）。
【００７７】
人間型ロボット１００全体の動作は、制御ユニット８０によって統括的に制御される。制御ユニット８０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）チップやメモリ・チップ等の主要回路コンポーネント（図示しない）で構成される主制御部８１と、電源装置やロボット１００の各構成要素とのデータやコマンドの授受を行うインターフェース（いずれも図示しない）などを含んだ周辺回路８２とで構成される。
【００７８】
本実施例では、電源装置は、ロボット１００を自立的に駆動するためのバッテリを含んだ構成（図４には図示しない）となっている。自立駆動型であれば、人間型ロボット１００の物理的な行動半径は、電源ケーブルによる制限を受けず、自由に歩行することができる。また、歩行やその他の上肢を含めた各種の運動時に、電源ケーブルとの干渉を考慮する必要がなくなり、動作制御が容易になる。
【００７９】
図３に示したロボット１００内の各関節自由度は、それぞれに対応するアクチュエータによって実現される。すなわち、頭部ユニット３０には、首関節ヨー軸２、首関節ピッチ軸３、首関節ロール軸４の各々を表現する首関節ヨー軸アクチュエータＡ2、首関節ピッチ軸アクチュエータＡ3、首関節ロール軸アクチュエータＡ4がそれぞれ配設されている。
【００８０】
また、体幹部ユニット４０には、体幹ピッチ軸５、体幹ロール軸６、体幹ヨー軸７の各々を表現する体幹ピッチ軸アクチュエータＡ5、体幹ロール軸アクチュエータＡ6、体幹ヨー軸アクチュエータＡ7がそれぞれ配備されている。
【００８１】
また、腕部ユニット５０Ｒ／Ｌは、上腕ユニット５１Ｒ／Ｌと、肘関節ユニット５２Ｒ／Ｌと、前腕ユニット５３Ｒ／Ｌに細分化されるが、肩関節ピッチ軸８、肩関節ロール軸９、上腕ヨー軸１０、肘関節ピッチ軸１１、肘関節ロール軸１２、手首関節ピッチ軸１３、手首関節ロール軸１４の各々を表現する肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ8、肩関節ロール軸アクチュエータＡ9、上腕ヨー軸アクチュエータＡ10、肘関節ピッチ軸アクチュエータＡ11、肘関節ロール軸アクチュエータＡ12、手首関節ピッチ軸アクチュエータＡ13、手首関節ロール軸アクチュエータＡ14がそれぞれ配備されている。
【００８２】
また、脚部ユニット６０Ｒ／Ｌは、大腿部ユニット６１Ｒ／Ｌと、膝ユニット６２Ｒ／Ｌと、脛部ユニット６３Ｒ／Ｌに細分化されるが、股関節ヨー軸１６、股関節ピッチ軸１７、股関節ロール軸１８、膝関節ピッチ軸１９、足首関節ピッチ軸２０、足首関節ロール軸２１の各々を表現する股関節ヨー軸アクチュエータＡ16、股関節ピッチ軸アクチュエータＡ17、股関節ロール軸アクチュエータＡ18、膝関節ピッチ軸アクチュエータＡ19、足首関節ピッチ軸アクチュエータＡ20、足首関節ロール軸アクチュエータＡ21がそれぞれ配備されている。
【００８３】
各アクチュエータＡ2，Ａ3…は、より好ましくは、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニット内に搭載したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータ（前述）である。
【００８４】
頭部ユニット３０、体幹部ユニット４０、腕部ユニット５０、各脚部ユニット６０などの各機構ユニット毎に、アクチュエータ駆動制御用の副制御部３５，４５，５５，６５がそれぞれ配備されている。さらに、各脚部６０Ｒ，Ｌの足底が着床したか否かを検出する接地確認センサ９１及び９２を装着するとともに、体幹部ユニット４０内には、姿勢を計測する姿勢センサ９３を装備している。本実施例では、姿勢センサ９３として加速度センサを用いるものとする。これら各センサ９１〜９３の出力により、足底２２の着床及び離床期間、体幹部分の傾きなどを検出して、制御目標をダイナミックに補正することができる。
【００８５】
主制御部８０は、各センサ９１〜９３の出力に応答して副制御部３５，４５，５５，６５の各々に対して適応的な制御を行い、人間型ロボット１００の上肢、体幹、及び下肢の協調した動作を実現することができる。主制御部８１は、ユーザ・コマンド等に従って、足部運動、ＺＭＰ軌道、体幹運動、上肢運動、腰部高さなどを設定するとともに、これらの設定内容に従った動作を指示するコマンドを各副制御部３５，４５，５５，６５に転送する。
【００８６】
そして、各々の副制御部３５，４５…では、主制御部８１からの受信コマンドを解釈して、各アクチュエータＡ2，Ａ3…に対して駆動制御信号を出力する。ここで言う「ＺＭＰ」とは、歩行中の床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点のことであり、また、「ＺＭＰ軌道」とは、例えばロボット１００の歩行動作期間中などにＺＭＰが動く軌跡を意味する。
【００８７】
次に、上述した人間型ロボット１００における、ジャンプなどの離床期間を経て落下して着床する際の処理手順について説明する。
【００８８】
図５には、着床時の処理手順の一例をフローチャートの形式で図解している。以下、このフローチャートの各ステップについて説明する。
【００８９】
ロボット１００が離床動作を行うと（ステップＳ１１）、両足の足底に設けられた接地確認センサ９１及び９２がともにオフ状態となって（ステップＳ１２）、主制御部８１において離床状態が検出される。ここで言う離床動作は、ジャンプ動作や高所から飛び降りる動作など、その動作パターンは特に特定されないので、本明細書中では説明を省略する。
【００９０】
離床動作を検出したことに応答して、各関節アクチュエータの制御パラメータ値を変更する（ステップＳ１３）。より具体的には、アクチュエータのインピーダンスが低下するように、制御パラメータを変更する。インピーダンスの低いアクチュエータは、柔軟な状態となるので、着床時には緩衝材として機能し、床面から受ける衝撃を吸収することができる。特に、足首関節や膝関節など、床面に近く大きな衝撃を受けるアクチュエータのインピーダンスを変更することが好ましい。
【００９１】
図６には、ロボット１００に用いられる１つのアクチュエータに関するサーボ回路とその制御系２００のブロック図を示している。同図に示すように、該制御系は、位置指令と速度指令を入力にして、位置検出をフィードバックするタイプの制御系である。位置指令は位置制御器２０１に入力され、位置制御器２０１の出力と速度指令とが速度制御器２０２，２０３に入力され、速度制御器２０３の出力がアクチュエータ２０４に供給され、アクチュエータ２０４が駆動する。また、アクチュエータ２０４に付設されたエンコーダ（図示しない）からの位置検出信号が位置制御器２０１にフィードバックされるとともに、その時間微分した信号が速度制御器２０２にフィードバックされる。
【００９２】
図６に示すＫpp，Ｋvi，Ｋvpの各々は、このサーボ制御系についての制御パラメータである。これらパラメータのうち少なくとも１つを小さな値に変更することにより、アクチュエータ２００のインピーダンスは低下する。
【００９３】
なお、アクチュエータ２００は、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータであり、例えば本出願人に既に譲渡されている特願平１１−３３３８６号明細書に開示されている。
【００９４】
再び図５に戻って処理手順について説明する。ステップＳ１４では、両足の接地センサ９１及び９２がともにオンになり（あるいは一方のセンサがオンになり）、ロボット１００が床面に着床するまで待機する。
【００９５】
そして、ロボット１００の着床が検出されると、ステップＳ１３において変更した関節アクチュエータの制御パラメータ値を元の値に戻す（ステップＳ１５）。この結果、アクチュエータのインピーダンスが回復されて、ロボット１００の動作制御が可能な離床前の状態となる。但し、インピーダンスを急峻に回復させてしまうと、緩衝材としての効果が失われるので、所定の時間Ｔ（例えば数百ミリ秒程度）をかけて元の値に戻す。
【００９６】
次いで、ロボット１００のＺＭＰが安定領域、例えば着床した足底にあるか否かを判断する（ステップＳ１６）。ＺＭＰが安定領域になければ、安定領域に入るようにロボット１００全体の姿勢を変更する（ステップＳ１７）。
【００９７】
他方、ＺＭＰが安定領域にあれば、この処理手順全体を終了する。
【００９８】
図５に示すような着床処理手順に従えば、離床期間中においてロボット１００は自らの関節アクチュエータのインピーダンスを低下させ、アクチュエータが緩衝材として機能する状態でロボット１００の着床を待機することができる。
【００９９】
また、ロボット１００の着床時においては、所定時間を以ってインピーダンスを元の状態に回復することで緩衝効果を確保することができる。
【０１００】
また、ロボット１００が着床して、関節アクチュエータのインピーダンスが回復し、通常の制御状態に復帰した後は、ＺＭＰによる安定度判別規範に基づきロボット１００のＺＭＰが安定領域に入るように姿勢制御を行うことで、着床後にロボット１００が転倒してしまうという２次的な危険な事態を回避することができる。
【０１０１】
図７には、着床時の処理手順に関する他の例をフローチャートの形式で図解している。以下、このフローチャートの各ステップについて説明する。
【０１０２】
ロボット１００が離床動作を行うと（ステップＳ２１）、両足の足底に設けられた接地確認センサ９１及び９２がともにオフ状態となって（ステップＳ２２）、主制御部８１においてロボット１００の離床状態が検出される。ここで言う離床動作は、ジャンプ動作や高所から飛び降りる動作など、動作パターンは特に特定されないので、本明細書中では説明を省略する。
【０１０３】
離床動作を検出したことに応答して、ロボット１００の上肢及び体幹部の各関節におけるピッチ軸を重力方向とは逆方向に回転駆動するとともに、下肢・脚部を重力方向に伸展する（ステップＳ２３）。
【０１０４】
図８には、ロボット１００の上肢及び体幹部の各関節におけるピッチ軸を重力方向とは逆方向に回転駆動するとともに、下肢・脚部を重力方向に伸展する姿勢の一例を模式的に図解している。同図に示すように、ロボット１００の両手・両足が伸展するようにロボット１００を姿勢制御する。この結果、足先からロボット１００全体の重心位置Ｇまでの距離（高さ）ｈが、手足を伸展する前の重心位置Ｇ'よりも長くなる。
【０１０５】
ステップＳ２４では、両足の接地センサ９１及び９２がともにオンになり（あるいは一方のセンサがオンになり）、ロボット１００が床面に着床するまで待機する。
【０１０６】
そして、ロボット１００の着床が検出されると、ロボット１００の重心が下がるようにロボットの上肢、下肢、及び体幹部関節の各ピッチ軸を駆動する（ステップＳ２５）。
【０１０７】
ロボット１００の重心が下がる姿勢の一例は、例えば図９に示すように、両足や股関節、体幹関節を屈曲させて屈み込んだ状態である。着床した足平から重心位置までの距離が充分短いことを理解できるであろう。
【０１０８】
ステップＳ２５における屈曲動作により、ロボット１００の重心位置は、着床時Ｇ0から着床動作終了時（安定時）ＧFまで移動することになる（但し、Ｇ0＞ＧF）。この一連の着床動作に所定時間Ｔだけ費やすことで、ロボット１００が床面から受ける衝撃力は、図１０のチャートに示すように、時間Ｔの間で緩やかに分散され、最大衝撃力も軽減される。
【０１０９】
但し、ステップＳ２５における屈曲動作は、加速度センサ９３の値が許容加速度の値を超えないように各関節軸の駆動速度を強調して制御する（すなわち姿勢を屈曲させる）必要がある。何故ならば、許容加速度を越える値で屈曲動作を行うと、ロボット１００に印加される衝撃はむしろ増幅されるからである。
【０１１０】
図１１には、着床時にロボット１００の重心位置を点Ｇ0から点ＧFに移動させる速度と床面から受ける衝撃力との関係をチャート上で示している。より具体的には、重心位置が点Ｇ0から点ＧFまで移動させる所要時間（すなわち着床から安定に至るまでの所要時間）ＴがそれぞれＴ1、Ｔ2、及びＴ3（但し、Ｔ1＜Ｔ2＜Ｔ3）となる場合をプロットしている。同図からも判るに、所要時間が短いほど重心位置の移動加速度が速くなり、これに比例して床面から受ける衝撃力Ｆの最大値は増大する。逆に、重心移動の所要時間が長いほど加速度が低くなり、着床時のインパクトが重心移動によって吸収され、衝撃力Ｆの最大値は軽減される。
【０１１１】
次いで、ロボット１００のＺＭＰが安定領域、例えば着床した足底にあるか否かを判断する（ステップＳ２６）。ＺＭＰが安定領域になければ、安定領域に入るようにロボット１００全体の姿勢を変更する（ステップＳ２７）。
【０１１２】
他方、ＺＭＰが安定領域にあれば、この処理手順全体を終了する。
【０１１３】
図７に示すような着床処理手順に従えば、離床期間中においてロボット１００は鉛直方向に伸展したような姿勢をとり（図８を参照のこと）、重心位置が着床する足底から極力高い位置になる状態で着床を待機することができる。さらに、着床時においては、所定加速度の範囲内で重心位置が次第に低くなるような動作パターンをとることによって、床面から受ける最大衝撃力を緩和することができる。
【０１１４】
また、着床時においては、ロボット１００のＺＭＰが安定領域に入るように姿勢制御を行うことで、着床後にロボット１００が転倒してしまうという２次的な危険な事態を回避することができる。
【０１１５】
図１２には、着床時の処理手順に関する他の例をフローチャートの形式で図解している。以下、このフローチャートの各ステップについて説明する。
【０１１６】
ロボット１００が離床動作を行うと（ステップＳ３１）、両足の足底に設けられた接地確認センサ９１及び９２がともにオフ状態となって（ステップＳ３２）、主制御部８１において離床状態が検出される。ここで言う離床動作は、ジャンプ動作や高所から飛び降りる動作など、動作パターンは特に特定されないので、本明細書中では説明を省略する。
【０１１７】
離床動作を検出したことに応答して、主制御部８１では、姿勢センサ９３の出力を基に、重力方向を算出して（ステップＳ３３）、仮想床平面を設定する（ステップＳ３４）。本明細書中において、「仮想床平面」とは、現在のロボット１００の姿勢において着床したと想定される平面のことを言う。ロボット１００の最下点（ジャンプなど通常の離床動作では左右いずれか一方又は両方の足平）における重力ベクトルを法線ベクトルとする平面が仮想床平面に相当する（図１３を参照のこと）。
【０１１８】
次いで、仮想床平面上における仮想安定領域を設定する（ステップＳ３５）。本明細書中において、「仮想安定領域」とは、ロボット１００の現在の姿勢において仮想床平面に着床したときに、ロボット１００が安定を保つことができる該床面上に領域のことである。例えば、仮想床平面上に着床した両足平に相当する（図１４を参照のこと）。
【０１１９】
次いで、仮想ＺＭＰを算出する（ステップＳ３６）。「仮想ＺＭＰ」とは、仮想床平面における床反力によるモーメントがゼロとなる仮想床平面上の点のことである。
【０１２０】
判断ブロックＳ３７では、仮想ＺＭＰが仮想安定領域内に入っているか否かを判断する。
【０１２１】
判断結果が否定的であれば、ロボット１００の上肢、下肢、体幹部の少なくとも一部の関節アクチュエータを駆動させて、仮想ＺＭＰが仮想安定領域内に入るように、ロボット１００の姿勢を変更する（ステップＳ３８）。
【０１２２】
上述したような姿勢制御の結果、ロボット１００は、離床期間中は常に仮想床平面に対して安定した姿勢を維持しながら着床を待機することができる。着床時には仮想床平面が現実の床平面と一致するが、上述のステップＳ３９では、ロボット１００は安定した姿勢で着床することができる。なお、着床動作には、図５や図７を用いて説明したような衝撃吸収動作を含んでもよい。
【０１２３】
要するに図１２に示すような姿勢制御処理手順に従えば、ロボット１００は、離床期間中は常に仮想床平面に対して安定した姿勢を維持しながら着床するまで待機することができる。この結果、着床時にバランスを失って転倒する、ひいては転倒によってロボット１００の一部又は全部が破損するといった可能性を、限りなく排除することができる。さらに、上述した衝撃吸収動作を組み込むことによって、万全な着床動作を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。
【０１２５】
本明細書では、２足の下肢により脚式移動を行う人間型ロボットを例に本発明を説明したが、本発明の要旨は２足歩行ロボットに限定されるものではない。例えばイヌをモデル化したペット型ロボットのような４足歩行ロボット、あるいはその他の本数の下肢を持つ脚式移動ロボットに対しても、当然にして本発明を好適に適用することができる。また、本実施例で示したように、胴体（体幹部ユニット）に上肢や頭部を搭載していないタイプのロボットに対しても本発明を適用することができる。
【０１２６】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈されるべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【０１２７】
なお、本発明の要旨を判断する上で、２足歩行のロボット１００についての関節等の呼び名は、図３を厳格に適用するのは妥当ではなく、現実のヒトやサルなどの２足直立歩行動物の身体メカニズムとの対比により柔軟に解釈されたい。
【０１２８】
参考のため、人間型ロボットの関節モデル構成を図１５に図解しておく。同図に示す例では、肩関節５から上腕、肘関節６、前腕、手首７及び手部８からなる部分を「上肢」と呼ぶ。また、肩関節５から股関節１１までの範囲を「体幹部」と呼び、ヒトの胴体に相当する。また、体幹部のうち特に股関節１１から体幹関節１０までの範囲を「腰部」と呼ぶ。体幹関節１０は、ヒトの背骨が持つ自由度を表現する作用を有する。また、股関節１１より下の大腿部１２、膝関節１４、下腿部１３、足首１５及び足部１６からなる部分を「下肢」と呼ぶ。一般には、股関節より上方を「上体」と呼び、それより下方を「下体」と呼ぶ
【０１２９】
また、図１６には、人間型ロボットの他の関節モデル構成を図解している。同図に示す例は、体幹関節１０を有しない点で図１４に示した例とは相違する。各部の名称については図を参照されたい。背骨に相当する体幹関節が省略される結果として人間型ロボットの上体の動きは表現力を失う。但し、危険作業やなお作業の代行など、産業目的の人間型ロボットの場合、上体の動きを要しない場合がある。なお、図１５及び図１６で用いた参照番号は、図３などそれ以外の図面とは一致しない点を理解されたい。
【符号の説明】
【０１３０】
１…頭部，２…首関節ヨー軸
３…首関節ピッチ軸，４…首関節ロール軸
５…体幹ピッチ軸，６…体幹ロール軸
７…体幹ヨー軸，８…肩関節ピッチ軸
９…肩関節ロール軸，１０…上腕ヨー軸
１１…肘関節ピッチ軸，１２…前腕ヨー軸
１３…手首関節ピッチ軸，１４…手首関節ロール軸
１５…手部，１６…股関節ヨー軸
１７…股関節ピッチ軸，１８…股関節ロール軸
１９…膝関節ピッチ軸，２０…足首関節ピッチ軸
２１…足首関節ロール軸，２２…足部（足底）
３０…頭部ユニット，４０…体幹部ユニット
５０…腕部ユニット，５１…上腕ユニット
５２…肘関節ユニット，５３…前腕ユニット
６０…脚部ユニット，６１…大腿部ユニット
６２…膝関節ユニット，６３…脛部ユニット
８０…制御ユニット，８１…主制御部
８２…周辺回路
９１，９２…接地確認センサ
９３…姿勢センサ
１００…人間型ロボット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体のメカニズムや動作をモデル化して構成されるリアリスティックなロボットのメカニズムに係り、特に、ヒトやサルなどの脚式移動型動物の身体メカニズムをモデル化した脚式移動型ロボットのメカニズムに関する。
【０００２】
更に詳しくは、本発明は、２以上の可動脚の各々が着床及び離床動作を協調的に繰り返し実行することにより、歩行、走行、ジャンプなどの動作パターンを実現するタイプの脚式移動型ロボットのメカニズムやその制御方法に係り、特に、ジャンプその他の動作パターンを実行した際にロボットが離床動作した後に着床する際に床面から受ける衝撃を可能な限り緩和することができる脚式移動型ロボットのメカニズムやその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ロボットの語源は、スラブ語のＲＯＢＯＴＡ(奴隷機械)に由来するといわれている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔ）であった。
【０００４】
最近では、ヒトやサルなどの２足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作を模した脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。２足直立による脚式移動は、クローラ式や、４足又は６足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、階段の昇降や障害物の乗り越えなど、柔軟な歩行・走行動作を実現できるという点で優れている。
【０００５】
例えば、脚式歩行ロボットのうち、胴体より下に相当する構造体に適用される関節構造について提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。
【０００６】
ヒトの生体メカニズムや動作をエミュレートした脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、若しくは「人間型」のロボット（ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ）と呼ぶ。人間型ロボットは、例えば、生活支援、すなわち住環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動の支援などを行うことができる。
【０００７】
人間形若しくは人間型と呼ばれるロボットを研究・開発する意義を、例えば以下の２つの視点から把握することができよう。
【０００８】
１つは、人間科学的な視点である。すなわち、人間の下肢及び／又は上肢に似た構造のロボットを作り、その制御方法を考案して、人間の歩行動作をシミュレートするというプロセスを通じて、歩行を始めとする人間の自然な動作のメカニズムを工学的に解明することができる。このような研究成果は、人間工学、リハビリテーション工学、あるいはスポーツ科学など、人間の運動メカニズムを扱う他のさまざまな研究分野の進展に大いに還元することができるであろう。
【０００９】
もう１つは、人間のパートナーとして生活を支援する、すなわち住環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動の支援を行うロボットの開発である。この種のロボットは、人間の生活環境のさまざまな局面において、人間から教わりながら個々に個性の相違する人間又は環境への適応方法を学習し、機能面でさらに成長していく必要がある。このとき、ロボットが「人間形」すなわち人間と同じ形又は同じ構造をしている方が、人間とロボットとのスムースなコミュニケーションを行う上で有効に機能するものと考えられる。
【００１０】
例えば、踏んではいけない障害物を避けながら部屋を通り抜ける方法を実地においてロボットに教示するような場合、クローラ式や４足式ロボットのように教える相手が自分と全く違う構造をしているよりも、同じような格好をしている２足歩行ロボットの方がはるかに教え易く、またロボットにとっても教わり易い筈であろう（例えば、非特許文献１を参照のこと）。そもそも、人間の住環境のほとんどは人間が持つ形態や行動様式に合わせて形成されたものであるから、ロボットが人間型の形態を有していることは人間の住環境との親和性を高める上で必須であるとも言える。
【００１１】
人間型ロボットの用途の１つとして、産業活動・生産活動等における各種の難作業の代行が挙げられる。例えば、原子力発電プラントや火力発電プラント、石油化学プラントにおけるメンテナンス作業、製造工場における部品の搬送・組立作業、高層ビルにおける清掃、火災現場その他における救助といったような危険作業・難作業の代行などである。但し、この種の産業利用に特化したロボットは、特定の用途若しくは機能を実現することが設計・製作上の至上の主題であり、２足歩行を前提とはするものの、ヒトやサルなど直立歩行動物が本来持つ身体メカニズムや動作を機械装置として忠実に再現する必要は必ずしもない。例えば、特定用途を実現するために手先の自由度や動作機能を強化する一方で、用途には比較的関係が低いとされる頭部や体幹部（脊椎など）、腰部などの自由度を制限し又を省略することはある程度許容すべきである。この結果、２足歩行と謂えども、ロボットの作業や動作の外観上で、ヒトとしては不自然さが残ることがあるが、かかる点は妥協せざるを得ない。
【００１２】
また、人間型ロボットの他の用途として、難作業の代行などの生活支援というよりも、生活密着型、すなわち人間との「共生」という用途が挙げられる。この種のロボットは、ヒトやサルなどの２足の直立歩行を行う動物が本来持つ、全身協調型の動作メカニズムを忠実に再現し、その自然に円滑な動作を実現することを至上の目的とする。また、ヒトやサルなどの知性の高い直立動物をエミュレートする以上、四肢を用いた動作の表現力が豊かであることが望ましい。さらに、予め入力された動作パターンを単に忠実に実行するだけではなく、相手の言葉や態度（「褒める」とか「叱る」、「叩く」など）に呼応した、生き生きとした動作表現を実現することも要求される。この意味において、ヒトを模したエンターティンメント・ロボットは、まさに「人間型ロボット」と呼ぶに相応しい。
【００１３】
既に周知のように、人体は数百の関節すなわち数百に上る自由度を備えている。限りなくヒトに近い動作を脚式移動ロボットに付与するためには、ほぼ同じ自由度を与えることが好ましいが、これは技術的には極めて困難である。何故ならば、１つの自由度に対して少なくとも各１つのアクチュエータを配設する必要があるが、数百のアクチュエータをロボットという機械装置上に実装することは、製造コストの点からも、重量やサイズなど設計の観点からも不可能に等しい。また、自由度が多いと、その分だけロボットの位置・動作パターン制御や姿勢安定制御等のための計算量が指数関数的に増大してしまう。
【００１４】
このため、人体よりもはるかに少ない数十程度の関節自由度で人間型ロボットを構成するのが一般的である。したがって、少ない自由度を用いてより自然な動作を如何にして実現するかが、人間型ロボットの設計・制御において重要な課題の1つといえる。
【００１５】
例えば、脊椎などのように柔軟性を持つ機構が人間の生活の場で多様で複雑な動作をするために重要であることは、人間工学などの観点から既に明らかである。脊椎を意味する体幹関節自由度は、産業的な用途上は存在価値が低いが、エンターティンメントやその他の生活密着型の人間型ロボットには重要である。なお且つ、状況に応じて柔軟さを能動的に調節できることが求められている。
【００１６】
また、２足直立歩行を行う脚式移動ロボットは、柔軟な歩行・走行動作（例えば階段の昇降や障害物の乗り越え等）を実現できる点で優れている反面、重心位置が高くなるため、その分だけ姿勢制御や安定歩行制御が難しくなる。特に、生活密着型のロボットの場合、ヒトやサルなどの知性動物における自然な動作や感情を豊かに表現しながら姿勢や安定歩行を制御しなければならない。
【００１７】
２足歩行による脚式移動を行うタイプのロボットに関する姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に数多提案されている。ここで言う安定な「歩行」とは、転倒することなく、脚を使って移動すること、と定義することができよう。
【００１８】
歩行時には、重力と歩行運動に伴なって生じる加速度によって、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが作用する。いわゆる「ダランベールの原理」によると、それらは路面から歩行系への反作用としての床反力、床反力モーメントとバランスする。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内側にピッチ及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわち「ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）」が存在する。
【００１９】
ロボットの安定歩行に関する提案の多くは、このＺＭＰを歩行の安定度判別の規範として用いている。ＺＭＰ規範に基づく２足歩行パターン生成は、足底着地点を予め設定でき、路面形状に応じた足先の運動学的拘束条件を考慮し易いなどの利点がある。
【００２０】
例えば、脚式移動ロボットの歩行制御装置について提案がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。同公報に記載の歩行制御装置は、ＺＭＰすなわち歩行するときの床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点を目標値に一致させるように制御するものである。
【００２１】
また、ＺＭＰが支持多面体（多角形）内部、又は、着地、離床時にＺＭＰが支持多面体（多角形）の端部から少なくとも所定の余裕を有する位置にあるように構成した脚式移動ロボットについて提案がなされている（例えば、特許文献３を参照のこと）。この結果、外乱などを受けても所定距離だけＺＭＰの余裕があり、歩行の安定性の向上を図ることができる。
【００２２】
また、脚式移動ロボットの歩き速度をＺＭＰ目標位置によって制御する点について提案がなされている（例えば、特許文献４を参照のこと）。すなわち、同公報に記載の脚式移動ロボットは、予め設定された歩行パターン・データを用い、ＺＭＰを目標位置に一致させるように脚部関節を駆動するとともに、上体の傾斜を検出して、その検出値に応じて設定された歩行パターン・データの吐き出し速度を変更するようにしている。この結果、予期しない凹凸を踏んでロボットが例えば前傾するときは吐き出し速度を速めることで姿勢を回復できる。またＺＭＰが目標位置に制御できるので、両脚支持期において吐き出し速度を変更しても支障がない。
【００２３】
また、脚式移動ロボットの着地位置をＺＭＰ目標位置によって制御する点について提案がなされている（例えば、特許文献５を参照のこと）。すなわち、同公報に記載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰ目標位置と実測位置とのずれを検出して、それを解消する様に脚部の一方または双方を駆動するか、又は、ＺＭＰ目標位置まわりにモーメントを検出してそれが零になる様に脚部を駆動することで安定歩行を行うようになっている。
【００２４】
また、脚式移動ロボットの傾斜姿勢をＺＭＰ目標位置によって制御する点について提案がなされている（例えば、特許文献６を参照のこと）。すなわち、同公報に記載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰ目標位置まわりのモーメントを検出し、モーメントが生じているときは、それが零になるように脚部を駆動することで安定歩行を行うようになっている。
【００２５】
マニピュレータのような据置き型ロボットやクロール式の移動ロボットとは異なり、脚式移動ロボットは複数の可動脚の各々が着床及び離床動作を強調的に繰り返すことにより、ロボット全体として歩行動作を実現する。着床時には、可動脚やロボット全体に対して床面からの反力が衝撃として印加される。度重なる衝撃や角の衝撃は、当然にして、関節（アクチュエータ）その他の部位の疲労や破損の原因となる。
【００２６】
また、人間の脚式移動は、歩行動作に限定されず、さらに走行やジャンプなどの離床期間の比較的長い動作を含む。上述した人間型ロボットに関する従来技術はいずれも歩行動作に対する提案にとどまるが、走行やジャンプなど、ロボットの離床期間を含む動作パターンの実現は、住空間におけるヒトの自然若しくは当然にして行う代表的な動作パターンの１つである。ジャンプや高所からの落下という動作パターンが、脚式若しくは人間型ロボットの設計目標に含まれることは言うまでもない。
【００２７】
例えば、前述したエンターティンメント向けの人間型ロボットの場合、ダンスをする、スポーツなどのゲームをする等、娯楽志向の強い作業を行う。このため、ヒトの代行作業上に発生する歩行や階段の昇降などの動作パターン以外に、走行する、ジャンプする、高所から飛び降りるなど、長い離床期間を伴う動作パターンを実行する頻度が極めて高いと予想される。また、離床期間が長いということは、より高い位置から落下することを意味する。ロボット自体が重量物であるから、落下時には、通常歩行時における可動脚が着床時に受けるよりもはるかに大きな衝撃が印加される。
【００２８】
エンターティンメント志向の人間型ロボットは、着床によってより大きな衝撃を受ける回数がより多いと言える。このため、関節アクチュエータの損傷や故障、その他の部位の破損を起こし易い。
【００２９】
例えば、脚式移動ロボットが転倒しそうな状況で、その転倒によりロボットが受ける損傷や、その転倒時にロボットが衝突する相手側の物体の損傷を可能な限り軽減することができる脚式移動ロボットの制御装置について提案がなされている（例えば、特許文献７を参照のこと）。
【００３０】
しかしながら、この提案された制御装置は、ロボット本体若しくは筐体の損傷を軽減することができるが、関節アクチュエータに印加される衝撃の軽減を図ったものではない。
【００３１】
また、この提案された制御装置は、転倒に伴う着床時に単にロボットの重心を下げるように制御するのみであり、離床から着床に至る期間全体を通した動作によって床面から受ける衝撃を緩和するような点については言及していない。そもそも、脚式移動ロボットの転倒時のみを考慮したものであり、ジャンプ動作や高所からの落下などのように比較的離床期間の長い動作パターンとは無関係である。
【００３２】
また、この提案された制御装置は、転倒に伴う着床時にロボットの重心を下げるように制御するが、着床後のロボットの姿勢は転倒状態しか想定されていない。言い換えれば、ジャンプ動作により離床し、再び着床する際に転倒しないようにロボットの姿勢を安定制御するという技術的課題とは無縁なのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３３】
【特許文献１】特開平３−１８４７８２号公報
【特許文献２】特開平５−３０５５７９号公報
【特許文献３】特開平５−３０５５８１号公報
【特許文献４】特開平５−３０５５８３号公報
【特許文献５】特開平５−３０５５８５号公報
【特許文献６】特開平５−３０５５８６号公報
【特許文献７】特開平１１−４８１７０５号公報
【非特許文献】
【００３４】
【非特許文献１】高西著「２足歩行ロボットのコントロール」（自動車技術会関東支部＜高塑＞Ｎｏ．２５，１９９６ＡＰＲＩＬ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
本発明は、上述したような技術的課題を鑑みたものであり、その目的は、２以上の可動脚の各々が着床及び離床動作を協調的に繰り返し実行することにより、歩行、走行、ジャンプなどの動作パターンを実現するタイプの脚式移動型ロボットのための優れた制御メカニズムを提供することにある。
【００３６】
本発明の更なる目的は、ジャンプ動作その他ロボットが離床動作した後に着床する際に床面から受ける衝撃を可能な限り緩和することができる、脚式移動型ロボットのための優れた制御メカニズムを提供することにある。
【００３７】
本発明の更なる目的は、ロボットがジャンプやその他の離床動作をした後に着床する際に関節アクチュエータが床面から受ける衝撃を可能な限り緩和することができる、脚式移動型ロボットのための優れた制御メカニズムを提供することにある。
【００３８】
本発明の更なる目的は、ロボットがジャンプその他の離床動作をした後着床に至る期間全体を通した一連の動作を以って、床面から受ける衝撃を可能な限り緩和することができる、脚式移動型ロボットのための優れた制御メカニズムを提供することにある。
【００３９】
また、本発明の更なる目的は、ロボットがジャンプやその他の離床動作をした後で着床する際にロボットが転倒しないように姿勢を安定制御することができる、脚式移動型ロボットのための優れた制御メカニズムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、下肢の運動により各種の動作パターンを実現する脚式移動ロボットであって、
少なくとも下肢に設けられたインピーダンス可変な関節アクチュエータと、
前記ロボットが離床又は着床いずれの期間中かを検出する検出手段と、
離床期間中であることを検出したことに応答して前記関節アクチュエータのインピーダンスを低下させるとともに、着床を検出したことに応答して前記関節アクチュエータのインピーダンスを着床動作前の元の値に戻すなど所定の制御を行う制御手段と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットである。
【００４１】
本発明の第１の側面に係る脚式移動ロボットによれば、離床期間中においてロボットは自らの関節アクチュエータのインピーダンスを低下させることで、関節アクチュエータ自体が緩衝材として機能するような状態で着床を待機することができる。
【００４２】
また、着床時においては、関節アクチュエータのインピーダンスを所定時間を以って元の状態に回復することで緩衝効果を確保することができる。
【００４３】
また、関節アクチュエータのインピーダンスが回復し、通常の制御状態に復帰した後は、ＺＭＰによる安定度判別規範に基づきロボット１００のＺＭＰが安定領域に入るように姿勢制御を行うことで、着床後にロボットが転倒してしまうという２次的な危険な事態を回避することができる。
【００４４】
また、本発明の第２の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、下肢の運動により各種の動作パターンを実現する脚式移動ロボットであって、
前記ロボットが離床又は着床いずれの期間中かを検出する検出手段と、
前記下肢を伸展及び屈曲させる第１の駆動手段と、
前記上体を伸展及び屈曲させる第２の駆動手段と、
前記第１及び第２の駆動手段の駆動を制御する制御手段とを具備し、
前記制御手段は、
離床期間中であることを検出したことに応答して、前記上体が重力方向とは逆方向に伸展し、及び／又は、前記下肢が重力方向に伸展するように、前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御するとともに、
着床を検出したことに応答して、前記ロボット全体の重心位置が下がるように前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御する、
ことを特徴とする脚式移動ロボットである。
【００４５】
本発明の第２の側面に係る脚式移動ロボットによれば、離床期間中においてロボットは鉛直方向に伸展したような姿勢をとり（後述：図８を参照のこと）、重心位置が着床する足底から極力高い位置になる状態で着床を待機する。さらに、着床時においては、所定加速度の範囲内で重心位置が次第に低くなるような動作パターンをとることによって、着床時に床面から受ける最大衝撃力を緩和することができる。
【００４６】
また、着床時においては、脚式移動ロボットのＺＭＰが安定領域に入るように姿勢制御を行うことで、着床後にロボットが転倒してしまうという２次的な危険な事態を回避することができる。
【００４７】
ここで、前記制御手段は、着床を検出したことに応答して、前記ロボット全体の重心位置が許容加速度以内で下がるように前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御するようにしてもよい。
【００４８】
また、前記制御手段は、着床時に、前記ロボットのＺＭＰが安定領域内にあるか否かを判定する処理と、該判定結果が否定的な場合にはＺＭＰが安定領域内に入るように前記ロボットの姿勢を変更する処理とを実行するようにしてもよい。
【００４９】
また、本発明の第３の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、下肢の運動により各種の動作パターンを実現する脚式移動ロボットであって、
前記ロボットが離床又は着床いずれの期間中かを検出する検出手段と、
前記下肢の各関節を駆動する第１の駆動手段と、
前記上体の各関節を駆動する第２の駆動手段と、
前記第１及び第２の駆動手段の駆動を制御する制御手段とを具備し、
前記制御手段は、
離床期間中であることを検出したことに応答して、仮想床平面上における仮想ＺＭＰが仮想安定領域内にあるか否かを判定するとともに、
該判定結果が否定的であったことに応答して、仮想ＺＭＰが仮想安定領域内に入るように前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御する、
ことを特徴とする脚式移動ロボットである。
【００５０】
本発明の第３の側面に係る脚式移動ロボットによれば、ロボットは、離床期間中は常に仮想床平面に対して安定した姿勢を維持しながら着床するまで待機することができる。この結果、着床時にバランスを失ってロボットが転倒する、ひいては転倒によってロボットの一部又は全部が破損するといった可能性を限りなく排除することができる。
【００５１】
前記の制御手段は、離床期間中であることを検出したことに応答して関節アクチュエータのインピーダンスを低下させるとともに、着床を検出したことに応答して関節アクチュエータのインピーダンスを元の値に戻すことにより、着床時の衝撃吸収動作を行ってもよい。あるいは、制御手段は、ロボットが着床を検出したことに応答して、前記ロボット全体の重心位置が許容加速度以内で下がるようにして、着床時の衝撃吸収動作を行ってもよい。
【００５２】
また、本発明の第４の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、下肢の運動により各種の動作パターンを実現する脚式移動ロボットの制御方法であって、少なくとも下肢に設けられた関節アクチュエータはインピーダンス可変であり、
（ａ）離床期間中に前記関節アクチュエータのインピーダンスを低下させるステップと、
（ｂ）着床時に前記関節アクチュエータのインピーダンスを元の値に戻すなど所定の制御を行うステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの制御方法である。
【００５３】
本発明の第４の側面に係る制御方法において、前記ステップ（ｂ）では、所定時間の間で連続的にインピーダンスを元の値に向かって連続的に戻すようにしてもよい。
【００５４】
また、本発明の第４の側面に係る制御方法は、
（ｃ）着床時に、前記ロボットのＺＭＰが安定領域内にあるか否かを判定するステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）における判定結果が否定的な場合には、ＺＭＰが安定領域内に入るように前記ロボットの姿勢を変更するステップと、
をさらに備えてもよい。
【００５５】
また、本発明の第５の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、下肢の運動により各種の動作パターンを実現する脚式移動ロボットの制御方法であって、前記脚式移動ロボットは前記下肢を伸展及び屈曲させる第１の駆動手段と、前記上体を伸展及び屈曲させる第２の駆動手段とを含み、
（ａ）離床期間中に、前記上体が重力方向とは逆方向に伸展し、及び／又は、前記下肢が重力方向に伸展するように、前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御するステップと、
（ｂ）着床を検出したことに応答して、前記ロボット全体の重心位置が下がるように前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御するステップと、
ことを特徴とする脚式移動ロボットの制御方法である。
【００５６】
本発明の第５の側面に係る制御方法において、前記ステップ（ｂ）では、前記ロボット全体の重心位置が許容加速度以内で下がるように前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御するようにしてもよい。
【００５７】
また、本発明の第５の側面に係る制御方法は、
（ｃ）着床時に、前記ロボットのＺＭＰが安定領域内にあるか否かを判定するステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）における判定結果が否定的な場合には、ＺＭＰが安定領域内に入るように前記ロボットの姿勢を変更するステップと、
をさらに備えてもよい。
【００５８】
また、本発明の第６の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、下肢の運動により各種の動作パターンを実現する脚式移動ロボットの制御方法であって、
（ａ）前記脚式移動ロボットが離床期間中か否かを判別するステップと、
（ｂ）前記脚式移動ロボットの重力方向を検出するステップと、
（ｃ）前記脚式移動ロボットの仮想床平面を設定するステップと、
（ｄ）前記脚式移動ロボットの仮想安定領域を設定するステップと、
（ｅ）前記脚式移動ロボットの仮想ＺＭＰを算出するステップと、
（ｆ）仮想ＺＭＰが仮想安定領域内にあるか否かを判定するステップと、
（ｇ）前記ステップ（ｆ）における判定結果が否定的であったことに応答して、仮想ＺＭＰが仮想安定領域内に入るように前記脚式移動ロボットの姿勢を変更するステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの制御方法である。
【００５９】
本発明の第６の側面に係る制御方法は、離床期間中であることを検出したことに応答して関節アクチュエータのインピーダンスを低下させるステップと、着床を検出したことに応答して関節アクチュエータのインピーダンスを元の値に戻すステップとをさらに備えてもよい。
【００６０】
また、着床を検出したことに応答して、前記ロボット全体の重心位置が許容加速度以内で下がるように姿勢制御するステップをさらに備えてもよい。
【発明の効果】
【００６１】
本発明によれば、ジャンプ動作その他ロボットが離床動作した後に着床する際に床面から受ける衝撃を可能な限り緩和することができる、優れた脚式移動型ロボット及びその制御方法を提供することができる。
【００６２】
また、本発明によれば、ロボットがジャンプやその他の離床動作をした後に着床する際に関節アクチュエータが床面から受ける衝撃を可能な限り緩和することができる、優れた脚式移動型ロボット及びその制御方法を提供することができる。
【００６３】
また、本発明によれば、ロボットがジャンプその他の離床動作をした後着床に至る期間全体を通した一連の動作を以って、床面から受ける衝撃を可能な限り緩和することができる、優れた脚式移動型ロボット及びその制御方法を提供することができる。
【００６４】
また、本発明によれば、ロボットがジャンプやその他の離床動作をした後で着床する際に、ロボットが転倒しないようにその姿勢を安定制御することができる、優れた脚式移動型ロボット及びその制御方法を提供することができる。
【００６５】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施に供される人間型ロボット１００を前方から眺望した様子を示した図である。
【図２】本発明の実施に供される人間型ロボット１００を後方から眺望した様子を示した図である。
【図３】本実施例に係る人間型ロボット１００が具備する自由度構成モデルを模式的に示した図である。
【図４】本実施例に係る人間型ロボット１００の制御システム構成を模式的に示した図である。
【図５】ロボット１００が着床する際の処理手順の一例を示したフローチャートである。
【図６】ロボット１００に用いられる１つのアクチュエータに関するサーボ回路とその制御系とを示したブロック図である。
【図７】ロボット１００が着床する際の処理手順に関する他の例を示したフローチャートである。
【図８】離床期間中のロボット１００が両手・両足が伸展し、着床を果たす足先からロボット１００全体の重心位置までの距離（高さ）が極力長くなる姿勢を取った様子を示した図である。
【図９】着床時にロボット１００がとる姿勢の具体例を示した図である。
【図１０】着床時にロボット１００が床面から受ける衝撃力を示したチャートである。
【図１１】着床時にロボット１００の重心位置を点Ｇ0から点ＧFに移動させる速度と床面から受ける衝撃力との関係を示したチャートである。
【図１２】ロボット１００が着床する際の処理手順に関する他の例を示したフローチャートである。
【図１３】離床時におけるロボット１００に対する仮想床平面を図解したものである。
【図１４】離床時におけるロボット１００の仮想安定領域を図解したものである。
【図１５】人間型ロボットについての関節モデル構成の一例を模式的に示した図である。
【図１６】人間型ロボットについての関節モデル構成の他の例を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を詳解する。
【００６８】
図１及び図２には本発明の実施に供される人間形又は人間型ロボット１００を前方及び後方の各々から眺望した様子を示している。さらに、図３には、この人間型ロボット１００が具備する関節自由度構成を模式的に示している。
【００６９】
図３に示すように、人間型ロボット１００は、２本の腕部と頭部１を含む上体と、移動動作を実現する２本の脚部からなる下肢と、上肢と下肢とを連結する体幹部とで構成される。
【００７０】
頭部１を支持する首関節は、首関節ヨー軸２と、首関節ピッチ軸３と、首関節ロール軸４という３自由度を有している。
【００７１】
また、各腕部は、肩関節ピッチ軸８と、肩関節ロール軸９と、上腕ヨー軸１０と、肘関節ピッチ軸１１と、前腕ヨー軸１２と、手首関節ピッチ軸１３と、手首関節ロール軸１４と、手部１５とで構成される。手部１５は、実際には、複数本の指を含む多関節・多自由度構造体である。但し、手部１５の動作自体は、ロボット１００の姿勢安定制御や歩行動作制御に対する寄与や影響が少ないので、本明細書ではゼロ自由度と仮定する。したがって、各腕部は７自由度を有するとする。
【００７２】
また、体幹部は、体幹ピッチ軸５と、体幹ロール軸６と、体幹ヨー軸７という３自由度を有する。
【００７３】
また、下肢を構成する各々の脚部は、股関節ヨー軸１６と、股関節ピッチ軸１７と、股関節ロール軸１８と、膝関節ピッチ軸１９と、足首関節ピッチ軸２０と、関節ロール軸２１と、足部（足底）２２とで構成される。股関節ピッチ軸１７と股関節ロール軸１８の交点は、本実施例に係るロボット１００の股関節位置を定義するものとする。人体の足部（足底）２２は、実際には多関節・多自由度の足底を含んだ構造体であるが、本実施例に係る人間型ロボット１００の足底はゼロ自由度とする。したがって、各脚部は６自由度で構成される。
【００７４】
以上を総括すれば、本実施例に係る人間型ロボット１００全体としては、合計で３＋７×２＋３＋６×２＝３２自由度を有することになる。但し、エンターティンメント向けの人間型ロボット１００が必ずしも３２自由度に限定される訳ではない。設計・製作上の制約条件や要求仕様等に応じて、自由度すなわち関節数を適宜増減することができることは言うまでもない。
【００７５】
上述したような人間型ロボット１００が持つ各自由度は、実際にはアクチュエータを用いて実装される。外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形状に近似させること、２足歩行という不安定構造体に対して姿勢制御を行うことなどの要請から、アクチュエータは小型且つ軽量であることが好ましい。本実施例では、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータを搭載することとした。なお、この種のＡＣサーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願人に既に譲渡されている特願平１１−３３３８６号明細書に開示されている。
【００７６】
図４には、人間型ロボット１００の制御システム構成を模式的に示している。同図に示すように、人間型ロボット１００は、ヒトの四肢を表現した各機構ユニット３０，４０，５０Ｒ／Ｌ，６０Ｒ／Ｌと、各機構ユニット間の協調動作を実現するための適応制御を行う制御ユニット８０とで構成される（但し、Ｒ及びＬの各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下同様）。
【００７７】
人間型ロボット１００全体の動作は、制御ユニット８０によって統括的に制御される。制御ユニット８０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）チップやメモリ・チップ等の主要回路コンポーネント（図示しない）で構成される主制御部８１と、電源装置やロボット１００の各構成要素とのデータやコマンドの授受を行うインターフェース（いずれも図示しない）などを含んだ周辺回路８２とで構成される。
【００７８】
本実施例では、電源装置は、ロボット１００を自立的に駆動するためのバッテリを含んだ構成（図４には図示しない）となっている。自立駆動型であれば、人間型ロボット１００の物理的な行動半径は、電源ケーブルによる制限を受けず、自由に歩行することができる。また、歩行やその他の上肢を含めた各種の運動時に、電源ケーブルとの干渉を考慮する必要がなくなり、動作制御が容易になる。
【００７９】
図３に示したロボット１００内の各関節自由度は、それぞれに対応するアクチュエータによって実現される。すなわち、頭部ユニット３０には、首関節ヨー軸２、首関節ピッチ軸３、首関節ロール軸４の各々を表現する首関節ヨー軸アクチュエータＡ2、首関節ピッチ軸アクチュエータＡ3、首関節ロール軸アクチュエータＡ4がそれぞれ配設されている。
【００８０】
また、体幹部ユニット４０には、体幹ピッチ軸５、体幹ロール軸６、体幹ヨー軸７の各々を表現する体幹ピッチ軸アクチュエータＡ5、体幹ロール軸アクチュエータＡ6、体幹ヨー軸アクチュエータＡ7がそれぞれ配備されている。
【００８１】
また、腕部ユニット５０Ｒ／Ｌは、上腕ユニット５１Ｒ／Ｌと、肘関節ユニット５２Ｒ／Ｌと、前腕ユニット５３Ｒ／Ｌに細分化されるが、肩関節ピッチ軸８、肩関節ロール軸９、上腕ヨー軸１０、肘関節ピッチ軸１１、肘関節ロール軸１２、手首関節ピッチ軸１３、手首関節ロール軸１４の各々を表現する肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ8、肩関節ロール軸アクチュエータＡ9、上腕ヨー軸アクチュエータＡ10、肘関節ピッチ軸アクチュエータＡ11、肘関節ロール軸アクチュエータＡ12、手首関節ピッチ軸アクチュエータＡ13、手首関節ロール軸アクチュエータＡ14がそれぞれ配備されている。
【００８２】
また、脚部ユニット６０Ｒ／Ｌは、大腿部ユニット６１Ｒ／Ｌと、膝ユニット６２Ｒ／Ｌと、脛部ユニット６３Ｒ／Ｌに細分化されるが、股関節ヨー軸１６、股関節ピッチ軸１７、股関節ロール軸１８、膝関節ピッチ軸１９、足首関節ピッチ軸２０、足首関節ロール軸２１の各々を表現する股関節ヨー軸アクチュエータＡ16、股関節ピッチ軸アクチュエータＡ17、股関節ロール軸アクチュエータＡ18、膝関節ピッチ軸アクチュエータＡ19、足首関節ピッチ軸アクチュエータＡ20、足首関節ロール軸アクチュエータＡ21がそれぞれ配備されている。
【００８３】
各アクチュエータＡ2，Ａ3…は、より好ましくは、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニット内に搭載したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータ（前述）である。
【００８４】
頭部ユニット３０、体幹部ユニット４０、腕部ユニット５０、各脚部ユニット６０などの各機構ユニット毎に、アクチュエータ駆動制御用の副制御部３５，４５，５５，６５がそれぞれ配備されている。さらに、各脚部６０Ｒ，Ｌの足底が着床したか否かを検出する接地確認センサ９１及び９２を装着するとともに、体幹部ユニット４０内には、姿勢を計測する姿勢センサ９３を装備している。本実施例では、姿勢センサ９３として加速度センサを用いるものとする。これら各センサ９１〜９３の出力により、足底２２の着床及び離床期間、体幹部分の傾きなどを検出して、制御目標をダイナミックに補正することができる。
【００８５】
主制御部８０は、各センサ９１〜９３の出力に応答して副制御部３５，４５，５５，６５の各々に対して適応的な制御を行い、人間型ロボット１００の上肢、体幹、及び下肢の協調した動作を実現することができる。主制御部８１は、ユーザ・コマンド等に従って、足部運動、ＺＭＰ軌道、体幹運動、上肢運動、腰部高さなどを設定するとともに、これらの設定内容に従った動作を指示するコマンドを各副制御部３５，４５，５５，６５に転送する。
【００８６】
そして、各々の副制御部３５，４５…では、主制御部８１からの受信コマンドを解釈して、各アクチュエータＡ2，Ａ3…に対して駆動制御信号を出力する。ここで言う「ＺＭＰ」とは、歩行中の床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点のことであり、また、「ＺＭＰ軌道」とは、例えばロボット１００の歩行動作期間中などにＺＭＰが動く軌跡を意味する。
【００８７】
次に、上述した人間型ロボット１００における、ジャンプなどの離床期間を経て落下して着床する際の処理手順について説明する。
【００８８】
図５には、着床時の処理手順の一例をフローチャートの形式で図解している。以下、このフローチャートの各ステップについて説明する。
【００８９】
ロボット１００が離床動作を行うと（ステップＳ１１）、両足の足底に設けられた接地確認センサ９１及び９２がともにオフ状態となって（ステップＳ１２）、主制御部８１において離床状態が検出される。ここで言う離床動作は、ジャンプ動作や高所から飛び降りる動作など、その動作パターンは特に特定されないので、本明細書中では説明を省略する。
【００９０】
離床動作を検出したことに応答して、各関節アクチュエータの制御パラメータ値を変更する（ステップＳ１３）。より具体的には、アクチュエータのインピーダンスが低下するように、制御パラメータを変更する。インピーダンスの低いアクチュエータは、柔軟な状態となるので、着床時には緩衝材として機能し、床面から受ける衝撃を吸収することができる。特に、足首関節や膝関節など、床面に近く大きな衝撃を受けるアクチュエータのインピーダンスを変更することが好ましい。
【００９１】
図６には、ロボット１００に用いられる１つのアクチュエータに関するサーボ回路とその制御系２００のブロック図を示している。同図に示すように、該制御系は、位置指令と速度指令を入力にして、位置検出をフィードバックするタイプの制御系である。位置指令は位置制御器２０１に入力され、位置制御器２０１の出力と速度指令とが速度制御器２０２，２０３に入力され、速度制御器２０３の出力がアクチュエータ２０４に供給され、アクチュエータ２０４が駆動する。また、アクチュエータ２０４に付設されたエンコーダ（図示しない）からの位置検出信号が位置制御器２０１にフィードバックされるとともに、その時間微分した信号が速度制御器２０２にフィードバックされる。
【００９２】
図６に示すＫpp，Ｋvi，Ｋvpの各々は、このサーボ制御系についての制御パラメータである。これらパラメータのうち少なくとも１つを小さな値に変更することにより、アクチュエータ２００のインピーダンスは低下する。
【００９３】
なお、アクチュエータ２００は、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータであり、例えば本出願人に既に譲渡されている特願平１１−３３３８６号明細書に開示されている。
【００９４】
再び図５に戻って処理手順について説明する。ステップＳ１４では、両足の接地センサ９１及び９２がともにオンになり（あるいは一方のセンサがオンになり）、ロボット１００が床面に着床するまで待機する。
【００９５】
そして、ロボット１００の着床が検出されると、ステップＳ１３において変更した関節アクチュエータの制御パラメータ値を元の値に戻す（ステップＳ１５）。この結果、アクチュエータのインピーダンスが回復されて、ロボット１００の動作制御が可能な離床前の状態となる。但し、インピーダンスを急峻に回復させてしまうと、緩衝材としての効果が失われるので、所定の時間Ｔ（例えば数百ミリ秒程度）をかけて元の値に戻す。
【００９６】
次いで、ロボット１００のＺＭＰが安定領域、例えば着床した足底にあるか否かを判断する（ステップＳ１６）。ＺＭＰが安定領域になければ、安定領域に入るようにロボット１００全体の姿勢を変更する（ステップＳ１７）。
【００９７】
他方、ＺＭＰが安定領域にあれば、この処理手順全体を終了する。
【００９８】
図５に示すような着床処理手順に従えば、離床期間中においてロボット１００は自らの関節アクチュエータのインピーダンスを低下させ、アクチュエータが緩衝材として機能する状態でロボット１００の着床を待機することができる。
【００９９】
また、ロボット１００の着床時においては、所定時間を以ってインピーダンスを元の状態に回復することで緩衝効果を確保することができる。
【０１００】
また、ロボット１００が着床して、関節アクチュエータのインピーダンスが回復し、通常の制御状態に復帰した後は、ＺＭＰによる安定度判別規範に基づきロボット１００のＺＭＰが安定領域に入るように姿勢制御を行うことで、着床後にロボット１００が転倒してしまうという２次的な危険な事態を回避することができる。
【０１０１】
図７には、着床時の処理手順に関する他の例をフローチャートの形式で図解している。以下、このフローチャートの各ステップについて説明する。
【０１０２】
ロボット１００が離床動作を行うと（ステップＳ２１）、両足の足底に設けられた接地確認センサ９１及び９２がともにオフ状態となって（ステップＳ２２）、主制御部８１においてロボット１００の離床状態が検出される。ここで言う離床動作は、ジャンプ動作や高所から飛び降りる動作など、動作パターンは特に特定されないので、本明細書中では説明を省略する。
【０１０３】
離床動作を検出したことに応答して、ロボット１００の上肢及び体幹部の各関節におけるピッチ軸を重力方向とは逆方向に回転駆動するとともに、下肢・脚部を重力方向に伸展する（ステップＳ２３）。
【０１０４】
図８には、ロボット１００の上肢及び体幹部の各関節におけるピッチ軸を重力方向とは逆方向に回転駆動するとともに、下肢・脚部を重力方向に伸展する姿勢の一例を模式的に図解している。同図に示すように、ロボット１００の両手・両足が伸展するようにロボット１００を姿勢制御する。この結果、足先からロボット１００全体の重心位置Ｇまでの距離（高さ）ｈが、手足を伸展する前の重心位置Ｇ'よりも長くなる。
【０１０５】
ステップＳ２４では、両足の接地センサ９１及び９２がともにオンになり（あるいは一方のセンサがオンになり）、ロボット１００が床面に着床するまで待機する。
【０１０６】
そして、ロボット１００の着床が検出されると、ロボット１００の重心が下がるようにロボットの上肢、下肢、及び体幹部関節の各ピッチ軸を駆動する（ステップＳ２５）。
【０１０７】
ロボット１００の重心が下がる姿勢の一例は、例えば図９に示すように、両足や股関節、体幹関節を屈曲させて屈み込んだ状態である。着床した足平から重心位置までの距離が充分短いことを理解できるであろう。
【０１０８】
ステップＳ２５における屈曲動作により、ロボット１００の重心位置は、着床時Ｇ0から着床動作終了時（安定時）ＧFまで移動することになる（但し、Ｇ0＞ＧF）。この一連の着床動作に所定時間Ｔだけ費やすことで、ロボット１００が床面から受ける衝撃力は、図１０のチャートに示すように、時間Ｔの間で緩やかに分散され、最大衝撃力も軽減される。
【０１０９】
但し、ステップＳ２５における屈曲動作は、加速度センサ９３の値が許容加速度の値を超えないように各関節軸の駆動速度を強調して制御する（すなわち姿勢を屈曲させる）必要がある。何故ならば、許容加速度を越える値で屈曲動作を行うと、ロボット１００に印加される衝撃はむしろ増幅されるからである。
【０１１０】
図１１には、着床時にロボット１００の重心位置を点Ｇ0から点ＧFに移動させる速度と床面から受ける衝撃力との関係をチャート上で示している。より具体的には、重心位置が点Ｇ0から点ＧFまで移動させる所要時間（すなわち着床から安定に至るまでの所要時間）ＴがそれぞれＴ1、Ｔ2、及びＴ3（但し、Ｔ1＜Ｔ2＜Ｔ3）となる場合をプロットしている。同図からも判るに、所要時間が短いほど重心位置の移動加速度が速くなり、これに比例して床面から受ける衝撃力Ｆの最大値は増大する。逆に、重心移動の所要時間が長いほど加速度が低くなり、着床時のインパクトが重心移動によって吸収され、衝撃力Ｆの最大値は軽減される。
【０１１１】
次いで、ロボット１００のＺＭＰが安定領域、例えば着床した足底にあるか否かを判断する（ステップＳ２６）。ＺＭＰが安定領域になければ、安定領域に入るようにロボット１００全体の姿勢を変更する（ステップＳ２７）。
【０１１２】
他方、ＺＭＰが安定領域にあれば、この処理手順全体を終了する。
【０１１３】
図７に示すような着床処理手順に従えば、離床期間中においてロボット１００は鉛直方向に伸展したような姿勢をとり（図８を参照のこと）、重心位置が着床する足底から極力高い位置になる状態で着床を待機することができる。さらに、着床時においては、所定加速度の範囲内で重心位置が次第に低くなるような動作パターンをとることによって、床面から受ける最大衝撃力を緩和することができる。
【０１１４】
また、着床時においては、ロボット１００のＺＭＰが安定領域に入るように姿勢制御を行うことで、着床後にロボット１００が転倒してしまうという２次的な危険な事態を回避することができる。
【０１１５】
図１２には、着床時の処理手順に関する他の例をフローチャートの形式で図解している。以下、このフローチャートの各ステップについて説明する。
【０１１６】
ロボット１００が離床動作を行うと（ステップＳ３１）、両足の足底に設けられた接地確認センサ９１及び９２がともにオフ状態となって（ステップＳ３２）、主制御部８１において離床状態が検出される。ここで言う離床動作は、ジャンプ動作や高所から飛び降りる動作など、動作パターンは特に特定されないので、本明細書中では説明を省略する。
【０１１７】
離床動作を検出したことに応答して、主制御部８１では、姿勢センサ９３の出力を基に、重力方向を算出して（ステップＳ３３）、仮想床平面を設定する（ステップＳ３４）。本明細書中において、「仮想床平面」とは、現在のロボット１００の姿勢において着床したと想定される平面のことを言う。ロボット１００の最下点（ジャンプなど通常の離床動作では左右いずれか一方又は両方の足平）における重力ベクトルを法線ベクトルとする平面が仮想床平面に相当する（図１３を参照のこと）。
【０１１８】
次いで、仮想床平面上における仮想安定領域を設定する（ステップＳ３５）。本明細書中において、「仮想安定領域」とは、ロボット１００の現在の姿勢において仮想床平面に着床したときに、ロボット１００が安定を保つことができる該床面上に領域のことである。例えば、仮想床平面上に着床した両足平に相当する（図１４を参照のこと）。
【０１１９】
次いで、仮想ＺＭＰを算出する（ステップＳ３６）。「仮想ＺＭＰ」とは、仮想床平面における床反力によるモーメントがゼロとなる仮想床平面上の点のことである。
【０１２０】
判断ブロックＳ３７では、仮想ＺＭＰが仮想安定領域内に入っているか否かを判断する。
【０１２１】
判断結果が否定的であれば、ロボット１００の上肢、下肢、体幹部の少なくとも一部の関節アクチュエータを駆動させて、仮想ＺＭＰが仮想安定領域内に入るように、ロボット１００の姿勢を変更する（ステップＳ３８）。
【０１２２】
上述したような姿勢制御の結果、ロボット１００は、離床期間中は常に仮想床平面に対して安定した姿勢を維持しながら着床を待機することができる。着床時には仮想床平面が現実の床平面と一致するが、上述のステップＳ３９では、ロボット１００は安定した姿勢で着床することができる。なお、着床動作には、図５や図７を用いて説明したような衝撃吸収動作を含んでもよい。
【０１２３】
要するに図１２に示すような姿勢制御処理手順に従えば、ロボット１００は、離床期間中は常に仮想床平面に対して安定した姿勢を維持しながら着床するまで待機することができる。この結果、着床時にバランスを失って転倒する、ひいては転倒によってロボット１００の一部又は全部が破損するといった可能性を、限りなく排除することができる。さらに、上述した衝撃吸収動作を組み込むことによって、万全な着床動作を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。
【０１２５】
本明細書では、２足の下肢により脚式移動を行う人間型ロボットを例に本発明を説明したが、本発明の要旨は２足歩行ロボットに限定されるものではない。例えばイヌをモデル化したペット型ロボットのような４足歩行ロボット、あるいはその他の本数の下肢を持つ脚式移動ロボットに対しても、当然にして本発明を好適に適用することができる。また、本実施例で示したように、胴体（体幹部ユニット）に上肢や頭部を搭載していないタイプのロボットに対しても本発明を適用することができる。
【０１２６】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈されるべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【０１２７】
なお、本発明の要旨を判断する上で、２足歩行のロボット１００についての関節等の呼び名は、図３を厳格に適用するのは妥当ではなく、現実のヒトやサルなどの２足直立歩行動物の身体メカニズムとの対比により柔軟に解釈されたい。
【０１２８】
参考のため、人間型ロボットの関節モデル構成を図１５に図解しておく。同図に示す例では、肩関節５から上腕、肘関節６、前腕、手首７及び手部８からなる部分を「上肢」と呼ぶ。また、肩関節５から股関節１１までの範囲を「体幹部」と呼び、ヒトの胴体に相当する。また、体幹部のうち特に股関節１１から体幹関節１０までの範囲を「腰部」と呼ぶ。体幹関節１０は、ヒトの背骨が持つ自由度を表現する作用を有する。また、股関節１１より下の大腿部１２、膝関節１４、下腿部１３、足首１５及び足部１６からなる部分を「下肢」と呼ぶ。一般には、股関節より上方を「上体」と呼び、それより下方を「下体」と呼ぶ
【０１２９】
また、図１６には、人間型ロボットの他の関節モデル構成を図解している。同図に示す例は、体幹関節１０を有しない点で図１４に示した例とは相違する。各部の名称については図を参照されたい。背骨に相当する体幹関節が省略される結果として人間型ロボットの上体の動きは表現力を失う。但し、危険作業やなお作業の代行など、産業目的の人間型ロボットの場合、上体の動きを要しない場合がある。なお、図１５及び図１６で用いた参照番号は、図３などそれ以外の図面とは一致しない点を理解されたい。
【符号の説明】
【０１３０】
１…頭部，２…首関節ヨー軸
３…首関節ピッチ軸，４…首関節ロール軸
５…体幹ピッチ軸，６…体幹ロール軸
７…体幹ヨー軸，８…肩関節ピッチ軸
９…肩関節ロール軸，１０…上腕ヨー軸
１１…肘関節ピッチ軸，１２…前腕ヨー軸
１３…手首関節ピッチ軸，１４…手首関節ロール軸
１５…手部，１６…股関節ヨー軸
１７…股関節ピッチ軸，１８…股関節ロール軸
１９…膝関節ピッチ軸，２０…足首関節ピッチ軸
２１…足首関節ロール軸，２２…足部（足底）
３０…頭部ユニット，４０…体幹部ユニット
５０…腕部ユニット，５１…上腕ユニット
５２…肘関節ユニット，５３…前腕ユニット
６０…脚部ユニット，６１…大腿部ユニット
６２…膝関節ユニット，６３…脛部ユニット
８０…制御ユニット，８１…主制御部
８２…周辺回路
９１，９２…接地確認センサ
９３…姿勢センサ
１００…人間型ロボット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも下肢を有する脚式移動ロボットであって、
少なくとも下肢に設けられた関節アクチュエータと、
前記ロボットが離床又は着床いずれの期間中かを検出する検出手段と、
前記検出手段が離床期間中であることを検出したことに応答して前記関節アクチュエータのインピーダンスを低下させるとともに、前記検出手段が着床を検出したことに応答して前記関節アクチュエータのインピーダンスに所定の制御を行う制御手段と、
を具備する脚式移動ロボット。
【請求項２】
前記制御手段は、前記検出手段が着床を検出したことに応答して前記関節アクチュエータのインピーダンスを元の値に戻すことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボット。
【請求項３】
前記制御手段は、前記検出手段が着床を検出したことに応答して前記関節アクチュエータのインピーダンスを所定時間の間で連続的に元の値に向かって連続的に戻すことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボット。
【請求項４】
前記制御手段は、前記関節アクチュエータのインピーダンスを元の値に戻した後に、前記ロボットのＺＭＰが安定領域内にあるか否かを判定する処理と、該判定結果が否定的な場合にはＺＭＰが安定領域内に入るように前記ロボットの姿勢を変更する処理とを実行することを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
【請求項５】
上体と、前記上体に接続された下肢を有する脚式移動ロボットであって、
前記ロボットが離床又は着床いずれの期間中かを検出する検出手段と、
前記下肢を伸展及び屈曲させる第１の駆動手段と、
前記上体を伸展及び屈曲させる第２の駆動手段と、
前記第１及び第２の駆動手段の駆動を制御する制御手段とを具備し、
前記制御手段は、
前記検出手段が離床期間中であることを検出したことに応答して、前記上体が重力方向とは逆方向に伸展し、前記下肢が重力方向に伸展するように、前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御するとともに、
前記検出手段が着床を検出したことに応答して、前記ロボット全体の重心位置が下がるように前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御する、
ことを特徴とする脚式移動ロボット。
【請求項６】
前記制御手段は、前記検出手段が着床を検出したことに応答して、前記ロボット全体の重心位置が許容加速度以内で下がるように前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御することを特徴とする請求項４に記載の脚式移動ロボット。
【請求項７】
前記制御手段は、前記ロボット全体の重心位置を下げた後に、前記ロボットのＺＭＰが安定領域内にあるか否かを判定する処理と、該判定結果が否定的な場合にはＺＭＰが安定領域内に入るように前記ロボットの姿勢を変更する処理とを実行することを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
【請求項８】
少なくとも下肢を有する脚式移動ロボットの制御方法であって、少なくとも下肢に設けられた関節アクチュエータはインピーダンス可変であり、
（ａ）離床期間中に前記関節アクチュエータのインピーダンスを低下させるステップと、
（ｂ）着床時に前記関節アクチュエータのインピーダンスに所定の制御を行うステップと、
を有することを特徴とする脚式移動ロボットの制御方法。
【請求項９】
前記ステップ（ｂ）では、着床を検出したことに応答して前記関節アクチュエータのインピーダンスを元の値に戻すことを特徴とする請求項８に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
【請求項１０】
前記ステップ（ｂ）では、着床を検出したことに応答して前記関節アクチュエータのインピーダンスを所定時間の間で連続的に元の値に向かって連続的に戻すことを特徴とする請求項８に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
【請求項１１】
さらに、
（ｃ）前記関節アクチュエータのインピーダンスを元の値に戻した後に、前記ロボットのＺＭＰが安定領域内にあるか否かを判定するステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）における判定結果が否定的な場合には、ＺＭＰが安定領域内に入るように前記ロボットの姿勢を変更するステップと、
を有することを特徴とする請求項８に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
【請求項１２】
上体と、前記上体に接続された下肢を有する脚式移動ロボットの制御方法であって、前記脚式移動ロボットは前記下肢を伸展及び屈曲させる第１の駆動手段と、前記上体を伸展及び屈曲させる第２の駆動手段とを含み、
（ａ）離床期間中に、前記上体が重力方向とは逆方向に伸展し、前記下肢が重力方向に伸展するように、前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御するステップと、
（ｂ）着床を検出したことに応答して、前記ロボット全体の重心位置が下がるように前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御するステップと、
を有することを特徴とする脚式移動ロボットの制御方法。
【請求項１３】
前記ステップ（ｂ）では、前記ロボット全体の重心位置が許容加速度以内で下がるように前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御することを特徴とする請求項１２に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
【請求項１４】
さらに、
（ｃ）前記ロボット全体の重心位置を下げた後に、前記ロボットのＺＭＰが安定領域内にあるか否かを判定するステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）における判定結果が否定的な場合には、ＺＭＰが安定領域内に入るように前記ロボットの姿勢を変更するステップと、
を有することを特徴とする請求項１２に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
【請求項１】
少なくとも下肢を有する脚式移動ロボットであって、
少なくとも下肢に設けられた関節アクチュエータと、
前記ロボットが離床又は着床いずれの期間中かを検出する検出手段と、
前記検出手段が離床期間中であることを検出したことに応答して前記関節アクチュエータのインピーダンスを低下させるとともに、前記検出手段が着床を検出したことに応答して前記関節アクチュエータのインピーダンスに所定の制御を行う制御手段と、
を具備する脚式移動ロボット。
【請求項２】
前記制御手段は、前記検出手段が着床を検出したことに応答して前記関節アクチュエータのインピーダンスを元の値に戻すことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボット。
【請求項３】
前記制御手段は、前記検出手段が着床を検出したことに応答して前記関節アクチュエータのインピーダンスを所定時間の間で連続的に元の値に向かって連続的に戻すことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボット。
【請求項４】
前記制御手段は、前記関節アクチュエータのインピーダンスを元の値に戻した後に、前記ロボットのＺＭＰが安定領域内にあるか否かを判定する処理と、該判定結果が否定的な場合にはＺＭＰが安定領域内に入るように前記ロボットの姿勢を変更する処理とを実行することを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
【請求項５】
上体と、前記上体に接続された下肢を有する脚式移動ロボットであって、
前記ロボットが離床又は着床いずれの期間中かを検出する検出手段と、
前記下肢を伸展及び屈曲させる第１の駆動手段と、
前記上体を伸展及び屈曲させる第２の駆動手段と、
前記第１及び第２の駆動手段の駆動を制御する制御手段とを具備し、
前記制御手段は、
前記検出手段が離床期間中であることを検出したことに応答して、前記上体が重力方向とは逆方向に伸展し、前記下肢が重力方向に伸展するように、前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御するとともに、
前記検出手段が着床を検出したことに応答して、前記ロボット全体の重心位置が下がるように前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御する、
ことを特徴とする脚式移動ロボット。
【請求項６】
前記制御手段は、前記検出手段が着床を検出したことに応答して、前記ロボット全体の重心位置が許容加速度以内で下がるように前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御することを特徴とする請求項４に記載の脚式移動ロボット。
【請求項７】
前記制御手段は、前記ロボット全体の重心位置を下げた後に、前記ロボットのＺＭＰが安定領域内にあるか否かを判定する処理と、該判定結果が否定的な場合にはＺＭＰが安定領域内に入るように前記ロボットの姿勢を変更する処理とを実行することを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
【請求項８】
少なくとも下肢を有する脚式移動ロボットの制御方法であって、少なくとも下肢に設けられた関節アクチュエータはインピーダンス可変であり、
（ａ）離床期間中に前記関節アクチュエータのインピーダンスを低下させるステップと、
（ｂ）着床時に前記関節アクチュエータのインピーダンスに所定の制御を行うステップと、
を有することを特徴とする脚式移動ロボットの制御方法。
【請求項９】
前記ステップ（ｂ）では、着床を検出したことに応答して前記関節アクチュエータのインピーダンスを元の値に戻すことを特徴とする請求項８に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
【請求項１０】
前記ステップ（ｂ）では、着床を検出したことに応答して前記関節アクチュエータのインピーダンスを所定時間の間で連続的に元の値に向かって連続的に戻すことを特徴とする請求項８に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
【請求項１１】
さらに、
（ｃ）前記関節アクチュエータのインピーダンスを元の値に戻した後に、前記ロボットのＺＭＰが安定領域内にあるか否かを判定するステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）における判定結果が否定的な場合には、ＺＭＰが安定領域内に入るように前記ロボットの姿勢を変更するステップと、
を有することを特徴とする請求項８に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
【請求項１２】
上体と、前記上体に接続された下肢を有する脚式移動ロボットの制御方法であって、前記脚式移動ロボットは前記下肢を伸展及び屈曲させる第１の駆動手段と、前記上体を伸展及び屈曲させる第２の駆動手段とを含み、
（ａ）離床期間中に、前記上体が重力方向とは逆方向に伸展し、前記下肢が重力方向に伸展するように、前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御するステップと、
（ｂ）着床を検出したことに応答して、前記ロボット全体の重心位置が下がるように前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御するステップと、
を有することを特徴とする脚式移動ロボットの制御方法。
【請求項１３】
前記ステップ（ｂ）では、前記ロボット全体の重心位置が許容加速度以内で下がるように前記第１及び第２の駆動手段の各々を制御することを特徴とする請求項１２に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
【請求項１４】
さらに、
（ｃ）前記ロボット全体の重心位置を下げた後に、前記ロボットのＺＭＰが安定領域内にあるか否かを判定するステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）における判定結果が否定的な場合には、ＺＭＰが安定領域内に入るように前記ロボットの姿勢を変更するステップと、
を有することを特徴とする請求項１２に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１０−１１５７８０（Ｐ２０１０−１１５７８０Ａ）
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６３０８（Ｐ２０１０−１６３０８）
【出願日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【分割の表示】特願平１１−３１６７１５の分割
【原出願日】平成１１年１１月８日（１９９９．１１．８）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【分割の表示】特願平１１−３１６７１５の分割
【原出願日】平成１１年１１月８日（１９９９．１１．８）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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