JP2003236781A - 脚式移動ロボット及びその移動制御方法 - Google Patents

脚式移動ロボット及びその移動制御方法

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JP2003236781A JP2002038003A JP2002038003A JP2003236781A JP 2003236781 A JP2003236781 A JP 2003236781A JP 2002038003 A JP2002038003 A JP 2002038003A JP 2002038003 A JP2002038003 A JP 2002038003A JP 2003236781 A JP2003236781 A JP 2003236781A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ロボットが歩行する路面上に何らかの障害物
がある場合であっても、安定的に歩行動作を継続できる
ようにする。 【解決手段】 可動脚の先端部に設けられた足部150
には、加速度センサが設けられており、ロボット本体の
主制御ユニットは、足部150を移動中に、該加速度セ
ンサの出力に基づいて、足部150の障害物500に対
する干渉の有無検出し、干渉有りと判断された場合に、
所定の回避動作(後退及び上昇)を行った後に、足部1
50の移動を継続する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、複数の可動脚を備
えた脚式移動ロボット及びその移動制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、人や猿などの2足直立歩行を行う
動物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
る脚式移動ロボットは、クローラ式や4足又は6足式の
ロボットなどに比べて不安定であり、姿勢制御や歩行制
御が複雑になるが、作業経路上に凹凸のある歩行面(不
整地や障害物など)、あるいは階段やはしごなど不連続
な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業
を実現できるという点で優れている。
【0003】人間の作業空間や居住空間のほとんどは、
2足による直立歩行という人間が持つ身体メカニズムや
行動様式に合わせて形成されている。言い換えれば、人
間の住空間は、車輪その他の駆動装置を移動手段とした
現状の機械システムが移動するにはあまりに多くの障壁
が存在する。機械システム、すなわちロボットが様々な
人的作業を支援又は代行し、さらに人間の住空間に深く
浸透していくためには、ロボットの移動可能範囲が人間
のそれとほぼ同じであることが好ましい。これが、脚式
移動ロボットの実用化が大いに期待されている所以であ
る。人間型の形態を有していることは、ロボットが人間
の住環境との親和性を高める上で必須であると言える。
【0004】2足歩行による脚式移動を行うタイプのロ
ボットについての姿勢制御や安定歩行に関する技術は既
に数多く提案されている。その中の多くは、ZMP(Z
ero Moment Point)を歩行の安定度判
別の規範として用いている。ZMPによる安定度判別規
範は、歩行系から路面には重力と慣性力並びにこれらの
モーメントが作用し、これらと路面から歩行系への反作
用としての床反力及び床反力モーメントとがバランスす
るというダランベールの原理に基づく。力学的推論の帰
結として、足裏の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
が零となる点が存在し、この点をZMPと言う。
【0005】ZMP規範に基づく2足歩行制御には、足
底着地点を予め決定でき、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。また、Z
MPを安定度判別規範とすることは、力ではなく軌道を
運動制御上の目標値として扱うことを意味するので、技
術的に実現性が高まる。なお、ZMPの概念並びにZM
Pを歩行ロボットの安定度判別規範に適用する点につい
ては、MiomirVukobratovic著”LE
GGED LOCOMOTION ROBOTS”(加
藤一郎外著『歩行ロボットと人工の足』(日刊工業新聞
社))に記載されている。
【0006】ロボットの可動脚(下肢)の先端部に設け
られる足部の構成としては、遊脚(路面に接地していな
い側の脚)の着地時に路面から受ける衝撃、すなわちZ
軸方向(足裏面に対して直交する方向又はヨウ軸に沿う
方向)の衝撃を緩和するために、ゴムなどの弾性シート
を足裏に接着したもの、あるいはこの弾性シートの破損
や変形を防止するためにさらにその下面に金属板などを
接着したものが知られている。また、足裏面にZ軸方向
の衝撃を吸収するための板バネを介して金属板などを設
けたものも知られている。
【0007】また、足部には、ロボット本体の主制御部
が可動脚を含む各部の運動を制御するための基礎情報を
検出するための種々のセンサが設けられている。例えば
ZMPを安定判別規範としてロボットの運動制御を行う
場合には、実際のZMPを測定するため、足部の路面に
対する接地面に、ZMP検出用の複数の力センサが配設
される。足部に設けられるセンサとしては、路面への足
部の接地の有無を検出するためのセンサ、路面上に接地
された足部の該路面に対する滑りを検出するためのセン
サなども設けられる場合がある。
【0008】これらのセンサの検出値は、A/D変換さ
れてロボット本体に設けられる主制御部に取り込まれ、
主制御部によって、これらの検出値に基づいて実際のZ
MPの算出、その他の必要な演算処理が行われ、ロボッ
トの歩行動作を含む各部の制御に供される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ロボットに
歩行動作は、ロボット本体の主制御部が足部の目標位置
に至る軌道を計算し、上述したZMPの検出結果などに
基づいて、その軌道を修正しつつ、可動脚に配設された
各アクチュエータなどを制御することによりなされる。
【0010】しかしながら、ロボットが歩行動作を行う
路面(床面)上には、種々の障害物(路面の凹凸、何ら
かの独立した物体を含む)が存在し、歩行動作中に、足
部が該障害物に衝突ないし干渉し、いわゆる躓きが生
じ、姿勢の安定性が崩れ、歩行が困難となったり、最悪
の場合には転倒に至る場合がある。また、ロボットは平
坦な路面のみならず、段差や階段の昇降をもできること
が望ましい。
【0011】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、ロボットが歩行す
る路面上に何らかの障害物がある場合であっても、安定
的に歩行動作を継続できるようにすることである。ま
た、段差や階段の昇降を容易に行えるようにすることも
目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の第1の観点に係る脚式移動ロボットは、可動
脚と、前記可動脚の先端部に設けられる足本体と、前記
足本体の側部への外力の作用を検出する少なくとも一つ
のセンサと、前記センサの出力を含む情報に基づき前記
可動脚の運動を制御する制御手段とを備えて構成され
る。
【0013】本発明によると、足本体の側部への外力の
作用を検出するセンサを備えているので、その出力(検
出値)に基づいて制御手段が該足部が何らかの障害物に
衝突ないし干渉したことを判断することが可能であり、
該障害物を回避するための制御を行うことができるよう
になる。従って、安定的に歩行動作を継続することがで
きるようになる。
【0014】前記センサとしては、足裏面(ロボットが
直立しているときに、路面に接地する部分により構成さ
れる面又はヨウ軸に直交する面)に略平行な面内で、あ
る特定の方向(例えば、ロボットの前後方向又は左右方
向)の加速度を検出する加速度センサ又は当該方向に作
用する圧力を検出する圧力センサなどを例示することが
できる。
【0015】本発明において、前記センサの出力を演算
処理し、演算結果を前記制御手段に供給する足部処理手
段を、前記足本体に設けてもよい。前記センサの出力に
基づく足本体が障害物に衝突ないし干渉したことの判断
やその他の処理を、該足部処理手段に行わせて、その処
理結果をロボット本体の制御手段に供給することによ
り、ロボット本体の制御手段の処理負担を軽減すること
ができる。
【0016】また、前記足本体は、該足本体の側部に離
間して対面するように設けられた外枠部、及び該外枠部
と該足本体の側部との間に介装された緩衝手段を有する
ことができる。足本体の側部が障害物に衝突ないし干渉
した場合には、当該足本体にその反力が直接作用するこ
とになり、ロボットが姿勢を崩したり、足本体が損傷し
てしまう場合があるが、このような緩衝手段と外枠部材
を設けることにより、障害物に対して当該外枠部材が衝
突ないし干渉することになり、その反力は緩衝手段によ
り軽減されて足本体に伝達されるので、姿勢の崩壊や足
本体の損傷を抑制することができるようになる。また、
軽い干渉の場合には、回避動作を積極的に行うまでもな
く、該干渉を解消することができるという利点もある。
【0017】前記制御手段によって実行される制御とし
ては、具体的には、以下のようなものを例示することが
できる。すなわち、前記足本体を第1方向へ移動する第
1動作中に、前記センサの出力に基づき該足本体が障害
物に干渉したことを検出した場合に、該第1動作を中断
する。次いで、前記足本体を前記第1方向と逆の第2方
向へ戻す第2動作を実施する。前記第2動作の後若しく
は該第2動作と一部を重複させて、前記足本体を前記第
1方向及び前記第2方向と異なる第3方向へ移動する第
3動作を実施する。前記第3動作の後若しくは該第3動
作と一部を重複させて、前記第1動作を再開する。この
ような制御を実施することにより、姿勢の安定性を崩す
ことなく障害物を速やかに回避することができるように
なる。また、段差や階段の昇降をも容易に行うことがで
きるようになる。
【0018】上記目的を達成するための本発明の第2の
観点に係る脚式移動ロボットの移動制御方法は、可動脚
と、該可動脚の先端部に設けられる足本体とを備えた脚
式移動ロボットの移動制御方法であって、前記足本体を
第1方向へ移動する第1動作中に、前記センサの出力に
基づき該足本体が障害物に干渉したことを検出した場合
に、該第1動作を中断するステップと、前記足本体を前
記第1方向と逆の第2方向へ戻す第2動作を実施するス
テップと、前記第2動作の後若しくは該第2動作と一部
を重複させて、前記足本体を前記第1方向及び前記第2
方向と異なる第3方向へ移動する第3動作を実施するス
テップと、前記第3動作の後若しくは該第3動作と一部
を重複させて、前記第1動作を再開するステップとを含
んで構成される。
【0019】上記目的を達成するための本発明の第3の
観点に係る脚式移動ロボットの移動制御プログラムは、
可動脚と、該可動脚の先端部に設けられる足本体と、該
足本体の側部への外力の作用を検出するセンサとを備え
た脚式移動ロボットの移動制御プログラムであって、前
記足本体を第1方向へ移動する第1動作中に、前記セン
サの出力に基づき該足本体が障害物に干渉したか否かを
判断する手段と、前記足本体が前記障害物に干渉したと
判断された場合に、該第1動作を中断する手段と、前記
足本体を前記第1方向と逆の第2方向へ戻す第2動作を
実施する手段と、前記第2動作の後若しくは該第2動作
と一部を重複させて、前記足本体を前記第1方向及び前
記第2方向と異なる第3方向へ移動する第3動作を実施
する手段と、前記第3動作の後若しくは該第3動作と一
部を重複させて、前記第1動作を再開する手段とを備え
て構成される。
【0020】上記目的を達成するための本発明の第4の
観点によれば、本発明の第3の観点に係る脚式移動ロボ
ットの移動制御プログラムが記録されたコンピュータ読
み取り可能な情報記録媒体が提供される。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。
【0022】図1及び図2は、本発明の実施に供される
「人間型」の脚式移動ロボット100が直立している様
子を前方(図1)及び後方(図2)の各々から眺望した
様子を示している。図示の通り、脚式移動ロボット10
0は、脚式移動を行う可動脚としての左右2足の下肢1
10と、体幹部120と、左右の上肢130と、頭部1
40とで構成される。
【0023】左右各々の下肢110は、大腿部111
と、膝関節112と、頸部113と、足首114と、足
部150とで構成され、股関節115によって体幹部1
20の略最下端にて連結されている。また、左右各々の
上肢130は、上腕131と、肘関節132と、前腕1
33とで構成され、肩関節134によって体幹部120
の上方の左右各側縁にて連結されている。また、頭部1
40は、首関節141によって体幹部120の略最上端
中央に連結されている。
【0024】なお、以下では、説明の便宜上、足部15
0の説明において、足部150の裏面の路面(床面)に
当接する部分を含んで構成される面をX−Y平面とし、
該X−Y平面内において、ロボットの前後方向をX軸と
し、ロボットの左右方向をY軸とし、これらに直交する
方向をZ軸として説明する。
【0025】各関節には、アクチュエータが配設されて
いる。該アクチュエータの駆動によってロボットの動作
は実現される。装置の外観上で余分な膨らみを排してヒ
トの自然形状に近似させることや、2足歩行という不安
定構造体に対して姿勢制御を行うなどの種々の要請か
ら、関節アクチュエータは小型且つ軽量であることが好
ましい。このため、本実施の形態では、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
内臓したタイプの小型ACサーボ・アクチュエータを搭
載することとした。なお、脚式ロボットに適用可能な小
型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11−3386号明細
書に開示されている。
【0026】体幹部120の内部には、図1及び図2上
では見えていない主制御ユニットや電源回路その他の周
辺機器類が搭載されている。
【0027】図3は、脚式移動ロボット100の制御シ
ステムの構成の概略を示している。主制御ユニット(制
御手段)300は、CPU(Central Proc
essing Unit)301と、RAM(Rand
om Access Memory)302と、動作パ
ターンなどが格納されているROM(Read Onl
y Memory)303と、脚式移動ロボット100
に搭載される各種センサ(不図示)の出力としてのアナ
ログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器(不図
示)を備えて構成され、これらはバス304を介して相
互に接続されている。
【0028】ROM303には、上記のデータの他、C
PU301がこのロボットを全体的に制御するためのプ
ログラム及び後述する障害回避動作を実行するための障
害物回避プログラム(移動制御プログラム)が予め格納
されている。これらのプログラム及び情報は、コンピュ
ータ読み取り可能な情報記録媒体に格納されたものを、
書込装置を用いて当該ROM303に書き込むことによ
りインストールされる。
【0029】また、詳細は後述するが、バス304に
は、一対の足部150にそれぞれ設けられた足部センサ
処理ユニット(足部処理手段)400が不図示の入出力
制御部(I/O部)を介して接続されている。
【0030】CPU301は、ROM303に蓄えられ
ている情報、各種センサの出力、及び足部センサ処理ユ
ニット400から供給される情報などに基づいて、脚式
移動ロボット100の動作を生成し、各関節に配置され
たACサーボ・アクチュエータ306への指令値を決定
する。
【0031】また、これらのACサーボ・アクチュエー
タ306は、バス304を介して主制御ユニット300
に接続され、CPU301で計算された各関節に対する
指令値を受け取ることが可能となっている。ACサーボ
・アクチュエータ306は、この指令値に従って作動さ
れ、脚式移動ロボット100の歩行動作及び後述する障
害物回避動作を含む各種の動作が実現される。
【0032】次に、足部150及び下肢(可動脚)11
0との連結部の構造について説明する。図4は、足部1
50及び下肢(可動脚)110との連結部分の断面構成
を示す図である。
【0033】足部(足本体)150は、左右各々の下肢
110の足首114に連結される足甲部材1101及び
路面に直接接地される足底部材1151を備えて構成さ
れ、足底部材1151を足甲部材1101に遊動可能に
取り付けた二重構造となっている。
【0034】下肢110の足首114の脚側連結部10
01には、連結固定位置決め突起1002と、電気接続
用のコネクタ1003が配置されている。連結固定位置
決め突起1002の側面には切欠部1004が形設され
ている。
【0035】一方、足部150を構成する足甲部材11
01の上部に形設された連結部には、連結固定位置決め
凹部1102と、電気接続用コネクタ1103と、コネ
クタ1003の収容部1104と、連結固定用アクチュ
エータ1105が配設されている。
【0036】連結固定用アクチュエータ1105の略先
端には、位置決めピン1106が連結固定位置決め凹部
1102の底面に沿う前後方向(X軸方向)に出没自在
に取り付けられている。この位置決めピン1106は、
連結固定位置決め凹部1102の内部に進出した状態で
は、連結固定位置決め突起1002の側面に形設された
切欠部1004に嵌合するようになっている。図4に示
す状態では、連結固定用アクチュエータ1105の作動
により、位置決めピン1106は埋没しているので、連
結固定位置決め突起1002を連結固定位置決め凹部1
102に対して挿脱自在となっている。
【0037】足底部材1151はその上面が開放された
略矩形箱状の部材であり、略矩形板状の底板部1152
及びその周囲に沿って一体的に立設された側板部(外枠
部)1153を有している。底板部1152の上面は足
甲部材1101の下面に摺動可能に当接している。ここ
では、底板部1152の下面により足部150の足裏面
が構成される。底板部1152の下面と側板部1153
の外面との境界部分は、路面の凹凸などへの躓きを抑制
するため、R面(円弧面)又は滑らかな曲面となってい
る。
【0038】足底部材1151の側板部1153の内側
の形状は、足甲部材1101の側面の形状に対して僅か
に大きい相似形状となっている。足甲部材1101の側
面は、足底部材1151の側板部1153の内面に僅か
な隙間(遊び)をもって対面しており、これにより足底
部材1151は足甲部材1101に対して、該足甲部材
1101の下面に沿って、すなわちX−Y平面内におい
て、任意の方向に遊動できるようになっている。
【0039】足底部材1151は、遊脚時に足甲部材1
101から落下しないように、且つX−Y平面内におけ
る遊動を制限しないように、不図示の保持機構を介して
足甲部材1101に取り付けられている。この保持機構
は、足底部材1151の交換のため、容易な操作で着脱
する機構をも備えていることが望ましい。
【0040】足底部材1151の側板部1153の内面
と足甲部材1101の側面の間には、緩衝部材(緩衝手
段)1154が介装されている。この緩衝部材1154
としては、ここでは、無端状のゴムシートを採用し、足
底部材1151の側板部1153の内面と足甲部材11
01の側面の間の隙間を完全に埋めるように介装されて
いる。但し、緩衝部材1154はこのようなものに限定
されず、板バネ、スポンジ、固形ないし半流動体状の粘
性手段を採用してもよい。
【0041】また、足部の組立時に足底部材1151の
側板部1153の内面と足甲部材1101の側面の間の
隙間に、硬化ないし凝固した状態で弾性及び/又は粘性
を生じるような接着剤を充填して、相互に接着するよう
にしてもよく、このようにすることで、当該隙間への異
物の進入が防止できるとともに、足底部材1151を足
底部材1101に遊動可能に取り付けるための保持機構
を採用することなく、同様の効果を得ることができるの
で都合がよい。
【0042】なお、ここでは、足底部材1151は足甲
部材1101に対して、該足甲部材1101の下面に沿
って任意の方向に遊動できるように構成したが、X軸方
向やY軸方向などのように特定の方向にのみ遊動できる
ように構成してもよい。また、上述したような緩衝部材
は、足底部材1151の側板部1153の内面と足甲部
材1101の側面の間の隙間を完全に埋めるように介装
すれば、その隙間に異物などの進入を防止することがで
きる点で好ましいが、必ずしもそのようにする必要はな
く、間欠的に配設するようにしてもよい。また、緩衝部
材は必須ではなく、緩衝部材を完全に省略してもよい。
【0043】また、この実施形態では足部150を足甲
部材1101と底板部1152を有する足底部材115
1とで構成しているが、足底部材1151の底板部11
52を省略して、矩形状の側板部1153のみとし、足
甲部材1101の裏面を路面に対する接地面としてもよ
い。この場合、当該側板部1153は足甲部材1151
の側面に対する外力の作用に対して、これを保護する外
枠部材(外枠部)となる。この場合の外枠部材1153
は、足甲部材1101の側面を全体的に取り囲むことに
なるが、必ずしもこのような構成にする必要はなく、外
枠部材1153として、足甲部材1101の側面の一部
(例えば、ロボットの正面側の側面)のみに対面する部
材とし、これを緩衝部材を介して取り付けるようにして
もよい。
【0044】図5は、足甲部材1101が脚側連結部1
001に対して取り付けられた状態での連結部分の断面
構成を示す図である。
【0045】連結固定位置決め突起1002が連結固定
位置決め凹部1102内に完全に挿入された状態で、連
結固定用アクチュエータ1105の作動により位置決め
ピン1106を進出させ、連結固定位置決め突起100
2の先端部を切欠部1004に嵌合させることによっ
て、足甲部材1101は脚側連結部1001に対して強
固に連結される。
【0046】このとき、脚側のコネクタ1003は、収
容部1104内に収容され、その最奥部のコネクタ11
03に機械的に嵌合するとともに、コネクタ1003の
端子とコネクタ1103の対応する端子とが電気的に接
続される。この結果、脚側、すなわちロボット本体側か
ら足甲部材1101への電力の供給及び相互間における
データ通信が可能な状態となる。
【0047】足甲部材1101の連結固定位置決め凹部
1102の底面には、さらに凹部1111が形成されて
おり、この凹部1111には、電気回路基板1112が
収容されている。電気回路基板1112を設ける位置
は、足甲部材1101上であれば、他の位置にしてもよ
い。この電気回路基板1112には、足部センサ処理ユ
ニット400及び電源ユニットなどが搭載されている。
【0048】図6は、足部センサ処理ユニットの構成の
概略を示している。足部センサ処理ユニット(足部処理
手段)400は、CPU401と、RAM402と、R
OM403と、足部150に搭載される各種センサ40
6,407の出力としてのアナログ信号をデジタル信号
に変換するA/D変換器405と、不図示の入出力制御
部(I/O部)を備えて構成され、これらはバス404
を介して相互に接続されている。
【0049】足部センサ処理ユニット400の入出力制
御部は、主制御ユニット300の入出力制御部と、不図
示の通信ケーブルにより相互に接続されている。これに
より、足部センサ処理ユニット400と主制御ユニット
300とは、相互間でデータ通信を行うことができるよ
うになっている。なお、この通信ケーブルは、コネクタ
1103、1003を介して分離可能に接続される。
【0050】ROM403には、CPU401によって
実行される、センサ出力処理プログラムなどのプログラ
ムが格納されているとともに、後述する足情報も格納さ
れている。
【0051】足甲部材1101には、力センサ406や
加速度センサ407などのセンサが配設されている。力
センサ406は、Z軸方向の圧力を検出するセンサであ
り、図示は省略するが、足甲部材1101の下面(足底
部材1151の上面に当接する面)に配設されている。
これらの力センサ406は、ZMPを算出するために用
いられるもので、この実施の形態では、足甲部材110
1の下面の四隅近傍にそれぞれ、すなわち4個設けられ
ている。
【0052】これらの力センサ406は、それぞれ金属
ダイヤフラムと4つの歪ゲージからなり、4つの歪ゲー
ジでブリッジ回路を形成し、該歪ゲージを金属ダイヤフ
ラムに貼着して構成される。足甲部材1101の下面が
足底部材1151の上面に当接しているとき、前記金属
ダイヤフラムの変形量(歪量)が電気信号として出力さ
れるので、この出力を換算することにより、力センサ4
06の配置された位置に作用する足底部材1151から
のZ軸方向の力を求めることができる。但し、力センサ
406はこのような構成のものに限定されず、他の構成
のものを採用してもよい。ZMP検出用の力センサ40
6の数や配設位置も上記に限定されない。
【0053】また、足甲部材1101には加速度センサ
407も搭載されている。この加速度センサ407は、
足部150のX,Y,Zの3軸方向の加速度を検出する
ものであり、特に限定されないが、例えば、バネ要素及
びダンパー要素で支持されたおもり要素を有し、該おも
り要素の変位を計測する振動計を用いることができる。
なお、ここではX,Y,Zの3軸方向の加速度を検出す
るものとしたが、これらの内の1軸又は2軸方向のみの
加速度を検出するもの、あるいは任意の1軸方向の加速
度を検出するものとしてもよい。加速度センサ407を
設ける位置は、特に限定されず、足甲部材1101の任
意の位置に設けることができる。
【0054】この加速度センサ407の出力は足部セン
サ処理ユニット400に送られ、CPU401は、これ
に基づき足部(足裏接地面、X−Y平面)の水平面に対
する傾斜角度を算出する。また、片脚支持期において
は、遊脚側の加速度センサ407の検出値の変化に基づ
いて、遊脚に衝撃が加えられたときのその衝撃の大きさ
を算出したり、ロボットの歩行動作中などにおける躓き
の検出を行い、後述する障害物回避動作を行うための基
礎情報の一つとして利用される。
【0055】足部センサ処理ユニット400によって求
められたこれらの情報も、上述したZMPと同様に主制
御ユニット300に転送され、各部を制御するための基
礎情報として用いられる。
【0056】これらのセンサ406,407は、図示し
ないオペアンプを介して足部センサ処理ユニット400
のA/D変換器405に電気的に接続されている。各セ
ンサ406、407の出力のゲイン調整は、A/D変換
器405のダイナミックレンジに応じて予め行われてい
ることは言うまでもない。
【0057】足部センサ処理ユニット400のROM4
03には、足部150に関する情報として、以下に示す
ような足情報が予め記憶されている。
【0058】足情報とは、主制御ユニット300が軌道
計算、その他の演算を実行する際に必要とされる当該足
部150に固有な情報を含む情報であり、具体的には、
足識別情報、足構造情報、足センサ情報などで構成され
る。
【0059】足識別情報は、足部150を他の足部から
識別するために付与された識別情報(ID)である。足
構造情報は、足甲部材1101及び足底部材1151並
びにその構成部材の寸法(形状)、材質、重量、接地面
の摩擦係数などの情報である。足構造情報のうち、足底
部材1151の路面に対する接地部(接地面)の形状
(足底形状)は制御演算上、特に重要である。これら
は、例えば数式(二次元近似式)やビットマップ形式で
表現することができる。
【0060】足センサ情報は、足甲部材1101に配設
されている各種センサについての情報であり、その識別
情報(該センサを他のセンサから識別するためのI
D)、個数、配置、特性などで構成される。この実施の
形態では、足甲部材1101には、ZMP検出用の力セ
ンサ406、衝突検出若しくは路面傾き検出用の加速度
センサ407が配設されているので、これらのセンサに
ついてのセンサ情報が記憶される。足甲部材1101
(又は足底部材1151)に、他のセンサ、例えば、接
地面の路面に対する接地、非接地を検出する路面接地検
出センサ、着地した足部150の路面に対するずれ(滑
り)を検出するセンサ、X軸方向又はY軸方向の圧力を
検出する力センサなどを設けることもでき、その場合に
は、それらのセンサについてのセンサ情報が記憶され
る。
【0061】ここでは、足情報をデータの書き換えがで
きないROMに記憶するようにしたが、データの書き換
えができるEPROM、SRAM、電源バックアップを
条件としてDRAMなどに記憶するようにしてもよい。
この場合には、足情報として、動的に変化する情報をも
記憶せしめて、必要に応じて随時書き換えるようにする
ことができる。例えば、足センサ情報として、センサの
経時的な特性変化を示すログ情報を記憶させるようにす
るとよい。
【0062】足情報としては、上記の他に、足部150
に関するあらゆる情報を記憶することができる。なお、
足部150に直接関係のない情報を記憶しておいてもよ
い。
【0063】足甲部材1101に設けられた足部センサ
処理ユニット400のROM403に記憶された足情報
は、足甲部材1101の交換などにより、足甲部材11
01が下肢110の足首114に連結された時、この脚
式移動ロボットの初期化時(電源投入時又はリセット
時)、又はその他の必要な時に、そのCPU401によ
りバス404を介して読み出され、入出力制御部及び通
信ケーブルを介して、主制御ユニット300に送られ、
該主制御ユニット300によって、各アクチュエータ3
06などへの指令値を求めるための演算を含む各種の制
御演算に用いられる。
【0064】なお、足甲部材1101の足首114への
連結をアクチュエータ1105を用いて行うようにした
が、手動式のレバーを採用して、同様の機能を実現する
ようにしてもよい。この場合、当該手動式レバーの操作
を、ロボットの腕部並びに手部を用いて行うことによ
り、足部脱着に伴う足部の固定及び開放を自律的に行う
ことができる。
【0065】また、様々な路面への適応が必要であるこ
とが想定される場合には、ロボットが1つ又は特定の複
数個の足部(スペア)を携帯しながら脚式作業を行うこ
とも有効である。未知の路面を歩行するロボットの場
合、歩行して向かった先で路面対応のために足部の交換
が必要になる可能性もある。例えば災害救助や惑星探索
などのように難作業現場においては、路面があらかじめ
特定できない場合が多い。逆言すれば、このような困難
且つ過酷な状況こそ、歩行ロボットの活動が本来求めら
れている作業環境であるとも言える。
【0066】足部センサ処理ユニット400において、
力センサ406、加速度センサ407のセンサ出力は、
一定周期ごとにあるいは必要に応じてサンプリングさ
れ、ZMPや足部の傾斜角度などの値も一定周期ごとに
あるいは必要に応じて算出される。
【0067】足部センサ処理ユニット400による演算
結果の主制御ユニット300への転送は、主制御ユニッ
ト300が所定の周期であるいは必要に応じてポーリン
グによって各足部についての足部センサ処理ユニット4
00に情報(演算結果)の転送を要求して、これに応じ
て該情報を転送する。但し、各足部についての足部セン
サ処理ユニット400側から、主制御ユニット300の
CPU301に対して割り込みをかけて、該情報を転送
するようにしてもよい。場合によっては、これらの双方
により該情報を転送するようにしてもよい。
【0068】上述した実施の形態においては、足部セン
サ処理ユニット400のCPU401により、力センサ
406及び加速度センサ407の出力に基づく所定の演
算が実行され、演算結果を主制御ユニット300に転送
するものとしたが、2つのCPUを設けて、ZMPの演
算と、足部の傾き又は躓きの検出のための演算などを別
々のCPUにより行うようにしてもよい。
【0069】また、足部センサ処理ユニット400と主
制御ユニット300とは、それぞれに設けられた入出力
制御部及びこれらを接続する通信ケーブルを介して相互
に接続する形態としたが、足部センサ処理ユニット40
0のバス404と主制御ユニット300のバス304と
を直接接続する形態を採用してもよい。さらに、足部セ
ンサ処理ユニット400及び主制御ユニット300に無
線でデータ通信を行うためのデータ送受信装置及び/又
は無線で電力を供給する電力送受信装置を配設すれば、
これらの間を接続するケーブルなどを省略することがで
き、その分だけ構成が簡略化されるとともに、足部の交
換作業も容易になる。
【0070】次に、主制御ユニット400によって実行
される障害物回避のための移動制御について、図7に示
すフローチャートを参照して説明する。
【0071】まず、主制御ユニット400は、各種セン
サからの情報、ROM303の足情報、その他の情報に
基づいて、足部150の軌道計算を実施しつつ、その結
果に基づいて、遊脚(足部150)を移動する(ステッ
プ701)。足部150の移動中において、足部150
が路面に正常に着地したか否かを判断し(ステップ70
2)、正常に着地したと判断された場合には、この処理
を終了する。なお、足部150の路面に対する着地の有
無は、例えば、足部150に設けられた着地を検出する
センサの出力に基づいて判断される。
【0072】ステップ702において、足部150が未
だ正常に着地していないと判断された場合には、加速度
センサ407の出力に基づいて足部150が障害物に衝
突ないし干渉(以下、単に干渉という)したか否かが判
断される(ステップ703)。この判断は、この実施の
形態では、足部センサ処理ユニット400によって加速
度センサ407の出力に基づいて行われ、干渉が検出さ
れた場合に、その判断結果が主制御ユニット300に送
られてくるようになっている。但し、主制御ユニット3
00がこの判断を行うようにしてもよい。
【0073】ステップ703において、障害物に対して
干渉していないと判断された場合には、ステップ701
に戻って、足部150の移動を継続する。ステップ70
3において、障害物に対して干渉したと判断された場合
には、所定の障害物回避動作が行われた後(ステップ7
04)、ステップ701に戻って、足部150の移動を
継続する。
【0074】この障害物回避動作は、第1回避動作(こ
こでは後退動作)及び第2回避動作(ここでは上昇動
作)から構成される。第1回避動作は、足部150の障
害物に対する干渉を解消するための動作であり、例え
ば、障害物に干渉する直前の該足部の移動方向を第1方
向として、該第1方向とは逆向きの第2方向に足部15
0を若干量だけ移動させる動作である。この場合の若干
量とは、足部150が該障害物に対する干渉を解消でき
る程度の予め決められた量である。この量は、足底部材
1151の足甲部材1101に対する遊動可能量などを
考慮して決定される。
【0075】第2回避動作は、障害物への干渉が解消さ
れた足部150を該障害物に対して迂回させるための動
作であり、前記第1方向及び前記第2方向とは異なる第
3方向へ足部150を所定量だけ移動する動作である。
例えば、該第1方向及び第2方向に略直交する方向へ足
部150を所定量だけ移動する。ここでは、鉛直上方向
に移動するものとした。この場合の所定量としては、該
障害物を迂回することを十分に期待できる程度の大きさ
に設定することができる。但し、障害物の大きさは、必
ずしも予期できないので、このロボットの大きさやロボ
ットの主たる用途、場所などを考慮して適宜に値に設定
すればよい。
【0076】上述した第1回避動作における若干量及び
第2回避動作における所定量は、予め適宜に決めておく
ものとして説明したが、その何れか一方又は双方をその
時点で動的に決定するようにしてもよい。例えば、この
ロボットがCCDなどの視覚センサを備えている場合に
は映像認識によって、該障害物の大きさや形状の概略を
特定することができるので、その認識結果に基づいて設
定するようにできる。
【0077】また、上述した説明では、第1回避動作を
行った後に、第2回避動作を行うようにしており、その
方が障害物回避の確実性が高いが、障害物回避の高速化
の観点からは、これらを同時にあるいは一部を重複させ
て並行的に行うようにするとよい。
【0078】第2回避動作における移動方向(第3方
向)は、一般的には、路面に存在する若干の段差や小物
などの障害物を回避することが多いと考えられるので、
鉛直上方向への移動とすることがより多くの場面で効果
的であると考えられる。但し、水平面内での移動など、
他の方向への回避動作であってもよい。回避の方向につ
いても、予め決めておいてもよいが、上述したようなC
CDなどの視覚センサを備えている場合には該障害物の
映像認識結果に基づいて、動的に決定するようにしても
よい。なお、上述した第1回避動作は本発明にいう第2
動作に相当し、上述した第2回避動作は本発明にいう第
3動作に相当する。
【0079】図8は、路面上に存在する物体を回避する
動作を示している。同図は、A地点に接地している足部
150をB地点に移動する場合を考えている。足部15
0を通常の軌道計算に従って移動すると、足部150の
先端部が障害物としての物体500に衝突する。このと
き、加速度センサ407の出力から求められる加速度が
急激に変化するので、主制御ユニット300は、足部1
50が何らかの障害物に衝突したことを認識する。ここ
で上述した回避動作を行い、すなわち、足部150の後
退と上昇を行い、軌道を再計算して、B地点に向けて移
動を行い、当該B地点に着地する。なお、同図では、障
害物回避動作としての後退と上昇の前半部分を同時に行
い、さらに後退の終了後、B地点への移動と上昇の後半
部分を同時に行うようにして、動作速度を速めている。
但し、後退の終了後に上昇を行い、上昇の終了後にB地
点へ向けた移動を開始するようにしてもよい。
【0080】通常のロボットの歩行に際しては、路面上
の凹凸などとの干渉を回避する観点から、足部150を
鉛直上方向にある程度持ち上げてから、着地点の上まで
水平移動を行い、その後に鉛直下向きに降下して、着地
点に着地するという制御が行われている。これは路面の
凹凸の有無に拘わらず、一律に行われるため、ロボット
の歩行動作を遅くすることになる。しかしながら、上述
したような回避動作を行うことができる本実施形態のロ
ボットは、人間の歩行動作により近い放物線状の歩行軌
道を採用することが可能となり、障害物がない場合に高
速歩行を実現することができ、障害物がある場合にも、
それほど動作速度を低下させることなく安定した歩行を
行うことができる。
【0081】図9は、路面上に存在する段差や階段の昇
りを行う場合の動作を示している。同図は、A地点に接
地している足部150をA地点よりも高いB地点に移動
する場合を考えている。足部150を通常の軌道計算に
従ってA地点と同じ高さのC地点に向けて移動すると、
足部150の先端部が障害物としての段差600に衝突
する。このとき、加速度センサ407の出力から求めら
れる加速度が急激に変化するので、主制御ユニット30
0は、足部150が何らかの障害物に衝突したことを認
識する。ここで上述した回避動作を行い、すなわち、足
部150の後退と上昇を行い、軌道を再計算して、C地
点(又はC地点とB地点の間の仮想地点)に向けて移動
を行う。このとき、足部150が再度障害物に衝突した
ことを認識する。ここで、再度上述した回避動作を行
い、B地点に着地することになる。このような動作を順
次行うことによって、階段昇りをも容易に行うことがで
きる。
【0082】上述した実施の形態においては、足部15
0に設けた加速度センサ407の出力に基づいて、足部
150の障害物への干渉の有無を判断するようにした
が、本発明はこれに限定されず、加速度センサ407に
代えて、圧力センサ(ZMP検出用センサとは別の足部
150の側部に作用する圧力を検出するもの)を足部1
50に設け、該圧力センサの出力から障害物への干渉の
有無を判断するようにしてもよい。この場合の圧力セン
サは、足甲部材1101の側面又は足底部材1151の
側板部1153の何れに設けてもよく、足甲部材110
1の緩衝部材1154との当接面に設け、あるいは足底
部材1151の側板部1153の緩衝部材1154との
当接面に設けてもよい。また、何らかの障害物への干渉
を検出できるセンサであれば、他の種類のセンサでも勿
論よい。
【0083】上述した本発明の実施の形態によれば、足
部150に設けられた加速度センサ407の出力に基づ
いて、足部150の障害物への干渉を検出し、所定の回
避動作を行って、該障害物を迂回して、該足部150を
着地させるようにしたので、障害物の有無に拘わらず、
安定した歩行動作を行うことができるとともに、段差や
階段昇りも容易に行うことができる。
【0084】また、足底部材1151は足甲部材110
1に遊動可能に取り付けられるとともに、これらの間に
緩衝部材1154を介装したので、ロボットの歩行動作
時に、何らかの障害物に足部150が干渉した場合であ
っても、緩衝部材1154の作用により、足甲部材11
01への衝撃が少ないとともに、軽微な干渉である場合
には、足底部材1151の遊動によって直ちに解消する
ことが可能である。
【0085】さらに、足部150に設けられた加速度セ
ンサ407の出力に基づいて、同じく足部150に設け
られた足部センサ処理ユニット400が当該足部150
の障害物への干渉の有無を判断するための所定の演算処
理を実行し、演算結果をロボット本体の主制御ユニット
300に転送するようにしたので、その分だけ該主制御
ユニット300の処理負担が軽減され、主制御ユニット
300は他の演算処理に専念することができ、緊急度の
高い処理を良好な応答性をもって実行できるようにな
る。
【0086】また、足部150に配設された各種センサ
406,407は、足部センサ処理ユニット400に接
続され、足部センサ処理ユニット400と主制御ユニッ
ト300とが通信ケーブルによって接続されているた
め、ロボット内部の配線は、各種センサ406,407
と主制御ユニット300とを直接接続する場合と比較し
て、ロボット内部の配線やコネクタ部の構成を簡易なも
のとすることができる。上述した無線通信によってデー
タ通信する場合には、通信のチャネル数を少なくできる
という利点もある。
【0087】さらに、足部の各種センサ406,407
と、その検出値に基づいて演算処理を行う足部センサ処
理ユニット400との間は、非常に近いので、センサ出
力に重畳されるノイズが少なくなり、より正確な処理結
果を得ることができる。
【0088】上述した実施の形態では、加速度センサ4
07を足甲部材1101に設けるものとしたが、足底部
材1151に設けてもよく、このようにした場合、足底
部材1151に設けた加速度センサの出力に基づき足部
の障害物への干渉を検出してから、足底部材1151が
足甲部材1101に対して相対的に遊動限界にまで遊動
し、足甲部材1101にその衝撃が完全に伝達されるま
でには、ある程度のタイムラグがあるので、この間に、
上述した回避動作を行うための処理を行うことができる
ようになり、ロボットの姿勢制御性、姿勢安定性を向上
することができる。
【0089】上述した実施の形態のように、加速度セン
サ407を、遊動可能な足底部材1151ではなく、足
甲部材1101に設けた場合には、センサ407を足底
部材1151側に設ける場合と比較して、センサ407
と足部センサ処理ユニット400をつなぐ配線に可動部
がなく、配線によって足底部材1151の遊動が阻害さ
れたり、足底部材1151の遊動により該配線が損傷し
たりすることが少ない。
【0090】なお、以上説明した実施形態は、本発明の
理解を容易にするために記載されたものであって、本発
明を限定するために記載されたものではない。従って、
上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的
範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨であ
る。
【0091】
【発明の効果】本発明によれば、足本体の側部への外力
の作用を検出するセンサを備えているので、その検出値
に基づいて制御手段が該足部が何らかの障害物に衝突な
いし干渉したことを判断することが可能であり、該障害
物を回避するための制御を行うことができるようにな
る。従って、安定的に歩行動作を継続することができる
ようになるという効果がある。また、段差や階段昇りを
容易に行い得るようになるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態に係る脚式移動ロボット
の斜め前方から見た斜視図である。
【図2】 本発明の実施の形態に係る脚式移動ロボット
の斜め後方から見た斜視図である。
【図3】 本発明の実施の形態に係る脚式移動ロボット
の主制御ユニットの構成を示す図である。
【図4】 本発明の実施の形態の足部を足首から分離し
た状態における該足部及び連結部の構成を示す断面図で
ある。
【図5】 本発明の実施の形態の足部を足首に連結した
状態における該足部及び連結部の構成を示す断面図であ
る。
【図6】 本発明の実施の形態に係る脚式移動ロボット
の足部センサ処理ユニットの構成を示す図である。
【図7】 本発明の実施の形態の主制御ユニットによる
障害物回避処理を示すフローチャートである。
【図8】 本発明の実施の形態の障害物を回避する様子
を示す図である。
【図9】 本発明の実施の形態の段差又は階段昇りを行
う様子を示す図である。
【符号の説明】
150…足部 300…主制御ユニット(制御手段) 400…足部センサ処理ユニット(足部処理手段) 407…加速度センサ(センサ) 1101…足甲部材 1112…足部電気回路基板 1151…足底部材 1153…側板部(外枠部) 1154…緩衝部材(緩衝手段)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小池 剛史 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 登坂 進 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 森川 浩昭 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 山口 仁一 東京都日野市多摩平5−14−38 Fターム(参考) 2C150 CA01 DA04 DA24 DA26 DA27 DA28 EB01 EC03 EC15 EC25 EC29 ED10 ED42 ED52 EF07 EF09 EF16 EF17 EF22 EF23 EF29 EF33 EF36 3C007 AS36 CS08 KS23 KS34 KX12 WA03 WA13 WA22 WA24 WB07 WC23

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 可動脚と、 前記可動脚の先端部に設けられる足本体と、 前記足本体の側部への外力の作用を検出する少なくとも
    一つのセンサと、 前記センサの出力を含む情報に基づき前記可動脚の運動
    を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする脚式移
    動ロボット。
  2. 【請求項2】 前記制御手段は、 前記足本体を第1方向へ移動する第1動作中に、前記セ
    ンサの出力に基づき該足本体が障害物に干渉したことを
    検出した場合に、該第1動作を中断し、 前記足本体を前記第1方向と逆の第2方向へ戻す第2動
    作を実施し、 前記第2動作の後若しくは該第2動作と一部を重複させ
    て、前記足本体を前記第1方向及び前記第2方向と異な
    る第3方向へ移動する第3動作を実施し、 前記第3動作の後若しくは該第3動作と一部を重複させ
    て、前記第1動作を再開するように制御することを特徴
    とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
  3. 【請求項3】 前記センサは、加速度センサ及び圧力セ
    ンサの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項1
    に記載の脚式移動ロボット。
  4. 【請求項4】 前記センサの出力を演算処理し、演算結
    果を前記制御手段に供給する足部処理手段を、前記足本
    体に設けたことを特徴とする請求項1に記載の脚式移動
    ロボット。
  5. 【請求項5】 前記足本体は、該足本体の側部に離間し
    て対面するように設けられた外枠部、及び該外枠部と該
    足本体の側部との間に介装された緩衝手段を有すること
    を特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
  6. 【請求項6】 可動脚と、該可動脚の先端部に設けられ
    る足本体とを備えた脚式移動ロボットの移動制御方法で
    あって、 前記足本体を第1方向へ移動する第1動作中に、前記セ
    ンサの出力に基づき該足本体が障害物に干渉したことを
    検出した場合に、該第1動作を中断するステップと、 前記足本体を前記第1方向と逆の第2方向へ戻す第2動
    作を実施するステップと、 前記第2動作の後若しくは該第2動作と一部を重複させ
    て、前記足本体を前記第1方向及び前記第2方向と異な
    る第3方向へ移動する第3動作を実施するステップと、 前記第3動作の後若しくは該第3動作と一部を重複させ
    て、前記第1動作を再開するステップとを含むことを特
    徴とする脚式移動ロボットの移動制御方法。
  7. 【請求項7】 可動脚と、該可動脚の先端部に設けられ
    る足本体と、該足本体の側部への外力の作用を検出する
    センサとを備えた脚式移動ロボットの移動制御プログラ
    ムであって、 前記足本体を第1方向へ移動する第1動作中に、前記セ
    ンサの出力に基づき該足本体が障害物に干渉したか否か
    を判断する手段と、 前記足本体が前記障害物に干渉したと判断された場合
    に、該第1動作を中断する手段と、 前記足本体を前記第1方向と逆の第2方向へ戻す第2動
    作を実施する手段と、 前記第2動作の後若しくは該第2動作と一部を重複させ
    て、前記足本体を前記第1方向及び前記第2方向と異な
    る第3方向へ移動する第3動作を実施する手段と、 前記第3動作の後若しくは該第3動作と一部を重複させ
    て、前記第1動作を再開する手段とを備えたことを特徴
    とする脚式移動ロボットの移動制御プログラム。
  8. 【請求項8】 請求項7に記載の脚式移動ロボットの移
    動制御プログラムが記録されたコンピュータ読み取り可
    能な情報記録媒体。
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