JP5213023B2 - ロボット - Google Patents

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Description

本発明は、基体から延設された複数の脚体の動作により自律的に移動可能なロボットに関する。
自律的に移動可能なロボットに搭載されているバッテリを充電する技術的手法が提案されている（特許文献１参照）。この技術によれば、充電ステーション側の案内部材により案内するようにロボットを移動させることにより、ロボットの基体に搭載されている第１コネクタと、充電装置が有する第２コネクタとの接続の確実が図られている。
特開２００７−２４５３３２号公報
ところで、第１コネクタと第２コネクタとを接続させる方法としては、ロボットを充電装置に対して動かす方法のほか、ロボットを第２指定エリアまで移動させた上でこの第２指定エリアに指定姿勢で立ち止まらせた状態で、充電装置が有する駆動装置により第２コネクタを第１コネクタに近づけるように駆動する方法が考えられる。
しかし、第２コネクタの位置、姿勢または位置および姿勢（以下、適宜「位置等」という。）が本来あるべき位置等からずれている、または、ロボットの脚体の床との相互作用状況が想定されていた状況と異なる等の理由により、ロボットが第２指定エリアに指定姿勢で立ち止まっているにもかかわらず、第１コネクタの位置等が、第２コネクタとの接続の観点から不適当となる可能性がある。この場合、ロボットを別のエリアに移動させた上で先と同じ形態で第２指定エリアに戻るように移動させ、この第２指定エリアに指定姿勢で立ち止まらせたとしても、第１コネクタの位置等がやはり第２コネクタとの接続の観点からなおも不適当なままである可能性がある。
そこで、本発明は、対象物体との相互作用を伴う指定タスクを実行する観点から、基体の位置等を適当に調節することができるロボットを提供することを解決課題とする。
本発明は、基体と、前記基体に連結された複数の脚体と、制御装置とを備え、前記複数の脚体はそれぞれ関節機構を備え、前記制御装置により前記複数の脚体の離床および着床の繰り返しを伴う動作が制御されることにより自律的に移動可能なロボットに関する。
第１発明のロボットは、前記制御装置が、前記ロボットが第１指定エリアに立ち止まっている状態において前記基体の位置が第１目標位置を基準とする第１目標位置範囲に収まり、かつ、前記基体の姿勢が第１目標姿勢を基準とする第１姿勢範囲に収まっているという第１位置・姿勢要件が満たされているか否かを判定し、前記ロボットが対象物体との相互作用を伴う指定タスクを実行する第２指定エリアに立ち止まっている状態において第２目標位置に対する前記基体の位置の偏差を第２位置偏差として測定し、かつ、第２目標姿勢に対する前記基体の姿勢の偏差を第２姿勢偏差として測定する第１制御要素と、前記第１制御要素により前記第１位置・姿勢要件が満たされていると判定されたことを要件として、前記基体の位置および姿勢を第２目標軌道にしたがわせながら、前記ロボットが前記第１指定エリアから前記第２指定エリアまで移動した上で立ち止まるように前記ロボットの動作を制御した後、前記第１制御要素により測定された今回の前記第２位置偏差および前記第２姿勢偏差のうち一方または両方に基づき、次回の前記第２位置偏差および前記第２姿勢偏差のうち一方または両方が小さくなるように前記第２目標軌道を補正し、前記第１制御要素により前記第１位置・姿勢要件が満たされていないと判定されたことを要件として、前記ロボットが前記第１指定エリアに立ち止まっている状態から、前記第１指定エリアにおいて前記複数の脚体のうち一部または全部を離床かつ着床させた後、再び立ち止まることにより、前記第１目標位置に対する前記基体の位置偏差および前記第１目標姿勢に対する前記基体の姿勢偏差のうち一方または両方に基づき、前記基体の位置および姿勢のうち一方または両方を変化させるように前記ロボットの動作を制御する第２制御要素とを備えていることを特徴とする。
第１発明のロボットによれば、「第１位置・姿勢要件」が満たされている場合、基体の位置および姿勢を「第２目標軌道」にしたがわせながら、ロボットが第１指定エリアから第２指定エリアに移動する。第１位置・姿勢要件が満たされていることを要件として、基体の位置および姿勢を「第２目標軌道」にしたがわせながら、ロボットが第１指定エリアから第２指定エリアに移動した上で立ち止まる。「目標軌道」とは、基体の位置および姿勢のそれぞれの時系列的な目標変化態様の１つを意味している。基体の「姿勢」は、基体の基準方向の方位角または方位角および仰角により定義される。ロボットが「立ち止まる」とは、各脚体の動きが停止されていることを意味する。また、ロボットが第２指定エリアで立ち止まっている状態において第２位置偏差（＝第２目標位置に対する基体の位置の偏差）と、第２姿勢偏差（＝第２目標姿勢に対する基体の姿勢の偏差）とが測定される。そして、今回の第２位置偏差および第２姿勢偏差のうち一方または両方に基づき、次回の第２位置偏差および第２姿勢偏差のうち一方または両方が小さくなるように第２目標軌道が補正される。第１位置・姿勢要件が満たされていない場合でも、ロボットが第１指定エリアにおいて「足踏み」することにより、第１位置・姿勢要件が満たされるように第２目標軌道の今回始点が調節される。その上で前記のように第２目標軌道が補正され、基体の位置および姿勢が当該補正後の第２目標軌道にしたがわせながら、ロボットが第１指定エリアから第２指定エリアに移動する。
上記構成により、補正前後における第２目標軌道の始点、すなわち、ロボットが第１指定エリアに立ち止まっている状態における基体の目標位置および目標姿勢がほぼ同じになるように調節される。第１位置・姿勢要件が満たされていない場合には、「足踏み」によって第１位置・姿勢要件が満たされるように調節される。このような調節により第１位置・姿勢要件が満たされた場合には、第２目標軌道が補正され、基体の位置および姿勢が当該補正後の第２目標軌道にしたがわせながら、ロボットが第１指定エリアから第２指定エリアに移動する。
この結果、ロボットが第１指定エリアから第２指定エリアに移動した上で立ち止まった状態における基体の今回位置等が、ロボットが過去に第１指定エリアから第２指定エリアに移動した上で立ち止まった状態における基体の前回位置等よりも第２目標位置等に近づけられる。すなわち、ロボットの基体の位置等が第２指定エリアにおいて指定タスクを実行する観点から適当に調節されうる。
第２発明のロボットは、第１発明のロボットにおいて、前記第２制御要素が、前記基体の位置および姿勢を第１目標軌道にしたがわせながら、前記ロボットが前記第２指定エリアから前記第１指定エリアまで移動した上で立ち止まるように前記ロボットの動作を制御した後、前記基体の位置および姿勢を補正後の第２目標軌道にしたがわせながら、前記ロボットが前記第１指定エリアから前記第２指定エリアまで移動した上で立ち止まるように前記ロボットの動作を制御することを特徴とする。
第２発明のロボットによれば、基体の位置および姿勢を「第１目標軌道」にしたがわせながら、ロボットが第２指定エリアから第１指定エリアに移動する。その後、基体の位置および姿勢を前記のように補正された「第２目標軌道」にしたがわせながら、ロボットが再び第２指定エリアに移動した上で立ち止まる。すなわち、ロボットが第２指定エリアに立ち止まっている状態からいったん第１指定エリアに戻った上で、再び第２指定エリアに移動した上で立ち止まる。これにより、基体の位置等がロボットに指定タスクを実行させる観点から適当に調節されうる。
第３発明のロボットは、第２発明のロボットにおいて、前記第１制御要素が、前記基体の位置が前記第２目標位置を基準とする第２目標位置範囲に収まり、かつ、前記基体の姿勢が前記第２目標姿勢を基準とする第２姿勢範囲に収まっているという第２位置・姿勢要件が満たされているか否かを判定し、前記第２制御要素が、前記第１制御要素により前記第２位置・姿勢要件が満たされていると判定されたことを要件として前記指定タスクを実行するように前記ロボットの動作を制御する一方、前記第１制御要素により前記第２位置・姿勢要件が満たされていないと判定されたことを要件として前記基体の位置および姿勢を第１目標軌道にしたがわせながら、前記第２指定エリアから前記第１指定エリアまで移動した上で立ち止まるように前記ロボットの動作を制御することを特徴とする。
第３発明のロボットによれば、「第２位置・姿勢要件」が満たされている場合、すなわち、基体の位置および姿勢がロボットに指定タスクを実行させる観点から適当である場合、ロボットが指定タスクを実行する。一方、「第２位置・姿勢要件」が満たされていない場合、前記のようにロボットが第２指定エリアに立ち止まっている状態からいったん第１指定エリアに戻った上で、再び第２指定エリアに移動した上で立ち止まることにより、基体の位置等がロボットに指定タスクを実行させる観点から適当に調節されうる。
第４発明のロボットは、第１〜第３発明のうちいずれか１つのロボットにおいて、バッテリと、第１コネクタとを備え、充電装置が有する駆動装置により駆動された前記対象物体としての第２コネクタを前記第１コネクタに接続させ、かつ、前記充電装置により前記バッテリを充電させるタスクを前記指定タスクとして実行することを特徴とする。
第４発明のロボットによれば、前記のように基体の位置等が適当に調節されうるので、ロボットは充電装置が有する第２コネクタを第１コネクタに接続させ、かつ、充電装置によりバッテリを充電させるという指定タスクを実行することができる。
第５発明のロボットは、第１〜第３発明のうちいずれか１つのロボットにおいて、前記基体に連結されている腕体と、前記腕体の端部に連結されている手部とを備え、前記ロボットが前記手部により前記対象物体を把持する、または、前記手部から前記対象物体を離すタスクを前記指定タスクとして実行することを特徴とする。
第５発明のロボットによれば、前記のように基体の位置等が適当に調節されうるので、ロボットは腕体等を動かして手部により対象物体を把持する、または、対象物体を手部から離すという指定タスクを実行することができる。
本発明のロボットの実施形態について図面を用いて説明する。まず、ロボットの構成について説明する。
図１に示されているロボット１は脚式移動ロボットであり、人間と同様に、基体１０と、基体１０の上方に配置された頭部１１と、基体１０の上部に上部両側から延設された左右の腕体１２と、左右の腕体１２のそれぞれの先端に設けられている手部１３と、基体１０の下部から下方に延設された左右の脚体１４とを備えている。ロボット１はその動作を制御する制御装置１００と、バッテリ１１００とを備えている。制御装置１００はロボット１の内部ネットワークを通じて接続された主制御ユニットおよび一または複数の副制御ユニットより構成される分散制御装置であってもよい。
基体１０はヨー軸回りに相対的に回動しうるように上下に連結された上部および下部により構成されている。頭部１１は基体１０に対してヨー軸回りに回動する等、動くことができる。頭部１１には、ロボット１の前方を撮像範囲とするＣＣＤカメラ、赤外線カメラ等、種々の周波数帯域における光を感知しうる左右一対の頭カメラＣ1が搭載されている。基体１０の下部には、ロボット１の前方下方に向けて発せられた近赤外レーザー光の物体による反射光を検知することによりこの物体の位置や方位等を測定するための腰カメラ（アクティブセンサ）Ｃ2が搭載されている。
腕体１２は第１腕体リンク１２２と、第２腕体リンク１２４とを備えている。基体１０と第１腕体リンク１２１とは肩関節機構（第１腕関節機構）１２１を介して連結され、第１腕体リンク１２２と第２腕体リンク１２４とは肘関節機構（第２腕関節機構）１２３を介して連結され、第２腕体リンク１２４と手部１３とは手根関節機構（第３腕関節機構）１２５を介して連結されている。肩関節機構１２１はロール、ピッチおよびヨー軸回りの回動自由度を有し、肘関節機構１２３はピッチ軸回りの回動自由度を有し、手根関節機構１２５はロール、ピッチ、ヨー軸回りの回動自由度を有している。
手部１３は、手掌部から延設され、人間の手の親指、人差指、中指、薬指および小指のそれぞれに相当する５つの指機構１３１〜１３５を備えている。第１指機構１３１と、横並びの４つの指機構１３２〜１３５とが対向して配置されている。第１指機構１３１は人間の手の第１中手骨、親指の基節および末節に相当する３つのリンク部材と、当該３つのリンク部材を覆う弾性カバーとを備えている。３つのリンク部材は手掌部から順に人間の手の第１中手骨の基部側の関節、親指の中手指節関節および指節間関節のそれぞれに相当する関節を介して連結されている。第１指機構１３１は、手掌部に収納されたモータから、減速機構等により構成される動力伝達機構を介して伝達される力に応じて各関節において曲がりうる。モータから第１指機構１３１に伝達される動力は制御装置１００によって制御される。指機構１３２〜１３５は、たとえば特開２００３−１８１７８７号公報に記載されている指機構と同様の構成とされ、また、それぞれがほぼ同様の構成とされている。たとえば、第５指機構１３５は、人間の手の小指の基節、中節および末節のそれぞれに相当する３つのリンク部材と、当該３つのリンク部材を覆う弾性カバーとを備えている。３つのリンク部材は手掌部から順に人間の手の小指の中手指節関節、近位指節間関節および遠位指節間関節のそれぞれに相当する関節を介して連結されている。第５指機構１３５は、動力源としてのモータ（図示略）から、動力伝達機構を介して伝達される動力に応じて、各関節において内側に曲がることができる。モータから第５指機構１３５に伝達される動力は、第１指機構１３１と同様に制御装置１０００によって制御される。また、動力伝達機構は、前掲の特開２００３−１８１７８７号公報に記載されているようにワイヤやプーリ等によって構成されてもよく、各指機構を屈伸運動させるようにモータの動力を伝達しうるあらゆる構成が採用されてもよい。
脚体１４は第１脚体リンク１４２と、第２脚体リンク１４４と、足部１５とを備えている。基体１０と第１脚体リンク１４２とは股関節機構（第１脚関節機構）１４１を介して連結され、第１脚体リンク１４２と第２脚体リンク１４４とは膝関節機構（第２脚関節機構）１４３を介して連結され、第２脚体リンク１４４と足部１５とは足関節機構（第３脚関節機構）１４５を介して連結されている。股関節機構１４１はロール、ピッチおよびロール軸回りの回動自由度を有し、膝関節機構１４３はピッチ軸回りの回動自由度を有し、足関節機構１４５はロールおよびピッチ軸回りの回動自由度を有している。股関節機構１４１、膝関節機構１４３および足関節機構１４５は「脚関節機構群」を構成する。なお、脚関節機構群に含まれる各関節機構の並進および回転自由度は適宜変更されてもよい。また、股関節機構１４１、膝関節機構１４３および足関節機構１４５のうち任意の１つの関節機構が省略された上で、残りの２つの関節機構の組み合わせにより脚関節機構群が構成されていてもよい。さらに、脚体１４が膝関節とは別の第２脚関節機構を有する場合、当該第２脚関節機構が含まれるように脚関節機構群が構成されてもよい。足部１５の底には着床時の衝撃緩和のため、特開２００１−１２９７７４号公報に開示されているような弾性素材１５２が設けられている。
なお、各関節機構の「動き」とは、直交座標系における３つの軸方向への並進および３つの軸まわりの回転のうち一部または全部により定義される動きを意味する。ロボット１が「立ち止まる」とは、脚体１４の動き、すなわち、脚関節機構群に属するすべての脚関節機構の動きが停止されている状態を意味する。
図２に示されているように基体１０の背面側にはバッテリ１１００を充電するための第１コネクタ１２００が設けられている。図３および図４に示されているように第１コネクタ１２００には第１充電用端子１２２０、第１信号用端子１２４０およびチューブ１２６０が並列に設けられている。チューブ１２６０の側壁が部分的に切り欠かれてガイド１２７０が形成されている。
ロボット１は図２に示されている充電装置２によりバッテリ１１００を充電する等のタスクを実行する。充電装置２は充電用電源２１００と、充電装置２の動作を制御等する充電制御装置２００と、第２コネクタ２２００と、コネクタ駆動機構２３００とを備えている。また、充電装置２はロボット１のかかと部分に設けられた第１マークＭ1を赤外光等の光を利用して検知する第１センサ２１１と、ロボット１の基体１０の背面に設けられた第２マークＭ2を赤外光等の光を利用して検知する第２センサ２１２とを備えている。
図４および図５に示されているように第２コネクタ２２００には第２充電用端子２２２０、第２信号用端子２２４０およびロッド２２６０が並列に水平方向に突出して設けられている。ロッド２２６０の側壁には一対のピン２２７０が突設されている。ロッド２２６０はコンプライアンス機構によって径方向への動きまたはぶれが可能な状態で第２コネクタ２２００に取り付けられている。
コネクタ駆動機構２３００はシリンダ式の駆動機構である。図５に示されているようにコネクタ駆動機構２３００は、基礎２３０と、先端部に第２コネクタ２２００が取り付けられているスライダ２３１０と、スライダ２３１０を基礎２３０の上でスライド往復させるシリンダロッド２３２０と、シリンダロッド２３２０をその径方向への動きまたはぶれが可能な状態で保持するコンプライアンス機構２３４０と、ロッド２２６０を軸回りに回転駆動するロッド回転駆動機構２３６０とを備えている。第２コネクタ２２００の位置はシリンダロッド２３２０によるスライダ２３１０の駆動量に基づいて測定される。なお、第２コネクタ２２００は水平方向のほか、後退駆動時にロボット１に水平方向成分の力が作用するようなあらゆる方向に進退駆動されてもよい。
第１コネクタ１２００および第２コネクタ２２００の接続状態において、第１充電用端子１２２０および第２充電用端子２２２０が接続され、第１信号用端子１２４０および第２信号用端子２２４０が接続され、ロッド２２６０がチューブ１２６０に挿入され、かつ、ピン２２７０がガイド１２７０の終端部に係合している。一方、第１コネクタ１２００から第２コネクタ２２００が外れている状態において、第１充電用端子１２２０および第２充電用端子２２２０が離反され、第１信号用端子１２４０および第２信号用端子２２４０が離反され、ピン２２７０がガイド１２７０の終端部との係合が解除され、かつ、ロッド２２６０がチューブ１２６０から引き抜かれている。
図６に示されている制御装置１００はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等によって構成され、センサ群１０２を構成する各センサからの出力信号に基づき、記憶装置に格納されている行動計画にしたがってアクチュエータ１０００の動作を制御することによりロボット１の行動を制御する。「行動計画」には基体１０の位置および姿勢の時系列的な目標変化態様を表わす「目標軌道」が含まれている。センサ群１０２には、頭カメラＣ1および腰カメラＣ2のほか、基体１０の水平面に対する傾斜角度または姿勢に応じた信号を出力する傾斜角度センサ、ロボット１のヨー軸まわりの角速度に応じた信号を出力するヨーレートセンサ、ロボット１のロール軸方向およびピッチ軸方向等の加速度に応じた信号を出力する加速度センサ、各関節の角度に応じた信号を出力するロータリーエンコーダ等が含まれている。センサ群１０２を構成するセンサの出力に基づき、図１に示されているロボット座標系（ＸR，ＹR，ＺR）の原点の、固定座標系またはグローバル座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）における位置、または、固定座標系における当該位置への並進を表わす並進行列もしくはクォータニオンが基体１０の位置として測定される。また、ロボット座標系の＋ＺR方向の固定座標系における方位角および仰角、または、固定座標系における当該方位角および仰角だけの回転を表わす回転行列もしくはクォータニオンが基体１０の姿勢として測定される。
制御装置１００は、後述する要件充足性を判定する第１制御要素１１０と、第１制御要素１１０による判定結果に応じて後述するようにロボット１の動作を制御する第２制御要素１２０とを備えている。
前記構成のロボット１の機能について説明する。ロボット１の機能の概要を説明する。まず、ロボット１は図９（ａ）に示されているように充電装置２の前方にある第１指定エリアに向かって移動する。また、ロボット１は図９（ｂ）に示されているように第１指定エリアにおいて充電装置２に背を向けて立ち止まる。さらに、ロボット１は図９（ｃ）に示されているように第１指定エリアから後ろ向きに第２指定エリアまで移動した上で、充電装置２に背を向けたまま立ち止まる。そして、ロボット１は第２指定エリアで立ち止まって「指定タスク」を実行する。「指定タスク」は第１コネクタ１２００に第２コネクタ２２００を接続させた上で、充電装置２によりバッテリ１１００を充電するというタスクである。
ロボット１の前記一連の動作機能について詳細に説明する。まず、ロボット１が第１指定エリアに向かって移動するとき、たとえば、腰カメラＣ2により撮像されたロボット１の周囲の画像に基づいてフロアマークＦＭ1およびＦＭ2のうち一方または両方の位置および姿勢が測定され、当該測定結果に基づいて行動計画が生成される。そして、ロボット１がこの行動計画にしたがって図９（ａ）に示されているように第１指定エリアに向かって移動し、図９（ｂ）に示されているように第１指定エリアにおいて充電装置２に背を向けて立ち止まるように、脚関節機構群の動きを含むロボット１の動作が制御される（図７／Ｓ１０２）。ロボット１が立ち止まっているとき、脚関節機構群に含まれるすべての脚関節機構の動きが停止されている一方、図２に示されているように脚体１４を膝関節機構１４３において軽く曲げて立っている状態が維持されるようにアクチュエータ１０００には電力が供給されている。
ロボット１が第１指定エリアで立ち止まっている状態において第１制御要素１１０により「第１位置・姿勢要件」が満たされているか否かが判定される（図７／Ｓ１０４）。「第１位置・姿勢要件」は基体１０の位置が「第１目標位置」を基準とする「第１目標位置範囲」に収まり、かつ、基体１０の姿勢が「第１目標姿勢範囲」に収まっているという要件である。「第１目標位置範囲」および「第１目標姿勢範囲」はロボット１が第１指定エリアに移動した上で立ち止まるたびに基体１０の位置および姿勢のそれぞれをほぼ同じに調整する観点から定義され、記憶装置に格納されている。このとき、第１フロアマークＦＭ1に対する基体１０の相対的な位置および姿勢のそれぞれが、基体１０の位置および姿勢として測定される。第１フロアマークＦＭ1に対する基体１０の相対的な位置および姿勢は、腰カメラＣ2を通じて腰カメラＣ2に対する第１フロアマークＦＭ1の位置および姿勢が測定され、かつ、この測定結果、および、記憶装置にあらかじめ格納されているロボット座標系における腰カメラＣ2（または腰カメラＣ2の受光素子）の位置および姿勢等に基づいて測定されうる。なお、基体１０の位置および姿勢が、各関節機構の角度を表わすロータリーエンコーダからの出力信号と、記憶装置にあらかじめ格納されている各リンクの長さ等に基づき、逆動力学的または幾何学的計算モデルにしたがって測定される等、他のセンサからの出力に基づいて測定されてもよい。また、ロボット１が第１エリアに立ち止まっている状態で腰カメラＣ2を通じて測定された第１フロアマークＦＭ1の位置および姿勢のそれぞれが、記憶装置に格納されている第１フロアマークＦＭ1の目標位置および目標姿勢のそれぞれに一致するまたは所定誤差範囲にあるか否かに応じて第１位置・姿勢要件が満たされているか否かが判定されてもよい。
第１制御要素１１０により第１位置・姿勢要件が満たされていないと判定された場合（図７／Ｓ１０４‥ＮＯ）、「第１目標位置」に対する基体１０の位置の偏差が「第１位置偏差」として測定され、かつ、「第１目標姿勢」に対する基体１０の姿勢の偏差が「第１姿勢偏差」として測定される（図７／Ｓ１１４）。なお、基体１０の位置が第１目標位置範囲に収まっている一方、基体１０の姿勢が第１目標姿勢範囲から外れている場合、第１姿勢偏差のみが測定されてもよい。また、基体１０の姿勢が第１目標姿勢範囲に収まっている一方、基体１０の位置が第１目標位置範囲から外れている場合、第１位置偏差のみが測定されてもよい。その上で、ロボット１が第１指定エリアにおいて複数の脚体１４のうち一部または全部を離床かつ着床させた後、再び立ち止まることにより、第１位置偏差および第１姿勢偏差のうち一方または両方に基づき、基体１０の位置等を変化させるように脚関節機構群等の動きが制御される（図７／Ｓ１１６）。これにより、ロボット１がその場で足踏みしながら基体１０の位置等を補正することができる。
その一方、第１制御要素１１０により第１位置・姿勢要件が満たされていると判定された場合（図７／Ｓ１０４‥ＹＥＳ）、第２処理要素１２０により図９（ｃ）に示されているように基体１０の位置および姿勢を「第２目標軌道」にしたがわせながら、ロボット１が第１指定エリアから第２指定エリアに後ろ向きに移動した上で立ち止まるように脚関節機構群の動き等が制御される（図７／Ｓ１０６）。
ロボット１が第２指定エリアに立ち止まっている状態において第１制御要素１１０により「第２位置・姿勢要件」が満たされているか否かが判定される（図７／Ｓ１０８）。「第２位置・姿勢要件」は、基体１０の位置が「第２目標位置」を基準とする「第２目標位置範囲」に収まり、かつ、基体１０の姿勢が「第２目標姿勢」を基準とする「第２目標姿勢範囲」に収まっているという要件である。「第２目標位置範囲」および「第２目標姿勢範囲」はロボット１に指定タスクを確実に実行させる観点から定義され、記憶装置に格納されている。このとき、第２フロアマークＦＭ2に対する基体１０の相対的な位置および姿勢のそれぞれが、基体１０の位置および姿勢として測定される。第２フロアマークＦＭ2に対する基体１０の相対的な位置および姿勢は、腰カメラＣ2を通じて腰カメラＣ2に対する第２フロアマークＦＭ2の位置および姿勢が測定され、かつ、この測定結果、および、記憶装置にあらかじめ格納されているロボット座標系における腰カメラＣ2の位置および姿勢等に基づいて測定されうる。なお、基体１０の位置および姿勢が、各関節機構の角度を表わすロータリーエンコーダからの出力信号と、記憶装置にあらかじめ格納されている各リンクの長さ等に基づき、逆動力学的または幾何学的計算モデルにしたがって測定される等、他のセンサからの出力に基づいて測定されてもよい。また、ロボット１が第１エリアに立ち止まっている状態で腰カメラＣ2を通じて測定された第１フロアマークＦＭ1の位置および姿勢のそれぞれが、記憶装置に格納されている第２フロアマークＦＭ2の目標位置および目標姿勢のそれぞれに一致するまたは所定誤差範囲にあるか否かに応じて第２位置・姿勢要件が満たされているか否かが判定されてもよい。
第１制御要素１１０により第２位置・姿勢要件が満たされていないと判定された場合（図７／Ｓ１０８‥ＮＯ）、「第２目標位置」に対する基体１０の位置偏差が「第２位置偏差」として測定され、かつ、「第２目標姿勢」に対する姿勢偏差が「第２姿勢偏差」として測定される（図７／Ｓ１１８）。なお、基体１０の位置が第２目標位置範囲に収まっている一方、基体１０の姿勢が第２目標姿勢範囲から外れている場合、第２姿勢偏差のみが測定されてもよい。また、基体１０の姿勢が第２目標姿勢範囲に収まっている一方、基体１０の位置が第２目標位置範囲から外れている場合、第２位置偏差のみが測定されてもよい。第２位置偏差および第２姿勢偏差は、ロボット１が第１指定エリアから第２指定エリアに移動する途中における床の傾斜角度、凹凸の有無、摩擦係数のばらつき、ロボット１の左右の足部１５の弾性素材１５２の弾性特性等、ロボット１の動作特性の若干の非対称性等に応じて変動する。
その上で、第２制御要素１１０により、ロボット１が将来において第１指定エリアから第２指定エリアに移動した上で立ち止まったときの次回の第２位置偏差および第２姿勢偏差のうち一方または両方が、今回の第２位置偏差および第２姿勢偏差のうち一方または両方よりも小さくなるように第２目標軌道が補正される（図７／Ｓ１２０）。その後、基体１０の位置および姿勢を第１目標軌道にしたがわせながら、図１０（ａ）に示されているようにロボット１が第２指定エリアから第１指定エリアに移動した上で立ち止まるように脚関節機構群等の動きが制御される（図７／Ｓ１０２）。さらに、第１位置・姿勢要件が満たされていると判定されたことを要件として（図７／Ｓ１０４‥ＹＥＳ）、基体１０の位置および姿勢を当該補正後の第２目標軌道にしたがわせながら、図１０（ｂ）に示されているようにロボット１が第１指定エリアから第２指定エリアに移動した上で立ち止まるように脚関節機構群等の動きが制御される（図７／Ｓ１０８）。これにより、基体１０の位置の軌跡が、補正前の第２目標軌道により定まる、図１０（ｂ）に破線矢印で示されている軌跡から（図９（ｃ）矢印参照）、補正後の第２目標軌道により定まる、図１０（ｂ）に実線で示されている軌跡に変更される。
その一方、第１制御要素１１０により第２位置・姿勢要件が満たされていると判定された場合（図７／Ｓ１０８‥ＹＥＳ）、第２制御要素１２０により指定タスクの実行を開始または継続するようにロボット１の動作が制御される（図７／Ｓ１１０）。その後、第１制御要素１１０によりロボット１による指定タスクの実行が終了しているか否かが判定され（図７／Ｓ１１２）、当該判定結果が否定的である場合（図７／Ｓ１１２‥ＮＯ）、指定タスクが継続されるようにロボット１の動作が制御される（図７／Ｓ１１０）。そして、指定タスクの実行が終了していると判定された場合（図７／Ｓ１１２‥ＹＥＳ）、前述の一連の処理が終了する。
ここで、ロボット１による指定タスクの実行方法について説明する。充電装置２において第１センサ２１１により第２指定エリアに立ち止まっているロボット１のかかと部分（足部１５の後側）に付されている第１マークＭ1が検知されたか否かが判定され（図８／Ｓ２０２‥ＹＥＳ）、かつ、第２センサ２１２によりロボット１の基体１０の背面に付されている第２マークＭ2が検知されたことを要件として（図８／Ｓ２０４‥ＹＥＳ）、コネクタ駆動機構２３００により第２コネクタ２２００が前進駆動または第１コネクタ１２００に接近する方向に駆動される（図８／Ｓ２０６）。
その後、第２コネクタ２２００が一定時間内に接続位置に到達したことを要件として（図８／Ｓ２０８‥ＹＥＳ）、コネクタロックが実行される（図８／Ｓ２１０）。第２コネクタ２２００が当該接続位置にあるとき、ロッド２２６０の先端部がチューブ１２６０に挿入され、かつ、ピン２２７０がガイド１２７０の先端部に案内されている。コネクタロックは、ロッド回転駆動機構２３６０によりロッド２２６０が軸回りに一定方向に回転駆動されることにより実行される。このとき、第２コネクタ２２００がコネクタロックの実現を補助するように前進駆動される。これにより、ロッド２２６０の側壁に突設されているピン２２７０がチューブ１２６０のガイド１２７０により案内されながら、ロッド２２６０がチューブ１２６０に徐々に挿入され、ピン２２７０がガイド１２７０の終端部にいたって係合してコネクタロックが実現される。コネクタロックの実現により第２コネクタ２２００および第１コネクタ１２００が接続状態になる。すなわち、第２充電用端子２２２０および第１充電用端子１２２０が接続され、かつ、第２信号用端子２２４０および第１信号用端子１２４０が接続される。
さらに、ロッド回転駆動機構２３６０によるロッド２２６０の回転角度に基づき、コネクタロックが終了したと判定された場合（図８／Ｓ２１２‥ＹＥＳ）、第２コネクタ２２００の前進駆動が停止される（図８／Ｓ２１４）。また、充電制御装置２００が第１信号用端子１２４０および第２信号用端子２２４０を介して制御装置１００と通信することによりバッテリ１１００の残容量等を認識しながら、充電用電源２１００から第１充電用端子１２２０および第２充電用端子２２２０を介してバッテリ１１００に充電用電流を供給する（図８／Ｓ２１６）。そして、充電制御装置２００により制御装置１００からの出力信号に基づき、バッテリ１１００の充電が終了したと判定されたことを要件として（図８／Ｓ２１８‥ＹＥＳ）、充電用電源２１００からバッテリ１１００への電流供給が停止される（図８／Ｓ２２０）。この段階で、ロボット１は第１コネクタ１２００に第２コネクタ２２００を接続させた上で、充電装置２によりバッテリ１１００を充電する「指定タスク」を実行したことになる。
続いて、コネクタアンロックが実行される（図８／Ｓ２２２）。このとき、ロッド回転駆動機構２３６０によりロッド２２６０が軸回りにコネクタロック駆動時とは反対方向に回転駆動される。また、第２コネクタ２２００がコネクタアンロックの実現を補助するために後退駆動されてもよい。これにより、ロッド２２６０の側壁に突設されているピン２２７０がチューブ１２６０のガイド１２７０により案内されながら、ロッド２２６０がチューブ１２６０から徐々に引き抜かれてコネクタアンロックが実現される。コネクタアンロックの実現により第１充電用端子１２２０および第２充電用端子２２２０が離れ、かつ、第１信号用端子１２４０および第２信号用端子２２４０が離れることにより、第２コネクタ２２００が第１コネクタ１２００から外れる。
また、ロッド回転駆動機構２３６０によるロッド２２６０の回転角度に基づき、コネクタアンロックが実現されたと判定されたことを要件として（図８／Ｓ２２４‥ＹＥＳ）、コネクタ駆動機構２３００により第２コネクタ２２００が後退駆動される（図８／Ｓ２２６）。そして、第２コネクタ２２００が初期位置に復帰したと判定されたことを要件として（図８／Ｓ２２８‥ＹＥＳ）、第２コネクタ２２００の後退駆動が停止される（図８／Ｓ２３０）。この段階でロボット１は第１コネクタ１２００から第２コネクタ２２００を外すタスクを実行したことになる。
前記機能を発揮するロボット１によれば、「第１位置・姿勢要件」の充足性が判定され、当該判定結果が肯定的である場合、基体１０の位置および姿勢を「第２目標軌道」にしたがわせながら、ロボット１が第１指定エリアから第２指定エリアに移動する（図７／Ｓ１０４‥ＹＥＳ，Ｓ１０６，図９（ｃ）参照）。一方、当該判定結果が否定的である場合、ロボット１が第１指定エリアにおいて「足踏み」することにより、第１位置・姿勢要件が満たされるように第２目標軌道の今回始点が調節される（図７／Ｓ１０４‥ＮＯ，Ｓ１１６参照）。これにより、補正前後における第２目標軌道の始点、すなわち、ロボット１が第１指定エリアに立ち止まっている状態における基体１０の目標位置および目標姿勢がほぼ同じになるように調節される（図９（ｂ），図１０（ａ）参照）。
ロボット１が第２指定エリアにおいて立ち止まっている状態において「第２位置・姿勢要件」の充足性、すなわち、基体１０の位置および姿勢がロボット１に指定タスクを実行させる観点から適当であるか否かが判定され、当該判定結果が肯定的である場合、ロボット１が指定タスクを実行する（図７／Ｓ１０８‥ＹＥＳ，Ｓ１１０，図８参照）。一方、当該判定結果が否定的である場合、ロボット１が第２指定エリアで立ち止まっている状態において第２位置偏差（＝第２目標位置に対する基体の位置の偏差）と、第２姿勢偏差（＝第２目標姿勢に対する基体の姿勢の偏差）とが測定される（図７／Ｓ１１８参照）。そして、今回の第２位置偏差および第２姿勢偏差のうち一方または両方に基づき、次回の第２位置偏差および第２姿勢偏差のうち一方または両方が小さくなるように第２目標軌道が補正される（図７／Ｓ１２０参照）。さらに、基体１０の位置および姿勢を「第１目標軌道」にしたがわせながら、ロボットが第２指定エリアから第１指定エリアに移動する（図７／Ｓ１０２，図１０（ａ）参照）。その後、基体１０の位置および姿勢を前記のように補正された「第２目標軌道」にしたがわせながら、ロボット１が再び第２指定エリアに移動した上で立ち止まる（図１０（ｂ）参照）。すなわち、ロボットが第２指定エリアに立ち止まっている状態からいったん第１指定エリアに戻った上で、再び第２指定エリアに移動した上で立ち止まる。これにより、ロボット１が第１指定エリアから第２指定エリアに移動した上で立ち止まった状態における基体１０の今回位置等が、ロボット１が過去において第１指定エリアから第２指定エリアに移動した上で立ち止まった状態における基体１０の前回位置等よりも第２目標位置等に近づけられる（図９（ｃ），図１０（ｂ）参照）。すなわち、ロボット１の基体１０の位置等が第２指定エリアにおいて指定タスクを実行する観点から適当に調節されうる。たとえば、ロボット１が第１指定エリアから第２指定エリアに移動する途中における床の傾斜角度、凹凸の有無、摩擦係数のばらつき、ロボット１の左右の足部１５の弾性素材１５２の弾性特性等、ロボット１の動作特性の若干の非対称性等の原因により、第２指定エリアで立ち止まっているときに第２位置・姿勢要件が満たされなくなるような状況でも、ロボット１が第２指定エリアにたち止まっている状態における基体１０の位置および姿勢が適当に補正されうる。
なお、第２位置・姿勢要件の充足性の判定結果に関係なく、第２位置偏差および第２姿勢偏差が測定され、かつ、当該測定結果に基づいて第２目標軌道が補正されてもよい（図７／Ｓ１０８，Ｓ１１８，Ｓ１２０参照）。これにより、ロボット１が指定タスクを実行するたびに、第２位置偏差および第２姿勢偏差のうち一方または両方の大きさが小さくなるように第２目標軌道が補正される。
また、第１位置・姿勢要件の充足性の判定結果に関係なく、第１位置偏差および第１姿勢偏差が測定され、かつ、当該判定結果に基づいてロボット１の足踏みにより基体１０の位置等が補正されてもよい（図７／Ｓ１０４，Ｓ１１８，Ｓ１２０参照）。さらに、第１位置・姿勢要件の充足性の判定が省略されてもよく、第１位置偏差および第１姿勢偏差の測定、および、ロボット１の足踏みによる基体１０の位置等の補正が省略されてもよい（図７／Ｓ１０４，Ｓ１１４，Ｓ１１６参照）。
ロボット１は前記指定タスクとは異なるさまざまな指定タスクを実行してもよい。どのような指定タスクが実行されるにせよ、前記のようにロボット１は第２指定エリアにおける基体１０の位置および姿勢を、該この指定タスクを実行する観点から適当に調節することができる。
たとえば、図１１（ａ）に示されているように、ロボット１が第２指定エリアで立ち止まった状態で腕体１２等を動かすことにより手部１３でトレイ（対象物体）Ｗ1を把持するという指定タスクを実行してもよい。ロボット１は頭カメラＣ1を通じて得られたトレイＷ1の画像に基づき、トレイＷ1の位置および姿勢を認識した上で、トレイＷ1の位置および姿勢のそれぞれが記憶装置に記憶されている基準位置および基準姿勢のそれぞれに合致しているか否かに応じて第２位置・姿勢要件が満たされているか否かを判定する。また、図１１（ｂ）に示されているように、ロボット１が第２指定エリアで立ち止まった状態で、腕体１２等を動かすことにより、台車Ｗ2のハンドル（対象物体）Ｈ等を把持するという指定タスクを実行してもよい。ロボット１は腰カメラＣ2を通じて得られた、台車Ｗ2の下方に付されているマークＭの画像に基づき、台車Ｗ2の位置および姿勢を認識した上で、台車Ｗ2の位置および姿勢のそれぞれが記憶装置に記憶されている基準位置および基準姿勢のそれぞれに合致しているか否かに応じて第２位置・姿勢要件が満たされているか否かを判定する。この場合、第２指定エリアに立ち止まった段階で対象物体の位置等が本来あるべき位置等から若干ずれている状況が想定される。しかるに、当該状況下でも前記のようにロボット１は第２指定エリアにおける基体１０の位置および姿勢を、該この指定タスクを実行する観点から適当に調節することができる。
また、図１１（ｃ）に示されているように、ロボット１が第２指定エリアで立ち止まった状態で、腕体１２等を動かすことにより手部１３により把持しているトレイＷ1等の対象物体を人間または他のロボット１に渡すという指定タスクを実行してもよい。ロボット１は腰カメラＣ2を通じて得られたフロアマークＦＭの画像に基づき、フロアマークＦＭの位置および姿勢を認識した上で、トレイＷ1の位置および姿勢のそれぞれが記憶装置に記憶されている基準位置および基準姿勢のそれぞれに合致しているか否かに応じて第２位置・姿勢要件が満たされているか否かを判定する。この場合、第２指定エリアに立ち止まった段階で人間または他のロボット１の位置等が本来あるべき位置等から若干ずれている状況が想定される。しかるに、当該状況下でも前記のようにロボット１は第２指定エリアにおける基体１０の位置および姿勢を、該この指定タスクを実行する観点から適当に調節することができる。
本発明のロボットの構成説明図 本発明のロボットおよび指定タスク実行のための充電装置の構成説明図 第１コネクタの構成説明図 第１および第２コネクタの構成説明図 充電装置の構成説明図 本発明のロボットの制御装置の構成説明図 ロボットによる位置および姿勢制御方法の説明図 第１指定タスクおよび第２指定タスクの実行方法に関する説明図 本発明のロボットの動作に関する説明図 本発明のロボットの基体の位置等の補正に関する説明図 本発明のロボットの実行する指定タスクに関する説明図
符号の説明
１‥ロボット、２‥充電装置、１０‥基体、１１‥頭部、１２‥腕体、１３‥手部、１４‥脚体、１５‥足部、１００‥制御装置、１１０‥第１制御要素、１２０‥第２制御要素、１２１‥肩関節機構（第１腕関節機構）、１２３‥肘関節機構（第２腕関節機構）、１２５‥手根関節機構（第３腕関節機構）、１４１‥股関節機構（第１脚関節機構）、１４３‥膝関節機構（第２脚関節機構）、１４５‥足関節機構（第３脚関節機構）、１０００‥アクチュエータ、１１００‥バッテリ、１２００‥第１コネクタ、２２００‥第２コネクタ

Claims (5)

  1. 基体と、
    前記基体に連結された複数の脚体と、
    制御装置とを備え、
    前記複数の脚体はそれぞれ関節機構を備え、
    前記制御装置により前記複数の脚体の離床および着床の繰り返しを伴う動作が制御されることにより自律的に移動可能なロボットであって、
    前記制御装置が、前記ロボットが第１指定エリアに立ち止まっている状態において前記基体の位置が第１目標位置を基準とする第１目標位置範囲に収まり、かつ、前記基体の姿勢が第１目標姿勢を基準とする第１姿勢範囲に収まっているという第１位置・姿勢要件が満たされているか否かを判定し、前記ロボットが対象物体との相互作用を伴う指定タスクを実行する第２指定エリアに立ち止まっている状態において第２目標位置に対する前記基体の位置の偏差を第２位置偏差として測定し、かつ、第２目標姿勢に対する前記基体の姿勢の偏差を第２姿勢偏差として測定する第１制御要素と、
    前記第１制御要素により前記第１位置・姿勢要件が満たされていると判定されたことを要件として、前記基体の位置および姿勢を第２目標軌道にしたがわせながら、前記ロボットが前記第１指定エリアから前記第２指定エリアまで移動した上で立ち止まるように前記ロボットの動作を制御した後、前記第１制御要素により測定された今回の前記第２位置偏差および前記第２姿勢偏差のうち一方または両方に基づき、次回の前記第２位置偏差および前記第２姿勢偏差のうち一方または両方が小さくなるように前記第２目標軌道を補正し、
    前記第１制御要素により前記第１位置・姿勢要件が満たされていないと判定されたことを要件として、前記ロボットが前記第１指定エリアに立ち止まっている状態から、前記第１指定エリアにおいて前記複数の脚体のうち一部または全部を離床かつ着床させた後、再び立ち止まることにより、前記第１目標位置に対する前記基体の位置偏差および前記第１目標姿勢に対する前記基体の姿勢偏差のうち一方または両方に基づき、前記基体の位置および姿勢のうち一方または両方を変化させるように前記ロボットの動作を制御する第２制御要素とを備えていることを特徴とするロボット。
  2. 請求項１記載のロボットにおいて、
    前記第２制御要素が、前記基体の位置および姿勢を第１目標軌道にしたがわせながら、前記ロボットが前記第２指定エリアから前記第１指定エリアまで移動した上で立ち止まるように前記ロボットの動作を制御した後、前記基体の位置および姿勢を補正後の第２目標軌道にしたがわせながら、前記ロボットが前記第１指定エリアから前記第２指定エリアまで移動した上で立ち止まるように前記ロボットの動作を制御することを特徴とするロボット。
  3. 請求項２記載のロボットにおいて、
    前記第１制御要素が、前記基体の位置が前記第２目標位置を基準とする第２目標位置範囲に収まり、かつ、前記基体の姿勢が前記第２目標姿勢を基準とする第２姿勢範囲に収まっているという第２位置・姿勢要件が満たされているか否かを判定し、
    前記第２制御要素が、前記第１制御要素により前記第２位置・姿勢要件が満たされていると判定されたことを要件として前記指定タスクを実行するように前記ロボットの動作を制御する一方、前記第１制御要素により前記第２位置・姿勢要件が満たされていないと判定されたことを要件として前記基体の位置および姿勢を第１目標軌道にしたがわせながら、前記第２指定エリアから前記第１指定エリアまで移動した上で立ち止まるように前記ロボットの動作を制御することを特徴とするロボット。
  4. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載のロボットにおいて、
    バッテリと、第１コネクタとを備え、充電装置が有する駆動装置により駆動された前記対象物体としての第２コネクタを前記第１コネクタに接続させ、かつ、前記充電装置により前記バッテリを充電させるタスクを前記指定タスクとして実行することを特徴とするロボット。
  5. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載のロボットにおいて、
    前記基体に連結されている腕体と、前記腕体の端部に連結されている手部とを備え、前記ロボットが前記手部により前記対象物体を把持する、または、前記手部から前記対象物体を離すタスクを前記指定タスクとして実行することを特徴とするロボット。
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