JP4930003B2

JP4930003B2 - 移動ロボット

Info

Publication number: JP4930003B2
Application number: JP2006312380A
Authority: JP
Inventors: 亮介中村; 梓網野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-11-20
Filing date: 2006-11-20
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2026-11-20
Also published as: KR100950953B1; US7658245B2; JP2008126349A; US20080135312A1; KR20080045645A

Description

本発明は脚先に車輪を備え、不整地を移動可能とされた脚車輪型の移動ロボットに関する。

ロボットの移動方式として車輪による移動と脚による移動がある。脚による移動はZMP
(Zero Moment Point) を規範としてロボットの姿勢を制御し、歩行を行っている。ＺＭＰとは接地点の抗力中心であり、抗力によるモーメントが０になる床面上の点である。ロボットが歩行する場合、ロボット自身の運動による慣性力，ロボットへの重力，床から受ける反力などを考慮して歩行制御を行う必要がある。ＺＭＰをロボットの足底による支持凸多角形に収まるように歩行パターンを生成すれば転倒せずに歩行を行うことが出来る。

車輪による移動では自動車に代表される３点以上の接地点をもつ静的安定な移動方法や、バイクのようにタイヤの角運動量を用いて横方向の安定を保つ方法、特許文献１に示すような移動体の進行方向の傾斜角度，角速度をフィードバックすることにより動的に安定を保つ同軸２輪倒立振子によるものが知られている。

車輪による移動では移動効率や移動速度の面で優れている反面、移動できる環境に制限が大きく、対地適応性が低いと言う特徴がある。また脚による移動では移動効率や移動速度の面で劣るものの、対地適応性が高い。
そこで、車輪と脚の組み合わせによりこれらの利点を兼ね備えるため、車輪を必要に応じて横倒し、足裏の接触面積を増加させることによって二足歩行を実現することが知られ、特許文献１に記載されている。同様に、通常の歩行動作よりダイナミックで高速な移動を実現するために、脚式移動ロボットにローラースケート靴をはかせることによってローラースケーティングを行うことが知られ、特許文献２に記載されている。

特開２００５−２８８５６１号公報特開２００１−１３８２７２号公報

上記特許文献１に記載のものでは、車輪移動と脚移動の切り替えの際に片足の車輪のみで設置している期間があり安定性に難があった。また、特許文献２に記載のものでは取り付けられた車輪に対して適切な摩擦調整と弾性指定を行うことで路面に対する凹凸への適応性を高める必要があり、車輪が回り易く、不整地面で歩行を行う場合は車輪が回らない程度にしか蹴り出すことができず、歩行速度が遅いものであった。

本発明の目的は、車輪と歩行の移動手段の切り替えを安定して行うと共に、凹凸の大きい不整地面においても車輪を備えた脚を確実に接地させ、安定した歩行を実現し、高速かつ安定なロボット装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明は、制御装置と重力方向に対する傾斜角度及び角速度を検出する傾斜角度検知装置を有する胴体と、大腿部と下肢部を有し前記大腿部は前記胴体に対して正面方向となるＸ及び側面方向となるＹ軸回りに回転可能とされた複数の脚と、を備えた移動ロボットにおいて、前記下肢部の下に設けられＹ軸回りに回転可能とされた車輪と、前記下肢部の下にＹ軸回りに回動可能とされ路面に接地可能とされた可動支持部と、を備え、路面の凹凸に応じて前記可動支持部を接地させず、前記車輪にて倒立を維持したまま移動する同軸二輪倒立振子制御動作と、前記車輪及び前記可動支持部の路面に対する接地を制御して歩行する二足歩行制御動作と、を切り替え、前記二足歩行制御動作中であって前記脚を下ろして接地する場合、前記車輪の回転を許容して路面に接地させ、さらに前記可動支持部を路面から浮かせる車輪接地状態とし、前記車輪の回転が一定速度以下、あるいは一定回転以上したとき、回転を停止するように制御されるものである。

本発明によれば、路面の凹凸に応じて車輪にて倒立を維持したまま移動する同軸二輪倒立振子制御動作と、車輪及び可動支持部の路面に対する接地を制御して歩行する二足歩行制御動作と、を切り換えるので、凹凸が少ない路面では車輪による高速移動を行い、不整地面においては路面の凹部に脚を接地することにより安定した歩行を行うことができる。

図１は、移動ロボットの全体の概略、図２は関節配置を示す。
ロボット１は脚部１０と胴体１００に二分される。脚部１０は左右の脚１１Ｒ，１１Ｌからなり、それぞれは大腿部１２Ｒ，１２Ｌ、下肢部１３Ｒ,１３Ｌ、車輪１４Ｒ,１４Ｌ、可動支持部１５Ｒ，１５Ｌからなっている。これら脚の左右を区別する必要がある場合は右を表わす場合は「Ｒ」を、左を表わす場合は「Ｌ」を末尾に付した。
胴体１００は左右の脚１１Ｒ，１１Ｌの上部に位置し、全ての関節と車輪の動作を制御する制御装置１１０と胴体の重力方向に対する傾斜角度，角速度を検出する、傾斜角度検知装置１１１を備える。また、ロボット正面方向をＸ軸、側面方向をＹ軸、垂直方向をＺ軸とした。大腿部１２Ｒ，１２Ｌと胴体１００の間にはＸ軸方向回転関節２０Ｒ，２０ＬとＹ軸方向回転関節２１Ｒ，２１Ｌが設けられている。

大腿部１２Ｒ，１２Ｌと下肢部１３Ｒ，１３Ｌとの間にはＹ軸方向回転関節２２Ｒ，
２２Ｌが設けられている。下肢部１３Ｒ，１３Ｌの下には車軸２３Ｒ，２３ＬがＹ軸方向に取り付けられ、Ｙ軸回りに回転する車輪１４Ｒ，１４Ｌが設けられている。また、同じく下肢部１３Ｒ，１３Ｌの下に可動支持部１５Ｒ，１５ＬがＹ軸方向回転関節２４Ｒ，
２４Ｌを介して接続され、さらに回転関節２５Ｒ，２５ＬがＹ軸方向回転関節２４Ｒ，
２４Ｌに直交するように設けられ、可動支持部１５Ｒ，１５ＬはＹ軸回りに回動、Ｚ軸回りに揺動可能とされている。
また、関節２４Ｒ，２４Ｌと車軸２３Ｒ，２３Ｌの回転軸は同一とした。また、全ての関節と車輪には角度検出機能を持つモータが取り付けられており制御装置１１０から指定されたトルクを発生することが出来る。

ロボット１は路面の凹凸の少ない場面では関節２４Ｒ，２４Ｌ及び関節２５Ｒ，２５Ｌを動かし可動支持部１５Ｒ，１５Ｌを接地させず、車輪横にたたみ同軸二輪倒立振子制御によって高速に、車輪移動を行う。具体的には、制御装置１１０が傾斜角度検知装置111より胴体の重力方向に対する傾斜角度，角速度，車輪１４Ｒ，１４Ｌより車輪回転角度と車輪回転角速度の情報を取得しフィードバックによって倒立を維持したまま移動させる。
路面に凹凸がある場合、従来のロボット歩行時に脚を接地させた後は足首等の関節を使って路面の傾斜に沿って脚を接地させて歩行を行っている。しかし、路面に凹凸が大きい場合、脚の設置面積が十分な大きさを持たない場合、路面の凹凸の影響が大きくなり安定性が低くなる。

したがって、ロボット１は路面の凹凸が大きい場面では路面の凹凸を探りながら二足歩行を行う。ロボットによる路面凹凸対応の二足歩行は以下に示す状態（ステップ）を遷移しながら実現される。

（１）右脚を持ち上げ、左脚により全身を支持する片脚支持期
（２）右脚を下ろし、完全に接地させる地点を探索する片脚支持期
（３）右脚を完全に下ろし、両脚によって全身を支持する両脚支持期
（４）左脚を持ち上げ、右脚により全身を支持する片脚支持期
（５）左脚を下ろし、完全に接地させる地点を探索する片脚支持期
（６）左脚を下ろし、両脚によって全身を支持する両脚支持期

「完全に接地」とは、路面に対して回転しないように制御した状態で車輪を路面に接地させ、さらに可動支持部も路面に添うように接地させることにより、脚と路面の位置関係を変えないようにした状態（ステップ）とする。
また、車輪を路面に接地させるが車輪の回転を許容するように車輪を制御し、かつ可動支持部を路面から浮かせることにより、脚と路面の接触を保ったまま路面に沿う方向の脚の移動を供する状態を車輪接地状態と呼ぶ。
さらに、完全に接地され、地面に対して相対位置が変わらないように制御されている脚を支持脚、車輪接地状態または、車輪と可動支持部がともに路面より浮いている脚を遊脚と呼ぶ。

歩行中の制御装置１１０中の制御ブロックを図３に示す。
ロボット１において動作パターン生成部３０によって生成される車輪回転関節２３Ｒ，２３Ｌを除いた、脚１１Ｒ，１１Ｌにある全関節に対する角度目標値を時系列に沿って並べたものを脚の動作パターンとする。以後この脚の動作パターンについて述べる。水平面上での全身の重心位置ベクトルをＧＸＹ、高さ方向をＧｈ、ロボット１の質量をＭ、可動支持部が発生させるトルクをηとおくと床面上にあるＺＭＰ位置ＺＸＹとの関係は重力定数Ｇを用いて次式で表わされる。

動作パターン生成部３０は重心位置ＧＸＹ、及び重心高さＧｈを全身の関節角度と傾斜角度検出装置１１１から得られる傾斜角度によって計算により得ることが出来る。数式１によって得られたＺＭＰが一つまたは二つの支持脚が為す支持凸多角形内に維持されるように動作パターン生成部３０は脚の動作パターンを生成する。支持凸多角形とは図５に示すように接地している部分全てを含む凸多角形のうちで最小のものである。両脚で接地している場合においても同様で、二つの支持凸多角形があるのではなく、一つの大きな支持凸多角形があるとみなす。生成された動作パターンに対して脚の関節は位置制御が行われ追従を行う。

図４に両脚支持期の状態（Ｓ１）から一歩踏み出し次の両脚支持期（Ｓ６）に入るまでのフローチャートを示す。路面には凹凸はあるが平均傾斜は０であるとした。
両脚支持期（Ｓ１）の状態を説明する。この状態では両脚１１Ｒ，１１Ｌとも完全に接地している。ＺＭＰは両脚１１Ｒ，１１Ｌの二つの脚が作る支持凸多角形内あるとする。この時の両脚は支持脚関節制御部３１によって関節ごとに位置制御をされている。左右の車輪１４Ｌ，１４Ｒの回転角度も位置制御されている。車輪は車輪回転角度をθ、車輪目標回転角度をφとして数式２を用いた支持脚車輪制御部３３によって駆動トルクτを与えられ、車輪回転角度θと車輪目標回転角度φを一致させる。ここで車輪の左右を表わすＲ，Ｌは省略している。

Ｋ１，Ｋ２は制御ゲインであり、目標車輪角度φと現在の車輪角度θとの差にＫ１を乗じたもの、目標車輪角速度ｄφ／ｄｔと現在の車輪角速度ｄθ／ｄｔとの差にＫ２を乗じたものの和が車輪駆動トルクτとなっている。Ｋ１，Ｋ２は脚に外乱が入った場合でも位置を元の位置に戻すようにＰＤ，ＬＱＲ制御理論などで設定されている。車輪目標回転角度φは前回のステップで遊脚が支持脚に役割が切り替わった時点の車輪角度θが設定されている。ここでは次に右脚１１Ｒを踏み出すとして、右脚１１Ｒを持ち上げても転倒しないためにＺＭＰを左脚１１Ｌのみが作る支持凸多角形に入るように全ての脚関節、可動支持部１５Ｒを動かす２４Ｌ，２５Ｌを制御する。

次に関節２４Ｒを回転させ、可動支持部の接地を解き、その後に間接２１Ｒ，２２Ｒを動かし右脚１１Ｒを上げ遊脚として進行方向に動かす（Ｓ２）。状態Ｓ２からＳ５までの間もＺＭＰは支持凸多角形に入るように制御される。遊脚になった時点で車輪の駆動トルクτは遊脚車輪制御部３４によって数式３によって与えられる。ここでも車輪の左右を表わすＲ，Ｌは省略している。

Ｋ３は制御ゲインであり、目標車輪角速度ｄφ／ｄｔと現在の車輪角速度ｄθ／ｄｔとの差にＫ３を乗じたものの和が車輪駆動トルクτとなっている。Ｋ３と前述したＫ２は異なった値をとっても良い。車輪１４Ｒの目標車輪角速度ｄφ／ｄｔと現在の車輪角速度
ｄθ／ｄｔとの差が０に収束するように設定されている。ここでは目標車輪角速度ｄφ／ｄｔは０とする。

動作パターンにしたがって右脚１１Ｒを車輪接地させる（Ｓ３）。脚を下ろして実際に接地した瞬間は関節２１Ｒ，２２Ｒ、或いは車輪１４Ｒに外乱が加わるために関節にオブザーバを組み込んでおくことによって、認識することが出来る。接地した後の遊脚は、車輪１４Ｒより加わるＸ軸方向の外力に対しては脚の姿勢を変形し易く、Ｚ軸方向の外力に対しては脚の姿勢を変形させないという方向ごとに異なった特性を持つ位置制御を遊脚関節制御部３２によって行う。
接地を認識した際に車輪１４Ｒの車輪回転角速度ｄθ／ｄｔが目標回転速度ｄφ／ｄｔとＳ２の状態と比較して大きく食い違った場合は車輪１４Ｒの直下に凹凸があると判断できる。接地した後に車輪１４ＲにＺ軸方向の荷重をかけることで図６に示すように路面の凹凸に沿って車輪が回転し、関節２３Ｒの場所が路面に沿って動く。ここで遊脚の各関節の目標角度を随時その時点での現在角度に変更する。これにより車輪１４Ｒは路面の凹部を探査することができる（Ｓ４）。

脚の長さや関節のトルク限界などで実際の姿勢は制限を受けるために、車輪１４Ｒの移動量は制限される。従って、車輪は一定速度以下になった場合、または一定回転以上した場合は回転を停止させる。車輪１４Ｒは路面の凹部に達するとの回転が停止するため、車輪の回転速度が停止、或いは路面が平坦であると判断できるほどに車輪回転速度が十分に小さくなった時の車輪位置が右脚１１Ｒを完全に接地させる点と定める。
車輪の制御を支持脚車輪制御部３３によるものに変更し地面に対して車輪位置を固定する。また、遊脚の位置制御をＳ１の状態のものにもどし、可動支持部１５Ｒを関節２４Ｒ，２５Ｒを接地するまで動かす。接地した場合は関節２４Ｒ，２５Ｒにオブザーバを組み込んでおくことにより判定する。これにより１１Ｒを完全に接地させる（Ｓ５）。また、右脚の制御をＳ１と同様に支持脚関節制御部３１によるものに変更する。最後に次の歩行と安定性を確保するため、ＺＭＰは両脚１１Ｒ，１１Ｌの二つの脚が作る支持凸多角形内にあるように脚の関節を動かす（Ｓ６）。

以上の説明は遊脚として右脚１１Ｒを用いたが、左足１１Ｌを用いた場合も同様である。
以上の手順に沿って歩行を行うことにより路面の凹凸の凹部に確実に脚を接地することができ、安定な歩行を実現することができる。また、脚が２本の場合において説明しているが３本以上の場合においても適用できる。

本発明による一実施の形態を示す正面及び側面図。本発明による一実施の形態における関節構成を示す図。本発明による一実施の形態における制御ブロック図。本発明による一実施の形態におけるフローチャート。本発明による一実施の形態における片脚の接地を示す平面図。一実施の形態において、遊脚を接地させた際の路面の凹凸と車輪回転方向を示す図。

符号の説明

１移動ロボット
１０脚部
１１Ｒ，１１Ｌ脚
１２Ｒ，１２Ｌ大腿部
１３Ｒ，１３Ｌ下肢部
１４Ｒ，１４Ｌ車輪
１５Ｒ，１５Ｌ可動支持部
１００胴体

Claims

制御装置と重力方向に対する傾斜角度及び角速度を検出する傾斜角度検知装置を有する胴体と、大腿部と下肢部を有し前記大腿部は前記胴体に対して正面方向となるＸ及び側面方向となるＹ軸回りに回転可能とされた複数の脚と、を備えた移動ロボットにおいて、
前記下肢部の下に設けられＹ軸回りに回転可能とされた車輪と、
前記下肢部の下にＹ軸回りに回動可能とされ路面に接地可能とされた可動支持部と、
を備え、
路面の凹凸に応じて前記可動支持部を接地させず、前記車輪にて倒立を維持したまま移動する同軸二輪倒立振子制御動作と、前記車輪及び前記可動支持部の路面に対する接地を制御して歩行する二足歩行制御動作と、を切り替え、
前記二足歩行制御動作中であって前記脚を下ろして接地する場合、前記車輪の回転を許容して路面に接地させ、さらに前記可動支持部を路面から浮かせる車輪接地状態とし、前記車輪の回転が一定速度以下、あるいは一定回転以上したとき、回転を停止するように制御されることを特徴とする移動ロボット。
請求項１に記載のものにおいて、前記脚を左右の２本とし、
（１）右脚を持ち上げ、左脚の前記車輪を回転しないようにして路面に接地させ、さらに可動支持部も路面に接地させる完全に接地状態として全身を支持するステップ
（２）右脚を下ろし、右脚の前記車輪の回転を許容して路面に接地させ、さらに前記可動支持部を路面から浮かせる車輪接地状態とし、前記車輪の回転が一定速度以下、あるいは一定回転以上したとき、回転を停止するようにして接地させる地点を探索するステップ
（３）右脚を完全に下ろし、両脚を前記完全に接地状態として全身を支持するステップ
（４）左脚を持ち上げ、右脚を前記完全に接地状態として全身を支持する片脚支持期
（５）左脚を下ろし、左脚の前記車輪の回転を許容して路面に接地させ、さらに前記可動支持部を路面から浮かせる車輪接地状態とし、前記車輪の回転が一定速度以下、あるいは一定回転以上したとき、回転を停止するようにして接地させる地点を探索するステップ
（６）左脚を下ろし、両脚を前記完全に接地状態として全身を支持するステップ
の状態を遷移しながら行われることを特徴とする移動ロボット。
請求項１に記載のものにおいて、前記脚を左右の２本とし、前記車輪は角度検出機能を持ったモータで駆動されることを特徴とする移動ロボット。