JP4821188B2 - 脚式ロボットの歩容データ作成方法と歩容データ作成装置 - Google Patents
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Description
足平の基準点の位置の時系列的変化を示すデータは、ロボットができるだけ円滑に歩行できるように作成されるべきである。そのためには、足平の基準点の位置の時系列的変化を着地面に投影した軌跡が、着地位置から次の着地目標位置に向けてできるだけ最短距離で移動するように作成することが好ましい。
その一方において、遊脚の足平が立脚に干渉する(接触する)歩容データを作成してはならない。ロボットがカーブする歩行経路に沿って歩行する場合には、遊脚を次の着地目標位置に向けて振り出している間に、遊脚が立脚に接触しやすい。歩行経路がカーブする場合には、足平の基準点の移動軌跡を着地面に投影した軌跡が最短距離をたどっていることと、脚リンク同士の干渉を回避することとを両立させる必要が特に高くなる。
ロボットを実際に動作させるのに先立って歩容データを作成する場合であっても、脚リンク同士が干渉しない歩容データをより高速に作成できる技術が必要とされている。事前の準備にかかる時間的コストを低減できるからである。
ロボットを円滑に歩行させることができ、かつ脚リンク同士が干渉しない歩容データを高速に作成する技術が必要とされている。
本発明は、脚式ロボットの各脚に備えられた足平に固定された基準点の位置の時系列的変化を示す歩容データを作成する方法に具現化される。
本発明の歩容データ作成方法は、足平の前後方向に伸びており、前記ロボットが両足平を揃えたときに互いに平行となるような基準線を各足平に対して定めるとともに、立脚の足平に定められた基準線と遊脚の足平に定められた基準線とが遊脚が着地する際になす角度(以下、着地目標角度という)を設定する工程と、立脚の足平と着地する際の遊脚の足平との接触を回避するのに必要な距離を維持するための、立脚の足平の基準点と着地する際の遊脚の足平の基準点との間の距離(以下、角度依存距離という)を着地目標角度に応じて算出する工程と、立脚の足平の基準点と着地する際の遊脚の足平の基準点を含む平面内であって、立脚の足平の基準点から下ろした垂線の長さが角度依存距離に等しく、かつ遊脚が着地する際の遊脚の足平の基準線に平行に伸びる第1の直線を計算する工程と、前記平面内であって、立脚の足平の基準点から下ろした垂線の長さが角度依存距離に等しく、かつ遊脚側に位置するとともに、立脚の足平の基準線に平行に伸びる第2の直線を計算する工程と、遊脚の足平の基準点を着地させる目標位置(以下、着地目標位置という)を、前記平面内において、前記第1の直線又は前記第2の直線によって仕切られた領域であって、遊脚側の領域(以下、着地許可領域という)に設定する工程を含んでいる。
図8は左右の足平を上から見た平面図である。図8において、10Rは立脚の足平を示している。10Lは遊脚の足平を示している。図8(A)は両足平10R、10Lが進行方向にも進行方向に垂直な方向にも揃えられたときの状態を示す図である。なお図8において紙面上方がロボットの進行方である。直線L0は、立脚の足平10Rに固定された基準線を示している。直線L1は、図8(A)において遊脚の足平10Lに固定された基準線を示している。この基準線は、足平の前後方向に伸びており、前記ロボットが両足平を揃えたときに互いに平行となるように各足平に対して設定される。ここで足平の前後方向とはロボットが両足平を揃えて直立姿勢をとったときの前後方向である。換言すれば足平の踵と爪先を通る直線ということもできる。また両足平の基準線L0、L1は、図8(A)に示すように両足平10R、10Lを揃えたときに互いに平行となるように設定されている。さらに遊脚の足平10Lの基準線L1は遊脚の足平10Lに固定されている。従って遊脚の足平10Lの方向の変化に応じて基準線L1の方向も変化する。
図8は、ロボットが時計方向に歩行方向を変える場合を例示しており、図8(B)の直線L2は、遊脚の足平10Lが立脚の足平10Rの基準線L0に対して角度A1だけ回転したときの足平10Lの基準線を示している。即ち図8(B)は、立脚の足平10Rの基準線L0と遊脚の足平10Lの基準線L2が角度A1である場合を例示している。
図8(A)の距離D0は、立脚の足平10Rと遊脚の足平10Lが干渉(接触)しないために必要な最小距離を例示している。図8(B)に示すように、遊脚の足平10Lの基準線L2と立脚の足平10Rの基準線L0が非平行であると、遊脚の足平10Lの基準点10LPと立脚の足平10Rの基準点10RPの間の距離を距離D2まで広げないと、両足平間に最小距離D0を確保できないことがわかる。立脚の足平10Rと遊脚の足平10Lが干渉しないために必要な遊脚の足平10Lの基準点10LPと立脚の足平10Rの基準点10RPの間の距離D2は、立脚の足平10Rの基準線L0と遊脚の足平10Lの基準線L2がなす角度Aによって変化することがわかり、角度Aが大きいほど、立脚の足平10Rと遊脚の足平10Lが干渉しないために必要な遊脚の足平10Lの基準点10LPと立脚の足平10Rの基準点10RPの間の距離D2は大きくなることがわかる。即ち、遊脚の足平10Lの基準点10LPを、立脚の足平10Rの基準線と平行で距離がD2である直線L4(第2の直線)より立脚とは反対側(立脚から遠い側)で着地させれば、両足平同士が干渉(接触)することはない。即ち最小距離D0は、遊脚の足平10Lが着地する際に立脚の足平10Rとの接触を回避するのに必要な距離である。そして距離D2は、立脚の足平10Rの基準線L0と遊脚の足平10Lの基準線L2がなす角度Aが変化する場合に距離D0を維持するために必要となる、立脚の足平の基準点10RPと遊脚の足平の基準点10LPの間の距離となる。
また直線L3は、立脚の足平10Rの基準点10RPからおろした垂線の長さが、距離D2に等しい線である。その距離D2は、立脚の足平10Rの基準線L0と遊脚の足平10Lの基準線L2がなす角度Aによって変化する距離である。即ち距離D2は、立脚の足平の基準線と、遊脚が着地するときの遊脚の足平の基準線がなす着地目標角度Aに依存して変化する距離(角度依存距離)である。
この方法では、第1の直線L3および第2の直線L4を幾何学的関係から計算すればよく、計算を反復して繰返す必要がない。遊脚の足平10Lの基準点10LPの着地目標位置を着地許可領域内に設定するだけで、立脚の足平10Rと遊脚の足平10Lが干渉しない歩容データが作成される。
ロボットがその歩行経路に沿って滑らかに歩行するためには、着地許可領域を画定する2本の直線に近い領域に着地目標位置を設定することが有利である。干渉を回避することができる範囲で、遊脚の側方運動が抑制された歩容データを作成することができる。
左右の足平の基準点10RP、10LPが足平の裏側の面内に固定されている場合は上記説明の通りとなる。左右の足平の基準点10RP、10LPが足平の裏側の面内でなく、足平内部に固定されている場合には上記説明した第1の直線と第2の直線は以下のように計算できる。即ち、第1の直線は、立脚の足平の基準点と着地する際の遊脚の足平の基準点を含む平面内であって、立脚の足平の基準点から下ろした垂線の長さが角度依存距離に等しく、かつ遊脚が着地する際の遊脚の足平の基準線に平行に伸びる直線として計算できる。第2の直線は、前記平面内であって、立脚の足平の基準点から下ろした垂線の長さが角度依存距離に等しく、かつ遊脚側に位置するとともに、立脚の足平の基準線に平行に伸びる直線として計算できる。
またこの場合に着地許可領域は、前記平面内において、前記第1の直線又は前記第2の直線によって仕切られた領域であって、遊脚側の領域と表現できる。
図2から明らかに、遊脚の足平を回転させることによって遊脚の足平が立脚の足平に近づく距離dDは、FR×sin(A)+FN×cos(A)−FNに等しい。ここで、FRは足平の基準点から爪先(に相当する矩形の一辺)までの距離であり、FNは足平の基準点から足平外周の内側(に相当する矩形の一辺)までの距離である。
足平の基準点から爪先までの距離に着地目標角度の正弦を乗じた距離と、足平の基準点から足平の外周内側までの距離に着地目標角度の余弦を乗じた距離と、所定距離(上記式の−FNを含めて両足平を接触させないための余裕を与える距離)を加算した距離を角度依存距離とすると、その外周形状を矩形で近似した足平同士の接触を防止することができる。
遊脚の足平の着地目標角度によって、脚リンク同士が干渉しないようにするために必要な着地許可領域が変化する。それのみならず、ロボットの立脚と遊脚の幾何学的関係から、遊脚の足平の着地目標角度によって、遊脚の足平の基準点が着地可能な領域も変化する。
図9において、10Rは立脚の足平を示し、10RPはその基準点の位置を示す。図9(A)の楕円90は、着地目標角度がゼロ度であるときの着地可能領域を示している。着地目標角度がゼロ度であり、立脚の足平10Rの基準線L0と遊脚の足平10Lの基準線が平行である場合、ロボットは脚リンクの各関節を大きく回転させることができ、広い範囲の着地可能領域90を有する。それに対して、図9(B)の楕円92は、着地目標角度がA1であるときの着地可能領域を示している。着地目標角度がA1であり、立脚の足平10Rの基準線L0と遊脚の足平10Lの基準線L1が角度A1で交わる場合、その関係が拘束条件となって、ロボットは脚リンクの各関節の回転範囲が制約される。その結果、着地可能領域92は、着地目標角度がゼロ度のときの着地可能領域(図9(A)の楕円90内の範囲)よりも小さな楕円範囲に制約される。近似的に、楕円92は楕円90の相似形であり、縮小したものとすることができる。図9(C)の楕円94は、着地目標角度が非常に大きな角度A2であるときの着地可能領域を示している。着地目標角度がA2である場合、その関係が拘束条件となって、ロボットは脚リンクの各関節の回転範囲が強く制約される。その結果、着地可能領域94は極めて小さな楕円範囲に制約される。近似的に、楕円94は楕円90の相似形であり、縮小したものとすることができる。着地目標角度を可能な最大角度にすると、その関係が拘束条件となって、ロボットは脚リンクの各関節の回転角度は一定値に規制される。その結果、着地可能領域は一点に絞り込まれる。
着地可能領域は着地目標角度に依存して変化し、着地目標角度がゼロに近いほど大きく、着地目標角度が大きいほど小さく、その間を着地目標角度に比例して相似的に拡大縮小する関係にある。
遊脚の足平の基準点の着地目標位置を設定する場合、歩行経路の曲率半径等からまず着地目標角度を設定し、次いでその着地目標角度から着地可能領域(図9の90,92,94等)を演算し、足平同士が干渉しないようにするのに必要な着地許可領域(図8(B)において第1の直線L3又は第2の直線L4よりも立脚とは反対側の領域)でかつ着地可能領域(図9の90,92,94等)内に、遊脚の足平の基準点の着地目標位置を設定する順序とすることが好ましい。
希望する歩行経路を足平同士が干渉しないように歩行するとともに実行可能な歩容データを短時間で作成することができる。
これによると、厳密な計算によって求めることのできる、着地目標角に依存する着地可能領域に対してこの領域を良く近似する着地可能領域を簡単に計算することができる。
この場合は、脚式ロボットの遊脚の足平の基準点の位置の時系列的変化を示す歩容データを作成するに当たって、足平の前後方向に伸びており、前記ロボットが両足平を揃えたときに互いに平行となるような基準線を各足平に対して定めるとともに、立脚の足平の基準線と遊脚の足平の基準線がなす角度を設定する工程と、前記工程で設定された角度から角度依存距離を算出する工程と、遊脚の足平の基準点の移動軌跡を着地面へ投影した軌跡が、立脚の足平の基準点の位置を中心とするとともに半径が前記角度依存距離に等しい円と接する弧を描く遊脚の足平の基準点の軌跡を設定する工程を含むことが好ましい。
上記方法では、立脚の足平と遊脚の足平とが着地面内でなす角度を取得する。この角度は遊脚の足平の着地目標角度でもよいが、それ以外の角度でもよい。例えば遊脚となった時点における、その脚の足平と立脚の足平がなす角度でもよい。取得した角度が大きいほど長くなる角度依存距離を算出する。ここで取得した「立脚の足平と遊脚の足平とが着地面内でなす角度」から算出される角度依存距離は換言すれば「立脚の足平の基準線と遊脚の足平の基準線とがなす角度」から「立脚の足平と遊脚の足平との接触を回避するのに必要な距離を維持するための、立脚の足平の基準点と遊脚の足平の基準点とを着地面へ投影した際の両基準点の間の距離」と表現できる。
この角度依存距離は前述したものと等価である。そして遊脚の足平の基準点の移動軌跡を着地面内へ投影した軌跡が、立脚の足平の基準点の位置を中心とするとともに半径が前記角度依存距離に等しい円と接する弧を描く遊脚の足平の基準点の軌跡を設定する。
遊脚の足平の移動軌跡を着地面に投影した軌跡が、立脚の足平の基準点の位置を中心とする半径が角度依存距離に等しい円と接する弧を描けば、立脚の足平と遊脚の足平は干渉しない。さらに、着地面内に投影した遊脚の足平の軌跡に上記制限を設けると、足平だけでなく遊脚のリンクと立脚のリンクが干渉しないことが判明している。
さらにこの歩容データ作成装置は、簡単な計算によって遊脚が着地する際に遊脚の足平と立脚の足平が干渉しない領域(着地許可領域)を設定することができる。両足平が干渉しない歩容データを高速に作成できる。従ってリアルタイムにロボットの歩行経路が与えられる場合にも、両足平が干渉することなく歩行することのできる歩容データを作成することができる。
(第1形態) 着地可能領域を設定する際、着地目標角度がゼロ度と最大角度の中間値のときには、その中間値に対する着地可能領域は前記楕円と点を前記中間値で按分した楕円であるとすることが好ましい。この按分は、例えば着地目標角度に着地可能領域の楕円の長径と短径が比例するように設定することが好ましい。中間値における着地可能領域の設定をより高速化できる。
(第2形態) 足平の外周形状をその外周に接する矩形を設定する場合、両足平の基準点がロボット体幹方向に平行な同一直線上にあり、両足平の基準線が体幹の前後方向に平行な位置(いわゆる直立姿勢における足平の位置と姿勢)にあると仮定したときの、2辺がロボットの前後方向に平行で足平の外周に接する矩形を設定することが好ましい。このときの両足平の位置と姿勢は、ロボットがいわゆる直立姿勢となった場合の足平の位置と姿勢である。換言すれば、このときの両足平の位置と姿勢は、両足平の基準点が体側方向に平行な同一直線上にあり、両足平の基準線はこの直線に直交する。この状態で足平の外周形状を近似する矩形を設定すると、その矩形の2辺は足平の基準線に平行な矩形とすることができる。即ちロボットが直立姿勢となる際、体幹前後方向に平行な2辺と体側方向に平行な2辺を有する矩形状の足平を有すると想定する。これにより、足平の外周形状を近似した矩形から、角度依存距離を簡単に算出することが可能となる。
<実施例1>
以下本発明の実施例1を説明する。
まず図7を用いてロボット100の概要を説明する。図7(A)にロボット100の平面図を示す。図7(B)にロボット100の正面図を示す。ロボット100は多数のリンクと、隣接するリンクを揺動可能に連結する関節から構成される。但し本発明ではロボットの脚部先端に取り付けられた足平リンク(以後、単に足平と称す)の動作に着目するため、図7ではロボットを簡略化して示してある。
図7(B)はロボット100がいわゆる直立姿勢となったときの正面図である。ロボット100の体幹(いわゆる胴体)110には左右の脚が連結されている。右脚の先端に右足平10Rが連結されている。左脚の先端に左足平10Lが連結されている。
図7(A)のロボット100の平面図に示すように足平10R、10Lの外周形状は略矩形形状をしている。
図7(A)、(B)において図のX軸方向がロボットの正面方向である。図7(A)では紙面下方がロボット正面方向である。従って図7(A)において左足平10Lの外周形状を表す矩形の下側の辺13Lが爪先に相当し、矩形の上側の辺15Lが踵に相当する。また図7(A)の10LPは左足平10Lに固定された基準点である。左足平10Lにおいて、基準点10LPを通り、踵15Lから爪先13Lに伸びる直線12Lが左足平10Lの基準線である。同様に右足平10Rに固定された基準点10RPを通り踵から爪先へ伸びる直線12Rが右足平10Rの基準線である。換言すれば基準線12L、12Rはロボットの足平の前後方向に伸びる直線である。ここで基準線12L、12Rはロボット100が両足平を揃えた直立姿勢のときにX軸方向(ロボットの前後方向)に平行となるように足平10L、10Rに対して固定(設定)される。即ち基準線は、ロボットが両足平を揃えたときに互いに平行となるように各足平に対して定められる。また、左右足平10R、10Lに固定される基準点10RP、10LPは、ロボットが直立姿勢のとき、図7のY軸(体側方向)に平行な直線上に設定される。
図1はロボットが矢印16に沿って右方向にカーブしつつ歩行しているときの両足平の位置を示している。左足平10Lの基準点10LPが位置LP1で立脚側の足平となり、次いで右足平10Rの基準点10RPが位置RP1で着地し、そこで立脚となる。次に左脚が遊脚となり左足平10Lの基準点10LPは位置LP2で着地する予定である。但し位置LP2はこれから設定される。即ちこれから左足平10Lの着地目標位置LP2を設定する。
ロボットは矢印16に沿って右方向へカーブしつつ歩行している。従って、右足平10Rが位置RP1で着地し、そこで右脚が立脚となった際、次に左脚が着地する位置での左足平10Lの着地目標角度Aがまず設定される。この着地目標角度Aはロボットがカーブするその曲率半径に沿うように設定される。また着地目標角度Aは、着地する脚の足平の基準線12Lと、立脚の足平の基準線12Rとのなす角度Aとして定義される。
左足平10Lの着地目標角度Aが設定された後、左足平10Lの着地目標位置として、左右の足平が適切な距離を保てる領域20を設定する。左右の足平が適切な距離を保てる領域20とは、左足平10Lの着地時に右足平10Rと干渉しない領域である。この領域20内に左足平10Lの着地目標位置を設定する。この領域20を着地許可領域と呼ぶ。この領域20は、立脚(右脚)の右足平10Rの基準点10RPの位置RP1から、着地しようとする脚(左脚)の左足平10Lの基準線12Lへおろした垂線RZの長さが、左足平10Lの着地目標角度Aに依存する関数で表される閾値RZTH(不図示)以上となる領域、又は立脚(右脚)の右足平10Rの基準線12Rに遊脚側で平行な直線19のうち、右足平10Rの基準線12Rとその直線19との距離RZが左足平10Lの着地目標角度Aに依存する関数で表される閾値RZTH(不図示)以上となる領域である。
着地目標角度Aが設定された左足平10Lの基準点10LPの着地目標位置LP2はこの着地許可領域20内に設定される。このとき着地許可領域20の境界線上に着地目標位置LP2を設定することも好ましい。
図2ではX軸方向がロボット正面方向を示す。右足平10Rの基準点10RPから右足平先端14R(爪先)までの距離は距離FRである。また右足平10Rの基準点10RPから右足平内端16Rまでの距離は距離FNである。左右の足平の外周形状は同じ略矩形である。よって左足平10Lの基準点10LPから左足平先端(爪先)までの距離は右足平10Rにおける距離FRに等しく、左足平10Lの基準点10LPから左足平内端までの距離は右足平10Rにおける距離FNに等しい。
ロボットが直立姿勢にあるときの両足平10Lと10Rの間の距離は距離D0である。この距離D0は、ロボットが直進した場合に両足平10R、10Lが干渉(接触)しないために必要な最小の余裕として設定されている。換言すれば距離D0は、ロボットが直進した場合に両足平10R、10Lの干渉(接触)を回避するために必要な距離である。また両足平の基準点10LP、10RP間の距離はD1である。
dD=FR×sin(A)+FN×cos(A)−FN
で表すことができる。左足平10Lの基準点10LPの位置をY軸方向で右足平10Rと反対側に距離dDだけ移動させたとき、両足平10R、10Lの基準点10RP、10LPの間の距離は、D1+dD、即ち、D1−FN+FR×sin(A)+FN×cos(A)で表せることができる。このD1+dDは右足平10Rを角度Aだけ回転させたときに、両足平10R、10Lの間をもとの足平間の余裕を持たせた距離D0を保つものである。従って、遊脚の足平10Lの基準点10LPの着地目標位置を、立脚の足平10Rの基準線12Rに遊脚側で平行な直線のうち、遊脚の足平10Rの基準線12Rとの距離が(D1+dD)の直線よりも立脚と反対側の領域に設定すれば、両足平が干渉(接触)することはない。別言すれば、遊脚の足平10Lの基準点10LPの着地目標位置を、立脚の足平10Rの基準点からおろした垂線の長さが(D1+dD)に等しく、かつ遊脚側で立脚の足平10Rの基準線12Rに平行に伸びる直線(第2の直線)よりも立脚とは反対側の領域に設定すれば両足平は干渉することがない。
ここで、D1+dDは、足平基準点から足平先端(爪先)までの距離FRに着地目標角度Aの正弦を乗じた距離と、足平基準点から足平内端までの距離FNに着地目標角度Aの余弦を乗じた距離とを、一定距離(D1−FN)に加えた距離である。実施例1ではこの距離(D1+dD)が「角度依存距離」に相当する。なお、上記説明より第2の直線を別言すれば、立脚の足平10Rの基準線12Rに遊脚側で平行な直線であり、遊脚の足平10Rの基準線12Rとその直線との距離が角度依存距離に等しい直線、と表現することもできる。
(1)立脚の足平の基準点を中心とし、上記角度依存距離(D1+dD)を半径とする円を設定する。
(2)着地目標角度Aで着地する足平の基準線に平行で(1)の円に接する接線を設定する。
(3)着地目標角度Aで着地する足平の基準点の着地目標位置が(2)で設定された接線より遊脚側(立脚とは反対側)にあると、着地する足平と立脚の足平とは干渉する可能性が低い。
そこで上記角度依存距離(D1+dD)を、着地許可領域20を設定するための閾値RZTHとする。換言すれば、この角度依存距離(D1+dD)は、「立脚の足平と着地する際の遊脚の足平との接触を回避するのに必要な距離D0を維持するための、立脚の足平の基準点と着地する際の遊脚の足平の基準点との間の距離」ということができる。
図1に示す距離RZの長さが角度依存距離RZTHに等しい場合、第1の直線は左足平10Lの基準線12Lとなり、第2の直線は立脚の足平10Rの基準線12Rと平行で、基準線12Rとの距離がRZである直線19となる。従って図1における着地許可領域20は、左足平10Lの基準線12L(第1の直線)又は直線19(第2の直線)よりも立脚とは反対側の領域となる。
なお、上記(1)から(3)の記述に従うと、第1の直線は、立脚の足平の基準点を中心とするとともに、着地目標角度から算出される角度依存距離を半径とする円の接線のうち、着地する足平に固定された基準線と平行な接線、と表現することもできる。
従ってロボットをカーブしながら歩行させようとする際、そのカーブの外側の脚の足平の基準点の着地目標位置を内側の脚の足平の前方に設定できる。着地する遊脚の足平の基準点の着地目標位置を立脚の足平の前方とするほど、カーブする方向に設定することができる。その場合でも着地する脚の足平と立脚の足平は干渉することはない。ロボットをカーブに沿って円滑に歩行させる歩容データを作成できる。
即ち、第1の直線は、立脚の足平の基準点と着地する際の遊脚の足平の基準点を含む平面内であって、立脚の足平の基準点から下ろした垂線の長さが角度依存距離に等しく、かつ遊脚が着地する際の遊脚の足平の基準線に平行に伸びる直線として計算できる。第2の直線は、前記平面内であって、立脚の足平の基準点から下ろした垂線の長さが角度依存距離に等しく、かつ遊脚側に位置するとともに、立脚の足平の基準線に平行に伸びる直線として計算できる。着地許可領域は、前記平面内において、前記第1の直線又は前記第2の直線によって仕切られた領域であって、遊脚側の領域として求めることができる。このようにして第1の直線や第2の直線および着地許可領域を求めることで足平の基準点が足平内部に固定されている場合でも実施例1と同様に着地目標位置を設定することができる。
次に図3を用いて実施例2を説明する。図3に示す左足平10Lと右足平10Rはロボットが前述した直立姿勢とったときの位置にある。図3は左足平10Lの基準点10LPに座標原点P4をとり、足平前方をX軸とした座標系を設定してある。このとき両足平の基準線12L、12Rは平行であり両足平の基準線が着地面内でなす角度はゼロである。この状態で左脚を前方(爪先方向、即ちX軸方向)に最大に踏み出して着地することのできる左足平10Lの基準点10LPはP5の位置となる。このとき座標原点P4から位置P5までの距離はXMAXである。このロボットは左足平10Lの基準点10LPが座標原点P4の位置にある状態から後方(踵方向、即ちX軸上で負の方向)へも距離XMAXの位置へ着地することができる。同様に、左足平10Lの基準点10LPが座標原点P4の位置にある状態からY軸方向(足平側方)に最大に踏み出して着地することのできる左足平10Lの基準点10LPはP6の位置となる。このとき座標原点P4から位置P6までの距離はYMAXである。同様にこのロボットは左足平10Lの基準点10LPが座標原点P4の位置にある状態からY軸上で負の方向へも距離YMAXの位置へ着地することができる。なお、図3に示すように左足平10Lが右足平10Rの方向へ振り出すと左右の足平が干渉するが、ここでは、干渉は考慮しない。ロボットの脚リンク群と関節の構造から決定される、最大に振り出すことのできる距離を求めるだけである。即ちロボットが直立姿勢をとった状態から片脚が踏み出して着地することのできる最大着地可能領域を求めるのである。
種々の実験から、単純な形状で着地可能領域を近似するには楕円が適切であることが判明した。そこで、ロボットが直立姿勢をとった状態から、左脚を前後左右に踏み出して着地可能な位置までの左足平10Lの基準点からの距離XMAXとYMAXを求め、ロボットが直立姿勢をとった状態での左足平基準点の位置を中心とするとともに、このXMAXを長軸の半径とし、YMAXを短軸の半径とした楕円の範囲を、着地可能領域を表す範囲として設定する。
着地目標角度に依存した脚の足平の着地可能領域は、脚の各リンクと関節の可動範囲から幾何学的に厳密に計算することができる。しかし近似的には、着地可能領域は着地目標角度に依存して変化し、着地目標角度がゼロに近いほど大きく、着地目標角度が大きいほど小さく、その間を着地目標角度に比例して相似的に拡大縮小する関係にあることが解った。
実施例2では、回転角(着地目標角度)がゼロのときに、着地可能領域は最大(最大着地可能領域)となる。そのときの近似的な範囲は長軸の半径を長さXMAX、短軸の半径を長さYMAXとする楕円22の範囲となる。回転角がその取り得る最大角の1/2となるとき、近似的な着地可能領域は、長軸の半径をXMAXの半分の長さ、短軸の半径をYMAXの半分の長さとする楕円24の範囲となる。着地目標角度がその取り得る最大角度のとき、着地可能領域は長径と短径がともにゼロとなる点(図3で左足平10Lについては原点P4)の近傍の微小領域に収束する。このとき原点P4に収束した着地可能領域を最小着地可能領域とする。そして着地目標角度がゼロと最大角度の中間の角度の場合、そのときの近似的な着地可能領域を表す楕円は、着地目標角度がゼロのときに長径の半径がXMAX、短径の半径がYMAXとなり、着地目標角度が最大のときに長径と短径の半径がともにゼロとなる一次関数により規定する。すなわち、着地可能領域は、最大着地可能領域(を表す楕円)と最小着地可能領域(を表す点)を着地目標角度が最小角度(ゼロ)と最大角度(足平が取り得る最大の着地目標角度)との間の中間値で按分した範囲となる。上記例では着地目標角度に対する着地可能領域の楕円の長径と短径の長さ按分するために一次関数で求めたが、一次関数に限定されるものではない。2次関数その他、非線形関数であってもよい。
従って左足平10Lが右足平10Rと干渉を起こさず、かつ着地目標角度Aで着地可能な左足平10Lの基準点10LPの着地目標位置の設定可能な領域は、楕円26内の領域と、着地許可領域とが重なる領域34として特定することができる。
次にステップS102では、ロボット操作装置からの指令値に基づいて着地目標角度を設定する。ここでは図4に示すように、ロボット操作装置からの指令値が矢印16で示す右カーブであるのでこのカーブの曲率半径から、右足平10Rの基準点10RPが位置RP1にあるときの、左足平10Lの基準点10LPが位置LP1から一歩踏み出して次に着地する予定位置での着地目標角度を角度Aに設定する。このときステップS102では着地目標角度の設定に先立って左右の足平の基準線を設定する。設定の方法は前述した通りである。
次にステップS104では角度依存距離を算出する。角度依存距離については前述した通りである。次にステップS106では着地目標位置として設定することができる領域(着地許可領域)を設定する。これは図4に示す第1の直線32又は第2の直線33より図上左側の領域となる。同時にステップS108で、着地目標角度Aから、左足平10Lの基準点10LPの着地可能領域が設定される。設定された着地可能領域は図4に示す楕円26の内部の領域である。
そしてステップS110ではステップS108で求められた着地可能領域とステップS106で求められた着地許可領域とが重なる領域、即ち図4に符号34で示す斜線部分の領域を設定する。そしてこの領域34のいずれかの位置を着地目標位置として設定する。着地目標位置は領域34内で任意に設定できる。例えば前述したように最も好ましい位置Sから、さらに所定の余裕を確保した点LP2に次の左足平10Lの基準点10LPの着地目標位置を設定する。
こうして設定された着地目標位置LP2およびステップS102で設定した着地目標角度Aに基づいて左足平10Lの基準点10LPの位置LP1から位置LP2への時系列データ(即ち左足平10Lの歩容データ)が作成され、ステップS112でこの歩容データに基づいてロボットが駆動される。上記処理を全てコンピュータによって自動的に行わせることで、足平同士が干渉することのない、足平の基準点の歩容データを高速に作成する歩容データ作成装置を実現することができる。
以上より遊脚の足平の基準点の着地目標位置を、着地許可領域の境界線と着地可能領域の境界線とのロボット進行歩行遠方側の交点とすることが好ましい。ロボットがより安定した歩行を実現できるようさらに余裕をとるために、前記交点から所定距離だけ着地可能領域の内側に着地目標位置を設定することも好ましい。
次に図6を用いて実施例3を説明する。この実施例は遊脚の足平が立脚のリンクと干渉しないような移動軌跡を高速に生成するものである。
図6では左足平10Lの基準点10LPが位置LP1で立脚となり、次に右足平10Rの基準点10RPが位置RP1で着地しその位置で右脚が立脚となった状態を示す。次に右脚の右足平10Rの基準点10RPが位置RP1で立脚となった状態から、左脚を遊脚として左足平10Lの基準点10LPを位置LP1からLP2に移動させる移動軌跡(即ち足平の基準点の歩容データ)を生成する。このとき左脚の左足平10Lの離地位置LP1と次の着地目標位置LP2の夫々の位置における左足平10Lの、右足平10Rに対する着地面内での回転角(位置LP1では実現された着地角度、位置LP2では着地目標角度)はすでに設定されている。ここで、立脚の右足平10Rの基準点10RPの位置RP1を中心とし、半径Rの円40を算出する。半径Rは実施例1で説明した角度依存距離に等しい距離とする。角度依存距離を算出する際の角度は、左足平10Lの離地位置LP1での角度でもよいし、左足平10Lの着地目標位置LP2での着地目標角度でもよい。また、左足平10Lの、離地位置LP1での角度と着地目標位置LP2での着地目標角度との中間の角度で、角度依存距離が最小となる距離を半径Rとしてもよい。
いずれの場合でも角度依存距離は、立脚の足平と遊脚の足平との接触を回避するのに必要な距離を維持するための、立脚の足平の基準点と遊脚の足平の基準点とを着地面へ投影した際の両基準点の間の距離として表される。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
12L、12R:基準線
20:着地許可領域
22:最大着地可能領域
42:遊脚足平基準点の移動軌跡を着地面へ投影した軌跡
100:ロボット
Claims (7)
- 脚式ロボットの各脚に備えられた足平に固定された基準点の位置の時系列的変化を示す歩容データを作成する方法であり、
足平の前後方向に伸びており、前記ロボットが両足平を揃えたときに互いに平行となるような基準線を各足平に対して定めるとともに、
立脚の足平に定められた基準線と遊脚の足平に定められた基準線とが遊脚が着地する際になす角度(以下、着地目標角度という)を設定する工程と、
立脚の足平と着地する際の遊脚の足平との接触を回避するのに必要な距離を維持するための、立脚の足平の基準点と着地する際の遊脚の足平の基準点との間の距離(以下、角度依存距離という)を着地目標角度に応じて算出する工程と、
立脚の足平の基準点と着地する際の遊脚の足平の基準点を含む平面内であって、立脚の足平の基準点から下ろした垂線の長さが角度依存距離に等しく、かつ遊脚が着地する際の遊脚の足平の基準線に平行に伸びる第1の直線を計算する工程と、
前記平面内であって、立脚の足平の基準点から下ろした垂線の長さが角度依存距離に等しく、かつ遊脚側に位置するとともに、立脚の足平の基準線に平行に伸びる第2の直線を計算する工程と、
遊脚の足平の基準点を着地させる目標位置(以下、着地目標位置という)を、前記平面内において、前記第1の直線又は前記第2の直線によって仕切られた領域であって、遊脚側の領域(以下、着地許可領域という)に設定する工程と、
を含むことを特徴とする歩容データ作成方法。 - 前記角度依存距離を算出する工程は、足平の外周に接する矩形を設定し、
前記角度依存距離は、足平の基準点から爪先に相当する前記矩形の一辺までの距離に着地目標角度の正弦を乗じた距離と、足平の基準点から足平の内側に相当する前記矩形の一辺までの距離に着地目標角度の余弦を乗じた距離と、所定距離を加算した距離であることを特徴とする請求項1に記載の歩容データ作成方法。 - 遊脚の足平の基準点の着地目標位置を設定する工程は、
着地目標角度から着地可能領域を演算し、着地許可領域内でかつ着地可能領域内に遊脚の足平の基準点の着地目標位置を設定することを特徴とする請求項1又は2に記載の歩容データ作成方法。 - 着地目標角度がゼロのときの着地可能領域は、遊脚を爪先方向に最大に振り出して着地するときと踵方向に最大に振り出して着地するときの足平の基準点間の距離を長径とし、遊脚を側方に最大に振り出して着地するときと前記側方とは反対の方向に最大に振り出して着地するときの足平の基準点間の距離を短径とする楕円であり、
着地目標角度が最大のときの着地可能領域は、長径と短径が略ゼロの点であり、
着地目標角度が中間値のときの着地可能領域は、前記楕円と点を前記中間値で按分した楕円であることを特徴とする請求項3に記載の歩容データ作成方法。 - 脚式ロボットの各脚に備えられた足平に固定された基準点の位置の時系列的変化を示す歩容データを作成する方法であり、
足平の前後方向に伸びており、前記ロボットが両足平を揃えたときに互いに平行となるような基準線を各足平に対して定めるとともに、
立脚の足平に定められた基準線と遊脚の足平に定められた基準線とがなす角度を設定する工程と、
前記工程で設定された角度から、立脚の足平と遊脚の足平との接触を回避するのに必要な距離を維持するための、立脚の足平の基準点と遊脚の足平の基準点とを着地面へ投影した際の両基準点の間の距離(以下、角度依存距離という)を算出する工程と、
遊脚の足平の基準点の移動軌跡を着地面へ投影した軌跡が、立脚の足平の基準点を中心とするとともに半径が前記角度依存距離に等しい円と接する弧を描く遊脚の足平の基準点の軌跡を設定する工程と、
を含むことを特徴とする歩容データ作成方法。 - 前記角度依存距離を算出する工程は、足平の外周に接する矩形を設定し、
前記角度依存距離は、足平の基準点から爪先に相当する前記矩形の一辺までの距離に前記「角度を設定する工程」で設定された角度の正弦を乗じた距離と、足平の基準点から足平の内側に相当する前記矩形の一辺までの距離に前記「角度を設定する工程」で設定された角度の余弦を乗じた距離と、所定距離を加算した距離であることを特徴とする請求項5に記載の歩容データ作成方法。 - 脚式ロボットの各脚に備えられた足平に固定された基準点の位置の時系列的変化を示す歩容データを作成する装置であって、
足平の前後方向に伸びており、前記ロボットが両足平を揃えたときに互いに平行となるような基準線を各足平に対して定めるとともに、
ロボットの歩行経路の曲率半径から、立脚の足平の基準線と遊脚の足平の基準線とが遊脚が着地する際になす角度(以下、着地目標角度という)を設定する手段と、
立脚の足平と着地する際の遊脚の足平との接触を回避するのに必要な距離を維持するための、立脚の足平の基準点と遊脚の足平の基準点との間の距離(以下、角度依存距離という)を着地目標角度に応じて算出する手段と、
立脚の足平の基準点と着地する際の遊脚の足平の基準点を含む平面内であって、立脚の足平の基準点から下ろした垂線の長さが角度依存距離に等しく、かつ遊脚が着地するときの遊脚の足平の基準線に平行に伸びる第1の直線を計算する手段と、
前記平面内であって、立脚の足平の基準点から下ろした垂線の長さが角度依存距離に等しく、かつ遊脚側に位置するとともに、立脚の足平の基準線に平行に伸びる第2の直線を計算する手段と、
遊脚の足平の基準点を着地させる目標位置を、前記平面内において、前記第1の直線又は前記第2の直線によって仕切られた領域であって、遊脚側の領域に設定する手段と、
を有することを特徴とする歩容データ作成装置。
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