JP2021146491A - 制御装置及び制御方法、並びにコンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の歩容が選択可能なロボットを制御する制御を提供する。【解決手段】制御装置は、複数の歩容が選択可能なロボットの歩容毎のコスト地図を生成するコスト地図生成部と、前記コスト地図生成部が生成したコスト地図を用いて、前記ロボットの歩容切替を含めた経路を生成する経路生成部を具備する。前記経路生成部は、前記複数の歩容のうち踏破性能の高い歩容のコスト地図を用いて最短経路を探索し、見つけた経路上の歩容切替点の探索を行い、歩容切替点が存在する場合には、歩容切替点をサブゴールとして、目的関数から選択されたる歩容のコスト地図で経路を再探索する。【選択図】 図４

Description

本明細書で開示する技術（以下、「本開示」とする）は、ロボットを制御する制御装置及び制御方法、並びにコンピュータプログラムに関する。

近年、移動ロボットの開発が進められ、各種業界に普及しつつある。自律移動ロボットは、荷物の運搬などに利用される。移動ロボットは、機構上、脚型、車輪型、クローラ型、節体幹型などに分類することができる。例えば脚と車輪など複数の移動機構を備えた複合型の移動ロボットが提案されている（特許文献１を参照のこと）。

脚と車輪という複数の歩容が選択可能なロボットにおいて、平地は速度が速い車輪を用いた歩容を選択し、階段や凹凸のある場所では踏破性能の高い脚を用いた歩容を選択して移動したい。また、移動の際は、動的障害物の回避する必要があるため、即応性も重要である。したがって、限られた計算資源でリアルタイムに歩容を切り替えながら進める経路生成が必要である。

例えば、路面の状況と現在の姿勢に基づいて歩容を変更する歩行ロボット装置が提案されている（特許文献２を参照のこと）。この歩行ロボット装置は、移動機構として脚の１種類しか装備していないので、クロール歩行とトロット歩行を切り替えるだけであり、移動機構の切り替えを行うものではない。

また、障害物を避けながら視点から終点まで移動する経路を生成する移動ロボットの経路作成方法が提案されている（特許文献３を参照のこと）。しかしながら、この方法は、動的障害物回避に対応するのは困難であり、移動機構の切り替えを考慮して経路を生成するものではない。

特開２０１４−１６１９９１号公報 特開２００６−２５５７９８号公報 特開平１０−３３３７４６号公報

本開示の目的は、複数の歩容が選択可能なロボットを制御する制御装置及び制御方法、並びにコンピュータプログラムを提供することにある。

本開示は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、
複数の歩容が選択可能なロボットの歩容毎のコスト地図を生成するコスト地図生成部と、
前記コスト地図生成部が生成したコスト地図を用いて、前記ロボットの歩容切替を含めた経路を生成する経路生成部と、
を具備する前記ロボットの制御装置である。

前記経路生成部は、前記複数の歩容のうち踏破性能の高い歩容のコスト地図を用いて最短経路を探索し、見つけた経路上の歩容切替点の探索を行い、歩容切替点が存在する場合には、歩容切替点をサブゴールとして、目的関数から選択されたる歩容のコスト地図で経路を再探索する。

前記経路生成部が生成したコスト地図に基づいて、前記ロボットに対して歩容切替を含む歩容に実施に関する指示を行う際に、前記ロボットに対して歩容切替の遷移時間を併せて指示するようにしてもよい。

また、本開示の第２の側面は、
複数の歩容が選択可能なロボットの歩容毎のコスト地図を生成するコスト地図生成ステップと、
前記コスト地図生成ステップで生成したコスト地図を用いて、前記ロボットの歩容切替を含めた経路を生成する経路生成ステップと、
を有する前記ロボットの制御方法である。

また、本開示の第３の側面は、
複数の歩容が選択可能なロボットの歩容毎のコスト地図を生成するコスト地図生成部、
前記コスト地図生成部が生成したコスト地図を用いて、前記ロボットの歩容切替を含めた経路を生成する経路生成部、
としてコンピュータを機能させるようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータプログラムである。

本開示の第３の側面に係るコンピュータプログラムは、コンピュータ上で所定の処理を実現するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータプログラムを定義したものである。換言すれば、本開示の第３の側面に係るコンピュータプログラムをコンピュータにインストールすることによって、コンピュータ上では協働的作用が発揮され、本開示の第１の側面に係る制御装置と同様の作用効果を得ることができる。

本開示によれば、複数の歩容が選択可能なロボットの歩容の切り替えを含めて経路生成を行うロボットの制御装置及び制御方法、並びにコンピュータプログラムを提供することができる。

なお、本明細書に記載された効果は、あくまでも例示であり、本開示によりもたらされる効果はこれに限定されるものではない。また、本開示が、上記の効果以外に、さらに付加的な効果を奏する場合もある。

本開示のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

図１は、ロボット装置１００の構成例を示した図である。 図２は、ロボット装置２００の構成例を示した図である。 図３は、ロボット装置１００の制御システム３００の構成例を示した図である。 図４は、ロボット装置１００の経路生成を行うための機能的構成例を示した図である。 図５は、ロボット装置１００の経路生成を行うための処理手順を示したフローチャートである。 図６は、脚コスト地図の一例を示した図である。 図７は、車輪コスト地図の一例を示した図である。 図８は、ロボット装置１００の脚コスト地図上で生成した経路を示した図である。 図９は、ロボット装置１００の経路上で探索した歩容切替点を車輪コスト地図上で示した図である。 図１０は、ロボット装置１００の幅を考慮して歩容切替点を探索する例を示した図である。 図１１は、ロボット装置１００の幅を考慮して歩容切替点を探索する例を示した図である。 図１２は、ロボット装置１００の幅を考慮して歩容切替点を探索する例を示した図である。 図１３は、ロボット装置１００の幅を考慮して歩容切替点を探索する例を示した図である。 図１４は、ロボット装置１００の幅を考慮して歩容切替点を探索する例を示した図である。 図１５は、ロボット装置１００の身体性を考慮して歩容切り替えを行う例を示した図である。 図１６は、ロボット装置１００の身体性を考慮して歩容切り替えを行う例を示した図である。 図１７は、ロボット装置１００の身体性を考慮して歩容切り替えを行う例を示した図である。 図１８は、ロボット装置１００の身体性を考慮して歩容切り替えを行う例を示した図である。 図１９は、ロボット装置１００の身体性を考慮して歩容切り替えを行う例を示した図である。 図２０は、ロボット装置１００の身体性を考慮して歩容切り替えを行う例を示した図である。 図２１は、ロボット装置１００の身体性を考慮して歩容切り替えを行う例を示した図である。 図２２は、ロボット装置１００の身体性を考慮して歩容切り替えを行う例を示した図である。 図２３は、ロボット装置１００の身体性を考慮して歩容切り替えを行う例を示した図である。 図２４は、ロボット装置１００の身体性を考慮して歩容切り替えを行う例を示した図である。 図２５は、ロボット装置１００の身体性を考慮して歩容切り替えを行う例を示した図である。 図２６は、ロボット装置１００の身体性を考慮して歩容切り替えを行う例を示した図である。 図２７は、ロボット装置１００の身体性を考慮して歩容切り替えを行う例を示した図である。 図２８は、ロボット装置１００の身体性を考慮して歩容切り替えを行う例を示した図である。 図２９は、ロボット装置１００の身体性を考慮して歩容切り替えを行う例を示した図である。 図３０は、ロボット装置１００の経路生成を行うための機能的構成例を示した図である。

以下、図面を参照しながら本開示に係る技術について、以下の順に従って説明する。
Ａ．外観構成
Ｂ．制御システム構成
Ｃ．経路生成のための機能的構成
Ｄ．経路生成手順
Ｅ．経路生成の具体例
Ｆ．経路生成手順の変形例
Ｇ．本開示の特徴と効果

Ａ．外観構成
図１には、本開示が適用されるロボット装置１００の構成例を模式的に示している。ロボット装置１００は、本体部１０１と、視覚センサ１０２と、関節部１０３と、脚部１１０Ａ〜Ｄの４脚を備えている。

視覚センサ１０２は、ロボット装置１００の周辺の環境を視覚的に認識するセンサであり、例えばカメラ（ステレオカメラを含む）、赤外線カメラ、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）センサ、ＬｉＤＡＲなどのうち少なくとも１つを含む。視覚センサ１０２は、視覚センサ１０２の視線方向を上下左右に動かすための関節部１０３を介して本体部１０１に取り付けられている。また、ロボット装置１００は、本体部１０１や各脚部１１０Ａ〜Ｄに搭載されたＩＭＵ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）、各脚部１１０Ａ〜Ｄの足底の接地センサ、本体部１０１の表面の触覚センサなど、視覚センサ１０２以外のセンサを備えていてもよい。

移動手段としての脚部１１０Ａ〜Ｄは、それぞれ股関節に相当する関節部１１１Ａ〜Ｄを介して本体部１０１に接続されている。各々の脚部１１０Ａ〜Ｄは、大腿部リンクと下腿部リンクを接続する関節部１１２Ａ〜Ｄと、下腿部リンクの先端（又は、足底）の車輪部１１３Ａ〜Ｄを備えている。したがって、ロボット装置１００は、脚（歩行）と車輪という２種類の歩容が選択可能な４脚ロボットである。ロボット装置１００が備える各歩容は踏破性能及び移動速度が異なる。

関節部１１１Ａ〜Ｄ、並びに関節部１１２Ａ〜Ｄは、少なくともピッチ回りの自由度を有する。関節部１１１Ａ〜Ｄ、並びに関節部１１２Ａ〜Ｄは、関節駆動用のモータと、モータの位置を検出するためのエンコーダ、減速機、モータの出力軸側のトルクを検出するためのトルクセンサを備えている（いずれも図示しない）。但し、トルクセンサは本開示を実現するための必須の構成要素ではない。

また、図２には、本開示が適用されるロボット装置２００の構成例を模式的に示している。ロボット装置２００は、本体部２０１と、視覚センサ２０２と、関節部２０３と、右脚部２１０Ｒ及び左脚部２１０Ｌの２脚と、右腕部２２０Ｒ及び左腕部２２０Ｌを備えている。

視覚センサ２０２は、ロボット装置２００の周辺の環境を視覚的に認識するセンサであり、例えばカメラ（ステレオカメラを含む）、赤外線カメラ、ＴＯＦセンサ、ＬｉＤＡＲなどのうち少なくとも１つを含む。視覚センサ２０２は、視覚センサ２０２の視線方向を上下左右に動かすための関節部２０３を介して本体部２０１に取り付けられている。

移動手段としての右脚部２１０Ｒ及び左脚部２１０Ｌは、それぞれ股関節に相当する関節部２１１Ｒ及び２１１Ｌを介して本体部２０１の下端に接続されている。右脚部２１０Ｒ及び左脚部２１０Ｌは、大腿部リンクと下腿部リンクを接続する膝関節に相当する関節部２１２Ｒ及び２１２Ｌと、下腿部リンクの先端の接地部（又は、足部）２１３Ｒ及び２１３Ｌをそれぞれ備えている。接地部２１３Ｒ及び２１３は車輪部を持つ。したがって、ロボット装置２００は、脚と車輪という２種類の歩容が選択可能な２脚ロボットである。

右腕部２２０Ｒ及び左腕部２２０Ｌは、それぞれ肩関節に相当する関節部２２１Ｒ及び２２１Ｌを介して本体部２０１の上端付近に接続されている。右腕部２２０Ｒ及び左腕部２２０Ｌは、上腕部リンクと前腕部リンクを接続する肘関節部に相当する関節部２２２Ｒ及び２２２Ｌと、前腕部リンクの先端の手部（又は把持部）２２３Ｒ及び２２３Ｌをそれぞれ備えている。

関節部２１１Ｒ及び２１１Ｌ、関節部２１２Ｒ及び２１２Ｌ、関節部２２１Ｒ及び２２１Ｌ、並びに関節部２２２Ｒ及び２２２Ｌは、関節駆動用のモータと、モータの位置を検出するためのエンコーダ、減速機、モータの出力軸側のトルクを検出するためのトルクセンサを備えている（いずれも図示しない）。但し、トルクセンサは本開示を実現するための必須の構成要素ではない。

Ｂ．制御システム構成
図３には、ロボット装置１００の制御システム３００の構成例を示している。制御システム３００のコンポーネントの一部又は全部は本体部１０１に内蔵されている。あるいは、制御システム３００は、ロボット装置１００とは物理的に独立した装置で、ロボット装置１００と無線又は有線で接続される。例えば制御システム３００の一部又は全部のコンポーネントはクラウド上に設置され、ネットワーク経由でロボット装置１００と相互接続されていてもよい。また、ロボット装置２００の制御システムも同様の構成であるものと理解されたい。

制御システム３００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３０１の統括的な制御下で動作する。図示の例では、ＣＰＵ３０１は、プロセッサコア３０１Ａ及びプロセッサコア３０１Ｂを含むマルチコア構成である。ＣＰＵ３０１は、バス３１０を介して制御システム３００内の各コンポーネントと相互接続される。

記憶装置３２０は、例えばハードディスクドライブ（ＨＤＤ）やソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）などの大容量の外部記憶装置で構成され、ＣＰＵ３０１が実行するプログラムや、プログラムを実行中に使用し又はプログラムを実行して生成されるデータなどのファイルを格納する。ＣＰＵ３０１は、例えばロボット装置１００の各関節部のモータを駆動するデバイスドライバや、視覚センサ１０２で撮影したデータを処理する画像処理プログラム、ロボット装置１００の経路を作成する経路生成プログラムなどを実行する。

メモリ３２１は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）で構成される。ＲＯＭには、例えば制御システム３００の起動用プログラムや基本入出力用プログラムが格納される。ＲＡＭは、ＣＰＵ３０１が実行するプログラムをロードしたり、プログラム実行中に使用するデータを一時的に格納したりするために使用される。例えば、リアルタイムに生成されるロボット装置１００の脚及び車輪の歩容毎のコスト地図がＲＡＭに格納される。

表示部３２２は、例えば液晶ディスプレイや有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイで構成される。表示部３２２は、ＣＰＵ３０１がプログラム実行中のデータや実行結果を表示する。例えば経路生成プログラムの実行結果や、ロボット装置１００の歩容毎のコスト地図などが、表示部３２２に表示される。

センサ入力部３３０は、視覚センサ１０２など、ロボット装置１００が装備する各種センサからのセンサ信号を制御システム３００に取り込むための信号処理を行う。モータ入出力部３４０は、ロボット装置１００の各関節部のモータに対する指令信号の出力や、モータの位置を検出するためのエンコーダやモータの出力軸側のトルクセンサのセンサ信号の入力など、各モータとの信号の入出力処理を行う。

ネットワーク入出力部３５０は、制御システム３００とクラウドとの入出力処理を行う。ネットワーク入出力部３５０は、ロボット装置１００の経路作成に必要な経路上の地点情報（後述するＷａｙｐｏｉｎｔｓなど）のクラウドからのダウンロードや、生成した経路情報のクラウドへのアップロードなどを行うための入出力処理を行う。

Ｃ．経路生成のための機能的構成
図４には、制御システム３００において、ロボット装置１００の経路生成を行うための機能的構成例を模式的に示している。図示の機能ブロックは、ＣＰＵ３０１が実行するソフトウェアモジュールと、ロボット装置１００や制御システム３００のハードウェアモジュールとの組み合わせによって実現される。

ロボットモデル４００は、形状、リンク長、関節駆動用モータの減速比、重量及びイナーシャなど、対象とするロボット装置１００（又は、ロボット装置２００）を使用するために必須な基本情報からなる。行動計画・認識部４１０及び制御部４２０は、ロボットモデル４００を取り込む。行動計画・認識部４１０及び制御部４２０は、例えばＣＰＵ３０１が実行するソフトウェアモジュールからなる。

ロボット１００の経路生成処理は、センサ情報に基づいて環境を認識してロボット装置１００の行動計画を立案する処理を行う行動計画・認識部４１０の一部に位置付けることができる。行動計画・認識部４１０は、経路生成処理のために、自己位置推定部４１１、Ｗａｙｐｏｉｎｔｓ入力部４１２、コスト地図生成部４１３、経路生成部４１４、歩容切替指示部４１５の各機能モジュールを備えている。これらの機能モジュール４１１〜４１５は、例えばＣＰＵ３０１が実行するソフトウェアモジュールからなる。

センサ入力部３３０は、視覚センサ１０２（カメラ、ＴＯＦセンサ、ＬｉＤＡＲなど）、ＩＭＵなどのセンサ情報を受け取り、他のモジュールへ提供する。

自己位置推定部４１１は、センサ入力部３３０から提供されるセンサ情報や制御部４２０から提供されるオドメトリ情報に基づいて、ロボット装置１００の自己位置の推定を行う。自己位置推定部４１１は、例えばＳＬＡＭ（Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｐｐｉｎｇ）アルゴリズムを使用する。

Ｗａｙｐｏｉｎｔｓ入力部４１２は、制御システム３００の外部又は内部のグローバルパスプランを司るモジュールから出力されるＷａｙｐｏｉｎｔｓを入力して、行動計画・認識部４１０内の各モジュールに提供する。Ｗａｙｐｏｉｎｔｓは、中継地点及びゴール地点を含む経路上の地点情報である。

コスト地図生成部４１３は、センサ入力部３３０から提供されるセンサ情報と、自己位置推定部４１１が推定するロボット装置１００の自己位置に基づいて、ロボット装置１００が備える歩容毎に、移動コストを表すコスト地図を生成する。コスト地図は、例えば２次元格子状マップのグリッド毎に、ロボット装置１００が通過するのに要する移動コストを表した地図である。グリッドのサイズは例えば５ｃｍ×５ｃｍ、あるいは２．５ｃｍ×２．５ｃｍ程度である。本実施形態では、ロボット装置１００は脚と車輪という２種類の歩容が選択可能であるので、コスト地図生成部４１３は、脚用の「脚コスト地図」と、車輪用の「車輪コスト地図」の２種類のコスト地図を生成する。また、トロット歩行やクロール歩行、ギャロップ歩行など、同じ脚を用いるが脚の動かし方が異なる複数種類の歩容を利用する場合には、コスト地図生成部４１３は歩行方法が異なる歩容毎の脚コスト地図を生成する。さらに、トロット歩行のみの場合においても、脚を動かす周期によって、移動速度や踏破性能が異なる。この場合は、例えばトロット歩行１Ｈｚのコスト地図と、トロット歩行２Ｈｚのコスト地図を生成する。歩容毎の踏破性能の相違などにより、同じ地形や障害物であっても、歩容毎に移動コストが異なる。このため、踏破性能が低い車輪用の車輪コスト地図には描かれる障害物が、踏破性能が高い脚用の脚コスト地図には描かれない（又は、描かれ方が異なる）といったこともある。なお、コスト地図生成部４１３は、例えば数百ミリ秒周期で、各歩容のコスト地図を更新する。したがって、歩容毎のコスト地図には、地形や段差、路面に設置された物体などの静的な障害物だけでなく、人や動物、移動体などの動的な障害物の情報も描かれる。

経路生成部４１４は、Ｗａｙｐｏｉｎｔｓ入力部４１２から提供されるＷａｙｐｏｉｎｔｓに基づいて、コスト地図生成部４１３に対して、どの歩容に対応するコスト地図が必要であるかを指示して、コスト地図生成部４１３からそのコスト地図を受け取る。そして、経路生成部４１４は、コスト地図に基づいて該当する歩容を用いた経路の生成を試み、経路を生成できたか否かを示す生成成否と、経路を生成することができた場合にはその軌道を達成するための速度指令及び軌道を歩容切替指示部４１５に出力する。経路生成部４１４は、例えばＤｙｎａｍｉｃ Ｗｉｎｄｏｗ Ａｐｐｒｏａｃｈ（ＤＷＡ）などの障害物回避も可能な経路生成アルゴリズムを用いてロボット装置１００の経路を生成する。

歩容切替指示部４１５は、コスト地図生成部４１３から取得した歩容毎のコスト地図から、経路上でロボット装置１００が歩容を切り替える歩容切替点を計算する。ロボット装置１００は、移動手段として脚と車輪を備えることから、歩容は脚と車輪の２つに大別される。また、ロボット装置１００は、４脚を備えることから、脚を用いた歩容の種類は、トロット歩行やクロール歩行、ギャロップ歩行など、さらに複数の歩容に分類することができる。さらに、歩容の周期変更や、駆け足と忍び足といったものも含まれる。後述するように、歩容切替指示部４１５は、経路生成部４１４が生成した経路上でのみ歩容切替点を探索するので、計算リソースが少なくて済む。そして、歩容切替指示部４１５は、制御部４２０に対して、ロボット装置１００の歩容の種類の切り替えや速度指令を指示する。

制御部４２０は、歩容切替指示部４１５からの指令に基づいて、指定された歩容を行うための、ロボット装置１００の各関節駆動用のモータの指令値をモータ入出力部３４０に指示する。また、制御部４２０は、モータ入出力部３４０からフィードバックされるエンコーダの検出情報（モータの出力軸の回転角）などに基づいて、オドメトリ情報を行動計画・認識部４１０に出力する。

モータ入出力部３４０は、ロボット装置１００の各関節部のモータに対する指令信号の出力や、モータの位置を検出するためのエンコーダやモータの出力軸側のトルクセンサのセンサ信号の入力など、各モータとの信号の入出力処理を行う。また、モータ入出力部３４０は、エンコーダやトルクセンサの検出信号を制御部４２０にフィードバックする。

Ｄ．経路生成手順
図５には、図４に示した機能的構成を用いてロボット装置１００の経路生成を行うための処理手順をフローチャートの形式で示している。以下では、説明の簡素化のため、ロボット装置１００は脚と車輪という２種類の歩容が選択可能であり、脚は「踏破性能は高いが速度が遅い」歩容であり、車輪は「速度は速いが踏破性能に劣る」歩容であるとする。また、コスト地図生成部４１３は、歩容毎のコスト地図として、脚コスト地図と車輪コスト地図を生成するものとする。

コスト地図生成部４１３において、コスト地図が更新されなければ、何もしない（ステップＳ５０１のＮｏ）。コスト地図生成部４１３において、コスト地図が更新されると（ステップＳ５０１のＹｅｓ）、経路生成部４１４は、踏破性能の高い歩容のコスト地図（本実施形態では、脚コスト地図）で、経路を生成する（ステップＳ５０２）。この結果として、耐性のある又は安定した歩容での最短ルートが得られる。

次いで、歩容切替指示部４１５は、コスト地図生成部４１３から取得した歩容毎のコスト地図から、経路上でロボット装置１００が歩容を切り替える歩容切替点の計算を試みる（ステップＳ５０３）。すなわち、歩容切替指示部４１５は、ロボット装置１００の自己位置から進行方向に向けて、ステップＳ５０２で生成した経路上に歩容切替点があるかどうかを探索する。歩容切替指示部４１５は、脚コスト地図と車輪コスト地図の差分をとり、差分と経路が交差する点を歩容切替点として見つけることができる。本開示によれば、経路上でのみ歩容切替点の探索を行うので、計算リソースが少なくて済む。例えば障害物が存在し、脚と車輪など歩容毎に障害物を踏破する移動コストが異なる場合に、歩容毎のコスト地図間の差分が大きくなる。

経路上で歩容切替点が存在しない場合には（ステップＳ５０４のＮｏ）、ロボット装置１００は、ステップＳ５０２で生成した通りの経路を進む（ステップＳ５０５）。歩容切替指示部４１５は、制御部４２０に対して、ロボット装置１００の歩容の種類の切り替えや速度指令を指示する。そして、制御部４２０は、歩容切替指示部４１５からの指令に基づいて、指定された歩容を行うための、ロボット装置１００の各関節駆動用のモータの指令値をモータ入出力部３４０に指示する。

一方、経路上で歩容切替点が存在する場合には（ステップＳ５０４のＹｅｓ）、歩容切替指示４１５は、ステップＳ５０３で見つかった歩容切替点を目標にして、歩容切替指示部４１５は目的関数（時間、エネルギー、距離）を用いて歩容を選択して、経路生成部４１４は選択された歩容の地図で経路を生成する。そして、ロボット装置１００は、選択した歩容及びその歩容のコスト地図で生成した経路で歩容切替点に向かって進む（ステップＳ５０６）。このステップＳ５０６でもう一度経路生成を行うのは、選択した歩容のダイナミクスを考慮する必要があるからである。なお、各歩容のコスト地図には静的な障害物だけでなく動的な障害物も描かれており（前述）、経路上に存在する動的障害物と交差する点が歩容切替点として見つかる場合もある。

その後、ロボット装置１００が歩容切替点に到達したかどうかをチェックする（ステップＳ５０７）。このチェックには、自己位置推定部４１１が推定するロボット装置１００の自己位置を用いる。

ロボット装置１００が歩容切替点に到達した場合には（ステップＳ５０７のＹｅｓ）、歩容切替指示部４１５は、制御部４２０に対して歩容の切り替えを指示して、ロボット装置１００は歩容を切り替える（ステップＳ５０８）。また、ロボット装置１００が歩容切替点に到達していない場合には（ステップＳ５０７のＮｏ）、歩容の切り替え（ステップＳ５０８）をスキップする。

そして、ロボット装置１００がＷａｙｐｏｉｎｔｓ入力部４１２に入力されたゴール地点に到達するまで（ステップＳ５０９のＮｏ）、ステップＳ５０１に戻って、ロボット装置１００は上記の処理を繰り返し実行する。

ロボット装置１００が図４に示したような機能的構成を備え、且つ、図５に示した処理手順に従って経路生成を行うことで、踏破性能の高い歩容で最短経路を決めて、歩容切替点（サブゴール）を抽出し、目的関数を用いて必要な歩容を選択しながら進むので、無駄が少ない。したがって、リアルタイムでロボット装置１００の経路生成を行うことが可能となる。その結果として、動的障害物を加味しながら、歩容の切り替えを含めた経路生成を、少ない計算リソースで行うことが容易になる。

Ｅ．経路生成の具体例
続いて、図４に示した機能的構成を用いてロボット装置１００の経路生成を行う具体例について説明する。

この項でも、説明の簡素化のため、ロボット装置１００は脚と車輪という２種類の歩容が選択可能であり、脚は「踏破性能は高いが速度が遅い」歩容であり、車輪は「速度は速いが踏破性能に劣る」歩容であるとする。

また、以下の説明では、図６に示す脚コスト地図６００及び図７に示す車輪コスト地図７００を想定する。２次元格子状マップのグリッド毎に、ロボット装置１００が通過するのに要する移動コストを表した地図である。図６及び図７は同じ場所のコスト地図であり、段差６０１及び７０１を含んでいる。脚（歩行）は踏破性能が高い歩容であり、段差６０１でもコストはほぼ一定である。一方、車輪は踏破性能が劣る歩容であり、段差７０１を乗り越えることができないので、段差７０１内の領域は移動コストが著しく増大している。図７に示す車輪コスト地図では、移動コストが高い段差７０１内をグレーで表している。なお、説明の簡素化のため、以下では段差６０１及び７０１のような静的な障害物を扱うが、コスト地図生成部４１３は例えば数百ミリ秒毎に歩容毎のコスト地図を更新することが可能であり、動的障害物を歩容毎のコスト地図に描くことも可能である。

Ｅ−１．具体例１
図８には、図５に示したフローチャート中のステップＳ５０２で、踏破性能の高い脚コスト地図６００で生成した、ロボット装置１００の自己位置からの経路８０１を示している。

図９には、図５に示したフローチャート中のステップＳ５０３で実行される、経路上の歩容切替点の探索処理の具体例を示している。ロボット装置１００は車輪コスト地図７００を用いて、車輪で経路８０１上を移動する。図９では、経路８０１に従って車輪で移動する各グリッドを濃いグレーで表している。経路８０１上で、移動コストが増大する段差７０１の直前のグリッド９０１が歩容切替点となる。歩容切替指示部４１５は、脚コスト地図と車輪コスト地図の差分をとり、差分と経路が交差する点を歩容切替点として見つけることができる。

Ｅ−２．具体例２
図８及び図９に示した歩容切替点の探索例では、コスト地図上でロボット装置１００を点として扱い、ロボット装置１００のサイズや形状を考慮していない。これに対し、図１０〜図１４には、ロボット装置１００のサイズを考慮して歩容切替点を探索する例を示している。なお、図１０〜図１４では、車輪から脚への歩容切替に限定して説明するので、ロボット装置１００の身体性のうち横幅のみを考慮すれば十分なので、ロボット装置１００を３グリッド幅のブロックとして扱うことにしている。

ロボット装置１００は、コスト地図上で、３グリッド分の幅を持つ。そこで、図１０に示すように、ロボット装置１００の自己位置に３グリッドの幅を持つブロック１００１を配置する。続いて、図１１〜図１４に示すように、ブロック１００１を、脚コスト地図７００上で生成した経路８０１に沿って、ゴール地点に向かって１グリッドずつ移動させる。ロボット装置１００は、車輪を使って移動するものとする。

そして、図１４に示すように、ブロック１００１が、移動コストが増大する段差７０１の直前の位置が、車輪から踏破性能の高い脚への歩容切替点（又は、歩容切替位置）となる。ロボット装置１００の身体性を考慮して、ロボット装置１００の形状に拘わらず、安全に歩容切替を実施することが可能である。

Ｅ−３．具体例３
図１５〜図２０には、ロボット装置１００の形状及びサイズを考慮して、歩容切替点を通過する際に歩容切り替えを行う他の例を示している。図１５〜図２０では、ロボット装置１００は、コスト地図上で３×３グリッド分の大きさを持つ。なお、図１５〜図２０では、ロボット装置１００全体が歩容切替点を通過した後の歩容切替についても説明するために、ロボット装置１００の身体性のうち幅と厚さを考慮する必要があるので、ロボット装置１００を３×３グリッドの面積のあるブロックとして扱うことにしている。

図１５に示すように、ロボット装置１００の自己位置に３×３グリッドのブロック１５０１を配置する。この時点では、ブロック１５０１を、移動速度が速い車輪による歩容で移動させている。そして、図１６に示すように、ブロック１５０１の先端が段差７０１の直前で、車輪から踏破性能の高い脚への歩容切替点となる。図１６〜図２０に示すように、ブロック１５０１を、脚コスト地図７００上で生成した経路８０１に沿って、ゴール地点に向かって１グリッドずつ移動させる。ロボット装置１００は、踏破性能の高い脚を使って移動するものとする。

そして、図２０に示すように、ブロック１５０１の終端が段差７０１を通過すると、ロボット装置１００全体が段差７０１の上に乗り上げたことになる。ロボット装置１００は、段差７０１を踏破するには車輪から脚に歩容を切り替える必要があったが、段差７０１を踏破した後は、移動速度が速い車輪による歩容に復帰して、段差７０１の上を移動することができる。

このように、ロボット装置１００をコスト地図上で３×３グリッド分のブロック１５０１として扱うことにより、段差７０１を登り切った安全な場所を脚から車輪への歩容切替点とすることができる。ロボット装置１００の身体性を考慮して、ロボット装置１００の形状に拘わらず、安全に歩容切替を実施することが可能である。

Ｅ−４．具体例４
具体例４でも、上述した具体例３と同様に、ロボット装置１００全体が歩容切替点を通過した後の歩容切替についても説明するために、ロボット装置１００の身体性のうち幅と厚さを考慮する必要があるので、ロボット装置１００を３×３グリッドの面積のあるブロックとして扱うことにしている。

図２１に示すように、段差７０１上にいるロボット装置１００の自己位置に３×３グリッドのブロック２１０１を配置する。続いて、図２２〜図２４に示すように、ブロック２１０１を、脚コスト地図７００上で生成した経路８０１に沿って、ゴール地点に向かって１グリッドずつ移動させる。ロボット装置１００は、車輪を使って移動するものとする。そして、図２４に示すように、ブロック２１０１が、移動コストが増大する段差７０１の直前の位置が、車輪から踏破性能の高い脚への歩容切替点（又は、歩容切替位置）となる。

このように、ロボット装置１００をコスト地図上で３×３グリッド分のブロック２１０１として扱うことにより、段差７０１の直前で車輪から踏破性能の高い脚への歩容切替点とすることができる。ロボット装置１００の身体性を考慮して、ロボット装置１００の形状に拘わらず、安全に歩容切替を実施することが可能である。

Ｅ−５．具体例５
具体例５でも、上述した具体例３と同様に、ロボット装置１００全体が歩容切替点を通過した後の歩容切替についても説明するために、ロボット装置１００の身体性のうち幅と厚さを考慮する必要があるので、ロボット装置１００を３×３グリッドの面積のあるブロックとして扱うことにしている。

図２５に示すように、段差７０１の終端の直前にいるロボット装置１００の自己位置に３×３グリッドのブロック２５０１を配置する。続いて、図２６〜図２９に示すように、ブロック２５０１を、脚コスト地図７００上で生成した経路８０１に沿って、ゴール地点に向かって１グリッドずつ移動させる。ロボット装置１００は、踏破性能の高い脚を使って移動するものとする。

そして、図２９に示すように、ブロック２５０１の終端が段差７０１を通過すると、ロボット装置１００全体が段差７０１の下の平坦な面に降り切ったことになる。ロボット装置１００は、段差７０１を踏破するには車輪から脚に歩容を切り替える必要があったが、段差７０１を踏破した後は、移動速度が速い車輪による歩容に復帰して、段差７０１の上を移動することができる。

このように、ロボット装置１００をコスト地図上で３×３グリッド分のブロック２５０１として扱うことにより、段差７０１を降り切った安全な場所を脚から車輪への歩容切替点とすることができる。ロボット装置１００の身体性を考慮して、ロボット装置１００の形状に拘わらず、安全に歩容切替を実施することが可能である。

Ｆ．経路生成手順の変形例
図５には、機能的構成を用いてロボット装置１００の経路生成を行うための処理手順のフローチャートを示した。このフローチャートのステップＳ５０８では、歩容切替指示部４１５が、制御部４２０に対して歩容の切り替えを指示して、ロボット装置１００は歩容を切り替えるようになっている。歩容切替指示部４１５は、歩容の種類や速度指令に加えて、歩容切替の遷移時間を制御部４２０に指示するようにしてもよい。図３０には、この場合のロボット装置１００の経路生成を行うための機能的構成例を示している。この構成例では、歩容切替指示部４１５が、制御部４２０に対して歩容の切替を指示する。

制御部４２０は、歩容切替指示部４１５が指定した遷移時間内で滑らかに歩容を切り替えるように、制御を行う。例えば、制御部４２０は、歩容切替が歩容の周期であれば、遷移時間内で歩容切替前後の歩容をスプライン補間でつなげるといった対処を行う。

歩容切替指示部４１５が歩容切替の遷移時間を制御部４２０に指示することにより、ロボット装置１００は、一時停止することなく歩容切替を実施することができるようになる。ロボット装置１００は歩容の切り替えの度に停止する必要がないので、より短い時間で目的地に到達することが可能となる。

Ｇ．本開示の特徴と効果
本開示の特徴と効果についてまとめておく。

（１）本開示によれば、ロボット装置１００の２つ以上の運動モデルと２つ以上の（又は、運動モデル毎の）コスト地図を用いて、歩容の切り替えを含めた経路生成を行うことができる。本開示によれば、踏破性能の高い歩容のコスト地図で目的地までの最短経路を探索してから、その経路上の歩容切替点の探索を行う。そして、歩容切替点が存在する場合には、歩容切替点をサブゴールとして、目的関数から選択された歩容のコスト地図で経路を再探索する。したがって、本開示によれば、踏破性能の高い歩容で最短経路を決定してからサブゴールとなる歩容切替点を抽出し、目的関数を用いて必要な歩容を選択して移動を行うので、無駄が少なく、リアルタイムの経路生成が可能である。その結果として、動的障害物を考慮しながら、歩容切替を含めた経路生成を、少ない計算リソースで実現することができる。

（２）本開示によれば、ロボット装置１００の身体性を考慮して、歩容切替点の探索を行うことができる。したがって、ロボット装置１００の形状やサイズに拘わらず、安全に歩容切替を実施することが可能となる。

（３）本開示によれば、ロボット装置１００が歩容切替を行いながら経路上を移動する際に、歩容変更の遷移時間を設けることができる。したがって、ロボット装置１００は、停止することなく歩容切替を実現することができ、より短い時間で目的地に到達することが可能となる。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本開示について詳細に説明してきた。しかしながら、本開示の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。

本明細書では、本開示を脚と車輪という２種類の歩容が選択可能な４脚ロボット並びに２脚ロボットに適用した実施形態を中心に説明してきたが、本開示の要旨はこれに限定されるものではない。また、本明細書では便宜上静的な障害物のみを含むコスト地図を使った実施形態を中心に説明したが、各歩容のコスト地図には動的障害物を描くことも可能であり、本開示は、性的障害物および動的障害物にそれぞれ対応してロボットの歩容切替を含めた経路生成を行うことができる。

例えば、脚と車輪を含む３種類以上の歩容が選択可能な移動ロボット装置、３脚又は５脚以上の脚を含む複数の歩容が選択可能な移動ロボット装置、脚又は車輪のいずれか少なくとも一方を含まない複数の歩容が選択可能な移動ロボット装置など、踏破性能と移動速度が異なる複数の歩容が選択可能さまざまなタイプの移動ロボット装置に対して同様に本開示を適用することができる。

また、移動機構として脚の１種類しか装備しないが、トロット歩行やクロール歩行、ギャロップ歩行など、脚の周期や運動モデルの相違により踏破性能と移動速度が異なる複数の歩容を選択可能な脚式ロボットに対しても、同様に本開示を適用することができる。

また、飛翔時の機体の安定性や移動速度が異なる複数の飛行モードを備えた無人航空機に対しても、３次元のコスト地図を利用して、同様に本開示を適用することができる。

要するに、例示という形態により本開示について説明してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本開示の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

なお、本開示は、以下のような構成をとることも可能である。

（１）複数の歩容が選択可能なロボットの歩容毎のコスト地図を生成するコスト地図生成部と、
前記コスト地図生成部が生成したコスト地図を用いて、前記ロボットの歩容切替を含めた経路を生成する経路生成部と、
を具備する前記ロボットの制御装置。

（２）前記経路生成部は、前記複数の歩容のうち踏破性能の高い歩容のコスト地図を用いて最短経路を探索し、見つけた経路上の歩容切替点の探索を行い、歩容切替点が存在する場合には、歩容切替点をサブゴールとして、目的関数から選択されたる歩容のコスト地図で経路を再探索する、
上記（１）に記載の制御装置。

（３）前記経路生成部は、前記ロボット装置の身体性を考慮して、歩容切替点を探索する、
上記（１）又は（２）のいずれかに記載の制御装置。

（４）前記経路生成部が生成したコスト地図に基づいて、前記ロボットに対して歩容切替を含む歩容に実施に関する指示を行う指示部をさらに備える、
上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の制御装置。

（５）前記指示部は、前記ロボットに対して歩容切替の遷移時間を指示する、
上記（４）に記載の制御装置。

（６）前記ロボットは脚と車輪を備え、
前記コスト地図生成部は、脚を用いた歩容における脚コスト地図と車輪を用いた歩容における車輪コスト地図を生成し、
前記経路生成部は、脚と車輪の歩容切替を含めた前記ロボット経路を生成する、
上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の制御装置。

（７）前記ロボットは、脚を備え、脚の周期が異なる複数の歩容が選択可能であり、
前記コスト地図生成部は、脚を用いた前記複数の歩容毎のコスト地図を生成し、
前記経路生成部は、脚の周期が異なる歩容切替を含めた前記ロボット経路を生成する、
上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の制御装置。

（８）前記複数の歩容はクロール、トロット、ギャロップのうち少なくとも２つを含む、
上記（７）に記載の制御装置。

（９）複数の歩容が選択可能なロボットの歩容毎のコスト地図を生成するコスト地図生成ステップと、
前記コスト地図生成ステップで生成したコスト地図を用いて、前記ロボットの歩容切替を含めた経路を生成する経路生成ステップと、
を有する前記ロボットの制御方法。

（９−１）前記経路生成ステップは、前記複数の歩容のうち踏破性能の高い歩容のコスト地図を用いて最短経路を探索するステップと、見つけた経路上の歩容切替点を探索するステップと、歩容切替点が存在する場合には、歩容切替点をサブゴールとして、目的関数から選択されたる歩容のコスト地図で経路を再探索するステップを含む、上記（９）に記載の制御方法。

（１０）複数の歩容が選択可能なロボットの歩容毎のコスト地図を生成するコスト地図生成部、
前記コスト地図生成部が生成したコスト地図を用いて、前記ロボットの歩容切替を含めた経路を生成する経路生成部、
としてコンピュータを機能させるようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータプログラム。

１００…ロボット装置、１０１…本体部、１０２…視覚センサ
１０３…関節部、１１０Ａ〜Ｄ…脚部、１１１Ａ〜Ｄ…関節部
２００…ロボット装置、２０１…本体部、２０２…視覚センサ
２０３…関節部、２１０Ｒ…右脚部、２１０Ｌ…左脚部
２１１Ｒ、２１１Ｌ…関節部（股関節）
２１２Ｒ、２１２Ｌ…関節部（膝関節）
２１３Ｒ、２１３Ｌ…接地部（足部）
２２０Ｒ…右腕部、２２０Ｌ…左腕部
２２１Ｒ、２２１Ｌ…関節部（肩関節）
２２２Ｒ、２２２Ｌ…関節部（肘関節）
２２３Ｒ、２２３Ｌ…把持部（手部）
３００…制御システム、３０１…ＣＰＵ
３０１Ａ、３０１Ｂ…プロセッサコア、３１０…バス
３２０…記憶装置、３２１…メモリ、３２２…表示部
３３０…センサ入力部、３４０…モータ入出力部
３５０…ネットワーク入出力部
４００…ロボットモデル、４１０…行動計画・認識部
４１１…自己位置推定部、４１２…Ｗａｙｐｏｉｎｔｓ入力部
４１３…コスト地図生成部、４１４…経路生成部
４１５…歩容切替部、４２０…制御部

Claims (10)

1. 複数の歩容が選択可能なロボットの歩容毎のコスト地図を生成するコスト地図生成部と、
   前記コスト地図生成部が生成したコスト地図を用いて、前記ロボットの歩容切替を含めた経路を生成する経路生成部と、
   を具備する前記ロボットの制御装置。
2. 前記経路生成部は、前記複数の歩容のうち踏破性能の高い歩容のコスト地図を用いて最短経路を探索し、見つけた経路上の歩容切替点の探索を行い、歩容切替点が存在する場合には、歩容切替点をサブゴールとして、目的関数から選択されたる歩容のコスト地図で経路を再探索する、
   請求項１に記載の制御装置。
3. 前記経路生成部は、前記ロボット装置の身体性を考慮して、歩容切替点を探索する、
   請求項１に記載の制御装置。
4. 前記経路生成部が生成したコスト地図に基づいて、前記ロボットに対して歩容切替を含む歩容に実施に関する指示を行う指示部をさらに備える、
   請求項１に記載の制御装置。
5. 前記指示部は、前記ロボットに対して歩容切替の遷移時間を指示する、
   請求項４に記載の制御装置。
6. 前記ロボットは脚と車輪を備え、
   前記コスト地図生成部は、脚を用いた歩容における脚コスト地図と車輪を用いた歩容における車輪コスト地図を生成し、
   前記経路生成部は、脚と車輪の歩容切替を含めた前記ロボット経路を生成する、
   請求項１に記載の制御装置。
7. 前記ロボットは、脚を備え、脚の周期が異なる複数の歩容が選択可能であり、
   前記コスト地図生成部は、脚を用いた前記複数の歩容毎のコスト地図を生成し、
   前記経路生成部は、脚の周期が異なる歩容切替を含めた前記ロボット経路を生成する、
   請求項１に記載の制御装置。
8. 前記複数の歩容はクロール、トロット、ギャロップのうち少なくとも２つを含む、
   請求項７に記載の制御装置。
9. 複数の歩容が選択可能なロボットの歩容毎のコスト地図を生成するコスト地図生成ステップと、
   前記コスト地図生成ステップで生成したコスト地図を用いて、前記ロボットの歩容切替を含めた経路を生成する経路生成ステップと、
   を有する前記ロボットの制御方法。
10. 複数の歩容が選択可能なロボットの歩容毎のコスト地図を生成するコスト地図生成部、
    前記コスト地図生成部が生成したコスト地図を用いて、前記ロボットの歩容切替を含めた経路を生成する経路生成部、
    としてコンピュータを機能させるようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータプログラム。

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