JP2018034239A - 移動ロボット及びそのほふく移動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】不整地路面の進行を安定して行える移動ロボットを提供すること。【解決手段】移動ロボット１０は、所定の範囲内で動作可能な複数の肢体１１と、各肢体１１を支持するとともに、各肢体１１の動作に伴って移動可能な胴体１２と、各肢体１１の動作制御を行う制御装置１３とを備えており、路面Ｒに対して各肢体１１の接地と胴体１２の接地とを繰り返し行いながら前進するほふく移動を行えるようになっている。制御装置１３は、各肢体１１及び胴体１２の動作状態が異なる複数のフェーズを所定順に行う基準歩容パターンが記憶され、基準歩容パターンに従って各肢体１１の動作制御を行う基準歩容制御手段２１を備えている。この基準歩容パターンは、胴体１２が路面Ｒに接地する各フェーズで、胴体１２が面接地するように、若しくは、胴体１２の外周部分における接地位置を変えながら線接地若しくは点接地するように設定される。【選択図】 図１

Description

本発明は、移動ロボット及びそのほふく移動方法に係り、更に詳しくは、路面に対して各肢体の接地と胴体の接地とを繰り返し行いながら前進するほふく移動を行う移動ロボット及びそのほふく移動方法に関する。

大規模災害により建築物等が倒壊して瓦礫が散在しているような脆弱な環境での状況調査と復旧活動には、危険と困難を伴う。そこで、そのような極限環境下での作業を行うには、災害対応ロボットが必要となる。この災害対応ロボットとしては、クローラの回転によって移動するクローラ式ロボット（特許文献１等参照）や、２つの脚部の動作によって移動する２足歩行型の脚式ロボット（特許文献２等参照）等が提案されている。

しかしながら、前記特許文献１に開示されているクローラ式の災害対応ロボットでは、障害物の跨ぎ越え等の不連続な足場における踏破が困難で、移動途中での転倒を伴い易い。また、瓦礫等による不整地は、路面崩壊の可能性があり、前記特許文献２に開示されている２足歩行型の脚式災害対応ロボットは、重心位置が高いことから、不整地の移動が不安定で転倒し易くなり、転倒時の衝撃による破損が生し易い。

ところで、特許文献３には、前後左右４つの各脚を支持するロボット本体の中央部分の左右２箇所に動輪を設け、当該動輪と２つの脚が接地した状態で、残り２つの脚が移動する遊脚動作と、当該各脚でロボット本体を持ち上げて移動する立脚動作とを繰り返すほふく移動ロボットが開示されている。前記遊脚動作は、左右何れか一方側の前脚と、左右何れか他方側の後脚とをペアで同時に２脚ずつ動かす歩容となっている。

特開２００６−１７１８９３号公報 特開２００８−１７８９５３号公報 特開平５−９２７７９号公報

前記特許文献３のほふく移動ロボットにあっては、前記遊脚動作の際に、動作していない２つの脚の他に、ロボット本体の中央部分の左右２箇所が、動輪を通じて路面に固定的に接地し、左右何れか一方側の前脚と、左右何れか他方側の後脚とをペアで同時に２脚ずつ動かす歩容パターンとなっている。ところが、例えば、災害現場等の状況により、遊脚動作において、左右両側の各前脚を同時に動かし、左右両側の各後脚を異なるタイミングで動かす他の歩容パターンの要請がある場合に、前記特許文献３の構造では、ロボットの安定性に欠けることになる。すなわち、この構造では、動輪を通じたロボット本体の接地部位が常時一定となる左右中央位置で点接地しており、形成される支持多角形の領域が、ロボット本体の半分程度しか重ならない。このため、前後両側の２脚のうち何れか一方側の２脚が遊脚動作している際に、支持多角形の辺上となるロボット本体の中央に存在するロボットの重心位置が、当該一方側に少しでもずれると、支持多角形の領域から直ぐに外れてしまい、ロボットの転倒の虞が生じる。

また、前記ほふく移動ロボットにあっては、予定していた進行方向に何らかの障害が存在する等の理由で急な方向転換や旋回等を行いたい場合に、路面に接地しているロボット本体の部分が、一方向のみの動作を許容する動輪となっているため、当該動輪を横滑りさせない限り、その場においての旋回や左右方向や斜め方向の移動が出来ず、小回りが利かない構造となっている。

本発明は、このような課題に着目して案出されたものであり、その主目的は、種々の歩容パターンに適用しても、瓦礫等が散在している不整地路面の移動や障害物の跨ぎ越えを安定して行うことができる移動ロボット及びそのほふく移動方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、何らかの障害により、予定していた進行を阻害する要因が生じた場合でも、当該障害に対応した動作により目標位置への進行を可能にする移動ロボットを提供することにある。

前記主目的を達成するため、本発明は、主として、所定の範囲内で動作可能な複数の肢体と、当該各肢体を支持するとともに、前記各肢体の動作に伴って移動可能な胴体と、前記各肢体の動作制御を行う制御装置とを備え、路面に対して前記各肢体の接地と前記胴体の接地とを繰り返し行いながら前進するほふく移動を行う移動ロボットにおいて、前記制御装置は、前記各肢体及び前記胴体の動作状態が異なる複数のフェーズを所定順に行う基準歩容パターンが記憶され、当該基準歩容パターンに従って前記各肢体の動作制御を行う基準歩容制御手段を備え、前記基準歩容パターンは、前記胴体が前記路面に接地する各フェーズで、前記胴体が面接地するように、若しくは、前記胴体の外周部分における接地位置を変えながら線接地若しくは点接地するように設定される、という構成を採っている。

また、主として、所定の範囲内で動作可能な複数の肢体と、当該各肢体を支持するとともに、前記各肢体の動作に伴って移動可能な胴体と、前記各肢体の動作制御を行う制御装置とを備え、路面に対して前記各肢体の接地と前記胴体の接地とを繰り返し行いながら前進するほふく移動を行う移動ロボットにおいて、
前記制御装置は、前記各肢体及び前記胴体の動作状態が異なる複数のフェーズを所定順に行う基準歩容パターンが記憶され、当該基準歩容パターンに従って前記各肢体の動作制御を行う基準歩容制御手段を備え、
前記基準歩容パターンは、前記胴体が接地しているタイミングで全ての前記肢体を同時に動かし、全ての前記肢体が接地しているタイミングで、前記各肢体の動作により前記胴体を前記路面から持ち上げて進行方向に移動させる全肢同時移動パターンである、という構成を採っている。

なお、本特許請求の範囲及び本明細書において、特に明示しない限り、「前」、「後」は、移動ロボットの進行方向における「前」、「後」を意味し、「左」、「右」は、当該前後方向に対する「左」、「右」を意味し、「上」、「下」は、鉛直方向における「上」、「下」を意味する。

また、本明細書にて用いられる直交３軸については、図１等に示されるように、前後方向（進行方向）に延びる軸線をｘ軸とし、左右方向（横方向）に延びる軸線をｙ軸とし、上下方向（鉛直方向）に延びる軸線をｚ軸とする。

本発明によれば、路面に対して各肢体の接地と胴体の接地とを繰り返し行いながら前進するほふく移動により、胴体を路面に接地させながら移動ロボットを移動することが可能になるため、当該移動を低重心の状態で安定的に行うことができ、仮に、不整地路面等の進行によって転倒した場合でも、当該転倒時の衝撃を小さくしてロボットを破損し難くすることができる。

また、前記胴体を接地させる際に、面接地し、若しくは、その外周部分における接地位置を各フェーズで変えながら線接地若しくは点接地するため、ほふく移動を行う種々の基準歩容パターンに対し、より広範囲となる支持多角形をフェーズ毎に設定することができる。これにより、種々の基準歩容パターンにおいて、移動ロボットが不整地路面等を進行することでロボットの重心位置が多少移動しても、当該重心位置を確実に支持多角形の内側の領域に含めることができ、ロボットの安定性を高めることができる。

更に、基準歩容パターンとして、同じタイミングで全ての前記肢体を動かす全肢同時移動パターンを採用することにより、動作数が、肢体の移動と胴体の移動の２つとなり、よりスピーディーなほふく移動が可能になる。

また、方向転換制御手段を採用することで、移動ロボットが予め入力された目標位置に向かって基準歩容パターンで移動する際に、路面の崩壊等により、目標位置への移動ロボットの進行方向を修正する必要が生じたときでも、肢体の繰り出し量の左右差による小回りの利いた方向転換が可能になる。

更に、接触回避制御手段を採用することで、基準歩容パターンで肢体を前方に移動する際に、肢体の先端部分の路面からの上げ高さが、前方に位置する路面の凹凸や障害物に対して低い場合でも、当該路面等に移動ロボットが干渉して進行を阻害しないように対応することができる。

また、路面の凹凸や崩壊等によって胴体が傾いたときに、予め設定された基準動作軌道で肢体の先端部分が動作すると、胴体の傾きの無い状態では発生しないタイミングで、先端部分が路面に接触してしまう問題が生じるが、先端軌道修正制御手段を採用することにより、胴体の傾きに応じた基準動作軌道の補正により、前記問題を解決することができる。

（Ａ）は、本実施形態に係る移動ロボットを概念的に表した平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の側面図である。 移動ロボットの構成を示すブロック図である。 （Ａ）は、全肢同時移動パターンにおける移動ロボットの進行手順を概念的に表した側面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に対応する平面図である。 （Ａ）は、前後同時移動パターンにおける移動ロボットの進行手順を概念的に表した側面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に対応する平面図である。 左右同時移動パターンにおける移動ロボットの進行手順を概念的に表した平面図である。 １肢移動パターンにおける移動ロボットの進行手順を概念的に表した平面図である。 方向転換制御を説明するための移動ロボットの概略平面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、接触回避制御を説明するための移動ロボットの概略側面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、先端軌道修正制御を説明するための移動ロボットの概略側面図である。 変形例に係る胴部を採用した移動ロボットの概略側面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１（Ａ）には、本実施形態に係る移動ロボットを概念的に表した平面図が示され、同図（Ｂ）には、同（Ａ）の側面図が示されている。また、図２には、前記移動ロボットの構成を示すブロック図が示されている。これらの図において、前記移動ロボット１０は、所定の範囲内で動作可能な複数の肢体１１と、当該各肢体１１を支持するとともに、各肢体１１の動作に伴って移動可能な胴体１２と、肢体１１の動作制御を行う制御装置１３とを備えている。なお、以下説明においては、図１（Ａ）、（Ｂ）中の右方を前方としている。

この移動ロボット１０は、胴体１２が路面Ｒに接地した状態で、肢体１１の先端部分を前方に移動させるフェーズと、全ての肢体１１が路面Ｒに接地した状態で、肢体１１の動作によって胴体１２を路面Ｒから持ち上げて移動させるフェーズとを繰り返し行いながら前進するほふく移動が可能となっている。

前記肢体１１は、前後左右にそれぞれ１箇所ずつ合計４つ設けられており、それぞれ実質的に同一の構成となっている。すなわち、各肢体１１は、複数の部材が関節部分を介して相対回転可能に接続された多関節型の構造となっており、各関節部分に設けられたモータ１５（図２参照）の駆動により、回転運動、屈曲運動、伸展運動を可能に設けられ、路面Ｒに接地する肢体１１の先端部分となるエンドエフェクタ１１Ａが所定範囲内で移動可能になっている。

前記エンドエフェクタ１１Ａは、その底部が路面Ｒに面接地可能な形状をなしており、当該エンドエフェクタ１１Ａには、外部の物体との接触状態を検知するための接触状態検知センサとして、６軸の力覚センサ１７（図２参照）が設けられている。なお、前記接触状態検知センサとしては、力覚センサ１７の他に、外部の物体との接触状態を検知できる限り、接触センサ等の他のセンサを適用することもできる。

前記胴体１１は、特に限定されるものではないが、路面Ｒへの接地部分となる底部がほぼ平面状となる箱型となっている。この胴体１１には、前記制御装置１３と、胴体１１の直交３軸方向の傾き角度をそれぞれ検出可能な姿勢センサ１８と、移動ロボット１０の現在の位置情報を取得する環境認識センサ１９とが搭載されている。この環境認識センサ１９としては、移動ロボット１０の現在の３次元位置情報を取得できる限りにおいて、カメラの撮像に基づいて位置情報を検出可能なものやＧＰＳを使用したもの等、種々のセンサを適用することができる。

前記制御装置１３は、ＣＰＵ等の演算処理装置及びメモリやハードディスク等の記憶装置等からなるコンピュータによって構成され、当該コンピュータを以下の各手段として機能させるためのプログラムがインストールされている。

この制御装置１３は、図２に示されるように、前記ほふく移動に際する各肢体１１及び胴体１２の動作状態が異なる複数のフェーズを所定順に行う基準歩容パターンに従って移動ロボット１０が移動するように、モータ１５の駆動を制御する基準歩容制御手段２１と、基準歩容パターンでの進行方向が予め入力された目標位置の方向からずれた場合に、移動ロボット１０の進行方向を変えるように、モータ１５の駆動を制御する方向転換制御手段２２と、前方に位置する路面Ｒや物体への接触を回避するように、モータ１５の駆動を制御する接触回避制御手段２３と、胴体１２の路面Ｒに対する傾きに応じ、基準歩容パターンでのエンドエフェクタ１１Ａの動作を修正するように、モータ１５の駆動を制御する先端軌道修正制御手段２４とを備えている。

前記基準歩容制御手段２１では、基準歩容パターンとして、各肢体１１及び胴体１２の動作状態が異なる複数のフェーズからなるパターンが予め記憶され、当該フェーズ毎に各肢体１１の動作状態を変えながら、各肢体１１の動作制御がなされる。

この基準歩容パターンにおいて、エンドエフェクタ１１Ａは、一定の基準動作軌道に沿って移動するようになっている。この基準動作軌道は、図１（Ｂ）に示されるように、中間点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを頂点とし、路面Ｒに対して垂直に起立する方形状として表される。すなわち、この基準動作軌道では、路面Ｒ側の初期位置である中間点Ａから、その真上に所定量持ち上げて、中間点Ｂにエンドエフェクタ１１Ａを移動させる第１の軌道ａと、中間点Ｂから水平方向前方の中間点Ｃにエンドエフェクタ１１Ａを移動させる第２の軌道ｂと、エンドエフェクタ１１Ａを中間点Ｃからその真下に前記所定量下ろして、中間点Ａよりも前方に位置する中間点Ｄにエンドエフェクタ１１Ａを移動させる第３の軌道ｃと、エンドエフェクタ１１Ａを中間点Ｄから胴体１２側に移動して中間点Ａに戻す第４の軌道ｄとが順に繰り返し行われる。

本実施形態における前記基準歩容パターンは、胴体１２が路面Ｒに接地しているタイミングで全ての肢体１１を同時に動かし、全ての肢体１１が路面Ｒに接地しているタイミングで、各肢体１１の動作により胴体１２を路面Ｒから持ち上げて進行方向に移動させる全肢同時移動パターンとなっている。

すなわち、この全肢同時移動パターンでは、図３（Ａ）、（Ｂ）における（１）から（７）の各フェーズの順で、移動ロボット１０を進行方向に移動させるようになっている。なお、これら各図において、同図中右方が進行方向となっている。

先ず、各肢体１１の先端側に位置するエンドエフェクタ１１Ａが全て路面Ｒに接地している４肢全体の接地状態（図３（Ａ）、（Ｂ）中（１）参照）のまま、各肢体１１の屈曲運動を主とした動作により、同図中（２）に示されるように、胴体１２の底部を路面Ｒに面接地させる。次に、胴体１２を面接地した状態のまま、同図中（３）、（４）に示されるように、各肢体１１の回転運動を主とした動作により、全ての肢体１１のエンドエフェクタ１１Ａを路面Ｒから離して前方に移動させ、同図中（５）に示されるように、路面Ｒの更に前方の地点に接地させる。そこから、同図中（６）に示されるように、各エンドエフェクタ１１Ａを路面Ｒに接地した状態で、各肢体１１の伸展運動を主とした動作により、胴体１２を路面Ｒから持ち上げる。そして、各肢体１１の回転運動を主とした動作により、胴体１２を前方に移動させ、同図中（１）と同じ状態で全体が前方に移動した同図中（７）に示される状態とし、以降、前述の動作が繰り返し行われ、移動ロボット１０が進行方向に移動することになる。

この全肢同時移動パターンでは、胴体１２の接地時に路面Ｒに面接触しているため、全てのフェーズにおいて、路面Ｒに対する接地点を直線で結んで得られる支持多角形（図３（Ｂ）中１点鎖線参照）が、胴体１２の全領域を含む４角形となり、安定したほふく移動が可能になる。

なお、前記基準歩容パターンとしては、前記全肢同時移動パターンに限らず、他のパターンを採用可能である。当該他の基準歩容パターンとしては、前後両側の２つの肢体１１をそれぞれセットにして、肢体１１を前後異なるタイミングで動かす前後同時移動パターンと、左右両側の２つの肢体１１をそれぞれセットにして、当該肢体１１を左右異なるタイミングで動かす左右同時移動パターンと、各肢体１１を１肢ずつ異なるタイミングで動かす１肢移動パターンとを例示できる。また、ロボット操作に際し、これら各種の基準歩容パターンを任意で選択し、当該選択された基準歩容パターンに応じて歩容制御を行うこともできる。

前後同時移動パターンでは、図４（Ａ）、（Ｂ）における（１）から（７）の各フェーズの順で、移動ロボット１０を進行方向に移動させるようになっている。なお、これら各図においても、同図中右方が進行方向となっている。

このパターンでは、前側若しくは後側の何れか一方側の左右２つの肢体１１を路面Ｒに接地させるとともに、その前後反対側となる胴体１２の底部における外周部分を路面Ｒに線接地させた状態で、他方側の左右２つの肢体１１を進行方向に移動する動作が行われ、当該動作を前後両側それぞれの２つの肢体１１で交互に繰り返し行うことで、移動ロボット１０を進行方向に移動させるようになっている。

すなわち、先ず、各肢体１１のエンドエフェクタ１１Ａが全て路面Ｒに接地している図４各図中（１）の状態から、同図中（２）に示されるように、後側の２つの肢体１１を接地状態としたまま、前側の２つの肢体１１を路面Ｒから離し、胴体１２の底部における前端側部分を路面Ｒに対して線接地させる。その状態で、前側の２つの肢体１１を前方に移動し、同図中（３）に示されるように、当該肢体１１を路面Ｒの更に前方の地点に接地させる。そして、同図中（４）に示されるように、全肢体１１が路面Ｒに接地した状態で、胴体１２を路面Ｒから持ち上げる。その後、同図中（５）に示されるように、前側の２つの肢体１１を接地状態としたまま、後側の２つの肢体１１を路面Ｒから離し、胴体１２の底部における後端側部分を路面Ｒに対して線接地させる。その状態で、後側の２つの肢体１１を前方に移動し、当該肢体１１を路面Ｒの更に前方の地点に接地させた上で、同図中（６）に示されるように、全肢体１１が路面Ｒに接地した状態のまま胴体１２を路面Ｒから持ち上げる。更に、各肢体１１が全て路面Ｒに接地している状態で、当該各肢体１１の動作により胴体１２を前方に移動させると、同図中（１）と同じ状態で全体が前方に移動した同図中（７）に示される状態とし、以降、前述の動作が繰り返し行われる。

以上の前後同時移動パターンでは、図４（Ｂ）中１点鎖線で示される前記支持多角形が、全肢同時移動パターンと同様に、全てのフェーズにおいて、胴体１２の全領域を含む４角形となり、安定したほふく移動が可能になる。つまり、この前後同時移動パターンでは、胴体１２の路面Ｒへの接地時に、遊脚側となる肢体１１の部位に対応して、支持多角形が最大になるように、胴体１２の外周部分における接地位置を前後で変えるようになっている。

前記左右同時移動パターンは、前述した前後同時移動パターンに対し、前後の肢体１１の動作パターンを左右の肢体１１の動作パターンに置き換えたパターンである。

詳述すると、この左右同時移動パターンは、図５中（１）から（３）の各フェーズの順で、移動ロボット１０を進行方向に移動させるようになっている。なお、これら各図においては、同図中上方が進行方向となっており、前記支持多角形が一点鎖線で示されている。

この左右同時移動パターンでは、左側若しくは右側の何れか一方側の前後２つの肢体１１を路面Ｒに接地させるとともに、その左右反対側となる胴体１２の底部における外周部分を路面Ｒに線接地させた状態で、他方側の前後２つの肢体１１を進行方向に移動する動作が行われ、当該動作を左右両側それぞれの２つの肢体１１で交互に繰り返し行うことで、移動ロボット１０を進行方向に移動させるようになっている。

すなわち、先ず、各肢体１１のエンドエフェクタ１１Ａが全て路面Ｒに接地している状態から、右側の２つの肢体１１を接地状態としたまま、左側の２つの肢体１１を路面Ｒから離して、胴体１２における底部の左端側部分を路面Ｒに対して線接地させる（図５中（１）参照）。その状態で、同（１）中矢印で示すように、左側の２つの肢体１１を前方に移動し、当該肢体１１を路面Ｒの更に前方の地点に接地させてから、胴体１２を路面Ｒから持ち上げる。その後、先ほど動かした左側の２つの肢体１１を接地状態としたまま、反対側となる右側の２つの肢体１１を路面Ｒから離して、胴体１２における底部の右端側部分を路面Ｒに対して線接地させる（同図中（２）参照）。その状態で、同（２）中矢印で示すように、右側の２つの肢体１１を前方に移動して、当該肢体１１を路面Ｒの更に前方の地点に接地させてから、胴体１２を路面Ｒから持ち上げる。その後、路面Ｒに接地している全肢体１１の動作により、胴体１２を前方に移動させ（同図中（３）参照）、以降、前述の動作が繰り返し行われる。

以上の左右同時移動パターンでは、図５中１点鎖線で示される前記支持多角形が、前述した前後同時移動パターンと同様に、全てのフェーズにおいて、胴体１２の全領域を含む４角形となり、安定したほふく移動が可能になる。つまり、この左右同時移動パターンでは、胴体１２の路面Ｒへの接地時に、遊脚側となる肢体１１の部位に対応して、支持多角形が最大になるように、胴体１２の外周部分における接地位置を左右で変えるようになっている。

前記１肢移動パターンでは、胴体１２の底部における外周部分の一部を路面Ｒに点接地させた状態で、各肢体１１を１肢ずつ路面Ｒから離して進行方向に移動させる。ここで、胴体１２の外周部分のうち路面Ｒに接地する部位は、路面Ｒから離す肢体１１の部位に対応して変わることになる。

１肢移動パターンの一例として、図６に示される態様がある。なお、これら各図においても、同図中上方が進行方向となっており、前記支持多角形が一点鎖線で示されている。

この態様では、各肢体１１のエンドエフェクタ１１Ａが全て路面Ｒに接地している状態から、左前側の肢体１１のみを路面Ｒから離して、胴体１２の底部における左前端側のコーナ部分を路面Ｒに対して点接地させる（同図中（１）参照）。そして、路面Ｒから胴体１２を持ち上げ、右前側の肢体１１のみを路面Ｒから離して、胴体１２の底部における右前端側のコーナ部分を路面Ｒに対して点接地させる（同図中（２）参照）。更に、路面Ｒから胴体１２を持ち上げ、左後側の肢体１１のみを路面Ｒから離して、胴体１２の底部における左後端側のコーナ部分を路面Ｒに対して点接地させる（同図中（３）参照）。次に、路面Ｒから胴体１２を持ち上げ、右後側の肢体１１のみを路面Ｒから離して、胴体１２の底部における右後端側のコーナ部分を路面Ｒに対して点接地させる（同図中（４）参照）。最後に、全て路面Ｒに接地している状態の各肢体１１の動作により、胴体１２を前方に移動させ（同図中（５）参照）、以降、前述の動作が繰り返し行われる。

この１肢移動パターンでは、図６中１点鎖線で示される前記支持多角形が、前記各パターンと同様に、全てのフェーズにおいて、胴体１２の全領域を含む４角形となり、安定したほふく移動が可能になる。つまり、この１肢移動パターンでも、胴体１２の路面Ｒへの接地時に、遊脚側となる肢体１１の部位に対応して、支持多角形が最大になるように、胴体１２の外周部分における接地位置を各コーナ部分で変えるようになっている。

前記方向転換制御手段２２では、移動ロボット１０が予め入力された目標位置に向かって前述の基準歩容パターンで移動する際に、路面の崩壊等により、移動ロボット１０の目標位置への進行方向を修正する必要が生じたときに、エンドエフェクタ１１Ａの繰り出し量（距離）を左右の肢体１１間で差を設けることにより、移動ロボット１０の方向転換制御を行うようになっている。ここでの方向転換制御は、環境認識センサ１９で検出された移動ロボット１０の位置情報に基づいて行われる。

すなわち、ここでは、図７に示されるように、移動ロボット１０の進行方向（同図中矢印参照）と目標位置Ｑまでの直線方向とのなす角度である目標位置Ｑに対するずれ角度φに応じて、エンドエフェクタ１１Ａの繰り出し量が左右で差が設けられ、基準歩容パターンに対して方向転換される。ここでのエンドエフェクタ１１Ａの繰り出し量は、次式（１）〜（３）により決定される。

上式（１）において、ｖは、予め入力された移動ロボット１０の速度ベクトルであり、Ｑは、予め入力された目標位置の位置ベクトルであり、Ｐは、前記環境認識センサ１９で検出された移動ロボット１０の位置ベクトルである。これら各ベクトルｖ，Ｑ，Ｐは、ｘｙ平面における２次元ベクトルである。また、ここでのずれ角度φは、移動ロボット１０の進行方向左側に目標位置が存在する場合に正の値とし、同右側に目標位置が存在する場合に負の値とする。

上式（２）、（３）において、ｌ_Ｌ１は、基準歩容パターンにおける左側の前後双方の肢体１１の繰り出し量であり、ｌ_Ｒ１は、基準歩容パターンにおける右側の前後双方の肢体１１の繰り出し量である。更に、ｌ_Ｌ２は、方向転換のために修正量を加えた左側の前後双方の肢体１１の繰り出し量であり、ｌ_Ｒ２は、方向転換のために修正量を加えた右側の前後双方の肢体１１の繰り出し量である。なお、ｋは、予め設定されたゲインであり、基準歩容パターンでは、各肢体１１の繰り出し量が左右同一となっている。

以上の各式により、ずれ角度φが正の値の場合には、目標位置が移動ロボット１０の進行方向に対して左側にあるため、上式（２）により、右側における前後両側の肢体１１の繰り出し量が、左側に比べて大きくなるような修正が加えられ、移動ロボット１０が左方に方向転換しながら前進することになる。

逆に、ずれ角度φが負の値の場合には、目標位置が移動ロボット１０の進行方向に対して右側にあるため、上式（３）により、左側における前後両側の肢体１１の繰り出し量が、右側に比べて大きくなるような修正が加えられ、移動ロボット１０が右方に方向転換しながら前進することになる。

前記接触回避制御手段２３では、前記基準歩容パターンでの肢体１１の持ち上げ量では、前方に位置する路面Ｒや物体に接触する場合に、これら路面や物体を乗り越えて前進できるように、各肢体１１の動作を制御する接触回避制御が行われる。具体的には、基準歩容パターンでエンドエフェクタ１１Ａを前方に移動する際に、図８に示されるように、路面Ｒからのエンドエフェクタ１１Ａの持ち上げ高さが路面Ｒの凹凸や障害物に対して低い場合に、当該路面Ｒ等に移動ロボット１１が干渉して進行が阻害されないように、エンドエフェクタ１１Ａの持ち上げ高さが調整される。

すなわち、ここでは、エンドエフェクタ１１Ａの動作中に、エンドエフェクタ１１Ａの先端側に設けられた力覚センサ１７によりエンドエフェクタ１１Ａと路面Ｒ等との接触が検知されると、図８（Ａ）の点線矢印で示されるように、当該エンドエフェクタ１１Ａを一旦後方に移動してから、同図（Ｂ）に示されるように、エンドエフェクタ１１Ａの持ち上げ高さを上げるように上方に移動した後で、再び前方にエンドエフェクタ１１Ａが繰り出される。

前記後方移動の際のｘ軸方向の移動量と、前記上方移動の際のｚ軸方向の移動量は、予め所定の値が記憶されており、予め設定された閾値よりも大きな衝突力が力覚センサ１７により検出された場合に、エンドエフェクタ１１Ａが路面Ｒや障害物等の物体に接触したと判定され、前記各移動量により前述の接触回避制御が行われる。

前記先端軌道修正制御手段２４では、路面の凹凸や崩壊等によって胴体１２が傾いたときに、エンドエフェクタ１１Ａが前述した基準動作軌道（図１（Ｂ）参照）で動作すると、路面Ｒにエンドエフェクタ１１Ａが接触する虞があるため（図９（Ａ）参照）、姿勢センサ１８により検出された胴体１２の傾き角度に応じて基準動作軌道が修正され、当該修正後の補正軌道（図９（Ｂ）中の矢印参照）に基づいて肢体１１の動作を制御する先端軌道修正制御がなされる。

具体的には、次式（４）、（５）に基づき、胴体１２の傾きに応じて前記各中間点Ａ〜Ｄ（図１（Ｂ）参照）の位置が修正されるともに、当該各中間点Ａ〜Ｄでのエンドエフェクタ１１Ａの姿勢が修正され、当該修正後の各中間点Ａ〜Ｄを順に直線移動する補正軌道が生成される。

これら各式において、Ｓ´_ｎは、ｎ番目の中間点での修正後におけるエンドエフェクタ１１Ａの３次元位置ベクトルであり、Ｓ_ｎは、ｎ番目の中間点での修正前におけるエンドエフェクタ１１Ａの既知の３次元位置ベクトルである。また、Ｍ´_ｎは、ｎ番目の中間点での修正後におけるエンドエフェクタ１１Ａの３次元姿勢ベクトルであり、Ｍ_ｎは、ｎ番目の中間点での修正前におけるエンドエフェクタ１１Ａの既知の３次元姿勢ベクトルである。また、胴体１２の傾き角度である胴体１２と水平面とのなす角度θ_ｂｏｄｙは、姿勢センサ１８によって検出される姿勢ベクトルであって、ｘ軸回りとなるロール方向の成分であるθ_ｒと、ｙ軸回りとなるピッチ方向の成分であるθ_ｐと、ｚ軸回りとなるヨー方向の成分であるθ_ｙとからなる。更に、Ｐ（θ_ｐ）は、検出値θ_ｐが用いられるピッチ方向の回転行列であり、Ｒ（θ_ｒ）は、検出値θ_ｒが用いられるロール方向の回転行列であり、これら回転行列Ｐ（θ_ｐ）、Ｒ（θ_ｒ）は、予め記憶されている。

以上の先端軌道修正制御では、検出された胴体１２の傾き角度に応じて、各中間点Ａ〜Ｄに回転行列をかけて基本動作軌道が変更される。また、エンドエフェクタ１１Ａの姿勢に関しては、その関節部分の当初の角度に胴体１２の傾き角度を加えることで、路面Ｒへの着地動作等に支障が無いように、胴体１２の傾きに関わらずエンドエフェクタ１１Ａの姿勢が一定に保持される。

以上の構成の制御装置１３では、基準歩容制御手段２１での肢体１１の動作制御により、基本歩容パターンで移動ロボットを目標位置に向かって移動させるが、その際に、路面の崩壊、或いは、意図しない凹凸の路面や物体が移動ロボットの前方に存在する等の進行障害が発生したような場合には、方向転換制御手段２２、接触回避制御手段２３及び先端軌道修正制御手段２４によるフィードバック制御が行われる。

なお、前記基準歩容パターンとしては、前述した各種態様に限定されず、胴体１２が路面Ｒに接地する各フェーズで、胴体１２が面接地するように、若しくは、胴体１２の外周部分における接地位置を変えながら線接地若しくは点接地することができる限りにおいて、他のパターンを採用することもできる。

また、前記胴体１２としては、前述した作用を奏する限りにおいて、種々の形状にすることができる。例えば、図１０に示されるように、底部の中央を凹ませてそのコーナ部分のみをそれぞれ路面Ｒに点接地可能な形状のものを採用することができる。

更に、前記実施形態では、前後左右４つの肢体１１からなる４肢の移動ロボット１０の場合を図示説明したが、本発明はこれに限らず、前述した作用を奏する限りにおいて、肢体１１の数を更に増やした移動ロボット１０への適用も可能である。

その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。

１０ 移動ロボット
１１ 肢体
１２ 胴体
１３ 制御装置
１７ 力覚センサ（接触状態検知センサ）
１８ 姿勢センサ
１９ 環境認識センサ
２１ 基準歩容制御手段
２２ 方向転換制御手段
２３ 接触回避制御手段
２４ 先端軌道修正制御手段
Ｒ 路面

Claims (9)

1. 所定の範囲内で動作可能な複数の肢体と、当該各肢体を支持するとともに、前記各肢体の動作に伴って移動可能な胴体と、前記各肢体の動作制御を行う制御装置とを備え、路面に対して前記各肢体の接地と前記胴体の接地とを繰り返し行いながら前進するほふく移動を行う移動ロボットにおいて、
   前記制御装置は、前記各肢体及び前記胴体の動作状態が異なる複数のフェーズを所定順に行う基準歩容パターンが記憶され、当該基準歩容パターンに従って前記各肢体の動作制御を行う基準歩容制御手段を備え、
   前記基準歩容パターンは、前記胴体が前記路面に接地する各フェーズで、前記胴体が面接地するように、若しくは、前記胴体の外周部分における接地位置を変えながら線接地若しくは点接地するように設定されることを特徴とする移動ロボット。
2. 所定の範囲内で動作可能な複数の肢体と、当該各肢体を支持するとともに、前記各肢体の動作に伴って移動可能な胴体と、前記各肢体の動作制御を行う制御装置とを備え、路面に対して前記各肢体の接地と前記胴体の接地とを繰り返し行いながら前進するほふく移動を行う移動ロボットにおいて、
   前記制御装置は、前記各肢体及び前記胴体の動作状態が異なる複数のフェーズを所定順に行う基準歩容パターンが記憶され、当該基準歩容パターンに従って前記各肢体の動作制御を行う基準歩容制御手段を備え、
   前記基準歩容パターンは、前記胴体が接地しているタイミングで全ての前記肢体を同時に動かし、全ての前記肢体が接地しているタイミングで、前記各肢体の動作により前記胴体を前記路面から持ち上げて進行方向に移動させる全肢同時移動パターンであることを特徴とする移動ロボット。
3. 前記基準歩容パターンは、同じタイミングで全ての前記肢体を動かす全肢同時移動パターンと、前後両側にそれぞれ複数配置された前記肢体を前後それぞれセットにして、当該肢体を前後異なるタイミングで動かす前後同時移動パターン、左右両側にそれぞれ複数配置された前記肢体を左右それぞれセットにして、当該肢体を左右異なるタイミングで動かす左右同時移動パターン、若しくは、前記各肢体を１肢ずつ異なるタイミングで動かす１肢移動パターンであることを特徴とする請求項１記載の移動ロボット。
4. 前記制御装置は、前記各パターンの何れかの前記基準歩容パターンを選択可能に設けられ、当該選択された前記基準歩容パターンに従って前記各肢体の動作制御を行うことを特徴とする請求項３記載の移動ロボット。
5. 移動ロボットの現在の位置情報を取得する環境認識センサを更に備え、
   前記制御装置は、前記基準歩容パターンでの進行方向が予め入力された目標位置への方向からずれた場合に、当該目標位置の方向に前記進行方向を変えるように、前記肢体の動作を制御する方向転換制御手段を更に備え、
   前記方向転換制御手段では、前記環境認識センサの検出結果により、現在の移動ロボットの前記目標位置に対するずれ角度を算出し、当該ずれ角度に基づいて、左右両側に配置された前記肢体の先端部分の繰り出し量を左右間で差が生じるようにし、当該繰り出し量の左右間の差によって移動ロボットを方向転換させることを特徴とする請求項１又は２記載の移動ロボット。
6. 前記肢体が何等かの物体と接触した場合に、当該接触状態を検知する接触状態検知センサを更に備え、
   前記制御装置は、前方に位置する路面や物体への接触を回避するように、前記肢体の動作を制御する接触回避制御手段を更に備え、
   前記接触回避制御手段では、前記接触状態検知センサにより前記接触状態が検出されると、前記肢体の先端部分を一旦後方に移動してから、当該先端部分の持ち上げ高さを上げるように上方に移動した後で、再び前方に前記先端部分を繰り出すように、前記肢体を動作させることを特徴とする請求項１又は２記載の移動ロボット。
7. 前記胴体の姿勢を検出する姿勢センサを更に備え、
   前記制御装置は、前記胴体の路面に対する傾きに応じ、前記基準歩容パターンでの前記肢体の先端部分の基準動作軌道を修正するように、前記肢体の動作を制御する先端軌道修正制御手段を更に備え、
   前記先端軌道修正制御手段では、前記姿勢センサで検出された前記胴体の姿勢が予め記憶された数式に代入されることにより、前記基準動軌道中に複数設定された各中間点の位置が修正されるともに、当該各中間点での前記先端部分の姿勢が修正され、当該修正後の前記各中間点を順に直線移動する補正軌道に沿って前記先端部分を動作させることを特徴とする請求項１又は２記載の移動ロボット。
8. 所定の範囲内で動作可能な複数の肢体と、当該各肢体を支持するとともに、前記各肢体の動作に伴って移動可能な胴体とを備えた移動ロボットに対し、前記各肢体の路面への接地と前記胴体の路面への接地とを繰り返し行いながら前進させる移動ロボットのほふく移動方法において、
   前記各肢体及び前記胴体の動作状態が異なる複数のフェーズを所定順に行う基準歩容パターンに従って前記各肢体を動作させ、
   前記基準歩容パターンでは、前記胴体が前記路面に接地する各フェーズで、前記胴体を面接地させ、若しくは、前記胴体の外周部分における接地位置を変えながら、線接地若しくは点接地させることを特徴とする移動ロボットのほふく移動方法。
9. 所定の範囲内で動作可能な複数の肢体と、当該各肢体を支持するとともに、前記各肢体の動作に伴って移動可能な胴体とを備えた移動ロボットに対し、前記各肢体の路面への接地と前記胴体の路面への接地とを繰り返し行いながら前進させる移動ロボットのほふく移動方法において、
   前記各肢体及び前記胴体の動作状態が異なる複数のフェーズを所定順に行う基準歩容パターンに従って前記各肢体を動作させ、
   前記基準歩容パターンでは、前記胴体が接地しているタイミングで全ての前記肢体を同時に動かし、全ての前記肢体が接地しているタイミングで、前記各肢体の動作により前記胴体を前記路面から持ち上げて進行方向に移動させることを特徴とする移動ロボットのほふく移動方法。

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