JP3662996B2 - 脚式移動ロボットの歩行制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は脚式移動ロボットの歩行制御装置に関し、より詳しくは階段を安定した歩容で昇降できるようにしたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、脚式移動ロボットが種々提案され、人と共通な環境で作業することを期待されている。その作業環境には階段も予定されるが、階段は着地位置が限定されるため、脚式移動ロボット、特に２足歩行の脚式移動ロボットにとって安定した歩容で歩行することは困難である。
【０００３】
脚式移動ロボットが階段を昇降する際の歩行制御に関しては、本出願人も特開平５−３１８３４２号、あるいは特開平６−６３８７６号で提案している。例えば、特開平６−６３８７６号公報においては、階段を昇降するときに着地位置の誤差の集積が許容範囲を超えないように歩行制御する技術を提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
人が階段を降りる場合を考えると、つま先から着地すると共に、足のかかとを着地直前の支持脚についても離床直前の次に遊脚となる足についても上げている。このような歩容をとることによって、人は着地するときの衝撃を吸収し、関節負荷の小さい、楽な姿勢で階段を降りることができる。試みに、かかとから着地するように階段を降りてみれば、大きな着地衝撃を受けて歩き難いことを容易に体験できよう。
【０００５】
２足歩行ロボットは人と同じ環境で作業することを期待されているが、実用的な２足歩行ロボットの大きさを考えると、その足平は人の足平より長くなることが予想される。２足歩行ロボットの足平が、人を基準に設計されている階段の奥行き（階段面の前後方向長さ）より長いか、同等であるとき、上に述べたような人と同じ歩容をとると、着地位置が後ろにずれると上の段と干渉し、前にずれると踏み外す恐れがある。
【０００６】
即ち、このような場合には着地位置のずれに対する余裕が殆どないが、脚式移動ロボットの歩行制御で階段を昇降するときなどは着地位置のずれは必然的に生じる。
【０００７】
従って、この発明の目的は、上記した課題を解決し、脚式移動ロボット、特に２足歩行ロボットが階段の奥行きよりも長い足平を持つような場合でも安定した歩容で階段を降りることを可能とする脚式移動ロボットの歩行制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１項にあっては、少なくとも上体と、前記上体に関節を介して連結される２本の脚部リンクとを備え、前記２本の脚部リンクがそれぞれ関節を介して回転自在に連結される足部を先端に有してなると共に、階段を昇降自在に構成されてなる脚式移動ロボットの歩行制御装置において、前記足部の先端部を前記階段のエッジから突出させつつ遊脚を着地させて階段を降りるとき、前記足部のかかと部から着地させるように歩行制御する如く構成した。
【０００９】
【作用】
脚式移動ロボットが階段の奥行きよりも長い足平を持つような場合でも安定した歩容で階段を降りることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る脚式移動ロボットの歩行制御装置の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００１１】
図１はそのロボット１を全体的に示す説明スケルトン図であり、左右それぞれの脚部リンク２に６個の関節を備える（理解の便宜のために各関節をそれを駆動する電動モータで示す）。
【００１２】
６個の関節は上から順に、股の脚部回旋用の関節１０Ｒ，１０Ｌ（右側をＲ、左側をＬとする。以下同じ）、股のロール方向（ｙ軸まわり。矢状面sagittal plane内の運動）の関節１２Ｒ，１２Ｌ、同ピッチ方向（ｘ軸まわり。左右面frontal plane 内の運動）の関節１４Ｒ，１４Ｌ、膝部のロール方向の関節１６Ｒ，１６Ｌ、足部のロール方向の関節１８Ｒ，１８Ｌ、同ピッチ方向の関節２０Ｒ，２０Ｌから構成される。
【００１３】
足部には足平２２Ｒ，２２Ｌが取着されると共に、最上位には上体（基体）２４が設けられ、その内部に後述するマイクロコンピュータからなる制御ユニット２６などが格納される。
【００１４】
上記において股関節は関節１０Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）から、足関節は関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）から構成される。また股関節と膝関節とは大腿リンク２８Ｒ，２８Ｌ、膝関節と足関節とは下腿リンク３０Ｒ，３０Ｌで連結される。
【００１５】
上記の構成により、脚部リンク２は左右の足についてそれぞれ６つの自由度を与えられ、歩行中にこれらの６×２＝１２個の関節を適宜な角度で駆動することで、足全体に所望の動きを与えることができ、任意に３次元空間を歩行する。
【００１６】
図２は足部の断面図（矢状面で切断）である。前記した足関節１８を駆動する電動モータ（図２で図示省略）の出力はハーモニック減速機（商品名。図２で図示省略）の入力端に入力され、周知の如く適宜な倍率で減速して増力され、下腿リンク３０に取着される固定部材３２とその下部の回転部材３４とを軸線３６（足関節１８Ｒ（Ｌ）の軸線に同じ）を中心として歩行進行方向（sagittal plane内）に相対回転（回動）させ、足平２２Ｒ（Ｌ）をその方向に傾動させる。
【００１７】
その軸線３６と直交する位置には、前記した足関節２０を駆動する電動モータ２０Ｍが配置され、その出力は第２のハーモニック減速機４０に入力され、前記固定部材３２と回転部材３４とを第２の軸線４２（足関節２０Ｒ（Ｌ）の軸線に同じ）を中心として進行方向に直交する左右方向（frontal plane 内）に相対回転させ、足平２２Ｒ（Ｌ）をその方向に傾動させる。
【００１８】
尚、足関節を含む上記したロボットの構成の詳細は本出願人が先に提案した出願（特開平３−１８４，７８２号）などに述べられているので、これ以上の説明は省略する。
【００１９】
回転部材３４の下方には公知の６軸力センサ４４が取着され、力の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚとモーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとを測定し、足部の着地の有無ないしは接地荷重などを検出する。６軸力センサ４４の下部には、前記した足平２２Ｒ（Ｌ）を構成する、平板状のフレーム４６が固定される。フレーム４６の下面（足底）は大略平坦に形成され、つま先部４６ａとかかと部４６ｂには、着地時の衝撃を吸収する弾性体５０，５２が張りつけられる。
【００２０】
また、図１に示すロボットにおいて、上体２４には傾斜センサ６０が設置され、左右面内のｚ軸（重力方向）に対する傾きとその角速度、同様に矢状面内のｚ軸に対する傾きとその角速度を検出する。また各関節の電動モータには、その回転量を検出するロータリエンコーダが設けられる。
【００２１】
また、足平２２Ｒ（Ｌ）の裏面には非接触型の反射式光センサが装着され、着地位置を検出するが（図１および図２で図示省略）、それについて後述する。
【００２２】
更に、図１で図示を省略するが、ロボット１の適宜な位置には傾斜センサ６０の出力を補正するための原点スイッチ６２と、フェール対策用のリミットスイッチ６４が設けられる。これらの出力は前記した上体２４内の制御ユニット２６に送られる。
【００２３】
図３は制御ユニット２６の詳細を示すブロック図であり、制御ユニット２６はマイクロ・コンピュータから構成される。そこにおいて傾斜センサ６０などの出力はＡ／Ｄ変換器７０でデジタル値に変換され、その出力はバス７２を介してＲＡＭ７４に送られる。また各電動モータに隣接して配置されるエンコーダの出力はカウンタ７６を介してＲＡＭ７４内に入力されると共に、原点スイッチなどの出力は波形整形回路７８を経て同様にＲＡＭ７４内に格納される。
【００２４】
制御ユニット２６内にはＣＰＵからなる第１、第２の演算装置８０，８２が設けられており、第１の演算装置８０は後述の如く生成されＲＯＭ８４に格納されている歩容パラメータを読み出して目標関節角度を算出し、ＲＡＭ７４に送出する。また第２の演算装置８２は後述の如くＲＡＭ７４からその目標値と検出された実測値とを読み出し、各関節の駆動に必要な制御値を算出してＤ／Ａ変換器８６とサーボアンプを介して各関節を駆動する電動モータに出力する。
【００２５】
ここで、図４および図５を参照して先に触れた光センサについて説明すると、光センサ９０は検出部９０ａとセンサ本体９０ｂとから構成されると共に、検出部９０ａは足平２２Ｒ（Ｌ）の両側にそれぞれ５個づつ１列にアレイ状に配置し、発光部から床面に発せられた光の反射光量を検出する。
【００２６】
検出部９０ａは光ファイバケーブル９２でセンサ本体９０ｂと接続され、光ファイバ９２を介して光信号（反射光）が伝達される。センサ本体９０ｂは、下腿リンク３０Ｒ（Ｌ）の内部に収納され、光信号を電気信号（デジタル）に変換する。
【００２７】
更に、左右の下腿リンク３０Ｒ（Ｌ）の内部にはそれぞれ、センサ本体群の付近にＤ／Ａ変換器９４を１個配置し、計１０個の検出部出力を５個分づつ１つのアナログ信号に変換し、多芯ケーブル９６を介して制御ユニット２６内のＡ／Ｄ変換器７０に送出し、そこでアナログ信号を数値処理可能なデジタル信号に変換する。
【００２８】
前記した第１の演算装置８０はバス７２を介してＡ／Ｄ変換器７０から必要なデータを読み出し、適当な処理を行って足平２２Ｒ（Ｌ）の外側、内側それぞれ５個、左右の脚部を合わせて合計２０個の検出部９０ａの出力状態（オン／オフ）を検知する。
【００２９】
ここで、各列５個の検出部９０ａの中心間の間隔は、５ｍｍとする。尚、足平２２Ｒ（Ｌ）の幅は、図６に示すように、２００ｍｍとする。片側の５個のセンサアレイで検出できる範囲を考えると、全部のセンサがオンまたはオフの状態では相対位置が分からないので、例えば階段１００などエッジを検出する場合には同図に示す如く、全ての出力がオンまたはオフであると検出できないため、オンの数が１〜４個に対応する１５ｍｍの範囲となる。
【００３０】
検出範囲が１５ｍｍとすると、ロボット１の階段１００に対する相対位置誤差はそれ以下にしなければならないが、実際問題として検出範囲が１５ｍｍでは小さすぎることから、ランドマーカ８０を利用して検出範囲を拡大する。即ち、図７に示すように、ランドマーカ８０の幅をセンサアレイの幅とほぼ等しい値とし（図面では理解の便宜のため誇張して示す）、検出範囲の幅を±２０ｍｍ（４０ｍｍ）と２倍以上に拡大する。
【００３１】
ランドマーカ８０は黒色ペイントなど光を良く吸収する塗料で描いた直線からなる所定幅の面領域で構成する。また、階段１００の面は白色など光を反射するように彩色される。光センサ９０の出力状態は、検出部９０ａに反射光があるときをオンとなるように構成するので、ランドマーカ８０上にあるとき、および離床しているときオフとなり、階段１００の面に接触するときオンとなる。
【００３２】
次いで、図８を参照してこの発明に係る脚式移動ロボットの歩行制御装置の動作を階段を昇降する場合を例にとって説明する。
【００３３】
まず、Ｓ１０で装置各部をイニシャライズしてＳ１２に進み、そこで歩容パラメータを前記したＲＯＭ８４からロードする。ここで、ロボットの歩容は力学的（動的な）安定条件を考慮して予め設計され、歩容パラメータとしてＲＯＭ８４に記憶されているものとする。
【００３４】
この歩容パラメータは、上体の位置と姿勢、および着地位置を含む両足平の軌跡などで表現されるが、以下これについて先に述べた階段昇降に関して詳述する。
【００３５】
初めに、図９を参照して着地位置について説明する。同図に示す如く、足平２２Ｒ（Ｌ）の水平面の長さｌｆは、階段１００の奥行き（前後方向長さ）ｌｓよりもわずかに短いものとする。
【００３６】
ここで、つま先部から着地させるとすると、Ｘの位置に着地させれば幾何学的な関係から見て問題はなく、力学的にも安定に歩行することができる。しかし、誤差ｄ（ロボット１の階段１００に対する相対位置の）が発生し、着地位置がＹ（後方）にずれると、かかと部４６ｂは一段上の段に接触してしまい、Ｚ（前方）にずれるときには階段を踏み外してしまう。更に、足平Ｒ（Ｌ）の水平面の長さｌｆが階段の奥行きｌｓよりも長くなると、幾何学的な関係から見て着地できない。
【００３７】
そこで、この発明に係る装置においては、歩行パラメータの中の足平の軌跡は、以下のように設定する。
１．遊脚の足平２２Ｒ（Ｌ）は、階段１００の面にかかと部４６ｂから着地する。あるいは少なくとも実質的に水平に着地する。換言すれば、つま先部４６ａから着地しない。
２．片足支持期間中、支持脚足平は階段面に面接触し続けるか、少なくとも３点以上で点接触し続ける。換言すれば、その間は支持脚足平をｙ軸回り（軸線３６回り。）に回転させない、即ち、かかと部４６を上げないようにする。
３．両足支持期間中も同様とする。即ち、次に遊脚となる脚部の足平が離床するまで、支持脚足平は階段面に面接触させたままとするか、少なくとも３点以上で点接触させ続け、支持脚足平をｙ軸回り（軸線３６回り）に回転させない。
【００３８】
尚、上記で『面接触』ないし『３点以上で点接触』とは、ロボット１の姿勢が不安定になったときに、姿勢を回復するに十分な床反力を起こすに足りるように、足平が階段に支持されることを意味する。また『実質的に水平に着地』とは少なくともつま先部からではない着地を意味する。
【００３９】
図１０ないし図１２に上記を示す（図１０は片足支持期を、図１１は着地の瞬間を、図１２は離床の瞬間を示す）。また、図１３に次に遊脚となる脚部の足平の軌跡を示す。
【００４０】
図示の如く、遊脚となる側の足平は階段１００の面アを垂直に（上の段と干渉しないように）上昇させられた後、上記１に述べるように、かかと部４６ｂから、支持脚足平が着地されている階段面イの次の段ロに着地させられる。このとき、想像線で示す如く、足裏の平坦面が実質的に水平に（階段面と平行するように）着地させても良い。
【００４１】
このような足平の軌跡を上体の位置、姿勢も含めて歩容パラメータとして予め設定し、制御ユニット２６のＲＯＭ８４中に格納しておく。また、かかる歩容パラメータはＺＭＰの軌跡を満足するように設定する。尚、ＺＭＰ（Zero Moment Point ）は、「その点回りのピッチ軸（左右面frontal plane 内の軸）回り、およびロール軸（矢状面sagittal plane内の軸）回りのモーメントが零となる任意の点で、歩行のあらゆる瞬間において足底接地点と路面とが形成する支持多角形の辺上あるいはその内側にある点」を意味する。
【００４２】
上記を図１４を参照して敷衍すると、前記した第１の特徴より、ロボットの遊脚はかかと部４６ｂ側から着地するので、幾何学的に考えると、Ａの位置にもＢの位置に着地することができる（足平の水平面の長さｌｆは階段の奥行きｌｓよりもわずかに短いものとする）。
【００４３】
従って、かかと部４６ｂが着地できる範囲は、ａ（＝奥行きｌｓ）となる。しかし、Ｂの位置のように、足平が前方に大きくはみ出すと、次の片足支持期に安定に歩行することができなくなるので、必要な接地面積ｂを確保しつつ、Ｃより後方、即ち、ｃの範囲内に着地すれば、安定に歩行することができる。
【００４４】
更に、歩行中に発生する相対位置誤差のために、安定に歩行するのに必要な接地面積ｂを確保することができなければならず、尚且つ、上の段に干渉しないようしなければならない。
【００４５】
そこで、相対位置誤差の最大許容量ｄの分だけ余裕を見て、着地位置をＤ〜Ｅの間、即ち、ｅの範囲内に着地するようにすれば、相対位置誤差が発生しても接地面積ｂを確保することができ、上の段に干渉することもない。換言すれば、着地可能な範囲に余裕をもって安定に歩行させることができ、ｅが零になるまで安定に歩行し続けることができる。
【００４６】
次に前記した第２および第３の特徴の意味について述べる。
【００４７】
図１０ないし図１２に示したように、片足支持期間中の支持脚と、両足支持期間中の、次に遊脚となる脚部の足平が回転（ｙ軸回りに）しない歩容とすれば、図１５および図１６に示すように着地位置が前後方向に多少ずれたとしても、足平が階段から離れたり、干渉するという問題を生じないので、相対位置誤差を許容することができる（図１５は着地の瞬間を、図１６は離床の瞬間を示す）。
【００４８】
即ち、上記した第２の特徴によらない歩容で歩行したと仮定すると、着地直前では支持脚足平が回転して図１７ないし図１９に示す姿勢となる。このときの問題点の一つは支持脚が線接触（２点で接触）状態となるため、転倒しそうになったときに足平で踏み止めることができない。そのため、歩行安定性を高めようとすると、動的な安定問題を解かなかればならず、高性能の演算装置（コンピュータ）が必要となる。
【００４９】
更に、階段歩行では着地位置に強い制約があるので、着地位置を修正することで歩行安定化を図るような歩行制御も制約されてしまう。図１７などでは足平先端が階段からはみ出しているために、階段のエッジが回転中心（力の作用点）となっている。これは足平全体が階段面の上に乗っており、つま先が回転中心になるときも同様である。
【００５０】
問題点の二つ目は、ロボットの足平が階段のエッジからはみ出した状態で階段を降りるときの問題であり、上記した第２、第３の特徴に共に関係する。
【００５１】
上記した第３の特徴によらない歩容で階段を降りるときの離床タイミング（即ち、両足支持期の末期）を考える。図２０ないし図２２にそれを示す。
【００５２】
着地位置がずれて回転中心が、図２０に示す如く、階段面のエッジになったとする。このとき、図２１に示す如く、階段に対するロボットの相対位置が前方にずれたとすると、後ろ側の足で前に蹴る力を発生できないので、ロボットは後ろに倒れる。逆に、図２２に示す如く、相対位置が後ろにずれたときは、前に蹴る力が強くなりすぎてロボットは前に倒れる。
【００５３】
同様に、２番目の特徴によらない歩容で、着地の直前のタイミング（即ち、片足支持期の末期）を考えると、図１７に示したように支持脚足平が階段面のエッジを中心に回転すると仮定するとき、図１８に示す如く、相対位置が前方にずれると床反力作用点が後ろにずれるので、そのモーメントによってロボットは前に倒れる。
【００５４】
逆に、相対位置が図１９に示すように後ろにずれたときは床反力作用点が前にずれるので、そのモーメントによりロボットは後ろに倒れる、という問題が生じる。
【００５５】
このように、上記した第１ないし第３の特徴を持たない歩容では、ロボットの足平の水平面の長さが階段の奥行きより大きいときは、ロボットが階段を降りることが困難になると共に、階段に対するロボットの相対位置の誤差の大きさによっては、階段を降りることが不可能となる。
【００５６】
ロボットの足平の水平面の長さが階段の奥行きより大きいために階段を降りることが困難な場合を除くと、相対位置誤差については、足平と階段のエッジとの接触位置が前記した光センサ９０でリアルタイムに検出されることから、そこを回転中心とする歩容を歩行中にリアルタイムに生成する手法も考えられる。更には、足平と階段面とが線接触状態でも、ロボットの動的安定性を保つ安定化制御を行う手法も考えられる。
【００５７】
しかし、これらの手法では動的な安定問題を解き、歩容をリアルタイムに生成するための複雑なアルゴリズムや、演算装置（コンピュータ）の演算処理能力などを別に解決しなければならない。このような複雑なアルゴリズムや高性能の演算装置を必要としないこともこの発明の利点の一つである。
【００５８】
以上のように、上記した特徴を備えた足平の軌跡を歩容パラメータとして予め設定しておくことにより、階段の奥行きよりも長い足平を有するロボットにおいても階段を降りることができ、同時に階段に対するロボットの相対位置誤差を許容することができる。
【００５９】
また、階段の寸法に影響を受けることなく、足平の大きさを決定することができるため、階段以外の場所を歩行するのに有利なときは、足平の大きさを任意に大きくすることも可能となる。
【００６０】
図８の説明に戻ると、続いてＳ１４に進んでスタート信号を待機し、スタート信号が生じるとＳ１６に進んでカウンタをインクリメントし、Ｓ１８に進んで歩容修正タイミングか否か判断する。これについては後述する。
【００６１】
続いてＳ２０に進んで姿勢パラメータを計算する。これは前記した歩容パラメータの中に補間演算を必要とするものがあるため、ここでそれを求め、Ｓ１６のカウンタで指定される時刻の姿勢パラメータを計算する。
【００６２】
続いてＳ２２に進んでそれから１２個の関節の角度を計算し、Ｓ２４に進んで同期信号を待機し、同期が取れたところでＳ２６に進んで算出した関節角度を出力し、Ｓ２８に進んで歩行終了と判断されない限り、Ｓ１６に戻って同様の作業を繰り返すと共に、終了と判断されるときはＳ３０に進んでカウンタをリセットして終わる。
【００６３】
即ち、Ｓ１６のカウンタの単位時間（例えば２０ｍｓ）ごとにＳ１６からＳ２８をループする。またＳ２６で出力された関節角度に基づき、その関節角度となるように前記した第２の演算装置６２においては図２３に示すフロー・チャートのＳ１００からＳ１１０に示すステップに従ってサーボ制御が並行的に行われるが、この作業は公知であるので、説明は省略する。
【００６４】
ここで、Ｓ１８について説明すると、そこでは歩容修正タイミングであるか否か判断されるが、この制御においては離床時点を歩容修正タイミングとした。相対位置誤差を検知するタイミングを離床のときとしたのは、離床以前に相対位置誤差を検知し、目標着地位置にフィードバックすれば遊脚軌道を遊脚期間全体を使って修正できるので、急激ではなく、滑らかな変更が可能となり、歩容の安定性の低下を最小限に抑えることができると共に、時間的に最新の相対位置誤差を制御に使用できるからである。
【００６５】
そしてＳ１８で離床時と判断されるときはＳ３２に進み、足平２２Ｒ（Ｌ）に配置された光センサ９０で階段のエッジを検出し、歩容パラメータで設定されている目標着地位置と比較して階段との相対位置誤差を検知する。
【００６６】
続いてＳ３４に進み、検出した相対位置および角度のずれに応じてそれが累積しないように適当な目標歩幅修正量を決定し、続いてＳ３６に進んで歩容パラメータ中に記載されている目標着地位置を書き換える。
【００６７】
目標着地位置が更新されると、歩容は予め設計された値から、具体的には歩幅が変更される。足平２２Ｒ（Ｌ）の着地位置はｘ，ｙ，ｚ方向とそれらの軸まわりの回転で決定されるので、変更した歩幅となるように、それらの全てまたは一部が修正される。以上の手順を階段昇降中に１歩ごとに繰り返せば、相対位置誤差の累積を防止することができ、連続して何段でも昇降することができる。
【００６８】
この実施の形態は上記のように構成したので、脚式移動ロボット、特に２足歩行ロボットが階段の奥行きよりも長い足平を持つような場合でも安定した歩容で階段を降りることができる。
【００６９】
また、階段に対するロボットの相対位置誤差を許容することができ、前述したように誤差が許容範囲を超えて集積しないように歩行制御することで、連続して何段でも降りることができる。
【００７０】
また、階段の寸法に影響を受けることなく、足平の大きさを決定することができるため、足平の大きさを任意に大きくすることができる。
【００７１】
上記の如く、この実施の形態では、少なくとも上体２４と、前記上体に関節１０，１２，１４Ｒ（Ｌ）を介して連結される複数本の脚部リンク２とを備え、前記複数本の脚部リンク２がそれぞれ関節１８Ｒ（Ｌ）を介して回転自在に連結される足平２２Ｒ（Ｌ）を先端に有してなると共に、階段１００を昇降自在に構成されてなる脚式移動ロボット１の歩行制御装置において、階段を降りる際に遊脚を着地させるとき、前記足平２２Ｒ（Ｌ）のかかと部４６ｂから着地させるか、あるいは少なくとも前記足平を階段面に実質的に水平に着地させるように歩行制御する（図８のＳ１２以下）如く構成した。
【００７２】
尚、ここで『実質的に水平に着地』とは足平２２Ｒ（Ｌ）を、つま先部４６ａから着地しないことを意味する。
【００７３】
更には、前記脚式移動ロボット１が片足支持期の間は、支持脚足平が少なくとも３点以上で階段面と点接触し続けるように歩行制御する（図８のＳ１２以下）如く構成した。
【００７４】
更には、前記脚式移動ロボット１が両足支持期の間は、次に遊脚となる脚部の足平が離床するまで、その足平が少なくとも３点以上で階段面と接触し続けるように歩行制御する（図８のＳ１２以下）如く構成した。
【００７５】
尚、実施の形態では脚式移動ロボットが階段を降りるときを例にとったが、上記は脚式移動ロボットが後ろ向きのまま階段を昇るときにも同様に妥当する。
【００７６】
更に、上記において歩容パラメータを予め設定しておくようにしたが、歩行中にリアルタイムに決定するようにしても良い。
【００７７】
更に、上記において２足歩行脚式移動ロボットの例のみ示したが、上記した構成は３足以上の脚式移動ロボットにおいても原理的には妥当する。
【００７８】
【発明の効果】
脚式移動ロボットが階段の奥行きよりも長い足平を持つような場合でも安定した歩容で階段を降りることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る脚式移動ロボットの歩行制御装置を全体的に示すスケルトン図である。
【図２】図１に示す２足歩行ロボットの足部の構造を詳細に示す説明断面図である。
【図３】図１に示す２足歩行ロボットの制御ユニットの詳細を示すブロック図である。
【図４】図１に示す２足歩行ロボットに配置した光センサの構成を全体的に示す説明図である。
【図５】図４の光センサのロボットの足平での配置位置を示す足平の説明平面図である。
【図６】図４に示す光センサの階段を昇降するときの検出動作を示す説明図である。
【図７】図４に示す光センサの検出範囲と階段に設置したランドマーカとの関係を示す説明図である。
【図８】図１に示す脚式移動ロボットの歩行制御装置の動作を示すフロー・チャートである。
【図９】図１に示すロボットが階段を降りるときに、つま先部から着地した状態を示す説明図である。
【図１０】図１に示すロボットがこの発明に係る装置で設定された歩容で階段を降りるときの片足支持期の状態を示す説明図である。
【図１１】図１に示すロボットがこの発明に係る装置で設定された歩容で階段を降りるときの着地の瞬間を示す説明図である。
【図１２】図１に示すロボットがこの発明に係る装置で設定された歩容で階段を降りるときの離床の瞬間を示す説明図である。
【図１３】図１に示すロボットがこの発明に係る装置で設定された歩容で階段を降りるときの遊脚の軌跡を示す説明図である。
【図１４】図１に示すロボットがこの発明に係る装置で設定された歩容で階段を降りるときの着地範囲を示す説明図である。
【図１５】図１に示すロボットがこの発明に係る装置で設定された歩容で階段を降りるときの着地の瞬間を示す説明図である。
【図１６】図１に示すロボットがこの発明に係る装置で設定された歩容で階段を降りるときの離床の瞬間を示す説明図である。
【図１７】片足支持期間中に、図１に示すロボットの支持脚足平がかかと部を上げる歩容で階段を降りるときの着地の直前を示す説明図である。
【図１８】片足支持期間中に、図１に示すロボットの支持脚足平がかかと部を上げる歩容で階段を降りるときの着地の直前を示す、図１７と同様の説明図である。
【図１９】片足支持期間中に、図１に示すロボットの支持脚足平がかかと部を上げる歩容で階段を降りるときの着地の直前を示す、図１７と同様の説明図である。
【図２０】両足支持期間中に、図１に示すロボットが足平をｙ軸回りに回転させる歩容で階段を降りるときの離床の直前を示す説明図である。
【図２１】両足支持期間中に、図１に示すロボットが足平をｙ軸回りに回転させる歩容で階段を降りるときの離床の直前を示す、図２０と同様の説明図である。
【図２２】両足支持期間中に、図１に示すロボットが足平をｙ軸回りに回転させる歩容で階段を降りるときの離床の直前を示す、図２０と同様の説明図である。
【図２３】図８のフロー・チャートと並行的に行われる、関節角サーボ制御を示すフロー・チャートである。
【符号の説明】
１ ロボット
２ 脚部リンク
１０，１２，１４Ｒ，Ｌ 股関節
１６Ｒ，Ｌ 膝関節
１８，２０Ｒ，Ｌ 足関節
２２Ｒ，Ｌ 足平
２４ 上体
２６ 制御ユニット
４６ａ つま先部
４６ｂ かかと部
９０ 光センサ
１００ 階段
【発明の属する技術分野】
この発明は脚式移動ロボットの歩行制御装置に関し、より詳しくは階段を安定した歩容で昇降できるようにしたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、脚式移動ロボットが種々提案され、人と共通な環境で作業することを期待されている。その作業環境には階段も予定されるが、階段は着地位置が限定されるため、脚式移動ロボット、特に２足歩行の脚式移動ロボットにとって安定した歩容で歩行することは困難である。
【０００３】
脚式移動ロボットが階段を昇降する際の歩行制御に関しては、本出願人も特開平５−３１８３４２号、あるいは特開平６−６３８７６号で提案している。例えば、特開平６−６３８７６号公報においては、階段を昇降するときに着地位置の誤差の集積が許容範囲を超えないように歩行制御する技術を提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
人が階段を降りる場合を考えると、つま先から着地すると共に、足のかかとを着地直前の支持脚についても離床直前の次に遊脚となる足についても上げている。このような歩容をとることによって、人は着地するときの衝撃を吸収し、関節負荷の小さい、楽な姿勢で階段を降りることができる。試みに、かかとから着地するように階段を降りてみれば、大きな着地衝撃を受けて歩き難いことを容易に体験できよう。
【０００５】
２足歩行ロボットは人と同じ環境で作業することを期待されているが、実用的な２足歩行ロボットの大きさを考えると、その足平は人の足平より長くなることが予想される。２足歩行ロボットの足平が、人を基準に設計されている階段の奥行き（階段面の前後方向長さ）より長いか、同等であるとき、上に述べたような人と同じ歩容をとると、着地位置が後ろにずれると上の段と干渉し、前にずれると踏み外す恐れがある。
【０００６】
即ち、このような場合には着地位置のずれに対する余裕が殆どないが、脚式移動ロボットの歩行制御で階段を昇降するときなどは着地位置のずれは必然的に生じる。
【０００７】
従って、この発明の目的は、上記した課題を解決し、脚式移動ロボット、特に２足歩行ロボットが階段の奥行きよりも長い足平を持つような場合でも安定した歩容で階段を降りることを可能とする脚式移動ロボットの歩行制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１項にあっては、少なくとも上体と、前記上体に関節を介して連結される２本の脚部リンクとを備え、前記２本の脚部リンクがそれぞれ関節を介して回転自在に連結される足部を先端に有してなると共に、階段を昇降自在に構成されてなる脚式移動ロボットの歩行制御装置において、前記足部の先端部を前記階段のエッジから突出させつつ遊脚を着地させて階段を降りるとき、前記足部のかかと部から着地させるように歩行制御する如く構成した。
【０００９】
【作用】
脚式移動ロボットが階段の奥行きよりも長い足平を持つような場合でも安定した歩容で階段を降りることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る脚式移動ロボットの歩行制御装置の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００１１】
図１はそのロボット１を全体的に示す説明スケルトン図であり、左右それぞれの脚部リンク２に６個の関節を備える（理解の便宜のために各関節をそれを駆動する電動モータで示す）。
【００１２】
６個の関節は上から順に、股の脚部回旋用の関節１０Ｒ，１０Ｌ（右側をＲ、左側をＬとする。以下同じ）、股のロール方向（ｙ軸まわり。矢状面sagittal plane内の運動）の関節１２Ｒ，１２Ｌ、同ピッチ方向（ｘ軸まわり。左右面frontal plane 内の運動）の関節１４Ｒ，１４Ｌ、膝部のロール方向の関節１６Ｒ，１６Ｌ、足部のロール方向の関節１８Ｒ，１８Ｌ、同ピッチ方向の関節２０Ｒ，２０Ｌから構成される。
【００１３】
足部には足平２２Ｒ，２２Ｌが取着されると共に、最上位には上体（基体）２４が設けられ、その内部に後述するマイクロコンピュータからなる制御ユニット２６などが格納される。
【００１４】
上記において股関節は関節１０Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）から、足関節は関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）から構成される。また股関節と膝関節とは大腿リンク２８Ｒ，２８Ｌ、膝関節と足関節とは下腿リンク３０Ｒ，３０Ｌで連結される。
【００１５】
上記の構成により、脚部リンク２は左右の足についてそれぞれ６つの自由度を与えられ、歩行中にこれらの６×２＝１２個の関節を適宜な角度で駆動することで、足全体に所望の動きを与えることができ、任意に３次元空間を歩行する。
【００１６】
図２は足部の断面図（矢状面で切断）である。前記した足関節１８を駆動する電動モータ（図２で図示省略）の出力はハーモニック減速機（商品名。図２で図示省略）の入力端に入力され、周知の如く適宜な倍率で減速して増力され、下腿リンク３０に取着される固定部材３２とその下部の回転部材３４とを軸線３６（足関節１８Ｒ（Ｌ）の軸線に同じ）を中心として歩行進行方向（sagittal plane内）に相対回転（回動）させ、足平２２Ｒ（Ｌ）をその方向に傾動させる。
【００１７】
その軸線３６と直交する位置には、前記した足関節２０を駆動する電動モータ２０Ｍが配置され、その出力は第２のハーモニック減速機４０に入力され、前記固定部材３２と回転部材３４とを第２の軸線４２（足関節２０Ｒ（Ｌ）の軸線に同じ）を中心として進行方向に直交する左右方向（frontal plane 内）に相対回転させ、足平２２Ｒ（Ｌ）をその方向に傾動させる。
【００１８】
尚、足関節を含む上記したロボットの構成の詳細は本出願人が先に提案した出願（特開平３−１８４，７８２号）などに述べられているので、これ以上の説明は省略する。
【００１９】
回転部材３４の下方には公知の６軸力センサ４４が取着され、力の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚとモーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとを測定し、足部の着地の有無ないしは接地荷重などを検出する。６軸力センサ４４の下部には、前記した足平２２Ｒ（Ｌ）を構成する、平板状のフレーム４６が固定される。フレーム４６の下面（足底）は大略平坦に形成され、つま先部４６ａとかかと部４６ｂには、着地時の衝撃を吸収する弾性体５０，５２が張りつけられる。
【００２０】
また、図１に示すロボットにおいて、上体２４には傾斜センサ６０が設置され、左右面内のｚ軸（重力方向）に対する傾きとその角速度、同様に矢状面内のｚ軸に対する傾きとその角速度を検出する。また各関節の電動モータには、その回転量を検出するロータリエンコーダが設けられる。
【００２１】
また、足平２２Ｒ（Ｌ）の裏面には非接触型の反射式光センサが装着され、着地位置を検出するが（図１および図２で図示省略）、それについて後述する。
【００２２】
更に、図１で図示を省略するが、ロボット１の適宜な位置には傾斜センサ６０の出力を補正するための原点スイッチ６２と、フェール対策用のリミットスイッチ６４が設けられる。これらの出力は前記した上体２４内の制御ユニット２６に送られる。
【００２３】
図３は制御ユニット２６の詳細を示すブロック図であり、制御ユニット２６はマイクロ・コンピュータから構成される。そこにおいて傾斜センサ６０などの出力はＡ／Ｄ変換器７０でデジタル値に変換され、その出力はバス７２を介してＲＡＭ７４に送られる。また各電動モータに隣接して配置されるエンコーダの出力はカウンタ７６を介してＲＡＭ７４内に入力されると共に、原点スイッチなどの出力は波形整形回路７８を経て同様にＲＡＭ７４内に格納される。
【００２４】
制御ユニット２６内にはＣＰＵからなる第１、第２の演算装置８０，８２が設けられており、第１の演算装置８０は後述の如く生成されＲＯＭ８４に格納されている歩容パラメータを読み出して目標関節角度を算出し、ＲＡＭ７４に送出する。また第２の演算装置８２は後述の如くＲＡＭ７４からその目標値と検出された実測値とを読み出し、各関節の駆動に必要な制御値を算出してＤ／Ａ変換器８６とサーボアンプを介して各関節を駆動する電動モータに出力する。
【００２５】
ここで、図４および図５を参照して先に触れた光センサについて説明すると、光センサ９０は検出部９０ａとセンサ本体９０ｂとから構成されると共に、検出部９０ａは足平２２Ｒ（Ｌ）の両側にそれぞれ５個づつ１列にアレイ状に配置し、発光部から床面に発せられた光の反射光量を検出する。
【００２６】
検出部９０ａは光ファイバケーブル９２でセンサ本体９０ｂと接続され、光ファイバ９２を介して光信号（反射光）が伝達される。センサ本体９０ｂは、下腿リンク３０Ｒ（Ｌ）の内部に収納され、光信号を電気信号（デジタル）に変換する。
【００２７】
更に、左右の下腿リンク３０Ｒ（Ｌ）の内部にはそれぞれ、センサ本体群の付近にＤ／Ａ変換器９４を１個配置し、計１０個の検出部出力を５個分づつ１つのアナログ信号に変換し、多芯ケーブル９６を介して制御ユニット２６内のＡ／Ｄ変換器７０に送出し、そこでアナログ信号を数値処理可能なデジタル信号に変換する。
【００２８】
前記した第１の演算装置８０はバス７２を介してＡ／Ｄ変換器７０から必要なデータを読み出し、適当な処理を行って足平２２Ｒ（Ｌ）の外側、内側それぞれ５個、左右の脚部を合わせて合計２０個の検出部９０ａの出力状態（オン／オフ）を検知する。
【００２９】
ここで、各列５個の検出部９０ａの中心間の間隔は、５ｍｍとする。尚、足平２２Ｒ（Ｌ）の幅は、図６に示すように、２００ｍｍとする。片側の５個のセンサアレイで検出できる範囲を考えると、全部のセンサがオンまたはオフの状態では相対位置が分からないので、例えば階段１００などエッジを検出する場合には同図に示す如く、全ての出力がオンまたはオフであると検出できないため、オンの数が１〜４個に対応する１５ｍｍの範囲となる。
【００３０】
検出範囲が１５ｍｍとすると、ロボット１の階段１００に対する相対位置誤差はそれ以下にしなければならないが、実際問題として検出範囲が１５ｍｍでは小さすぎることから、ランドマーカ８０を利用して検出範囲を拡大する。即ち、図７に示すように、ランドマーカ８０の幅をセンサアレイの幅とほぼ等しい値とし（図面では理解の便宜のため誇張して示す）、検出範囲の幅を±２０ｍｍ（４０ｍｍ）と２倍以上に拡大する。
【００３１】
ランドマーカ８０は黒色ペイントなど光を良く吸収する塗料で描いた直線からなる所定幅の面領域で構成する。また、階段１００の面は白色など光を反射するように彩色される。光センサ９０の出力状態は、検出部９０ａに反射光があるときをオンとなるように構成するので、ランドマーカ８０上にあるとき、および離床しているときオフとなり、階段１００の面に接触するときオンとなる。
【００３２】
次いで、図８を参照してこの発明に係る脚式移動ロボットの歩行制御装置の動作を階段を昇降する場合を例にとって説明する。
【００３３】
まず、Ｓ１０で装置各部をイニシャライズしてＳ１２に進み、そこで歩容パラメータを前記したＲＯＭ８４からロードする。ここで、ロボットの歩容は力学的（動的な）安定条件を考慮して予め設計され、歩容パラメータとしてＲＯＭ８４に記憶されているものとする。
【００３４】
この歩容パラメータは、上体の位置と姿勢、および着地位置を含む両足平の軌跡などで表現されるが、以下これについて先に述べた階段昇降に関して詳述する。
【００３５】
初めに、図９を参照して着地位置について説明する。同図に示す如く、足平２２Ｒ（Ｌ）の水平面の長さｌｆは、階段１００の奥行き（前後方向長さ）ｌｓよりもわずかに短いものとする。
【００３６】
ここで、つま先部から着地させるとすると、Ｘの位置に着地させれば幾何学的な関係から見て問題はなく、力学的にも安定に歩行することができる。しかし、誤差ｄ（ロボット１の階段１００に対する相対位置の）が発生し、着地位置がＹ（後方）にずれると、かかと部４６ｂは一段上の段に接触してしまい、Ｚ（前方）にずれるときには階段を踏み外してしまう。更に、足平Ｒ（Ｌ）の水平面の長さｌｆが階段の奥行きｌｓよりも長くなると、幾何学的な関係から見て着地できない。
【００３７】
そこで、この発明に係る装置においては、歩行パラメータの中の足平の軌跡は、以下のように設定する。
１．遊脚の足平２２Ｒ（Ｌ）は、階段１００の面にかかと部４６ｂから着地する。あるいは少なくとも実質的に水平に着地する。換言すれば、つま先部４６ａから着地しない。
２．片足支持期間中、支持脚足平は階段面に面接触し続けるか、少なくとも３点以上で点接触し続ける。換言すれば、その間は支持脚足平をｙ軸回り（軸線３６回り。）に回転させない、即ち、かかと部４６を上げないようにする。
３．両足支持期間中も同様とする。即ち、次に遊脚となる脚部の足平が離床するまで、支持脚足平は階段面に面接触させたままとするか、少なくとも３点以上で点接触させ続け、支持脚足平をｙ軸回り（軸線３６回り）に回転させない。
【００３８】
尚、上記で『面接触』ないし『３点以上で点接触』とは、ロボット１の姿勢が不安定になったときに、姿勢を回復するに十分な床反力を起こすに足りるように、足平が階段に支持されることを意味する。また『実質的に水平に着地』とは少なくともつま先部からではない着地を意味する。
【００３９】
図１０ないし図１２に上記を示す（図１０は片足支持期を、図１１は着地の瞬間を、図１２は離床の瞬間を示す）。また、図１３に次に遊脚となる脚部の足平の軌跡を示す。
【００４０】
図示の如く、遊脚となる側の足平は階段１００の面アを垂直に（上の段と干渉しないように）上昇させられた後、上記１に述べるように、かかと部４６ｂから、支持脚足平が着地されている階段面イの次の段ロに着地させられる。このとき、想像線で示す如く、足裏の平坦面が実質的に水平に（階段面と平行するように）着地させても良い。
【００４１】
このような足平の軌跡を上体の位置、姿勢も含めて歩容パラメータとして予め設定し、制御ユニット２６のＲＯＭ８４中に格納しておく。また、かかる歩容パラメータはＺＭＰの軌跡を満足するように設定する。尚、ＺＭＰ（Zero Moment Point ）は、「その点回りのピッチ軸（左右面frontal plane 内の軸）回り、およびロール軸（矢状面sagittal plane内の軸）回りのモーメントが零となる任意の点で、歩行のあらゆる瞬間において足底接地点と路面とが形成する支持多角形の辺上あるいはその内側にある点」を意味する。
【００４２】
上記を図１４を参照して敷衍すると、前記した第１の特徴より、ロボットの遊脚はかかと部４６ｂ側から着地するので、幾何学的に考えると、Ａの位置にもＢの位置に着地することができる（足平の水平面の長さｌｆは階段の奥行きｌｓよりもわずかに短いものとする）。
【００４３】
従って、かかと部４６ｂが着地できる範囲は、ａ（＝奥行きｌｓ）となる。しかし、Ｂの位置のように、足平が前方に大きくはみ出すと、次の片足支持期に安定に歩行することができなくなるので、必要な接地面積ｂを確保しつつ、Ｃより後方、即ち、ｃの範囲内に着地すれば、安定に歩行することができる。
【００４４】
更に、歩行中に発生する相対位置誤差のために、安定に歩行するのに必要な接地面積ｂを確保することができなければならず、尚且つ、上の段に干渉しないようしなければならない。
【００４５】
そこで、相対位置誤差の最大許容量ｄの分だけ余裕を見て、着地位置をＤ〜Ｅの間、即ち、ｅの範囲内に着地するようにすれば、相対位置誤差が発生しても接地面積ｂを確保することができ、上の段に干渉することもない。換言すれば、着地可能な範囲に余裕をもって安定に歩行させることができ、ｅが零になるまで安定に歩行し続けることができる。
【００４６】
次に前記した第２および第３の特徴の意味について述べる。
【００４７】
図１０ないし図１２に示したように、片足支持期間中の支持脚と、両足支持期間中の、次に遊脚となる脚部の足平が回転（ｙ軸回りに）しない歩容とすれば、図１５および図１６に示すように着地位置が前後方向に多少ずれたとしても、足平が階段から離れたり、干渉するという問題を生じないので、相対位置誤差を許容することができる（図１５は着地の瞬間を、図１６は離床の瞬間を示す）。
【００４８】
即ち、上記した第２の特徴によらない歩容で歩行したと仮定すると、着地直前では支持脚足平が回転して図１７ないし図１９に示す姿勢となる。このときの問題点の一つは支持脚が線接触（２点で接触）状態となるため、転倒しそうになったときに足平で踏み止めることができない。そのため、歩行安定性を高めようとすると、動的な安定問題を解かなかればならず、高性能の演算装置（コンピュータ）が必要となる。
【００４９】
更に、階段歩行では着地位置に強い制約があるので、着地位置を修正することで歩行安定化を図るような歩行制御も制約されてしまう。図１７などでは足平先端が階段からはみ出しているために、階段のエッジが回転中心（力の作用点）となっている。これは足平全体が階段面の上に乗っており、つま先が回転中心になるときも同様である。
【００５０】
問題点の二つ目は、ロボットの足平が階段のエッジからはみ出した状態で階段を降りるときの問題であり、上記した第２、第３の特徴に共に関係する。
【００５１】
上記した第３の特徴によらない歩容で階段を降りるときの離床タイミング（即ち、両足支持期の末期）を考える。図２０ないし図２２にそれを示す。
【００５２】
着地位置がずれて回転中心が、図２０に示す如く、階段面のエッジになったとする。このとき、図２１に示す如く、階段に対するロボットの相対位置が前方にずれたとすると、後ろ側の足で前に蹴る力を発生できないので、ロボットは後ろに倒れる。逆に、図２２に示す如く、相対位置が後ろにずれたときは、前に蹴る力が強くなりすぎてロボットは前に倒れる。
【００５３】
同様に、２番目の特徴によらない歩容で、着地の直前のタイミング（即ち、片足支持期の末期）を考えると、図１７に示したように支持脚足平が階段面のエッジを中心に回転すると仮定するとき、図１８に示す如く、相対位置が前方にずれると床反力作用点が後ろにずれるので、そのモーメントによってロボットは前に倒れる。
【００５４】
逆に、相対位置が図１９に示すように後ろにずれたときは床反力作用点が前にずれるので、そのモーメントによりロボットは後ろに倒れる、という問題が生じる。
【００５５】
このように、上記した第１ないし第３の特徴を持たない歩容では、ロボットの足平の水平面の長さが階段の奥行きより大きいときは、ロボットが階段を降りることが困難になると共に、階段に対するロボットの相対位置の誤差の大きさによっては、階段を降りることが不可能となる。
【００５６】
ロボットの足平の水平面の長さが階段の奥行きより大きいために階段を降りることが困難な場合を除くと、相対位置誤差については、足平と階段のエッジとの接触位置が前記した光センサ９０でリアルタイムに検出されることから、そこを回転中心とする歩容を歩行中にリアルタイムに生成する手法も考えられる。更には、足平と階段面とが線接触状態でも、ロボットの動的安定性を保つ安定化制御を行う手法も考えられる。
【００５７】
しかし、これらの手法では動的な安定問題を解き、歩容をリアルタイムに生成するための複雑なアルゴリズムや、演算装置（コンピュータ）の演算処理能力などを別に解決しなければならない。このような複雑なアルゴリズムや高性能の演算装置を必要としないこともこの発明の利点の一つである。
【００５８】
以上のように、上記した特徴を備えた足平の軌跡を歩容パラメータとして予め設定しておくことにより、階段の奥行きよりも長い足平を有するロボットにおいても階段を降りることができ、同時に階段に対するロボットの相対位置誤差を許容することができる。
【００５９】
また、階段の寸法に影響を受けることなく、足平の大きさを決定することができるため、階段以外の場所を歩行するのに有利なときは、足平の大きさを任意に大きくすることも可能となる。
【００６０】
図８の説明に戻ると、続いてＳ１４に進んでスタート信号を待機し、スタート信号が生じるとＳ１６に進んでカウンタをインクリメントし、Ｓ１８に進んで歩容修正タイミングか否か判断する。これについては後述する。
【００６１】
続いてＳ２０に進んで姿勢パラメータを計算する。これは前記した歩容パラメータの中に補間演算を必要とするものがあるため、ここでそれを求め、Ｓ１６のカウンタで指定される時刻の姿勢パラメータを計算する。
【００６２】
続いてＳ２２に進んでそれから１２個の関節の角度を計算し、Ｓ２４に進んで同期信号を待機し、同期が取れたところでＳ２６に進んで算出した関節角度を出力し、Ｓ２８に進んで歩行終了と判断されない限り、Ｓ１６に戻って同様の作業を繰り返すと共に、終了と判断されるときはＳ３０に進んでカウンタをリセットして終わる。
【００６３】
即ち、Ｓ１６のカウンタの単位時間（例えば２０ｍｓ）ごとにＳ１６からＳ２８をループする。またＳ２６で出力された関節角度に基づき、その関節角度となるように前記した第２の演算装置６２においては図２３に示すフロー・チャートのＳ１００からＳ１１０に示すステップに従ってサーボ制御が並行的に行われるが、この作業は公知であるので、説明は省略する。
【００６４】
ここで、Ｓ１８について説明すると、そこでは歩容修正タイミングであるか否か判断されるが、この制御においては離床時点を歩容修正タイミングとした。相対位置誤差を検知するタイミングを離床のときとしたのは、離床以前に相対位置誤差を検知し、目標着地位置にフィードバックすれば遊脚軌道を遊脚期間全体を使って修正できるので、急激ではなく、滑らかな変更が可能となり、歩容の安定性の低下を最小限に抑えることができると共に、時間的に最新の相対位置誤差を制御に使用できるからである。
【００６５】
そしてＳ１８で離床時と判断されるときはＳ３２に進み、足平２２Ｒ（Ｌ）に配置された光センサ９０で階段のエッジを検出し、歩容パラメータで設定されている目標着地位置と比較して階段との相対位置誤差を検知する。
【００６６】
続いてＳ３４に進み、検出した相対位置および角度のずれに応じてそれが累積しないように適当な目標歩幅修正量を決定し、続いてＳ３６に進んで歩容パラメータ中に記載されている目標着地位置を書き換える。
【００６７】
目標着地位置が更新されると、歩容は予め設計された値から、具体的には歩幅が変更される。足平２２Ｒ（Ｌ）の着地位置はｘ，ｙ，ｚ方向とそれらの軸まわりの回転で決定されるので、変更した歩幅となるように、それらの全てまたは一部が修正される。以上の手順を階段昇降中に１歩ごとに繰り返せば、相対位置誤差の累積を防止することができ、連続して何段でも昇降することができる。
【００６８】
この実施の形態は上記のように構成したので、脚式移動ロボット、特に２足歩行ロボットが階段の奥行きよりも長い足平を持つような場合でも安定した歩容で階段を降りることができる。
【００６９】
また、階段に対するロボットの相対位置誤差を許容することができ、前述したように誤差が許容範囲を超えて集積しないように歩行制御することで、連続して何段でも降りることができる。
【００７０】
また、階段の寸法に影響を受けることなく、足平の大きさを決定することができるため、足平の大きさを任意に大きくすることができる。
【００７１】
上記の如く、この実施の形態では、少なくとも上体２４と、前記上体に関節１０，１２，１４Ｒ（Ｌ）を介して連結される複数本の脚部リンク２とを備え、前記複数本の脚部リンク２がそれぞれ関節１８Ｒ（Ｌ）を介して回転自在に連結される足平２２Ｒ（Ｌ）を先端に有してなると共に、階段１００を昇降自在に構成されてなる脚式移動ロボット１の歩行制御装置において、階段を降りる際に遊脚を着地させるとき、前記足平２２Ｒ（Ｌ）のかかと部４６ｂから着地させるか、あるいは少なくとも前記足平を階段面に実質的に水平に着地させるように歩行制御する（図８のＳ１２以下）如く構成した。
【００７２】
尚、ここで『実質的に水平に着地』とは足平２２Ｒ（Ｌ）を、つま先部４６ａから着地しないことを意味する。
【００７３】
更には、前記脚式移動ロボット１が片足支持期の間は、支持脚足平が少なくとも３点以上で階段面と点接触し続けるように歩行制御する（図８のＳ１２以下）如く構成した。
【００７４】
更には、前記脚式移動ロボット１が両足支持期の間は、次に遊脚となる脚部の足平が離床するまで、その足平が少なくとも３点以上で階段面と接触し続けるように歩行制御する（図８のＳ１２以下）如く構成した。
【００７５】
尚、実施の形態では脚式移動ロボットが階段を降りるときを例にとったが、上記は脚式移動ロボットが後ろ向きのまま階段を昇るときにも同様に妥当する。
【００７６】
更に、上記において歩容パラメータを予め設定しておくようにしたが、歩行中にリアルタイムに決定するようにしても良い。
【００７７】
更に、上記において２足歩行脚式移動ロボットの例のみ示したが、上記した構成は３足以上の脚式移動ロボットにおいても原理的には妥当する。
【００７８】
【発明の効果】
脚式移動ロボットが階段の奥行きよりも長い足平を持つような場合でも安定した歩容で階段を降りることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る脚式移動ロボットの歩行制御装置を全体的に示すスケルトン図である。
【図２】図１に示す２足歩行ロボットの足部の構造を詳細に示す説明断面図である。
【図３】図１に示す２足歩行ロボットの制御ユニットの詳細を示すブロック図である。
【図４】図１に示す２足歩行ロボットに配置した光センサの構成を全体的に示す説明図である。
【図５】図４の光センサのロボットの足平での配置位置を示す足平の説明平面図である。
【図６】図４に示す光センサの階段を昇降するときの検出動作を示す説明図である。
【図７】図４に示す光センサの検出範囲と階段に設置したランドマーカとの関係を示す説明図である。
【図８】図１に示す脚式移動ロボットの歩行制御装置の動作を示すフロー・チャートである。
【図９】図１に示すロボットが階段を降りるときに、つま先部から着地した状態を示す説明図である。
【図１０】図１に示すロボットがこの発明に係る装置で設定された歩容で階段を降りるときの片足支持期の状態を示す説明図である。
【図１１】図１に示すロボットがこの発明に係る装置で設定された歩容で階段を降りるときの着地の瞬間を示す説明図である。
【図１２】図１に示すロボットがこの発明に係る装置で設定された歩容で階段を降りるときの離床の瞬間を示す説明図である。
【図１３】図１に示すロボットがこの発明に係る装置で設定された歩容で階段を降りるときの遊脚の軌跡を示す説明図である。
【図１４】図１に示すロボットがこの発明に係る装置で設定された歩容で階段を降りるときの着地範囲を示す説明図である。
【図１５】図１に示すロボットがこの発明に係る装置で設定された歩容で階段を降りるときの着地の瞬間を示す説明図である。
【図１６】図１に示すロボットがこの発明に係る装置で設定された歩容で階段を降りるときの離床の瞬間を示す説明図である。
【図１７】片足支持期間中に、図１に示すロボットの支持脚足平がかかと部を上げる歩容で階段を降りるときの着地の直前を示す説明図である。
【図１８】片足支持期間中に、図１に示すロボットの支持脚足平がかかと部を上げる歩容で階段を降りるときの着地の直前を示す、図１７と同様の説明図である。
【図１９】片足支持期間中に、図１に示すロボットの支持脚足平がかかと部を上げる歩容で階段を降りるときの着地の直前を示す、図１７と同様の説明図である。
【図２０】両足支持期間中に、図１に示すロボットが足平をｙ軸回りに回転させる歩容で階段を降りるときの離床の直前を示す説明図である。
【図２１】両足支持期間中に、図１に示すロボットが足平をｙ軸回りに回転させる歩容で階段を降りるときの離床の直前を示す、図２０と同様の説明図である。
【図２２】両足支持期間中に、図１に示すロボットが足平をｙ軸回りに回転させる歩容で階段を降りるときの離床の直前を示す、図２０と同様の説明図である。
【図２３】図８のフロー・チャートと並行的に行われる、関節角サーボ制御を示すフロー・チャートである。
【符号の説明】
１ ロボット
２ 脚部リンク
１０，１２，１４Ｒ，Ｌ 股関節
１６Ｒ，Ｌ 膝関節
１８，２０Ｒ，Ｌ 足関節
２２Ｒ，Ｌ 足平
２４ 上体
２６ 制御ユニット
４６ａ つま先部
４６ｂ かかと部
９０ 光センサ
１００ 階段
Claims (3)
- 少なくとも上体と、前記上体に関節を介して連結される２本の脚部リンクとを備え、前記２本の脚部リンクがそれぞれ関節を介して回転自在に連結される足部を先端に有してなると共に、階段を昇降自在に構成されてなる脚式移動ロボットの歩行制御装置において、前記足部の先端部を前記階段のエッジから突出させつつ遊脚を着地させて階段を降りるとき、前記足部のかかと部から着地させるように歩行制御することを特徴とする脚式移動ロボットの歩行制御装置。
- 前記脚式移動ロボットが片足支持期の間は、支持脚足部が階段面と面接触し続けるように歩行制御されることを特徴とする請求項１項記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置。
- 前記脚式移動ロボットが両足支持期の間は、次に遊脚となる脚部の足部が離床するまで、その足部が階段面と面接触し続けるように歩行制御されることを特徴とする請求項１項または２項記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置。
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