JP2007160446A - 脚式移動ロボット制御装置および脚式移動ロボット、並びに、脚式移動ロボット制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】脚式移動ロボット制御装置1は、複数のリンクから構成される、物を把持する腕部および移動するための脚部が、上体部に連結される脚式移動ロボットを、この脚式移動ロボットRの姿勢および各リンクの位置に関する姿勢位置データと腕部R3に作用する外力に関する外力データとに基づいて、制御するものであって、データ取得手段3と、全身協調制御手段5と、載置判定手段7と、を備える構成とした。
【選択図】図4
Description
特許文献2に開示されている「ロボット把持制御装置」は、物を把持するロボットハンドに作用する外力の値が外力センサで検出され、当該外力の値が変化したときに、ロボットハンドが物を把持する把持力を減少または増加して、当該物の受け渡しを行うものである。
この実施形態の説明では、まず、脚式移動ロボットの概略、駆動構造および構成について説明し、ついで、脚式移動ロボット制御装置の構成を説明する。その後、脚式移動ロボットによる物品の受け取りから載置するまでの全体動作を説明し、ついで、脚式移動ロボットによる物品を載置する際の詳細な動作について説明する。
図1は、脚式移動ロボットの全体を示す模式図である。
この図1に示すように、脚式移動ロボットRは、自律移動型の2足移動ロボットであり、人間と同じように2本の脚部R1(1本のみ図示)により起立、移動(歩行、走行など)し、上体部(基体)R2、2本の腕部R3(1本のみ図示)および頭部R4を備え、自律して移動する。また、脚式移動ロボットRは、これら脚部R1、上体部R2、腕部R3および頭部R4の動作を制御する制御装置搭載部R5を背負う形で背中(上体部R2の後部)に備えている。以下の説明において、脚式移動ロボットRの前後方向にX軸、左右方向にY軸、上下方向にZ軸をとる。
続いて、脚式移動ロボットRの駆動構造について説明する。図2は、図1に示した脚式移動ロボットRの駆動構造を模式的に示す斜視図である。なお、図2における関節部は、当該関節部を駆動する電動モータにより示されている。
図2に示すように、左右それぞれの脚部R1は、6個の関節部11R(L)〜16R(L)を備えている。左右12個の関節は、股部(脚部R1と上体部R2との連結部分)の脚部回旋用(Z軸まわり)の股関節部11R,11L(右側をR、左側をLとする。また、R,Lを付さない場合もある。以下同じ。)、股部のピッチ軸(Y軸)まわりの股関節部12R,12L、股部のロール軸(X軸)まわりの股関節部13R,13L、膝部のピッチ軸(Y軸)まわりの膝関節部14R,14L、足首のピッチ軸(Y軸)まわりの足首関節部15R,15L、および、足首のロール軸(X軸)まわりの足首関節部16R,16Lから構成されている。そして、脚部R1の下には足部17R,17Lが取り付けられている。
図2に示すように、上体部R2は、脚式移動ロボットRの基体部分であり、脚部R1、腕部R2および頭部R4と連結されている。すなわち、上体部R2(上体リンク53)は、股関節部11R(L)〜13R(L)を介して脚部R1と連結されている。また、上体部R2は、後記する肩関節部31R(L)〜33R(L)を介して腕部R3と連結されている。また、上体部R2は、後記する首関節部41,42を介して頭部R4と連結されている。また、上体部R2は、上体回旋用(Z軸まわり)の関節部21を備えている。
図2に示すように、左右それぞれの腕部R3は、7個の関節部31R(L)〜37R(L)を備えている。左右14個の関節部は、肩部(腕部R3と上体部R2との連結部分)のピッチ軸(Y軸)まわりの肩関節部31R,31L、肩部のロール軸(X軸)まわりの肩関節部32R,32L、腕部回旋用(Z軸まわり)の肩関節部33R,33L、肘部のピッチ軸(Y軸)まわりの肘関節部34R,34L、手首回旋用(Z軸まわり)の腕関節部35R,35L、手首のピッチ軸(Y軸)まわりの手首関節部36R,36L、および手首のロール軸(X軸)まわりの手首関節部37R,37Lから構成されている。そして、腕部R3の先端には把持部(ハンド)71R,71Lが取り付けられている。
図2に示すように、頭部R4は、首部(頭部R4と上体部R2との連結部分)のY軸まわりの首関節部41と、首部のZ軸まわりの首関節部42と、を備えている。首関節部41は頭部R4のチルト角を設定するためのものであり、首関節部42は頭部R4のパンを設定するためのものである。
また、各関節部の電動モータは、その出力を減速・増力する減速機(図示せず)を介して前記した大腿リンク51R(L)、下腿リンク52R(L)などを相対変位させる。これら各関節部の角度は、関節角度検出手段(例えば、ロータリエンコーダ)によって検出される。
図3は、図1に示した脚式移動ロボットの構成を示すブロック図である。図3に示すように、脚式移動ロボットRは、脚部R1、腕部R2および頭部R4に加えて、カメラC,C、スピーカS、マイクMC,MC、画像処理部100、音声処理部110、対象検知部120、自律移動制御部150、把持部制御部160、無線通信部170、主制御部200、記憶部300および脚式移動ロボット制御装置1を備えている。
カメラC,Cは、映像をデジタルデータとして取り込むことができるものであり、例えばカラーCCD(Charge-Coupled Device)カメラが使用されている。カメラC,Cは、左右に平行に並んで配置され、撮影した画像は画像処理部100に出力される。このカメラC,Cと、スピーカSおよびマイクMC,MCは、いずれも頭部R4の内部に配設されている。
画像処理部100は、カメラC,Cが撮影した画像を処理して、撮影された画像から脚式移動ロボットRの周囲の状況を把握するため、周囲の障害物や人物の認識を行う部分である。この画像処理部100は、ステレオ処理部101、移動体抽出部102および顔認識部103を備えている。
移動体の抽出をするために、移動体抽出部102は、過去の数フレーム(コマ)の画像を記憶しており、最も新しいフレーム(画像)と、過去のフレーム(画像)を比較して、パターンマッチングを行い、各画素の移動量を計算し、移動量画像を生成する。そして、視差画像と、移動量画像とから、カメラC,Cから所定の距離範囲内で、移動量の多い画素がある場合に、その位置に人物がいると推定し、その所定距離範囲のみの視差画像として、移動体を抽出し、顔認識部103へ移動体の画像を出力する。
認識された顔の位置は、脚式移動ロボットRが移動するときの情報として、また、その人とのコミュニケーションを取るため、主制御部200に出力されると共に、無線通信部170に出力されて、基地局2(脚式移動ロボットRに対し、無線通信を行うところ)に送信される。
スピーカSは、後記する音声合成部111により生成された音声データに基づき、音声を出力する。
マイクMC,MCは、脚式移動ロボットRの周囲の音を集音するものである。集音された音は、後記する音声認識部112および音源定位部113に出力される。
音声処理部110は、音声合成部111、音声認識部112および音源定位部113を備えている。
音声合成部111は、主制御部200が決定し、出力してきた発話行動の指令に基づき、文字情報から音声データを生成し、スピーカSに音声を出力する部分である。音声データの生成には、予め記憶している文字情報と音声データとの対応関係を利用する。
対象検知部120は、脚式移動ロボットRの周囲に検知用タグ(図示せず)を備える検知対象(図示せず)が存在するか否かを検知すると共に、検知対象の存在が検知された場合、当該検知対象の位置を特定するものである。
自律移動制御部150は、頭部制御部151、腕部制御部152および脚部制御部153を備えている。
頭部制御部151は、主制御部200の指示に従い頭部R4を駆動し、腕部制御部15
2は、主制御部200の指示に従い腕部R2を駆動し、脚部制御部153は、主制御部2
00の指示に従い脚部R1を駆動する。
把持部制御部160は、主制御部200の指示に従い把持部71を駆動する。把持部71は、一対の把持部71R,71L(図2参照)からなり、これら一対の把持部71R,71Lは鏡面対称に配置されている。
また、この把持部71には、当該把持部71に作用する外力を検出する外力検出手段(図示せず)が設けられている。この外力検出手段として、ここでは、6軸力センサを採用している。この6軸力センサは、外力の方向も検出可能であるので、物品から把持部71に作用する外力のうち、X軸方向の力Fx、Y軸方向の力Fy、Z軸方向の力Fzをそれぞれ検出可能である。
無線通信部170は、基地局2に接続され、脚式移動ロボットの管理を行うロボット管理装置4とデータの送受信を行う通信装置である。無線通信部170は、公衆回線通信装置171および無線通信装置172を備えている。
公衆回線通信装置171は、携帯電話回線やPHS(Personal Handyphone System)回線などの公衆回線を利用した無線通信手段である。一方、無線通信装置172は、IEEE802.11b規格に準拠するワイヤレスLANなどの、近距離無線通信による無線通信手段である。
無線通信部170は、ロボット管理装置4(脚式移動ロボットRの管理を行うところ)からの接続要求に従い、公衆回線通信装置171または無線通信装置172を選択してロボット管理装置4とデータ通信を行うものである。
主制御部200は、ジャイロセンサSR1、GPS受信器SR2、画像処理部100、音声認識部110、対象検知部120、自律移動制御部150、把持部制御部160、無線通信部170、記憶部300および脚式移動ロボット制御装置1から入力される様々な信号、データに基づいて、脚式移動ロボットRの制御全般を司るものである。なお、この実施形態では、主制御部200と脚式移動ロボット制御装置1とを別々に構成しているが、脚式移動ロボット制御装置1の各制御手段がこの主制御部200に組みこまれるように構成してもよい。
記憶部300は、一般的な記憶媒体によって構成されており、人データと、地図データと、物品データと、発話データとを記憶しているものである。
次に、脚式移動ロボット制御装置の構成について図4を参照して説明する(適宜、図2、図3参照)。図4は脚式移動ロボット制御装置のブロック図であり、この図4に示すように、脚式移動ロボット制御装置1は、脚式移動ロボットRの様々な動作の中で、腕部R3(把持部71R(L))で把持した物品(物)を載置する際の動作を制御するもので、データ取得手段3と、全身協調制御手段5と、載置判定手段7とを備えている。
delta θ=inv(J)*delta x ・・・数式(1)
この数式(1)において、inv(J)は、ヤコビ行列Jを利用した関数である。なお、詳細には、J*=W−1JT(kI+JW−1JT)−1となるヤコビ行列を用いている。
state(n)=state(n−1)+delta(n−1) ・・・数式(2)
次に、図5に示すフローチャートを参照して、脚式移動ロボットRによる物品(例えば、トレイ)の受け取りから載置するまでの全体動作について説明する(適宜、図2,3,4参照)。
まず、脚式移動ロボットRが物品を受け取る受取位置への移動(ステップS1)について説明する。
まず、脚式移動ロボットRは、予め設定されたホームポジションで待機しており、脚式移動ロボットRが、ロボット管理装置4から送信された実行命令信号を受信すると、脚式移動ロボットRは、ホームポジションから人の通常居場所(人データ参照)までの移動を開始する。そして、人の通常居場所に到着すると、脚式移動ロボットRは移動を中止し、人の探索を開始する。そして、対象検知部120で人Hのタグ識別番号を検知すると、脚式移動ロボットRは、カメラC,Cで人の画像を取得し、人の正面に移動する。
続いて、脚式移動ロボットRの物品(トレイ)の受取動作(ステップS2)について説明する。
受取位置に移動した脚式移動ロボットRは、受取高さに、指開状態の把持部71(71R,71L)を差し出す。この際に、脚式移動ロボットRは、把持部71から人までの距離が一定になる位置になるように、把持部71R,71Lを差し出し、さらに、把持部71R,71Lの差し出し方向を、移動体抽出部102で算出した人の中心(中心鉛直線)に合わせる。
また、把持部71R,71Lの少なくとも一方の把持角度偏差θが所定値θ3未満である場合には、運搬状態を「把持正否判定」と設定すると共に、把持の成否を判定する。
詳しくは、脚式移動ロボットRは、把持部71R,71Lを近接または離隔させ、6軸力センサ62R,62Lで物品から作用する反力Fyを検出する。反力Fyが所定値Fy1以上である場合に、把持成功であると判定し、運搬状態を「受取動作完了」と設定すると共に、把持部71R,71Lが物品を把持する。そして、反力Fyが所定地Fy1未満である場合に、把持失敗であると判定し、運搬状態を「受取失敗」と設定する。
続いて、脚式移動ロボットRの受け直し準備について説明する。
把持部71R,71Lの状態を「受取失敗」と設定し、6軸力センサ62R,62Lの少なくとも一方が所定値Fy2以上の外力Fyを検出している場合には、運搬状態を「受渡待機」と設定し、脚式移動ロボットRが、「物品(トレイ)を受け取って、再度お渡しください」と発話する。
続いて、脚式移動ロボットRの物品運搬移動(ステップS3)について説明する。
脚式移動ロボットRは、物品の把持が完了すると、把持部71R,71Lを、カメラC,Cによる撮像領域から外れた位置(死角)に移動させる。これは、把持された物品(トレイ)がカメラC,Cの視野を塞ぐことを防ぐためである。そして、脚式移動ロボットRは、受取位置から、指定箇所(載置箇所)の手前位置までの移動を開始し、手前位置に到着すると、脚式移動ロボットRは移動を中止し、指定箇所の探索を開始する。
指定箇所の手前位置に移動した脚式移動ロボットRは、指定箇所に物品の載置を行う(ステップS4)。そして、脚式移動ロボットRは、物品の載置完了後、物品を把持していない状態に戻り、ホームポジションまでの移動を行う。
この載置動作について、図6を参照して詳細に説明する。
図6は、脚式移動ロボット制御装置1による、物品を指定箇所(テーブルの上面)に載置する際の脚式移動ロボットRの動作を説明するためのフローチャートである(適宜、図2,3,4参照)。
まず、脚式移動ロボット制御装置1は、移動終了後(指定箇所の手前位置に到着後)、データ取得手段3によって、脚式移動ロボットRの状態を示す姿勢位置データを取得する(ステップS11)。
取得した姿勢位置データから、ポスチャーコントロール(ポスチャー制御)の入力を決定する(腰ゲインON)(ステップS12)。すなわち、脚式移動ロボット制御装置1は、物品を指定箇所に載置する際の作業範囲を確保するために、脚式移動ロボットRの全身姿勢を協調して制御し、さらに、全身を協調して制御するために、姿勢位置データを処理する順番を決定する。
次に、図7から図11までを参照して、脚式移動ロボットRの動作状況を従来の制御(脚式移動ロボット制御装置1による制御がない場合)と比較しながら説明すると共に、具体的な作業範囲についても説明する。
この図8に示したように、制御なしの場合(図8(b))、脚式移動ロボットRは、載置動作を行わせると、作業領域(作業範囲)を確保するどころか、後方に傾斜してしまう。それに対し、制御ありの場合(図8(a))、脚式移動ロボットRは、上体部(両肩)と手先と股部(上体部と脚部との連結部分)と足首とを結ぶ8つの頂点からなる多面体の凸部を互いに補償することで、ハッチングで示した箇所を作業領域として確保しており、姿勢も安定している。なお、この図8(a)に示したように、足首の代わりに膝を仮想の頂点として多面体を構成してもよい。
この図9に示したように、「アームのコンプライアンス制御に追従」に関する動作では、制御なしの場合(図9(a))、手先にかかる力によって、腰(股部、上体部と脚部との連結部分)が動かない(追従しない)のに対し、制御ありの場合(図9(b))、手先にかかる力によって、腰(股部、上体部と脚部との連結部分)が動く(追従する)。
図10(a)は制御なしの場合を、図10(b)は制御ありの場合を示している。
図10(b)に示したように、脚式移動ロボットRは、腰(股部)を接地面から420mmの高さまで下げることができ、接地面から680mmの高さから800mm(680mm+120mm)の高さまで、100mmの幅の作業範囲を確保することができる。
また、脚式移動ロボットRの各関節部の数・配置なども適宜設計変更可能である。
3 データ取得手段
5 全身協調制御手段
7 載置判定手段
Claims (5)
- 物品を把持するために複数のリンクを有した腕部および移動するために複数のリンクを有した脚部が、基体に連結される脚式移動ロボットを、この脚式移動ロボットの姿勢および各リンクの位置に関する姿勢位置データと前記腕部に作用する外力に関する外力データとに基づいて、制御する脚式移動ロボット制御装置であって、
前記脚式移動ロボットの姿勢および各リンクの位置に関する姿勢位置データと前記腕部に作用する外力に関する外力データとを取得するデータ取得手段と、
このデータ取得手段で取得された姿勢位置データに基づいて、前記腕部で把持した物品を、予め指定された指定箇所に載置する際に、前記腕部の動作にあわせて、前記脚部の動作を制御する全身協調制御手段と、
この全身協調制御手段による動作によって、前記物品が前記指定箇所に載置されたことを、前記データ取得手段で取得された外力データに基づいて判定する載置判定手段とを備え、
前記全身協調制御手段は、前記腕部の位置を下げるまたは前記腕部を伸張させた際に、前記載置判定手段により前記物品が前記指定箇所に載置されたと判定されない場合に、前記脚部の各リンクを屈曲させることを特徴とする脚式移動ロボット制御装置。 - 物品を把持するために複数のリンクを有した腕部および移動するために複数のリンクを有した脚部が、基体に連結される脚式移動ロボットを、この脚式移動ロボットの姿勢および各リンクの位置に関する姿勢位置データと前記腕部に作用する外力に関する外力データとに基づいて、制御する脚式移動ロボット制御装置であって、
前記脚式移動ロボットの姿勢および各リンクの位置に関する姿勢位置データと前記腕部に作用する外力に関する外力データとを取得するデータ取得手段と、
このデータ取得手段で取得された姿勢位置データに基づいて、前記腕部で把持した物品を、予め指定された指定箇所に載置する際に、前記腕部および前記脚部の部位または前記リンクの可動箇所を仮想点とし、この仮想点を頂点とする仮想の多面体の凸部を互いに補償するように、前記腕部、前記脚部の動作を制御する全身協調制御手段と、
この全身協調制御手段による動作によって、前記物品が前記指定箇所に載置されたことを、前記データ取得手段で取得された外力データに基づいて判定する載置判定手段とを備え、
前記仮想の多面体は、
前記腕部の部位である手先の位置と、
前記腕部と前記基体とが連結するリンクの可動箇所と、
前記脚部と前記基体とが連結するリンクの可動箇所と、
前記脚部の部位である踵の位置または膝の位置とを少なくとも仮想点としたことを特徴とする脚式移動ロボット制御装置。 - 前記全身協調制御手段は、前記腕部が把持している前記物品を水平に保ったまま、前記脚部の各リンクを屈曲させることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の脚式移動ロボット制御装置。
- 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の脚式移動ロボット制御装置を備えたことを特徴とする脚式移動ロボット。
- 物品を把持するために複数のリンクを有した腕部および移動するために複数のリンクを有した脚部が、基体に連結される脚式移動ロボットを、この脚式移動ロボットの姿勢および各リンクの位置に関する姿勢位置データと前記腕部に作用する外力に関する外力データとに基づいて、制御する脚式移動ロボット制御方法であって、
前記脚式移動ロボットの姿勢および各リンクの位置に関する姿勢位置データと前記腕部に作用する外力に関する外力データとを取得するデータ取得手段によって取得するステップと、
このデータ取得手段で取得された姿勢位置データに基づいて、前記腕部で把持した物品を、予め指定された指定箇所に載置する際に、前記腕部の動作にあわせて、前記脚部の動作を制御する全身協調制御手段によって制御するステップと、
この全身協調制御手段による動作によって、前記物品が前記指定箇所に載置されたことを、前記データ取得手段で取得された外力データに基づいて判定する載置判定手段によって判定するステップとを含み、
前記全身協調制御手段によって制御するステップは、前記腕部の位置を下げるまたは前記腕部を伸張させた際に、前記載置判定手段により前記物品が前記指定箇所に載置されたと判定されない場合に、前記脚部の各リンクを屈曲させることを特徴とする脚式移動ロボット制御方法。
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