JP2014100767A - Level difference walking control device and method of multileg walking robot - Google Patents

Level difference walking control device and method of multileg walking robot Download PDF

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Kenji Matsuzaki
謙司 松崎
Takuya Uehara
拓也 上原
Naotaka Suganuma
直孝 菅沼
Yasuaki Tokunaga
泰明 徳永
Taketo Fukushima
武人 福島
Ryoma Fujiwara
竜馬 藤原
Yusuke Mitsuya
祐輔 三ツ谷
Akira Tsuyuki
陽 露木
Takeshi Hoshi
岳志 星
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To allow a multileg walking robot to walk on a level difference in a stable state.SOLUTION: A level difference walking control device of a multileg walking robot 10, has a plurality of leg parts 12, is bendably provided by a joint including a knee joint 15 by constituting the respective leg parts of a link mechanism, and comprises a driving motor 19 for driving the joint of the leg parts 12, a control device 20 for controlling driving of the driving motor and level difference detection means (an imaging device 22, a distance image sensor 23, an attitude sensor 24, a distance sensor 25 and a contact sensor 26) for detecting a level difference 2 of a walking road surface 1. The control device 20 controls driving of an electric motor 19 so as to change the bendable direction of the knee joint 15 for avoiding interference between the leg parts 12 and the level difference 2 when the level difference 2 is detected by the level difference detection means.

Description

本発明の実施形態は、多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置及び方法に関する。   Embodiments described herein relate generally to a step walking control apparatus and method for a multi-legged walking robot.

リンク機構で構成された多脚歩行ロボットが階段などの段差を歩行する場合、脚部と段差が干渉する恐れがある。例えば、進行方向後側の脚部の膝関節を進行方向前側に屈曲した状態で段差を昇る場合、段差上段面に着いた進行方向前側の脚部に重心を移動させるために進行方向前方に重心を移動させると、この動作に伴い、段差の下段面に接する支持脚としての前記後側の脚部が前方に傾斜して段差に干渉する恐れがある。脚部のリンクが短い小型の多脚歩行ロボットでは、実環境の階段を昇降する場合に段差との干渉リスクが特に大きくなる。   When a multi-legged walking robot configured with a link mechanism walks on a step such as a staircase, the leg and the step may interfere with each other. For example, when climbing a step with the knee joint of the leg on the rear side in the traveling direction bent to the front side in the traveling direction, the center of gravity is moved forward in the traveling direction in order to move the center of gravity to the leg on the front side in the traveling direction on the upper surface of the step When this is moved, the rear leg portion as the supporting leg that contacts the lower step surface of the step may be inclined forward and interfere with the step. In a small multi-legged walking robot with short leg links, the risk of interference with a step becomes particularly large when moving up and down stairs in a real environment.

多脚歩行ロボットが安定した状態で階段などの段差を歩行するためには、脚部と段差との干渉を回避する必要がある。特許文献１では、２足歩行ロボットが階段を昇降する際に支持脚側の脚部が段差に干渉するのを避けるために、胴部を前方向に傾斜させることで重心を移動させ、脚部の移動量を減少させる技術が提案されている。   In order for the multi-legged walking robot to walk on steps such as stairs in a stable state, it is necessary to avoid interference between the legs and the steps. In Patent Document 1, when the biped robot moves up and down the stairs, the center of gravity is moved by tilting the torso forward to prevent the leg on the support leg from interfering with the step. There has been proposed a technique for reducing the amount of movement.

特開２００３−３４０７６３号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-340763

特許文献１の技術においては、歩行路面の段差に干渉するであろう脚部、または歩行路面の段差に接触した脚部のそれぞれの膝関節の位置をコントロールすることで、多脚歩行ロボットに段差を安定して歩行させる技術については開示されていない。   In the technique of Patent Document 1, the position of each knee joint of a leg that will interfere with a step on the walking road surface or a leg that contacts the step on the walking road surface is controlled, thereby allowing the multi-legged walking robot to A technique for stably walking is not disclosed.

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、多脚歩行ロボットが安定した状態で段差を歩行できる多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置及び方法を提供することを目的とする。   Embodiments of the present invention have been made in consideration of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a step walking control apparatus and method for a multi-legged walking robot that can walk a step with a multi-legged walking robot in a stable state. And

本発明に係る実施形態の多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置は、複数の脚部を備え、これらの各脚部が、リンク機構により構成されて膝関節を含む関節により屈曲可能に設けられた多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置において、前記脚部の前記関節を駆動する駆動手段と、前記駆動手段の駆動を制御する制御手段と、歩行路面の段差を検知する段差検知手段とを有し、前記制御手段は、前記段差検知手段により前記段差が検知されたときに、前記脚部と前記段差との干渉を回避すべく前記膝関節の屈曲方向を変更するよう前記駆動手段の駆動を制御することを特徴とするものである。   A step walking control device for a multi-legged walking robot according to an embodiment of the present invention includes a plurality of legs, and each of these legs is configured by a link mechanism and is provided so as to be bendable by a joint including a knee joint. In a step walking control device for a multi-legged walking robot, the step walking control device includes a driving unit that drives the joint of the leg, a control unit that controls driving of the driving unit, and a step detection unit that detects a step on the walking road surface. The control means controls the driving of the driving means so as to change the bending direction of the knee joint so as to avoid interference between the leg portion and the step when the step is detected by the step detecting means. It is characterized by doing.

また、本発明に係る実施形態の多脚歩行ロボットの段差歩行制御方法は、複数の脚部を備え、これらの各脚部が、リンク機構により構成されて膝関節を含む関節により屈曲可能に設けられた多脚歩行ロボットの段差歩行制御方法において、歩行路面の段差を検知する段差検知手段を用意し、この段差検知手段により前記段差が検知されたときに、、前記脚部と前記段差との干渉を回避すべく前記膝関節の屈曲方向を変更することを特徴とするものである。   The step walking control method for a multi-legged walking robot according to an embodiment of the present invention includes a plurality of legs, each of which is configured by a link mechanism so as to be bent by a joint including a knee joint. In the stepped walking control method for a multi-legged walking robot, a step detecting means for detecting a step on a walking road surface is prepared, and when the step is detected by the step detecting means, the step between the leg and the step is detected. The bending direction of the knee joint is changed to avoid interference.

本発明の実施形態によれば、多脚歩行ロボットが安定した状態で段差を歩行できる。   According to the embodiment of the present invention, a multi-legged walking robot can walk on a step in a stable state.

本発明に係る多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置における一実施形態が適用された多脚歩行ロボットを示す構成図。The block diagram which shows the multi-legged walking robot with which one Embodiment in the level | step difference walking control apparatus of the multi-legged walking robot which concerns on this invention was applied. 図１の脚部における関節の配置状況を示す概略斜視図。The schematic perspective view which shows the arrangement | positioning condition of the joint in the leg part of FIG. 図１の多脚歩行ロボットの段差昇り歩行状況であり、（Ａ）が脚部が段差に干渉した状況を示す説明図、（Ｂ）が脚部の膝関節の屈曲方向を変更した状況を示す説明図。FIG. 1 is a step-up walking situation of the multi-legged walking robot of FIG. 1, (A) is an explanatory diagram showing a situation where the leg part interferes with the step, and (B) shows a situation where the bending direction of the knee joint of the leg part is changed. Illustration. 図１の多脚歩行ロボットの段差降り歩行状況であり、（Ａ）が脚部が段差に干渉した状況を示す説明図、（Ｂ）が脚部の膝関節の屈曲方向を変更した状況を示す説明図。FIG. 1 is a step-down walking situation of the multi-legged walking robot of FIG. 1, (A) is an explanatory diagram showing a situation where the leg part interferes with the step, and (B) shows a situation where the bending direction of the knee joint of the leg part is changed. Illustration. （Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、図１の多脚歩行ロボットの脚部における膝関節の屈曲方向を変更する変更手順その１を示す説明図。(A), (B) and (C) is explanatory drawing which shows the change procedure 1 which changes the bending direction of the knee joint in the leg part of the multilegged walking robot of FIG. （Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、図１の多脚歩行ロボットの脚部における膝関節の屈曲方向を変更する変更手順その２を示す説明図。(A), (B) and (C) are explanatory drawings which show the change procedure 2 which changes the bending direction of the knee joint in the leg part of the multilegged walking robot of FIG. 図１の多脚歩行ロボットの脚部における膝関節の屈曲方向の変更パターン等を、段差昇り動作時について示す図表。The table | surface which shows the change pattern etc. of the bending direction of the knee joint in the leg part of the multilegged walking robot of FIG. 図１の多脚歩行ロボットの脚部における膝関節の屈曲方向の変更パターン等を、段差降り動作時について示す図表。The table | surface which shows the change pattern etc. of the bending direction of the knee joint in the leg part of the multilegged walking robot of FIG.

以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置における一実施形態が適用された多脚歩行ロボットを示す構成図である。また、図２は、図１の脚部における関節の配置状況を示す概略斜視図である。これらの図１及び図２に示す多脚歩行ロボット１０は、胴部１１の下部に複数本、例えば少なくとも２本（本実施形態では４本）の脚部１２を備え、各脚部１２がリンク機構により構成されている。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram showing a multi-legged walking robot to which an embodiment of the step walking control device for a multi-legged walking robot according to the present invention is applied. FIG. 2 is a schematic perspective view showing the arrangement state of joints in the legs of FIG. The multi-legged walking robot 10 shown in FIGS. 1 and 2 includes a plurality of, for example, at least two (four in the present embodiment) leg portions 12 at the lower portion of the trunk portion 11, and each leg portion 12 is linked. It consists of a mechanism.

つまり、各脚部１２は、図２に示すように第１腰関節１３、第２腰関節１４及び膝関節１５を備え、第１腰関節１３がリンク１６により第２腰関節１４に連結され、この第２腰関節１４が大腿リンク１７により膝関節１５に連結され、この膝関節１５に下腿リンク１８が結合されている。各脚部１２の第１腰関節１３は、胴部１１の下部のコーナー部分にそれぞれ取り付けられる。また、第１腰関節１３の回転軸は、第２腰関節１４及び膝関節１５の両回転軸と直交して配置される。   That is, each leg 12 includes a first hip joint 13, a second hip joint 14 and a knee joint 15 as shown in FIG. 2, and the first hip joint 13 is connected to the second hip joint 14 by a link 16. The second hip joint 14 is connected to a knee joint 15 by a thigh link 17, and a lower leg link 18 is coupled to the knee joint 15. The first waist joint 13 of each leg portion 12 is attached to a lower corner portion of the trunk portion 11. Further, the rotation axis of the first hip joint 13 is arranged orthogonal to both rotation axes of the second hip joint 14 and the knee joint 15.

第２腰関節１４及び膝関節１５の回転により、多脚歩行ロボット１０は矢印Ｘ（図２）方向に前進または後進歩行する。また、第１腰関節１３の回転により、多脚歩行ロボット１０は矢印Ｙ（図２）方向に左移動または右移動（横歩き）する。更に、第１腰関節１３、第２腰関節１４及び膝関節１５の回転を組み合わせることにより、多脚歩行ロボット１０は矢印Ｚ（図２）方向に旋回する。特に、上述の前進または後進歩行時には、第２腰関節１４及び膝関節１５が回転することで、脚部１２は屈曲する。   By the rotation of the second hip joint 14 and the knee joint 15, the multi-legged walking robot 10 moves forward or backward in the direction of the arrow X (FIG. 2). Further, by the rotation of the first hip joint 13, the multi-legged walking robot 10 moves leftward or rightward (sidewalk) in the direction of the arrow Y (FIG. 2). Further, by combining the rotation of the first hip joint 13, the second hip joint 14, and the knee joint 15, the multi-legged walking robot 10 turns in the direction of the arrow Z (FIG. 2). In particular, at the time of the above-described advancement or backward advancement, the leg portion 12 is bent by the rotation of the second hip joint 14 and the knee joint 15.

ここで、第１腰関節１３、第２腰関節１４及び膝関節１５は電動モータ１９（図１）及び減速ギア（不図示）を有してなり、電動モータ１９が各関節１３、１４、１５を駆動する駆動手段として機能する。また、この電動モータ１９には、その回転量を検出する図示しないロータリエンコーダが設けられている。   Here, the first hip joint 13, the second hip joint 14 and the knee joint 15 have an electric motor 19 (FIG. 1) and a reduction gear (not shown), and the electric motor 19 is connected to each joint 13, 14, 15. It functions as a driving means for driving. The electric motor 19 is provided with a rotary encoder (not shown) that detects the amount of rotation.

第１腰関節１３、第２腰関節１４及び膝関節１５におけるそれぞれの電動モータ１９の駆動は、胴部１１に搭載された制御手段としての制御装置２０（図１）により制御される。即ち、この制御装置２０は、各脚部１２の第１腰関節１３、第２腰関節１４及び膝関節１５に用いられた電動モータ１９の回転量を検出するロータリエンコーダからの信号や、各脚部１２の下端に設けられた接地反力センサ２１からの信号に基づいて、各脚部１２の第１腰関節１３、第２腰関節１４及び膝関節１５を適度な回転角度に駆動制御して、多脚歩行ロボット１０を歩行させる。   The driving of each electric motor 19 in the first hip joint 13, the second hip joint 14, and the knee joint 15 is controlled by a control device 20 (FIG. 1) as control means mounted on the trunk 11. That is, the control device 20 includes a signal from a rotary encoder that detects the amount of rotation of the electric motor 19 used for the first waist joint 13, the second waist joint 14, and the knee joint 15 of each leg 12, Based on a signal from the ground reaction force sensor 21 provided at the lower end of the portion 12, the first waist joint 13, the second waist joint 14 and the knee joint 15 of each leg portion 12 are driven and controlled at appropriate rotation angles. The multi-legged walking robot 10 is walked.

特に、歩行路面１に段差２が存在する場合に、制御装置２０は、歩行路面１の段差２を検知する段差検知手段としての撮像装置２２、距離画像センサ２３、姿勢センサ２４、距離センサ２５、接触センサ２６の少なくとも一つにより段差２が検知されたとき、多脚歩行ロボット１０の段差２に対する昇降の動作種に応じて、多脚歩行ロボット１０の脚部１２と段差２との干渉を回避すべく脚部１２の膝関節１５の屈曲方向を変更するように、電動モータ１９の駆動を制御する。   In particular, when there is a step 2 on the walking road surface 1, the control device 20 includes an imaging device 22, a distance image sensor 23, a posture sensor 24, a distance sensor 25, as a step detection unit that detects the step 2 on the walking road surface 1. When the level difference 2 is detected by at least one of the contact sensors 26, interference between the legs 12 of the multi-legged walking robot 10 and the level difference 2 is avoided according to the type of movement of the multi-legged walking robot 10 with respect to the level difference 2. The drive of the electric motor 19 is controlled so as to change the bending direction of the knee joint 15 of the leg 12 as much as possible.

ここで、撮像装置２２は、多脚歩行ロボット１０の胴部１１における前部に設置された例えばカメラなどであり、多脚歩行ロボット１０の周囲の動画や静止画を画像データとして取得する。この撮像装置２２は、多脚歩行ロボット１０における胴部１１の前部及び後部に設置されてもよい。また、距離画像センサ２３は、多脚歩行ロボット１０の胴部１１における前部及び後部に設置され、多脚歩行ロボット１０の周囲の３次元距離データを取得する。これらの撮像装置２２、距離画像センサ２３により歩行路面１の形状、つまり段差２が検知される。   Here, the imaging device 22 is, for example, a camera or the like installed at the front portion of the trunk 11 of the multi-legged walking robot 10 and acquires a moving image or a still image around the multi-legged walking robot 10 as image data. This imaging device 22 may be installed in the front part and the rear part of the trunk part 11 in the multi-legged walking robot 10. The distance image sensor 23 is installed at the front and rear of the trunk 11 of the multi-legged walking robot 10 and acquires three-dimensional distance data around the multi-legged walking robot 10. The shape of the walking road surface 1, that is, the step 2 is detected by the imaging device 22 and the distance image sensor 23.

姿勢センサ２４は、多脚歩行ロボット１０における胴部１１の底面に設置され、加速度センサ、角速度センサ、傾斜センサの単体もしくは組み合わせにより多脚歩行ロボット１０の姿勢（例えば胴部１１の傾斜）を検知するものであり、多脚歩行ロボット１０の姿勢の変化により歩行路面１の段差２を検知する。   The posture sensor 24 is installed on the bottom surface of the torso 11 of the multi-legged walking robot 10 and detects the posture of the multi-legged walking robot 10 (for example, the inclination of the torso 11) by a single or combination of an acceleration sensor, an angular velocity sensor, and a tilt sensor. The step 2 of the walking road surface 1 is detected by the change in the posture of the multi-legged walking robot 10.

距離センサ２５は、多脚歩行ロボット１０における各脚部１２の下腿リンク１８に設置された例えば超音波センサやレーザ距離センサであり、脚部１２の下腿リンク１８と段差２の段差壁面３との距離を計測することで、歩行路面１の段差２を検知する。具体的には、距離センサ２５の角度や高さ位置は脚部１２の姿勢から分かり、この脚部１２の姿勢は、姿勢センサ２４の出力や各関節の回転角度から分かる。例えば、距離センサ２５の計測方向が略水平である場合、計測不能となるか、または多脚歩行ロボット１０から離れた壁との距離を出力する。この際、距離センサ２５の計測方向上で近い位置に段差２が存在する場合には、段差２が近くに存在しない場合に比べてかなり短い距離を出力する。また、距離センサ２５の計測方向が斜め下方である場合、距離センサ２５の角度と高さから、距離センサ２５から床までの距離が推測可能である。この推測される床までの距離より短い距離が出力された場合に、計測方向に段差２があるものと考えられる。
また、接触センサ２６は、多脚歩行ロボット１０における各脚部１２の下腿リンク１８に設置された例えば圧電センサであり、脚部１２の下腿リンク１８が段差２に接触したことを検知することで、歩行路面１の段差２を検知する。 The distance sensor 25 is, for example, an ultrasonic sensor or a laser distance sensor installed on the lower leg link 18 of each leg 12 in the multi-legged walking robot 10, and is formed between the lower leg link 18 of the leg 12 and the step wall 3 of the step 2. By measuring the distance, the step 2 on the walking road surface 1 is detected. Specifically, the angle and height position of the distance sensor 25 are known from the posture of the leg 12, and the posture of the leg 12 is known from the output of the posture sensor 24 and the rotation angle of each joint. For example, when the measurement direction of the distance sensor 25 is substantially horizontal, measurement is impossible or the distance to the wall away from the multi-legged walking robot 10 is output. At this time, when the step 2 exists at a position close in the measurement direction of the distance sensor 25, a considerably shorter distance is output than when the step 2 does not exist nearby. Further, when the measurement direction of the distance sensor 25 is obliquely downward, the distance from the distance sensor 25 to the floor can be estimated from the angle and height of the distance sensor 25. When a distance shorter than the estimated distance to the floor is output, it is considered that there is a step 2 in the measurement direction.
The contact sensor 26 is, for example, a piezoelectric sensor installed on the lower leg link 18 of each leg 12 in the multi-legged walking robot 10, and detects that the lower leg link 18 of the leg 12 has contacted the step 2. The step 2 on the walking road surface 1 is detected.

撮像装置２２からの画像データ、距離画像センサ２３からの３次元距離データ、姿勢センサ２４からの姿勢データ、距離センサ２５からの距離データ、接触センサ２６からの接触検知データ等のアナログデータは、多脚歩行ロボット１０の胴部１１に搭載されたセンサ処理部２７にてデジタルデータに変換処理されて、制御装置２０へ出力される。   Analog data such as image data from the imaging device 22, three-dimensional distance data from the distance image sensor 23, attitude data from the attitude sensor 24, distance data from the distance sensor 25, contact detection data from the contact sensor 26, etc. The sensor processing unit 27 mounted on the torso 11 of the leg walking robot 10 converts it into digital data and outputs it to the control device 20.

多脚歩行ロボット１０の段差２に対する昇降の動作種は、多脚ロボット１０の段差２に対する昇り動作と、段差２に対する降り動作である。図３に示すように多脚歩行ロボット１０が段差２を昇り動作する場合、制御装置２０は、多脚歩行ロボット１０の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向を、多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａに対する反対方向Ｂに曲げるべく、電動モータ１９の駆動を制御する。つまり、多脚歩行ロボット１０が段差２を昇り動作する場合、進行方向Ａに対して後側の脚部１２の膝関節１５を前方に曲げて歩行すると、後側の脚部１２の下腿リンク１８が段差２に接触、即ち干渉する（図３（Ａ））。そこで、制御装置２０は、図３（Ｂ）に示すように、この後側の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向を変更して、この膝関節１５を多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａに対する反対方向Ｂ（後方）に曲げるべく、この後側の脚部１２における第２腰関節１４及び膝関節１５の電動モータ１９の駆動を制御する。   The operation types of the multi-legged walking robot 10 for raising and lowering the step 2 are an ascending operation for the step 2 of the multi-legged robot 10 and a descending operation for the step 2. As shown in FIG. 3, when the multi-legged walking robot 10 moves up the level difference 2, the control device 20 determines the bending direction of the knee joint 15 in the leg portion 12 of the multi-legged walking robot 10 and the progress of the multi-legged walking robot 10. The drive of the electric motor 19 is controlled to bend in a direction B opposite to the direction A. That is, when the multi-legged walking robot 10 moves up the level difference 2 and walks with the knee joint 15 of the rear leg 12 bent forward with respect to the traveling direction A, the lower leg link 18 of the rear leg 12 Contacts, that is, interferes with the step 2 (FIG. 3A). Therefore, as shown in FIG. 3B, the control device 20 changes the bending direction of the knee joint 15 in the rear leg portion 12, and uses the knee joint 15 in the traveling direction A of the multi-legged walking robot 10. In order to bend in the opposite direction B (backward), the driving of the electric motor 19 of the second hip joint 14 and knee joint 15 in the rear leg 12 is controlled.

また、図４に示すように多脚歩行ロボット１０が段差２を降り動作する場合、制御装置２０は、多脚歩行ロボット１０の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向を、多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａに曲げるべく、電動モータ１９の駆動を制御する。つまり、多脚歩行ロボット１０が段差２を降り動作する場合、進行方向Ａに対して前側の脚部１２の膝関節１５を後方に曲げて歩行すると、この前側の脚部１２が段差２を踏み外して、その下腿リンク１８が段差２に接触、即ち干渉する（図４（Ａ））。そこで、制御装置２０は、図４（Ｂ）に示すように、この前側の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向を変更して、この膝関節１５を多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａ（前方）へ曲げるべく、この前側の脚部１２における第２腰関節１４及び膝関節１５の電動モータ１９の駆動を制御する。   In addition, when the multi-legged walking robot 10 moves down the step 2 as shown in FIG. 4, the control device 20 determines the bending direction of the knee joint 15 in the leg portion 12 of the multi-legged walking robot 10. The drive of the electric motor 19 is controlled to bend in the traveling direction A. That is, when the multi-legged walking robot 10 moves down the step 2, if the knee joint 15 of the front leg 12 is bent backward with respect to the traveling direction A, the front leg 12 will step off the step 2. Then, the lower leg link 18 contacts, that is, interferes with the step 2 (FIG. 4A). Therefore, as shown in FIG. 4B, the control device 20 changes the bending direction of the knee joint 15 in the front leg portion 12, and uses the knee joint 15 in the traveling direction A ( In order to bend forward, the driving of the electric motor 19 of the second hip joint 14 and knee joint 15 in the front leg 12 is controlled.

多脚歩行ロボット１０の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向の変更手順としては、脚部１２を歩行路面１に接地した支持脚の状態で変更する変更手順その１（図５）と、脚部１２を歩行路面１から離反させて遊脚として変更する変更手順その２（図６）とがある。   As a change procedure of the bending direction of the knee joint 15 in the leg portion 12 of the multi-legged walking robot 10, a change procedure No. 1 (FIG. 5) for changing the leg portion 12 in the state of a supporting leg in contact with the walking road surface 1, There is a change procedure 2 (FIG. 6) in which the part 12 is moved away from the walking road surface 1 and changed as a free leg.

図５に示す変更手順その１では、制御装置２０は、多脚歩行ロボット１０の全ての脚部１２を支持脚とした状態で（図５（Ａ））、全ての脚部１２を一旦伸ばし（図５（Ｂ））、その後この伸ばした全ての脚部１２の膝関節１５の屈曲方向を同一方向に変更するよう（図５（Ｃ））、全ての脚部１２における第２腰関節１４及び膝関節１５の電動モータ１９の駆動を制御する。   In the change procedure No. 1 shown in FIG. 5, the control device 20 temporarily extends all the leg portions 12 in a state where all the leg portions 12 of the multi-legged walking robot 10 are used as support legs (FIG. 5A). 5 (B)) and then the bending directions of the knee joints 15 of all the extended leg portions 12 are changed to the same direction (FIG. 5 (C)), the second hip joints 14 in all the leg portions 12 and The drive of the electric motor 19 of the knee joint 15 is controlled.

尚、この変更手順その１では、多脚歩行ロボット１０の全ての脚部１２を支持脚とした状態で、段差２に接触する側の一部の脚部１２のみを一旦伸ばし、その後この伸ばした脚部１２の膝関節１５の屈曲方向を変更するよう、この脚部１２における第２腰関節１４及び膝関節１５の電動モータ１９の駆動を制御してもよい。この場合、一部の脚部１２のみを伸ばす一連の動作で胴部１１が傾くが、例えば階段の昇降途中等で胴部１１が元々水平でない場合などでは、膝関節１５の屈曲方向変更動作中のバランスを保つために一部の脚部１２のみ動作させるほうが好ましい場合がある。   In this change procedure No. 1, with all the legs 12 of the multi-legged walking robot 10 as support legs, only a part of the legs 12 on the side in contact with the step 2 is temporarily extended, and then this extension is performed. You may control the drive of the electric motor 19 of the 2nd waist joint 14 and the knee joint 15 in this leg part 12 so that the bending direction of the knee joint 15 of the leg part 12 may be changed. In this case, the torso 11 is tilted by a series of operations for extending only some of the legs 12, but the bending direction of the knee joint 15 is being changed when the torso 11 is not originally horizontal, for example, while the stairs are being raised or lowered. In order to maintain the balance, it may be preferable to operate only some of the legs 12.

図６に示す変更手順その２では、制御装置２０は、多脚歩行ロボット１０における段差２に接触する脚部１２のみを一旦上げて遊脚とし（図６（Ａ）及び（Ｂ））、その後この遊脚とした脚部１２の膝関節１５の屈曲方向を変更するよう（図６（Ｃ））、この脚部１２における第２腰関節１４及び膝関節１５の電動モータ１９の駆動を制御する。   In the change procedure 2 shown in FIG. 6, the control device 20 temporarily raises only the leg 12 that contacts the step 2 in the multi-legged walking robot 10 to make it a free leg (FIGS. 6A and 6B), and then The drive of the electric motor 19 of the second waist joint 14 and the knee joint 15 in the leg 12 is controlled so as to change the bending direction of the knee joint 15 of the leg 12 as the free leg (FIG. 6C). .

前述の多脚歩行ロボット１０の段差２に対する昇り動作時における膝関節１５の屈曲方向変更の態様（パターン）は、図７に示すように第１パターン〜第４パターンがある。第１パターンは、図３に示す膝関節１５の屈曲方向変更パターンである。また、第２パターンは、膝関節１５の屈曲方向が適切なパターンである。つまり、この第２パターンは、多脚歩行ロボット１０の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向が、多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａの後側に曲げられた状態であり、膝関節１５の屈曲方向を変更する必要がない。   As shown in FIG. 7, there are first to fourth patterns (patterns) for changing the bending direction of the knee joint 15 during the upward movement of the multi-legged walking robot 10 with respect to the step 2. The first pattern is a bending direction changing pattern of the knee joint 15 shown in FIG. The second pattern is a pattern in which the bending direction of the knee joint 15 is appropriate. That is, this second pattern is a state in which the bending direction of the knee joint 15 in the leg portion 12 of the multi-legged walking robot 10 is bent to the rear side in the traveling direction A of the multi-legged walking robot 10. There is no need to change the bending direction.

第３パターンは、多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａの前側及び後側の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向を、共に、進行方向Ａの前側曲げ状態から後側曲げ状態に変更するパターンである。また、第４パターンは、多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａの前側の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向を、進行方向Ａの前側曲げ状態から後側曲げ状態に変更するパターンである。   The third pattern is a pattern for changing the bending direction of the knee joint 15 at the front and rear legs 12 in the traveling direction A of the multi-legged walking robot 10 from the front bending state in the traveling direction A to the rear bending state. It is. The fourth pattern is a pattern for changing the bending direction of the knee joint 15 at the front leg 12 in the traveling direction A of the multi-legged walking robot 10 from the front bending state in the traveling direction A to the rear bending state.

これらの第１、第３及び第４の膝関節１５の屈曲方向変更パターンにおいて、段差検知手段として撮像装置２２、距離画像センサ２３を備える場合には、膝関節１５の屈曲方向の変更は歩行路面１の段差２に到達する前に実行される。また、第１、第３及び第４の膝関節１５の屈曲方向変更パターンにおいて、段差検知手段として、撮像装置２２及び距離画像センサ２３がなく、姿勢センサ２４、距離センサ２５、接触センサ２６を備える場合には、これらの姿勢センサ２４、距離センサ２５、接触センサ２６により段差が検知されたときに、膝関節１５の屈曲方向が変更される。   In the bending direction change patterns of the first, third, and fourth knee joints 15, when the imaging device 22 and the distance image sensor 23 are provided as the step detection means, the change of the bending direction of the knee joint 15 is the walking road surface. Executed before reaching step 1 of 1. Further, in the bending direction change patterns of the first, third, and fourth knee joints 15, the imaging device 22 and the distance image sensor 23 are not provided as the step detection means, but the posture sensor 24, the distance sensor 25, and the contact sensor 26 are provided. In this case, the bending direction of the knee joint 15 is changed when a step is detected by the posture sensor 24, the distance sensor 25, and the contact sensor 26.

前述の多脚歩行ロボット１０の段差２に対する降り動作時における膝関節１５の屈曲方向変更の態様（パターン）は、図８に示すように第５パターン〜第８パターンがある。第５パターンは、図４に示す膝関節１５の屈曲方向変更パターンである。また、第６パターンは、多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａの前側及び後側の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向を、共に、進行方向Ａの後側曲げ状態から前側曲げ状態に変更するパターンである。   As shown in FIG. 8, there are fifth to eighth patterns for changing the bending direction of the knee joint 15 during the descending motion of the multi-legged walking robot 10 with respect to the step 2. The fifth pattern is a bending direction changing pattern of the knee joint 15 shown in FIG. In the sixth pattern, the bending direction of the knee joint 15 at the front and rear legs 12 of the multi-legged walking robot 10 in the traveling direction A is changed from the rear bending state of the traveling direction A to the front bending state. Pattern.

第７パターンは、膝関節１５の屈曲方向が適切なパターンである。つまり、この第７パターンは、多脚歩行ロボット１０の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向が、多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａの前側に曲げられた状態であり、膝関節１５の屈曲方向を変更する必要がない。また、第８パターンは、多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａの後側の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向を、進行方向Ａの後側曲げ状態から前側曲げ状態に変更するパターンである。   The seventh pattern is a pattern in which the bending direction of the knee joint 15 is appropriate. That is, the seventh pattern is a state in which the bending direction of the knee joint 15 in the leg portion 12 of the multi-legged walking robot 10 is bent to the front side in the traveling direction A of the multi-legged walking robot 10. There is no need to change direction. The eighth pattern is a pattern for changing the bending direction of the knee joint 15 in the leg 12 on the rear side in the traveling direction A of the multi-legged walking robot 10 from the rear bending state in the traveling direction A to the front bending state. .

これらの第５、第６及び第８の膝関節１５の屈曲方向変更パターンにおいて、段差検知手段として撮像装置２２、距離画像センサ２３を備える場合には、膝関節１５の屈曲方向の変更は歩行路面１の段差２に到達する前に実行される。また第５、第６及び第８の膝関節１５の屈曲方向変更パターンにおいて、段差検知手段として、撮像装置２２及び距離画像センサ２３がなく、姿勢センサ２４、距離センサ２５、接触センサ２６を備える場合には、これらの姿勢センサ２４、距離センサ２５、接触センサ２６により段差が検知されたときに、膝関節１５の屈曲方向が変更される。   In these fifth, sixth, and eighth knee joint 15 bending direction change patterns, when the imaging device 22 and the distance image sensor 23 are provided as the step detection means, the knee joint 15 is changed in the bending direction by the walking road surface. Executed before reaching step 1 of 1. In the bending direction change patterns of the fifth, sixth, and eighth knee joints 15, the imaging device 22 and the distance image sensor 23 are not provided as the step detection means, and the posture sensor 24, the distance sensor 25, and the contact sensor 26 are provided. When the step is detected by the posture sensor 24, the distance sensor 25, and the contact sensor 26, the bending direction of the knee joint 15 is changed.

以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果を奏する。
図１に示すように、段差検知手段である撮像装置２２、距離画像センサ２３、姿勢センサ２４、距離センサ２５、接触センサ２６の少なくとも１つにより歩行路面１の段差２が検知されたときに、制御装置２０は、多脚歩行ロボット１０の段差２に対する昇降の動作種に応じて、多脚歩行ロボット１０の脚部１２と段差２との干渉を回避すべく脚部１２の膝関節１５の屈曲方向を変更するように、脚部１２の第２腰関節１４及び膝関節１５における電動モータ１９の駆動を制御する。 With the configuration as described above, the present embodiment has the following effects.
As shown in FIG. 1, when the step 2 on the walking road surface 1 is detected by at least one of the imaging device 22, the distance image sensor 23, the posture sensor 24, the distance sensor 25, and the contact sensor 26 that are step detection means. The control device 20 bends the knee joint 15 of the leg 12 to avoid interference between the leg 12 and the step 2 of the multi-legged walking robot 10 according to the type of movement of the multi-legged walking robot 10 with respect to the step 2. The drive of the electric motor 19 in the second hip joint 14 and the knee joint 15 of the leg 12 is controlled so as to change the direction.

つまり、制御装置２０は、多脚歩行ロボット１０による段差２の昇り動作時には、多脚歩行ロボット１０の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向を多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａに対する反対方向Ｂに曲げるべく変更し、多脚歩行ロボット１０による段差２の降り動作時には、多脚歩行ロボット１０の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向を多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａに曲げるべく変更するように、脚部１２の第２腰関節１４及び膝関節１５における電動モータ１９の駆動を制御する。この結果、多脚歩行ロボット１０が安定した状態で歩行路面１の段差２を歩行できる。   That is, when the multi-legged walking robot 10 moves up the step 2, the control device 20 changes the bending direction of the knee joint 15 in the leg 12 of the multi-legged walking robot 10 to the direction B opposite to the traveling direction A of the multi-legged walking robot 10. And the bending direction of the knee joint 15 in the leg portion 12 of the multi-legged walking robot 10 is changed to bend in the traveling direction A of the multi-legged walking robot 10 when the multi-legged walking robot 10 descends the step 2. Thus, the drive of the electric motor 19 in the 2nd waist joint 14 and the knee joint 15 of the leg part 12 is controlled. As a result, the multi-legged walking robot 10 can walk on the step 2 of the walking road surface 1 in a stable state.

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。例えば、実施形態で説明した段差を検出するための各センサを全て有する必要はなく、任意に選択されたものを有した装置であってもよい。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. This embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. It is included in the scope and gist of the invention, and is included in the invention described in the claims and the equivalent scope thereof. For example, it is not necessary to have all the sensors for detecting the steps described in the embodiment, and an apparatus having an arbitrarily selected sensor may be used.

１ 歩行路面
２ 段差
１０ 多脚歩行ロボット
１２ 脚部
１５ 膝関節
１８ 下腿リンク
１９ 電動モータ（駆動手段）
２０ 制御装置（制御手段）
２２ 撮像装置（段差検知手段）
２３ 距離画像センサ（段差検知手段）
２４ 姿勢センサ（段差検知手段）
２５ 距離センサ（段差検知手段）
２６ 接触センサ（段差検知手段）
Ａ 進行方向
Ｂ 反対方向 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Walking road surface 2 Level | step difference 10 Multi-legged walking robot 12 Leg part 15 Knee joint 18 Lower leg link 19 Electric motor (drive means)
20 Control device (control means)
22 Imaging device (step detection means)
23 Distance image sensor (step detection means)
24 Attitude sensor (step detection means)
25 Distance sensor (step detection means)
26 Contact sensor (step detection means)
A direction of travel B opposite direction

Claims (6)

複数の脚部を備え、これらの各脚部が、リンク機構により構成されて膝関節を含む関節により屈曲可能に設けられた多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置において、
前記脚部の前記関節を駆動する駆動手段と、前記駆動手段の駆動を制御する制御手段と、歩行路面の段差を検知する段差検知手段とを有し、
前記制御手段は、前記段差検知手段により前記段差が検知されたときに、前記脚部と前記段差との干渉を回避すべく前記膝関節の屈曲方向を変更するよう前記駆動手段の駆動を制御することを特徴とする多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置。 In the step walking control device of a multi-legged walking robot provided with a plurality of legs, each of which is configured by a link mechanism and bendable by a joint including a knee joint,
A driving means for driving the joint of the leg, a control means for controlling the driving of the driving means, and a step detection means for detecting a step on the walking road surface;
The control means controls the driving of the driving means so as to change the bending direction of the knee joint so as to avoid interference between the leg portion and the step when the step is detected by the step detecting means. A step walking control device for a multi-legged walking robot. 前記制御手段は、多脚歩行ロボットが段差を昇り動作する場合に、前記多脚歩行ロボットの脚部における膝関節の屈曲方向を前記多脚歩行ロボットの進行方向に対する反対方向に曲げるべく変更し、前記多脚歩行ロボットが前記段差を降り動作する場合に、前記膝関節の屈曲方向を前記多脚歩行ロボットの進行方向に曲げるべく変更するよう駆動手段の駆動を制御することを特徴とする請求項１に記載の多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置。 When the multi-legged walking robot moves up a step, the control means changes the bending direction of the knee joint at the leg of the multi-legged walking robot so as to bend in a direction opposite to the traveling direction of the multi-legged walking robot, The driving means is controlled to change the bending direction of the knee joint to bend the moving direction of the multi-legged walking robot when the multi-legged walking robot moves down the step. A step walking control device for a multi-legged walking robot according to claim 1. 前記段差検知手段は、多脚歩行ロボットに取り付けられて前記多脚歩行ロボット周囲の画像データを取得する撮像装置、前記多脚歩行ロボットに取り付けられて前記多脚歩行ロボット周囲の３次元の距離データを取得する距離画像センサを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置。 The step detecting means is an imaging device that is attached to a multi-legged walking robot to obtain image data around the multi-legged walking robot, and is a three-dimensional distance data around the multi-legged walking robot that is attached to the multi-legged walking robot. A stepped walking control apparatus for a multi-legged walking robot according to claim 1 or 2, further comprising a distance image sensor for acquiring the distance. 前記段差検知手段は、多脚歩行ロボットの脚部に取り付けられて前記脚部と段差との距離を計測する距離センサ、前記脚部に取り付けられて前記脚部と段差との接触状態を検知する接触センサを備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置。 The step detecting means is a distance sensor that is attached to a leg of a multi-legged walking robot and measures a distance between the leg and the step, and is attached to the leg to detect a contact state between the leg and the step. The step walking control device for a multi-legged walking robot according to any one of claims 1 to 3, further comprising a contact sensor. 前記段差検知手段は、多脚歩行ロボットに取り付けられ、加速度センサ、角速度センサ、傾斜センサの単体もしくはその組み合わせにより前記多脚歩行ロボットの姿勢を検知する姿勢センサを備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置。 The step detection means includes an attitude sensor attached to a multi-legged walking robot and configured to detect an attitude of the multi-legged walking robot by a single sensor or a combination of an acceleration sensor, an angular velocity sensor, and a tilt sensor. 5. A step walking control device for a multi-legged walking robot according to any one of 1 to 4. 複数の脚部を備え、これらの各脚部が、リンク機構により構成されて膝関節を含む関節により屈曲可能に設けられた多脚歩行ロボットの段差歩行制御方法において、
歩行路面の段差を検知する段差検知手段を用意し、この段差検知手段により前記段差が検知されたときに、前記脚部と前記段差との干渉を回避すべく前記膝関節の屈曲方向を変更することを特徴とする多脚歩行ロボットの段差歩行制御方法。 In the step walking control method for a multi-legged walking robot provided with a plurality of legs, each of which is configured by a link mechanism and bendable by a joint including a knee joint,
Step detecting means for detecting a step on the walking road surface is prepared, and when the step is detected by the step detecting means, the bending direction of the knee joint is changed to avoid interference between the leg and the step. A step walking control method for a multi-legged walking robot.
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