JP2647541B2 - 脚形移動ロボットのほふく移動制御方法 - Google Patents

脚形移動ロボットのほふく移動制御方法

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JP2647541B2
JP2647541B2 JP2211481A JP21148190A JP2647541B2 JP 2647541 B2 JP2647541 B2 JP 2647541B2 JP 2211481 A JP2211481 A JP 2211481A JP 21148190 A JP21148190 A JP 21148190A JP 2647541 B2 JP2647541 B2 JP 2647541B2
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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は脚形移動ロボットのほふく移動制御方法に関
し、正確・安全にほふく移動ができるように企図したも
のである。この発明は、原子炉格納容器内を移動したり
原子炉内を点検したりする脚形移動ロボット等に適用し
て有用である。
<従来の技術> 脚形移動ロボットの歩容を決め制御する従来方法とし
ては、次の4つの方法がある。
第1の制御方法では、あらかじめ決められた手順にし
たがって各脚をシーケンシャルに動かす。この制御方法
は、移動環境(床や階段など)の状況が既知であり、ロ
ボットと移動環境との相対的な位置関係があらかじめ正
確に決めることができる場合に採用することができる。
しかし実際には、位置関係に誤差があったり、ロボッ
トの移動により床や階段が多少変形したり、既知の環境
データに誤差があったりするため、シーケンシャルな動
きをしたのでは、ロボットが不安定になって転倒した
り、うまく移動できなかったりする場合がある。したが
ってこの第1の制御方法は、移動が確実でなくても構わ
ず転倒してもよいものや、きわめて転倒しにくいもの
や、人がすぐに補助ができるもの、例えば玩具や展示用
のロボット等にしか用いることができない。
第2の制御方法では、脚形移動ロボットを遠隔操作す
る。つまり、操作者が遠隔で各脚の動きを逐一指示す
る。この制御方法は、過去に試みられた例もあるが、マ
ニピュレータと異なり、脚は自由度が多くて操作しにく
く実用化するには多くの問題がある。
第3の制御方法では、移動環境(床や階段など)の状
況を認識する外界センサが脚形移動ロボットに備えられ
ており、前記センサによる認識情報にもとづいて制御シ
ステムが自律的に歩容を決めて移動・歩行する。この制
御方法は、未知の環境を事前に教示することなく移動で
きるためすぐれた方法である。しかし、人間が事前に歩
容を計画すれば簡単に移動することができる環境であっ
ても、現在の自律歩容作成はいまだ人間の能力に達して
いないため、移動中に次の歩容が見つからず、すなわち
次の1歩を踏み立すために脚を持ち上げることができ
ず、動けなくなってしまうことがある。
第4の制御方法では、第1の制御方法と同様にあらか
じめ決められた手順にしたがいながら、第3の制御方法
のように外界センサで検知した実際の移動環境と事前に
得られた移動環境のデータとの差異を補正しながら移動
・歩行する。この第4の制御方法は、第1と第3の制御
方法の欠点を相互に補うものであり実用性が高い。
本発明は、第4の制御方法について改良をしたもので
ある。
<発明が解決しようとする課題> ここで、本発明が解決しようとする課題を、第3図及
び第4図に示す脚車輪形移動ロボットを例にして説明す
る。
両図に示すように、この脚車輪形移動ロボットのロボ
ット本体1には、一対の駆動輪2a,2bと、一対の前脚3,7
と、一対の後脚5,9とが備えられている。前脚3,7の先端
には補助輪4,8が取り付けられ、後脚5,9の先端には補助
輪6,10が取り付けられている。
前脚3,7は、股関節3a,7a、上腿3b,7b、膝関節3c,7c、
下腿3d,7dを有する2関節形の脚であり、各関節3a,3c,7
a,7cにはそれぞれ駆動機構及び角度検出器が備えられて
いる。同様に、後脚5,9は、股関節5a,9a、上腿5b,9b、
膝関節5c,9c、下腿5d,9dを有する2関節形の脚であり、
各関節5a,5c,9a,9cにはそれぞれ駆動機構及び角度検出
器が備えられている。また脚先の補助輪4,6,8,10には、
それぞれブレーキと駆動機構と角度検出器がついてい
る。これら補助輪4,6,8,10は、駆動輪として自から独立
して駆動回転することができる一方、ブレーキが解放さ
れ且つ駆動力がない場合は従動輪となり外力に応じて従
動回転する。
平らな床面で移動するには、駆動輪2a,2b及び補助輪
4,6,8,10が床面に接地しつつ回転して移動する。また階
段20や大きな凹部等で移動するには、脚3,5,7,9によ
り、ほふく移動が行なわれる。ほふく移動とは、ロボッ
ト本体1が一旦地面に接地した状態で各脚3,5,7,9を移
動させた後、本体1を各脚3,5,7,9で支えつつ持ち上げ
て移動するような動きをいう。
第5図は左側の前脚7の補助輪8の部分を示してい
る。同図に示すように、補助輪駆動装置カバー11には、
超音波発信子13及び超音波受信子14でなる超音波距離セ
ンサ12が取り付けられており、この超音波距離センサ12
により移動対象物(床面や階段面)との距離を検出する
ことができる。また、補助輪8の軸受部分には、ひずみ
ゲージ型の接地センサが内臓されており、補助輪8にか
かるラジアル方向の力によって脚7の接地を検出するこ
とができる。他の脚3,5,9にも、それぞれ超音波距離セ
ンサ及び接地センサが備えられている。更に駆動輪2a,2
bにも接地センサが備えられている。
第6図は上述した脚車輪形移動ロボットが階段昇りを
しているときの一例を示しており、第7図はさらに、右
側の前脚7の先端の補助輪8の動きを取り出して示して
いる。補助輪の動きとしては、(i)持ち上げ、(ii)
水平前方へ移動、(iii)接地、という3動作がある。
なお、座標系としては、ロボット本体1の中心下部を原
点とし、上方にy軸、前方にx軸をとっている。
次に、ほふく移動によりロボット本体1を接地させた
ときに、脚の先端(補助輪)を移動させる2つの指令方
法、即ち増分による指令方法と座標による指令方法を説
明するとともにその問題点を述べる。
まず、増分による指令方法でセンサにより補正を行い
ながら移動する場合を説明する。右側の前脚(No.3の
脚)7を第7図に示すように動作させるため、増分によ
り指令する場合には、第8図に示すように動作させる。
(i) まず最初の位置(3x0,3y0)から(Δ3x0
3y0)だけ上方移動する動作指令を出して脚7を持ち上
げると位置(3x1,3y1)=(3x0+Δ3x0,3y0+Δ3y0)に
達する(第8図(a)参照)。
(ii) 位置(3x1,3y1)から(Δ3x13y1)だけ前方
移動する動作指令を出して前方へ移動させる。このとき
補助車(脚先)8と階段側面との距離が設定値Ldとなる
ように距離センサ(超音波センサ)の検出信号を利用し
て移動距離をδ3xd1だけ位置補正する。このため補助輪
は位置(3x2,3y2)=(3x1+Δ3x1+δ3xd1,3y1+Δ
3y1)に達する(第8図(b)参照)。
(iii) 位置(3x2,3y2)から(Δ3x23y2)だけ下
方移動する動作指令を出して下方へ移動させる。このと
き補助輪8が階段にしっかりと接地するように接地セン
サの検出信号を利用して移動距離をδ3yt2だけ位置補正
する。このため補助輪8は位置(3x3,3y3)=(3x2+Δ
3x2,3y2+Δ3y2+δ3yt2)に達する(第8図(c)参
照)。
同様にして他の3つの脚3,5,9をそれぞれ動かして1
段上に上げて第6図に示す状態になったら、脚3,5,7,9
でロボット本体1を支えつつ持ち上げて前方へ動かし、
1つ上の階段上に降ろすときには駆動輪2a,2bの接地セ
ンサで接地を確認して位置補正しながら降ろす。
上述した脚3,5,7,9の移動と本体1の移動を繰り返す
ことにより、階段の形状やロボット制御に多少誤差があ
っても、階段移動ができる。
ところで階段が数段であれば問題はないが、このよう
な動作を繰り返す場合、例えば数十段の階段では問題が
生ずることがある。第9図にその例を示す。第9図
(a)に示すように1段目はセンサで補正して安全に移
動する。ところが、階段の誤差がランダムではなく、あ
る傾向がある場合、例えば奥行きLが全段に渡って大き
い場合は問題が生ずる。第9図(a)の状態では駆動輪
2a,2bが階段上のaの位置にあるが、第9図(b)に示
すようにi段目ではその誤差が段数分だけ累積されて
a′の位置となる。さらに昇って行き、第9図(c)に
示すように誤差が累積されて駆動輪位置がa″になる
と、ロボットは逆に階段20から落下してしまうことにな
る。誤差5mmの階段でも、20段昇るとその累積誤差は100
mmにもなる。
次に座標による指令方法の一例を、第10図を基に説明
する。動作順番は、第8図に示した増分による指令方法
と同様であるが、この座標による指令方法では動作の量
がΔx,Δyで与えられるのではなく、次の目標である脚
先位置が座標値として与えられる。このことを右側の前
脚(No.3の脚)7について説明する。
(i) まず脚先を初期位置(3x0,3y0)から位置
3x1,3y1)にまで持ち上げる(第10図(a)参照)。
(ii) 次に距離センサで位置を補正しながら補助輪8
(脚先)を位置(3x2+δ3xd1,3y2)に移動する(第10
図(b)参照)。δ3xd1は距離センサの検出データから
得られた補正量である。
(iii) 接地センサで接地を確認して補助輪8を位置
3x3+δ3xd1,3y3+δ3yt2)へ移動する(第10図
(c)参照)。δ3yt2は接地センサの検出データから得
られた補正量である。
同様にして他の脚3,5,9をそれぞれ動かして1段上に
上げて第6図に示す状態にする。このとき各脚3,5,7,9
の脚先の座標位置は次のようになっている。なおδの付
いた項はセンサによる補正項である。
No.1脚3 (1x3+δ1xd1,1y3+δ1yt2) No.2脚5 (2x3+δ2xd1,2y3+δ2yt2) No.3脚7 (3x3+δ3xd1,3y3+δ3yt2) No.4脚9 (4x3+δ4xd1,4y3+δ4yt2) 第6図に示す状態になったら、脚3,5,7,9でロボット
本体1を支えつつ持ち上げて前方へ動かし、1つ上の階
段上に降ろす。降ろすときには駆動輪2a,2bの接地セン
サで接地を確認しながら降ろす。
その後再び各脚3,5,7,9を前回の段よりも1段上に上
げると、その座標位置は次のようになる。
No.1脚3 (1x6+δ1xd1,1y6+δ1yt2+δ1yt5) No.2脚5 (2x6+δ2xd1,2y6+δ2yt2+δ2yt5) No.3脚7 (3x6+δ3xd1,3y6+δ3yt2+δ3yt5) No.4脚9 (4x6+δ4xd1,4y6+δ4yt2+δ4yt5) そうすると第6図の状態よりも全体が1段上になり、
前回と同様にしてロボット本体を持ち上げる。
この座標による指令方法の概略フローを第11図に示
す。
上述した座標による指令方法によれば誤差が累積する
し、今までのセンサ補正量が常に出て来るため、指令値
の計算が面倒になってくる。そして、第12図に示すよう
に、不適当なところでこれらの補正量をクリアしてしま
うと、その補正量だけ脚が不要な動きをしてロボットの
転倒や不安定な動きを生じさせる恐れがある。つまり補
正量をクリアすると、第12図(a)に示すロボット本体
の移動が完了した状態から、第12図(b)に示すように
脚を動作しようとすると、脚が階段に衝突したりしてし
まう。
このように、あらかじめ与えられたデータに基づいて
移動する脚形ロボットの動作にセンサ補正を行なうこと
は、誤差が累積したり、指令の与え方が複雑になったり
する。
本発明は、上記従来技術に鑑み、安定したほふく移動
をさせる脚形移動ロボットのほふく移動制御を提供する
ものである。
<課題を解決するための手段> 上記課題を解決するため本発明方法では、遊脚動作は
増分で指令を与え、立脚動作は座標で指令を与えるよう
にした。
本発明によれば、誤差の累積を防ぎながらセンサ補正
をスムーズ且つ簡単なアルゴリズムで実現することがで
きる。
<作用> 本発明方法では、遊脚動作を、増分により指令してセ
ンサ補正を行ないながら実施する。次にロボット本体の
移動は、あらかじめ与えられた座標による指令と、その
センサ補正で行なう。この動作により、今までの誤差の
累積を防止し、なおかつすべてを座標で与えた時のよう
な複雑な式が不要になる。立脚動作でロボット本体を動
かした後は再び増分による指令で脚を動かす。このよう
にして容易に動かすことができる。
<実 施 例> 以下に本発明によるほふく移動制御方法を説明する。
制御対象となるロボットとしては、第3図及び第4図に
示す脚車輪形移動ロボットを例として説明する。第3図
及び第4図に示す移動ロボットの制御系を、第13図に示
す。第13図に示すようにキーボード、スイッチ等の操作
器Aから、階段の昇降、段差乗り越え等の動作の指示が
入力される。動作の指示に従って主制御装置Bが動作脚
の選択、動作方向の指令を出す。この主制御装置Bには
移動環境の三次元データ(地図)が与えられている。前
記指令を受けて、軌道発生器Cが脚関節の角度、速度の
指令を作成してサーボ装置Dを通してロボットFを動か
す。
次に階段昇りの動作を第1図を基に説明する。第1図
(a)は動作開始の姿勢で、本体1が接地している段の
上の段に前脚3,7が接地し、本体1の2段下の段に後脚
5,9が接地している。第1図(b)は、左前脚3を1段
上に移動させたところである。第1図(c)は左後脚5
を1段移動させ、第1図(d)は右後脚9を1段上げ、
第1図(e)は右前脚7を1段移動させたところであ
る。第1図(e)の状態で4脚3,5,7,9すべてが第1図
(a)に比較して1段上に接地しており、次に本体1を
1段上に移動させると第1図(f)の形となる。こうし
て一段上の段に移動ができ、この移動を繰り返すことで
階段20を昇り、逆の動作をすれば、降りることができ
る。
第14図は各脚3,5,7,9とロボット本体1との動作順序
を時間の経過に沿い示したものである。このような、ほ
ふく移動において、ロボット本体1を接地させた状態で
脚3,5,7,9を移動させることを遊脚動作と称し、脚3,5,
7,9を接地させた状態でロボット本体1を各脚3,5,7,9で
支えつつ持ち上げて移動させることを立脚動作と称す
る。
本発明方法では、遊脚動作は増分による指令で動作
し、立脚動作は座標による指令で動作する。
まず遊脚動作について説明する。初期状態を第1図
(a)とすると、各脚の座標は次のようになっている。
No.1脚3 (1x0,1y0) No.2脚5 (2x0,2y0) No.3脚7 (3x0,3y0) No.4脚9 (4x0,4y0) 次に第1図(b)〜(e)に示すように、脚3,脚5,脚
9,脚7の順で遊脚動作が行なわれて1段上にあがる。こ
の遊脚動作は、次のようにして行なわれる。
No.1の脚3は(1x0,1y0)の位置から上方に(Δ
1x01y0)持ち上げられる。この持ち上げ位置を
1x1,1y1)とする。続いて階段20の側面との距離が設
定距離となるように距離センサでδ1xd1だけ水平方向の
位置補正をしつつ前記位置(1x1,1y1)から水平方向に
(Δ1x1+δ1xd11y1)だけ水平移動する。水平移動
した位置を(1x2,1y2)とする。次に(1x2,1y2)を原点
として下方に(Δ1x21y2)だけ移動するとともに接
地センサでδ1yt2だけ上下方向の位置補正する。このよ
うにしてNo.1の脚3が1段上の階段面に接地した位置を
1x3,1y3)とすると、この位置は距離センサで補正し
たδ1xd1と接地センサで補正したδ1yt2を含む。よって
接地位置(1x3,1y3)=(1x2,1y2+δ1yt2)は、理想的
な位置からδ1xd11yt2だけずれてしまう。
No.2の脚5は(2x0,2y0)の位置から上方に(Δ
2x02y0)持ち上げられる。この持ち上げ位置を
2x1,2y1)とする。続いて階段20の側面との距離が設
定距離となるように距離センサでδ2xd1だけ水平方向の
位置補正をしつつ前記位置(2x1,2y1)から水平方向に
(Δ2x1+δ2xd12y1)だけ水平移動する。水平移動
した位置を(2x2,2y2)とする。次に(2x2,2y2)を原点
として下方に(Δ2x22y2)だけ移動するとともに接
地センサでδ2yt2だけ上下方向の位置補正する。このよ
うにしてNo.2の脚5が1段上の階段面に接地した位置を
2x3,2y3)とすると、この位置は距離センサで補正し
たδ2xd1と接地センサで補正したδ2yt2を含む。よって
接地位置(2x3,2y3)=(2x2,2y2+δ2yt2)は、理想的
な位置からδ2xd12yt2だけずれてしまう。
No.4の脚9は(4x0,4y0)の位置から上方に(Δ
4x04y0)持ち上げられる。この持ち上げ位置を
4x1,4y1)とする。続いて階段20の側面との距離が設
定距離となるように距離センサでδ4xd1だけ水平方向の
位置補正をしつつ前記位置(4x1,4y1)から水平方向に
(Δ4x1+δ4xd14y1)だけ水平移動する。水平移動
した位置を(4x2,4y2)とする。次に(4x2,4y2)を原点
として下方に(Δ4x24y2)だけ移動するとともに接
地センサでδ4yt2だけ上下方向の位置補正する。このよ
うにしてNo.4の脚9が1段上の階段面に接地した位置を
4x3,4y3)とすると、この位置は距離センサで補正し
たδ4xd1と接地センサで補正したδ4yt2を含む。よって
接地位置(4x3,4y3)=(4x2,4y2+δ4yt2)は、理想的
な位置からδ4xd14yt2だけずれてしまう。
No.3の脚5は(3x0,3y0)の位置から上方に(Δ
3x03y0)持ち上げられる。この持ち上げ位置を
3x1,3y1)とする。続いて階段20の側面との距離が設
定距離となるように距離センサでδ3xd1だけ水平方向の
位置補正をしつつ前記位置(3x1,3y1)から水平方向に
(Δ3x1+δ3xd13y1)だけ水平移動する。水平移動
した位置を(3x2,3y2)とする。次に(3x2,3y2)を原点
として下方に(Δ3x23y2)だけ移動するとともに接
地センサでδ3yt2だけ上下方向の位置補正をする。この
ようにしてNo.3の脚5が1段上の階段面に接地した位置
を(3x3,3y3)とすると、この位置は距離センサで補正
したδ3xd1と接地センサで補正したδ3yt2を含む。よっ
て接地位置(3x3,3y3)=(3x2,3y2+δ3yt2)は、理想
的な位置からδ3xd13yt2だけずれてしまう。
このようにして遊脚動作をして第1図(e)の状態に
なると、各脚3,5,7,9の先端位置は理想位置からはずれ
てしまう。しかし、このずれは次の立脚動作でクリアさ
れる。
立脚動作、つまり脚3,5,7,9でロボット本体1を持ち
上げて第1図(e)の状態から第1図(f)の状態にす
るときには、座標による指令により動作する。このため
各脚3,5,7,9の位置(1x3,1y3)(2x3,2y3)(3x3,3y3
4x3,4y3)は理想的な位置にあるものとしてロボット
本体1を持ち上げる。これにより今まで累積された誤差
はすべてクリアされることになる。ロボット本体1を持
ち上げた後、ロボット本体1を水平移動し、接地する時
には再び駆動輪2a,2bの接地センサでδ1yt52yt53
yt54yt5だけ補正される。この値は次のロボット本体
1の持ち上げの立脚動作時にはクリアされる。
立脚動作はロボット本体1が上昇移動、水平移動
降下移動することにより行なわれる。したがって各脚
先端の座標は次のようになる。
(イ) 初期位置(第1図(e))のとき。
No.1脚3 (1x3,1y3) No.2脚5 (2x3,2y3) No.3脚7 (3x3,3y3) No.4脚9 (4x3,4y3) (ロ) 上昇したとき。このとき累積誤差がクリアされ
る。
No.1脚 (1x4,1y4) No.2脚 (2x4,2y4) No.3脚 (3x4,3y4) No.4脚 (4x4,4y4) (ハ) 水平移動したとき。
No.1脚3 (1x5,1y5) No.2脚5 (2x5,2y5) No.3脚7 (3x5,3y5) No.4脚9 (4x5,4y5) (ニ) 接地したとき(第1図(f))のとき。
No.1脚3 (1x6,1y6+δ1yt5) No.2脚5 (2x6,2y6+δ2yt5) No.3脚7 (3x6,3y6+δ3yt5) No.4脚9 (4x6,4y6+δ4yt5) 第2図は本発明方法を示す概略フローである。
このようにして本発明による制御方法を行なうことに
よって誤差の補正をセンサで行ないながら、その累積を
考慮することなく、特別な誤差クリア指令も行なわずに
脚形ロボットの制御を行なうことが可能となる。
この方法は、未知の環境を移動する場合や、センサに
よる補正量がきわめて大きい場合は不適当である。なぜ
ならば、増分による指令から、ロボット本体移動のため
の座標による指令に移行する時に、センサで補正した誤
差がクリアされるため、それが大きければ脚が不要な動
きをする。しかし、本発明のロボットでは移動環境の3
次元的地図データが与えられているためセンサの補正量
は比較的小さく、移動に支障がない。
<発明の効果> 以上実施例とともに具体的に説明したように本発明に
よれば遊脚動作は増分により移動指令を与え、立脚動作
は座標で指令を与えるようにしたので、立脚動作時にお
いてセンサ補正の累積誤差をクリアできる。よって、ほ
ふく移動時の誤差をセンサで補正しつつセンサ補正誤差
の累積を防ぐことができ、容易かつ確実に脚形ロボット
のほふく移動を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はほふく移動により階段を昇るロボットの状態を
示す説明図、第2図は本発明方法を示す概略フロー図、
第3図及び第4図は脚車輪形移動ロボットを示す斜視
図、第5図はロボットの脚先部を示す斜視図、第6図は
階段昇りの一態様を示す説明図、第7図は補助輪の移動
状態を示す説明図、第8図は増分による指令方法を示す
説明図、第9図は増分指令方法による問題を示す説明
図、第10図は座標による指令方法を示す説明図、第11図
は座標による指令方法を示す概略フロー図、第12図は座
標指令方法による問題を示す説明図、第13図はロボット
の制御系を示すブロック図、第14図はロボットがほふく
移動する状態を示す説明図である。 図面中、 1はロボット本体、 2a,2bは駆動輪、 3,7は前脚、 5,9は後脚、 4,6,8,10は補助輪、 12は超音波距離センサ、 20は階段である。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−241781(JP,A) 特開 昭64−78987(JP,A) 実開 平1−66992(JP,U)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ロボット本体に、多関節形の複数の脚が備
    えられるとともに、前記ロボット本体にはこのロボット
    本体が接地したことを検知する接地センサが設けられ、
    前記脚にはこの脚が接地したことを検知する接地センサ
    及び移動環境と脚先との距離を検知する距離センサが設
    けられている脚形移動ロボットであって、 ロボット本体が接地した状態で各脚が移動する遊脚動作
    と、各脚が接地した状態で各脚がロボット本体を支えつ
    つ持ち上げて移動する立脚動作と、を繰り返すことによ
    りほふく移動させるように、予め与えられた三次元地図
    データを基に各脚を移動させるとともに、前記接地セン
    サ及び距離センサによる検出データを基に脚の位置誤差
    を微小補正するほふく移動制御方法において、 遊脚動作は、各脚の座標位置を基準にして所要の値だけ
    各脚を移動させるよう指令する増分による指令で移動指
    令を与え、 立脚動作は、各脚をその位置から次の目標位置の座標に
    向い移動させるよう指令する座標による指令で移動指令
    を与えることを特徴とする脚形移動ロボットのほふく移
    動制御方法。
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