以下では、本発明を適用した具体的な実� ��の形態について、図面を参照しながら詳細� ��説明する。各図面において、同一要素には� ��一の符号が付されている。また、同一要素� ��関する重複説明は、省略される場合がある� ��

実施の形態1.
 本実施の形態にかかるロボット100は、2つの 脚部リンクを有する脚式移動ロボットである 。まず始めに図1を参照してロボット100の関� �自由度について説明する。図1は、関節と関� ��間を繋ぐリンクによってロボット100を示し� ��モデル図である。ロボット100は、頭部101、2 本の脚部リンクLR及びLL、2本の腕部リンクAR� �びAL、並びに、これらが連結される体幹部BD� ��有する。

 ロボット100の頭部101には、外界の3次元の 点群データ、つまり距離画像データを取得す る視覚センサ101が設けられている。頭部101を 支持する首関節は、ロール方向の関節102、ピ ッチ方向の関節103及びヨー方向の関節103を有 する。右腕部リンクARは、肩のピッチ方向の� ��節105、肩のロール方向の関節106、上腕のヨ� ��方向の関節107、肘のピッチ方向の関節108、� ��首のヨー方向の関節109を有し、右腕部リン� ��ARの末端には手部141Rが設けられている。な� ��、手部141Rの機構は、保持する物体の形状、 種別等によっては決定すればよく、例えば、 複数本の指を有する多関節かつ多自由度を有 する構造としてもよい。

 左腕部リンクALは、右腕部リンクARと同様 の構造を有する。具体的には、左腕部リンク ALは、5つの関節110乃至114を有し、その末端に 手部141Lを有する。

 右脚部リンクLRは、腰のヨー方向の関節11 8、腰のピッチ方向の関節119、腰のロール方� �の関節120、膝のピッチ方向の関節121、足首� �ピッチ方向の関節122、足首のロール方向の� �節123を有する。足首関節122及び123の下部に� �、足平131Rが設けられている。

 左脚部リンクLLは、右脚部リンクLRと同様 の構造を有する。具体的には、左脚部リンク LLは、6個の関節124乃至129を有し、その末端に 足平131Lを有する。

 体幹部143は、ヨー方向の関節115、ロール� ��向の関節116及びピッチ方向の関節117を有す� ��。

 続いて以下では、ロボット100を歩行させ� ��ための制御系について説明する。ロボット1 00の制御系の構成例を図2に示す。図2におい� �、視覚センサ10は、上述したように、ロボッ ト100の外界の距離画像データを取得する。具 体的には、視覚センサ10は、レーザレンジフ� ��インダ等のアクティブ距離センサとすれば� ��い。なお、視覚センサ10は、CCD(Charge Coupled� �Device)イメージセンサ又はCMOS(Complementary Metal  Oxide Semiconductor)イメージセンサ等の撮像素� ��を有する複数のカメラを含み、これら複数� ��カメラによって撮影した画像データを用い� ��距離画像データを生成してもよい。具体的� ��は、複数のカメラによって撮影した画像デ� ��タから対応点を検出し、ステレオ視によっ� ��対応点の3次元位置を復元すればよい。ここ で、複数の撮影画像における対応点の探索に は、複数の撮影画像に対する時空間微分の拘 束式を用いた勾配法や相関法等の公知の手法 を適用すればよい。

 環境地図生成部11は、距離画像データを� �いてロボット100が位置する環境に関する環� �地図を生成する。環境地図は、例えば、距� �画像データから検出された複数の平面の集� �として生成される。

 歩容データ生成部12は、環境地図生成部11 によって作成された環境地図を参照して目標 到達位置を決定し、決定した目標到達位置に 到達するための歩容データを生成する。ここ で歩容データとは、例えば、ロボット100のZMP 軌道、ロボット100の重心軌道、足平131R及びL� ��着地位置の軌道等を含む。

 動作生成部13は、歩容データを入力して� �運動学計算を実行し、歩容データを実現す� �ための各関節の目標角度の軌道を生成する� �ここで生成される目標角度の軌道には、例� �ば、足平131R及びLを支持するピッチ方向の足 首関節122及び128の目標角度軌道θref(t)が含ま� ��る。

 制御部14は、算出された各関節の目標角� �軌道と、エンコーダ16によって計測される各 関節の実角度とを入力してフィードバック制 御を実行し、各関節を駆動するためのトルク 制御値を算出する。制御部14によって算出さ� ��たトルク制御値に従ってアクチュエータ15� �各関節を駆動することにより、ロボット100� �歩行動作が行われる。

 なお、ロボット100が歩行する路面上に未� ��の凹凸が存在する可能性があることや、ロ� ��ット100自身の撓みによる脚部リンクLR及びLL 等の位置誤差の発生を考慮すると、予め算出 された目標角度の軌道に完全に従ってロボッ ト100を歩行させることは困難である。そこで 、ロボット100は、遊脚側の足平131R又はLを路� ��に着地させる際に、予め足首関節122又は128� ��柔らかい状態にしておき、路面に着地した� ��平131R又はLに作用する路面からの反力によ� �て足首関節角度を受動的に変化させる。つ� �りロボット100は、遊脚の着地の際に足首関� �角度を路面形状に倣わせる。

 足首関節122及び128の柔らかい状態とは、� ��首関節122及び128が予め設定された目標角度� �ref(t)に追従することなく、これらの実角度� �足平131R及びLに接する路面の形状に応じて変 化する状態を意味する。具体的には、遊脚の 足首関節122又は128を目標角度に追従させるた めに制御部14に適用されるフィードバック制� ��ゲインを小さくし、遊脚の足首関節の目標� ��度への追従速度を低下させればよい。又は� ��遊脚側の足首関節122又は128を駆動するアク� ��ュエータ15の出力トルクの最大値を制限す� �ことで、遊脚の足首関節の目標角度への追� �速度を低下させてもよい。

 以下では、足首関節を柔らかくした状態� ��遊脚側の脚部リンクの足平を路面に着地さ� ��た後に、着地させた脚部リンクを支持脚に� ��り替えて歩行動作を継続するために、制御� ��14を主体として実行される制御処理につい� �説明する。図3は、遊脚側の脚部リンクを着� ��させる際に制御部14が実行する制御手順を� �したフローチャートである。なお、以下の� �明では、遊脚期にある脚部リンクLRを着地さ せる場合を例にとって説明する。

 ステップS10では、制御部14が、遊脚期に� �る脚部リンクLRの足首関節122に対するフィー ドバック制御ゲインを下げることで、足首関 節122の目標角度θref(t)への追従速度を低下さ� ��る。つまり、足首関節122が路面形状に倣っ� ��柔軟に変化可能な状態とする。

 ステップS11では、脚部リンクLRの着地が� �了した後に、足首関節122の目標関節軌道θref (t)に対する補正量A1(t)が算出される。なお、� ��部リンクLRの着地完了時点は、歩容データ� �よって規定される足平131Rの着地時点をもと� ��決定すればよい。また、足平131Rに接触セン サ(不図示)や力センサ(不図示)を設け、これ� �の検出結果を用いて足平131Rの底面と路面と� ��接触状態を検知することで着地完了時点を� ��定してもよい。

 本実施の形態では、ある時刻tにおける補正 量A1(t)を以下の(1)式により算出する。(1)式に� ��いて、時刻t0は着地終了時点である。また� �θrealは、エンコーダ16によって計測される足 首関節122の実角度である。つまり、本実施の 形態では、着地完了時点t0における路面形状� ��倣って変化した足首関節122の実角度θreal(t0) と、予め設定された目標角度θref(t0)との差分 δiniを補正量A1(t)とする。
 A1(t)=δini=θreal(t0)-θref(t0)・・・・(1)

 図4Aは、路面50に未知の段差がなく、着地 完了時点t0における足首関節122の実角度θreal( t0)が予め設定された目標角度θref(t0)に一致す る理想的な状態を示している。一方、図4Bは� ��足平131Rの着地場所に未知の凸段差51が存在� ��る場合を示している。図4Bのように、足平13 1Rの爪先側に凸段差51が存在すると、足首関� �は凸段差51の形状に応じて変化する。このた め、着地完了時点t0における足首関節122の実� ��度θreal(t0)は、目標角度θref(t0)より小さくな る。したがって、図4Bの場合、(1)式の定義に� ��って算出される差分δini、つまり補正量A1(t) は、負の値である。

 図3に戻り説明を続ける。ステップS12では、 制御部14が、足首関節122の制御ゲインを上げ� ��足首関節122の実角度θreal(t)が、補正された� ��標角度θref_c1(t)に追従するよう制御する。� �こで、補正された目標角度θref_c1(t)は、例え ば、以下の(2)式を用いて計算すればい。足首 関節122を補正された目標角度θref_c1(t)に追従� ��せる制御は、少なくとも脚部リンクLRが支� �脚とされている間継続すればよい。
 θref_c1(t)=θref(t)-A1(t)・・・・(2)

 なお、目標角度θref(t)に対する補正量A1(t) は、支持脚とされた脚部リンクLRが再び路面� ��ら離れて遊脚とされた後に、遊脚期間内に� ��いて所定の時定数によりゼロに収束させる� ��よい。これにより、脚部リンクLRを再び着� �させる際の足平131Rの姿勢を予め設定される� ��標角度θref(t)に従った一定の姿勢とするこ� �ができる。これにより、路面の凹凸に応じ� �変化させた足平131Rの補正後の姿勢が遊脚期� ��中も継続されることによって歩行環境内の� ��体と足平131Rとの予期せぬ接触が発生するこ とを防止できる。

 図5は、足首関節122の実角度θreal(t)、目標 角度θref(t)及び補正された目標角度θref_c1(t)� �関係を示すグラフである。図5の一点鎖線は� ��角度θreal(t)の時間変化を示しており、図5の 破線は目標角度θref(t)の軌道を示している。� ��た、図5の実線は、補正された目標角度θref_ c1(t)の軌道を示している。

 図5において、脚部リンクLRが遊脚期にあ� ��ときは、実角度θreal(t)が予め設定された目� ��角度θref(t)に追従するよう制御が行われる� �次に、脚部リンクLRを着地させる着地期間を 見ると、足首関節122は柔らかい状態とされて いるために、実角度θreal(t)は路面形状に応じ て変化する。したがって、実角度θreal(t)は、 目標角度θref(t)から乖離する。そして脚部リ� ��クLRの着地が完了した時点t0を経過すると、 脚部リンクLRが支持脚とされるために、足首� ��節122が硬い状態とされる。これにより、足� ��関節122は、補正された目標角度θref_c1(t)に� �随する。なお、足首関節122が補正された目� �角度θref_c1(t)への追従を開始する開始時点t0� ��おいて、実角度θreal(t0)と補正された目標角 度θref_c1(t)は連続である。

 上述したように、本実施の形態にかかる� ��ボット100は、足首関節122を柔らかくして足� ��131Rを着地させる。そして、足平131Rを着地� �せた後に、路面形状に倣って変化した足首� �節122の実角度を目標角度に追従させるため� �足首関節122を硬くするとき、足首関節122を� �従させる目標角度θref(t)を、(1)式に示す補正 量A1(t)によって補正する。補正された目標角� ��θref_c1(t)は、足首関節122を硬くする開始時� �t0において実角度θreal(t0)と連続であるため� �足首関節122が急激に変化することによるロ� �ット100の不安定な挙動は生じない。つまり� �本実施の形態にかかるロボット100は、足首� �節122が実角度θreal(t0)と異なる当初の目標角� ��θref(t0)に急激に追従することによる不安定� ��挙動の発生を抑制することができる。

実施の形態2.
 上述した発明の実施の形態1では、目標角度 θref(t)に加算する補正量A1(t)を、路面形状に� �って変化した実角度θreal(t0)に基づいて定ま� ��一定値δiniとした。差分δiniが路面形状を正 確に表している場合には、(1)式で定まる補正 量A1(t)を用いた目標角度θref(t)の補正は適切� �ある。しかしながら、脚部リンクLRの着地は 、例えば0.1秒程度の短時間で行われる現象で あるため、歩行中に常に正確な実角度θreal(t0 )及び差分δiniを算出することは困難な場合が 考えられる。また、図9に示すように、足平13 1Rの着地がいったん完了して差分δiniを決定� �た後で脚部リンクLRが支持脚とされている間 に、足平131Rの底面と路面50との接触状態が変 化した場合にも、差分δiniを用いた目標角度� �ref(t)の補正は妥当性を欠くことになる。

 そこで、ロボット100の歩行安定性をさらに� ��上させるために、本実施の形態にかかる脚� ��移動ロボットは、目標角度θref(t)に対する� �正量A2(t)を、以下の(3)式により算出する。
 A2(t)=δini+δφ(t) ・・・・(3)

  ここで、δφは、体幹部BDの姿勢角の実角� �φreal(t)と目標角度φref(t)との差分である。目 標角度φref(t)、実角度φreal(t)及び差分δφ(t)の 関係を図6A及びBに示す。図6Aに示すように、� ��標角度φref(t)は、既知の路面50を歩行するた めに予め計画された体幹部BDの姿勢角軌道で� ��る。ここでは、φref(t)は、重力方向を原点� �し、そこから前傾する方向を正方向、後傾� �る方向を負方向としている。一方、φreal(t)� �、体幹部BDの姿勢角の実角度である。体幹部 BDの姿勢角の実角度φreal(t)は、例えば、ジャ� ��ロセンサ(不図示)によって検出すればよい� �図6Bに示す未知の凸段差51等の外乱要因があ� ��場合に、実角度φreal(t)と目標角度φref(t)の� �にズレが生じる。このズレが、差分δφ(t)で� ��り、以下の(4)式によって定義される。
 δφ(t)=φreal(t)-φref(t) ・・・・(4)

 (3)式に示した補正量A2(t)の時間変化の一� �を図7に示す。図7に実線で示したグラフが補 正量A2(t)である。つまり、本実施の形態では� ��時刻t0におけるδiniを算出し、足首関節122を 硬くするよう制御ゲインを大きくした後に、 体幹部BDの絶対座標に対する姿勢角の実角度� �real(t)と目標角度φref(t)との差分δφ(t)を足首� ��節角度に対する補正量に反映させている。

 (3)式に示した補正量A2(t)によって補正され� �目標角度θref_c2(t)は、以下の(5)式により表さ れる。つまり、目標角度よりも体幹部BDが前� ��しているときは、体幹部BDが後傾する方向� �足首関節の目標角が修正される。逆に、目� �角度よりも体幹部BDが後傾しているときは、 体幹部BDが前傾する方向に足首関節の目標角� ��修正される。
 θref_c2(t)=θref(t)+A2(t)
      =θref_c1(t)+δφ(t) ・・・・(5)

 発明の実施の形態1で採用した足首関節122 の目標角θref_c1(t)と、本実施の形態で採用さ� ��る目標角θref_c2(t)を対比すると図8A及びBの� �うになる。図8Aに示す側面図は、足首関節122 が目標角θref_c1(t)に追随しているが、δiniに� �差があるために、姿勢角差分δφが生じた状� ��を示している。このように、θref_c1(t)に誤� �が含まれていると、次に着地する脚部リン� �LLの足平131Lの路面50に対する高さにズレが生 じるおそれがある。このような高さズレが生 じると、着地のタイミングが予定時刻に対し てずれるうえ、足平131L着地時の衝撃が大き� �なる。このため、不安定な歩行動作となる� �

 一方、図8Bに示す側面図は、姿勢角のず� �δφ(t)を足首関節の目標角θref_c2(t)に反映さ� �ることにより、足首関節122を目標角θref_c2(t) に追従させた状態を示している。このように 、姿勢角のずれδφ(t)を反映して足首関節の� �標角を修正することによって、次に着地さ� �る脚部リンクLLの位置誤差の発生を抑制でき 、歩行動作を安定させることができる。

 なお、本実施の形態にかかる脚式移動ロ� ��ットの構成や遊脚を着地させる際の全体的� ��制御手順は、制御部14における脚部リンク� �着地制御において上述した補正量A2(t)を使用 する点を除いて、上述した発明の実施の形態 1と同様である。

その他の実施の形態.
 上述した実施の形態1及び2では、説明簡略� �のために、ピッチ方向の足首関節122及び128� �制御に関して詳しく説明した。しかしなが� �、ピッチ方向の関節122及び128だけでなく、� �ール方向の足首関節123及び129の制御にも本� �明を適用可能であることはもちろんである� �また、足首関節に限らず、膝関節等の他の� �部関節の制御に対しても本発明は適用可能� �ある。また、実施の形態1及び2では、足平131 R及びLが関節を有していないものとして説明� ��たが、足平131R及びLは爪先関節を有しても� �い。つまり、足平131R及びLはそれぞれ、足平 基部と爪先部とに分割され、爪先部が爪先関 節を介して回動可能に足平基部に結合される 構成としてもよい。このように構成された脚 式移動ロボットでは、爪先関節の制御に本発 明を適用することもできる。

 また、上述した発明の実施の形態1及び2� �、ロボット100自身が環境を認識して環境地� �を生成し、生成した環境地図に基づいて歩� �データを生成し、生成した歩容データに基� �いて脚部関節の目標角度軌道を生成するも� �として説明した。しかしながら、環境地図� �ータ、歩容データ及び脚部関節の目標角度� �道データは、外部から入力することでロボ� �ト100に保持させてもよい。

 さらに、本発明は上述した実施の形態の� ��に限定されるものではなく、既に述べた本� ��明の要旨を逸脱しない範囲において種々の� ��更が可能であることは勿論である。