JP2006255798A - 歩行ロボット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 路面状態が変化する場所での歩行であっても、バランスを崩したり、転倒したりする危険性が低く、より安全な歩行を行うことができるロボット装置を提供する。
【解決手段】 歩容信号に基づいて駆動機構１８を駆動することにより歩容信号に対応した歩行動作を行わせる歩行ロボット装置１０であって、歩行しようとする路面に関する情報を事前に検出する事前路面検出部３１と、事前路面検出部３１により検出された路面に関する情報に基づいて歩行しようとする路面の状況を把握する路面状況判別部３２と、ロボット装置の姿勢情報を検出する姿勢検出部３３と、姿勢検出部３３により検出された姿勢情報に基づいて現在のロボット装置の姿勢を把握する姿勢判別部３４とを備え、歩容生成部３５は、歩行しようとする路面の状況と現在の姿勢とに基づいて、歩容信号を生成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数の脚を駆動して歩行する歩行ロボット装置に関し、さらに詳細には、歩行ロボット装置が歩行動作を行う際の歩容制御（歩行パターンの制御）に関する。

近年、多方面でロボット装置の利用が検討されている。例えば、住宅や工場等での異常の有無を監視する監視ロボット、音声を発して人とのコミュニケーションを図ることが可能な集客用や宣伝用の広告ロボット、ペット動物に似せたペットロボット等が検討されている。このようなロボット装置には種々の機能を発揮するものがあり、それぞれ特徴的な動作を行うが、そのひとつの形態として脚部を有し、ロボット装置自身が自律歩行できるようにした歩行ロボット装置がある。

歩行ロボット装置は、走行輪を駆動することによって移動するロボット装置に比べると、姿勢の安定性や移動速度の点では及ばないものの、段差や凹凸や障害物がある不整地であっても、これらを乗り越えて進むことができる。また、歩行時の脚の動きは、走行輪駆動方式に比べて、はるかに視覚的に興味を与えるものであり、広告宣伝用ロボットやペットロボットに採用すると人気を得やすい。歩行ロボット装置のなかにも、２本脚を有するものや４本脚を有するものや多数脚を有するものがあり、それぞれ特徴を生かした利用が検討されている。

同じ歩行ロボット装置であっても、脚の動きを制御することにより、異なる歩容、すなわち異なる歩行パターンによる歩行を行わせることができる。例えば、４脚で歩行するロボット装置による典型的な歩行動作には、歩行中に３脚が支持脚で１脚が遊脚になる歩容であるクロール、２脚が支持脚で２脚が遊脚になる歩容であるトロットとがある。クロールとトロットとを比較すると、クロールは歩行中の安定性に優れるものの歩行速度は遅く、トロットはその逆である。

図７は、クロール歩容とトロット歩容との特徴を説明する図である。４脚がそれぞれ胴部の中心軸方向に対して直角方向に並び、各脚が互いに平行になって停止したときの状態（図１に示す４脚支持状態）を基準姿勢と呼ぶことにする。
クロール歩容では、基準姿勢での前後の脚の足先を結ぶ線分の長さをＤとすると、後脚の足先が支持脚から遊脚になる直前の、前後脚の足先を結ぶ線分の長さがＤに等しい。トロット歩容では、基準姿勢での対角脚の足先を結ぶ線分の長さをＬとすると、対角脚の足先を結ぶ線分の長さがＬに等しい。

図８は、クロール歩容とトロット歩容における１周期の歩容の変化を説明する概略説明図である。図において支持脚は黒丸で示し、遊脚は黒丸の外側に円を加えた二重丸で示す。
クロール歩容では、４脚のうち３脚が支持脚となり１脚が遊脚となるが、図８の例では遊脚が右後脚、右前脚、左後脚、左前脚の順で交代する動作を繰り返している。このとき３本の支持脚は支持三角形を形成する。このとき支持三角形を形成する左右いずれかの前後支持脚を結ぶ長さがＤとなる。トロット歩容では、４脚のうち対角位置の２脚が交互に支持脚と遊脚となる。このときの支持脚を結ぶ線分の長さがＬに等しい。

歩行ロボット装置を動かす際に、通常の歩行動作（例えばトロット）のみならず、走行動作を行うことができるようにすることも検討されており、例えば、単純な歩行動作ではなく、走行動作や躍動的な動きを行うようにするため、可動脚の路面に対する接地状況を接地確認センサのセンサ出力を基に判定し、さらに運動エネルギーと位置エネルギーの関係を基にして、歩行や走行の動作パターン(歩容)を制御することが開示されている（特許文献１参照）。
また、不整地歩行時に、足裏に設けたセンサにより、路面との間の滑りを確実に検出して、歩行安定性を実現できるようにした歩行式移動装置が開示されている（特許文献２参照）。
特開２００１−２４６５７９号公報 特開２００４−１８８５３２号公報

上述した従来の歩行ロボット装置は、可動脚の足底や足裏に設けたセンサにより、脚が接地したときの路面状況を検出して、歩容を制御するようにしている。これらの制御方法は、現在ロボットが存在する位置で、ロボットの脚が接触している位置での路面状況を検出し、その後の歩容にフィードバックするものである。
そのため、路面状態が急激に変化するような場合は、対応が間に合わず、バランスを崩し、あるいは、転倒することもあった。

そこで、本発明は、歩行ロボット装置が、路面状態が変化する場所での歩行であっても、バランスを崩したり、転倒したりする危険性が低く、より安全な歩行を行うことができるロボット装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明のロボット装置は、胴部を支持する複数の脚部と、脚部を駆動する駆動機構と、歩容信号を生成する歩容生成部とを備え、歩容信号に基づいて駆動機構を駆動することにより歩容信号に対応した歩行動作を行わせる歩行ロボット装置であって、歩行しようとする路面に関する情報を事前に検出する事前路面検出部と、事前路面検出部により検出された路面に関する情報に基づいて歩行しようとする路面の状況を把握する路面状況判別部と、ロボット装置の姿勢情報を検出する姿勢検出部と、姿勢検出部により検出された姿勢情報に基づいて現在のロボット装置の姿勢を把握する姿勢判別部とを備え、歩容生成部は、歩行しようとする路面の状況と現在の姿勢とに基づいて、歩容信号を生成するようにしている。

この発明によれば、事前路面検出部は、歩行しようとする進行方向の路面に関する情報を、事前に検出する。事前路面検出部としては、歩行の際に参考にする路面に関する情報を取得することができる検出機能を有するセンサであればよいが、例えば、カメラを用いて前方の映像情報を取得してもよい。あるいは、装置側から積極的に超音波等の探索信号を送信し、前方からの反射信号を検出して進行方向の情報を取得してもよい。
路面状況判別部は、事前路面検出部が検出した路面に関する情報に基づいて、その路面状況を把握する。例えば、カメラによる映像情報を取得する場合は、パターン認識の技術を用いて、映像情報に含まれるパターン情報から凹凸や勾配を把握する。また、映像に含まれる画面の色や光反射特性のデータから路面の濡れ状態（水溜り状態や雪面状態等）を把握する。
姿勢検出部は、ロボット装置の現在の姿勢情報を検出する。姿勢検出部についても姿勢情報を検出できるものであればよいが、例えば、胴部にジャイロセンサを搭載し、傾斜角を姿勢情報として測定してもよい。
姿勢判別部は、姿勢検出部により検出された姿勢情報から現在のロボット装置の状態を把握する。例えば、姿勢検出部にジャイロを用いてロボット装置の傾斜角度を検出する場合は、（現在斜面上を移動している場合）傾いているか、（平坦面上を移動している場合）水平であるか等を把握する。
そして、歩容生成部は、路面状況判別部と姿勢判別部とにより得た現在のロボット装置の状況と、これから歩行しようとする路面状況とに基づいて、最適な歩容を選択して、その歩容信号を生成する。歩容生成部が生成する歩容信号に基づいて脚部の駆動機構を駆動することにより、歩容信号に対応した歩行動作が行われる。

この発明によれば、現在のロボット装置の状態だけではなく、進行方向の路面状況を予め把握した上で、適切な歩容を選択することができるので、安定かつ最適な歩容を選択することができ、転倒などの歩行トラブルが発生しにくい歩行動作を行うことができる。

（その他の課題を解決するための手段及び効果）
上記発明において、歩容生成部は、少なくとも２種類の異なる歩容信号のいずれかを選択して生成するとともに、歩行動作中に歩容信号を変更する際に、歩容を滑らかに変更するための過渡的な歩容信号を生成するようにしてもよい。
これにより、歩行動作中に歩容信号を変更するときに、一時的に過渡的な歩容信号を生成する。この過渡的歩容信号を、変更前の歩容と変更後の歩容とを連続的につなげる歩容にすることにより、歩容の変更を滑らかに行うことができ、変更時に、大きくバランスを崩したり、転倒したりすることを回避できる。

また、事前路面検出部は、少なくとも路面の勾配情報または路面の凹凸情報または路面の濡れ情報のいずれかを検出するようにしてもよい。これにより、傾斜面あるいは不整地面あるいは水面等の滑りやすい面を検出した際に、速度を抑えてより安定な歩行動作を選択することで、転倒を防止することができる。

また、姿勢検出部は、ロボット装置の現在の水平度を検出するようにしてもよい。
これにより、ロボット装置が水平であることを、条件にして安定性より速度を重視した歩行に切り替えることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施形態である４足歩行型ロボット装置の外観を示す概略構成図である。

図１に示すように、ロボット装置１０は、頭部１、首部２、胴部３、脚部４により構成され、人が近づいたことを検知する人感センサ１１、音声情報を取得するマイク１２（音センサ）、映像情報を取得する左右一対のカメラ１３（視覚センサ）、ロボットの傾斜角を検出するジャイロセンサ１４、障害物に接近したことを検知する障害物センサ１５、デジタル信号から音声信号を合成して出力するスピーカ１６、文字や画像をデジタル信号として出力する表示器１７、何かがロボット装置に接触したことを検出するタッチセンサ２０、脚部４を駆動する関節機構とモータとからなる脚駆動機構１８ａ〜１８ｄ、首を回転する首回転機構１９を備えている。

また、胴部３の内部には、図1では不図示の制御プログラムを実行するＣＰＵ、制御プログラムや制御パラメータを記憶するＲＯＭおよびＲＡＭ、センサや出力機器やモータと信号の入出力を行うためのＡＤ変換器、ＤＡ変換器、ＤＩＯインタフェースが搭載されている。

図２はロボット装置１０の制御系のハードウェア構成を説明する概略ブロック図である。
このロボット装置は、ＲＯＭ、ＲＡＭに格納された制御プログラムや制御パラメータに基づいてロボット装置全体の動作および処理を実現するための制御を行うＣＰＵ５１と、人感センサ１１、ジャイロセンサ１２、一対のカメラ１３、障害物センサ１５等のアナログ信号を出力するアナログセンサ群５２、タッチセンサ２０等の２値信号を出力するデジタルセンサ群５３、スピーカ１６等のアナログ出力機器群５４、表示器１７、スイッチ等のデジタル出力機器群５５、脚部を構成する各関節を動かすモータ群５６を有している。

アナログセンサ群５２は、アナログ信号を伝送する信号線によりＡＤコンバータ５７を介してＣＰＵ５１に接続される。アナログ出力機器群５４は、アナログ信号を伝送する信号線によりＤＡコンバータ５８を介して制御部５１に接続される。デジタルセンサ群５３、およびデジタル出力機器群５４、およびモータ群５６は、デジタル信号を送る信号線によりデジタルＩ／Ｏインタフェース５９〜６１を介してＣＰＵ５１と接続される。

次に、ロボット装置１０が実行する歩容制御動作について説明する。本発明の歩行制御を実現するためのロボット装置の構成を、図３に示す機能ブロック図により説明する。
ロボット装置１０は、事前路面検出部３１と路面状況判別部３２と、姿勢検出部３３と、姿勢判別部３４と、歩容生成部３５と、脚部駆動機構３６とからなる。このうち路面状況判別部３２、姿勢判別部３４、歩容生成部３５は、ＣＰＵ５１による演算処理により実現されるものである。

事前路面検出部３１は、これから進行する方向の路面に関する情報を検出する。具体的には例えば、1対のカメラ１３により進行方向の路面の映像を路面情報として検出する。

路面状況判別部３２は、事前路面検出部３１で検出した路面に関する情報に基づいて、進行方向の路面状況を把握する。すなわち、進行方向路面が、登り勾配か、下り勾配か、凹凸路面か、濡れた路面かをパターン認識により把握する。
具体的には、一対のカメラで映した路面の映像を路面情報とする場合は、映した映像に対して、パターン認識を行って路面を抽出し、さらに、水平線やグリッド格子線で形成される基準線を重ねあわせ、進行方向の路面の勾配を把握する。また、映し出された映像に含まれる凹凸像から路面の凹凸を把握する。さらに、路面の色や反射量から路面の濡れ状態を把握する。

姿勢検出部３３は、現在のロボット装置１０の姿勢を検出する。具体的には、例えばジャイロセンサ１４により、胴部３の現在の傾斜角を測定する。
姿勢判別部３４は、姿勢検出部３３で検出した姿勢情報に基づいて、ロボット装置１０の現在の姿勢状態を把握する。具体的には、ジャイロセンサ１４による傾斜角のデータからロボット装置１０が現在傾いているかを把握し、現在、水平な路面上にいるか、あるいは傾斜面にいるのかを把握する。

歩容生成部３５は、路面状況判別部３２による進行方向の路面に関する情報、および、姿勢判別部３４からの現在の姿勢情報に基づいて、歩容を決定し、その歩容信号を生成する。
例えば、姿勢が水平であって、進行方向に勾配もなく、凹凸もなく、また、路面もぬれておらず足場がよいときは、高速歩行を行った場合でも、安定した歩行が可能なので、トロット歩行を続行し、あるいはトロット歩行に切り替える。逆に、（現在、斜面を歩行しているため）姿勢が水平ではない場合、あるいは、進行方向に勾配があり、あるいは凹凸路面であり、あるいは濡れていて滑りやすい路面である場合は、バランスを崩したり、転倒したりしやすいので歩行速度を抑えて、安定な歩行を行うよう、クロール歩行を続行し、あるいはクロール歩行に切り替える。
また、現在は登り坂や下り坂を歩行していて姿勢が傾斜している場合で、前方の路面が水平面に変化することが姿勢情報および路面に関する情報から把握した場合は、姿勢が水平な状態に変化する直前において、予め、クロール歩行からトロット歩行に歩容を切り替える歩容信号を生成する。このように、現在の姿勢情報と今後の路面情報とを元に、次の歩容を予め定めるようにして、路面が変化する直前にて対応させておくことにより、境界でバランスを崩したり転倒したりすることを未然に防ぐような歩容信号を生成する。

特に、一対のカメラの映像により、路面が変化する位置までの距離を測定することにより（ステレオ視による三角測量）、その距離に合わせて歩容を切り替えるように歩容信号を生成してもよい。

さらに、歩容生成部３５は、クロール歩容からトロット歩容へ歩容変更する場合、あるいはその逆の歩容変更をする場合に、クロール歩容とトロット歩容との中間的な歩容を生成する過渡的な歩容信号を生成する。この過渡的な歩容信号について説明する。

図４は、クロール歩容から滑らかにトロット歩容に変化する歩容制御のときの歩容遷移過程を説明する図である。
図中、「０」の状態は、右後脚が遊脚になる直前の４脚支持状態であり、右後脚が遊脚となるまでに歩容切替信号が入力されたものとする。続いて「１」の状態で右後脚が遊脚となり、支持三角形が形成される。このとき左前脚と左後脚との距離は、基準姿勢（図７参照）での前後脚を結ぶ線分の長さＤである。続いて「２」の状態で、互いに対角にある左前脚と右後脚とを結ぶ線分の長さがＬ（図７参照）となるまで右後脚が進んだ時点で、右後脚は支持脚となる。続いて「３」の状態で、互いに対角にある右前脚と左後脚とが遊脚となり、これらを結ぶ線分の長さをＬに維持しながら進行する。続いて「４」の状態で、右前脚と左後脚とを結ぶ線分の距離をＬに維持しつつ、これらの脚が支持脚となる。この状態で通常のトロット歩容が完成したので、以後は、通常のトロット歩容の信号を生成する。

図５は、トロット歩容から滑らかにクロール歩容に変化する歩容制御のときの歩容遷移過程を説明する図である。
図中、「０」の状態は、トロット歩容において左前脚と右後脚とが遊脚になる直前の４脚支持状態である。左前脚と右後脚とが遊脚になる直前で歩容切替信号が入力されたものとする。続いて「１」の状態で左前脚が遊脚となり（右後脚は遊脚にならない）、過渡的な支持三角形が形成される。このとき左後脚と右前脚との距離は、基準姿勢（図７参照）での対角脚を結ぶ線分の長さＬである。続いて「２」の状態で、左前脚と左後脚とを結ぶ線分の長さがＤ（図７参照）となるまで左前脚が進んだ位置で、左前脚は支持脚となる。同時に右後脚は遊脚となる。続いて「３」の状態で、右後脚が進行し、クロール歩行のときに形成される本来の支持三角形となる位置に着地し支持脚となる。同時に右前客が遊脚となる。続いて「４」の状態で、右前脚が進行し、右前脚と右後脚とを結ぶ線分の距離がＤとなる位置で右前脚が支持脚となる。この状態で通常のクロール歩容が完成したので、以後は、通常のクロール歩容信号を生成する。

このように、歩容の変更の際に、図４や図５で説明した過渡的な歩容をとるための歩容信号を一時的に生成することにより、ロボット装置１０は、滑らかに歩容を変更することができる。
脚部駆動機構３６は、歩容生成部３５が生成した歩容信号に基づいて、４本の脚を駆動し、これによって歩行動作を実行する。具体的には、４つの脚部１８ａ〜１８ｄに設けた関節を動かすモータを駆動して歩行動作を実行する。

次に、ロボット装置１０による歩行動作手順について、図６に示したフロー図に基づいて説明する。
歩行がスタートとすると、進行方向の路面の検出および姿勢の検出を行う（ｓ１０１）。その検出結果に基づいて、進行方向の路面が登り坂（＋勾配）であるか（ｓ１０２）、下り坂（−勾配）であるか（ｓ１０３）、凹凸路面であるか（ｓ１０４）、濡れた路面であるか（ｓ１０５）を判断する。さらに現在のロボット装置の姿勢が水平であるか傾斜しているか（ｓ１０６）を判断する。その結果、勾配路面であるか、凹凸路面であるか、濡れた路面であるか、現在ロボット装置が傾斜しているかのいずれかに該当する場合は、一時的に過渡的な歩容信号を生成する歩容切替処理（図５参照）を経てクロール歩容に変更する（ｓ１０７）。なお、元々、クロール歩容の場合は、歩容切替処理を行うことなく、そのままクロール歩容を続行する。

一方、勾配路面でなく、凹凸路面でなく、濡れた路面でなく、現在ロボット装置が水平である場合は、高速歩行にするため、一時的に過渡的な歩容信号を生成する歩容切替処理（図４参照）を経てトロット歩容に変更する（ｓ１０８）。なお、元々、トロット歩容の場合は、歩容切替処理を行うことなく、そのままクロール歩容を続行する。

以上、４脚歩行ロボット装置について説明したが、これに限らず、２脚歩行ロボット装置であっても、多脚歩行ロボット装置であっても同様である。また、歩容の選択は２つに限られず、３つ以上の歩容を準備し、選択するようにしてもよい。

本発明は、歩行ロボット装置の歩容制御に利用することができる。

本発明の一実施形態であるロボット装置の外観構成を示す図。 本発明の一実施形態であるロボット装置の制御系のハードウェア構成を説明するブロック図。 本発明の一実施形態であるロボット装置の制御系の構成を説明する機能ブロック図。 ロボット装置の歩容遷移過程（クロールからトロット）を説明する図。 ロボット装置の歩容遷移過程（トロットからクロール）を説明する図。 本発明の一実施形態であるロボット装置の歩容制御の動作を説明するフロー図。 クロール歩容およびトロット歩容の特徴を説明する図。 クロール歩容およびトロット歩容での１周期の歩容の変化を示す図。

符号の説明

１ 頭部
２ 首部
３ 胴部
４ 脚部
１０ ロボット装置
１３ カメラ（事前路面検出部）
１４ ジャイロセンサ（姿勢検出部）
１８ａ〜１８ｄ 脚駆動機構
３１ 事前路面検出部
３２ 路面状況判別部
３３ 姿勢検出部
３４ 姿勢判別部
３５ 歩容生成部
３６ 脚部駆動機構

Claims (4)

1. 胴部を支持する複数の脚部と、脚部を駆動する駆動機構と、歩容信号を生成する歩容生成部とを備え、歩容信号に基づいて駆動機構を駆動することにより歩容信号に対応した歩行動作を行わせる歩行ロボット装置であって、
   歩行しようとする路面に関する情報を事前に検出する事前路面検出部と、
   事前路面検出部により検出された路面に関する情報に基づいて歩行しようとする路面の状況を把握する路面状況判別部と、
   ロボット装置の姿勢情報を検出する姿勢検出部と、
   姿勢検出部により検出された姿勢情報に基づいて現在のロボット装置の姿勢を把握する姿勢判別部とを備え、
   歩容生成部は、歩行しようとする路面の状況と現在の姿勢とに基づいて、歩容信号を生成することを特徴とする歩行ロボット装置。
2. 歩容生成部は、少なくとも２種類の異なる歩容信号のいずれかを選択して生成するとともに、歩行動作中に歩容信号を変更する際に、歩容を滑らかに変更するための過渡的な歩容信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボット装置。
3. 事前路面検出部は、少なくとも路面の勾配情報または路面の凹凸情報または路面の濡れ情報のいずれかを検出することを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボット装置。
4. 姿勢検出部は、ロボット装置の現在の水平度を検出することを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボット装置。

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