JP5659898B2 - 脚式ロボット、その制御方法、及び制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、不整地路面に足部を確実に着地できる脚式ロボット、その制御方法及び制御プログラムに関するものである。

２足歩行ロボットなどの脚式ロボットが実環境下で作業を行うには、凹凸やうねりが存在する路面での安定した歩行が求められている。特に、実環境下では路面の凹凸による着地衝撃や安定領域が確保できないことなどが歩行を不安定にさせる原因として考えられている。そこで、未知の不整地における歩行安定化を目的として様々な研究開発が行われている。

例えば、不整地歩行の際に、目標全床反力中心点まわりと目標各足平床反力中心まわりに、夫々所定角度回転させるように足部の位置・姿勢を決定する脚式ロボットが知られている（特許文献１参照）。

特開平１０−２７７９６９号公報

しかしながら、上記特許文献１に示す脚式ロボットにおいては、足部の位置姿勢を路面の凹凸に倣うように修正できるが、姿勢を修正する際に、その位置が水平方向にずれるため、例えば、足部が段差の淵付近に位置している場合に、段差から滑落する虞がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、不整地路面に足部を確実に着地させることができる脚式ロボット、その制御方法、及び制御プログラムを提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、胴体と、該胴体に連結された脚部と、該脚部の下端に設けられた足部と、歩容データを記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶された歩容データに基づいて、前記脚部の関節を駆動制御する制御手段と、前記足部の足裏と路面との接触を検出する接触検出手段と、を備えた脚式ロボットであって、前記接触検出手段により検出された前記足部の足裏と路面との接触位置を中心にして、前記足部をロール軸及び／又はピッチ軸周りに回転させ、前記足部の足裏の他の部分を路面に接地させるように前記歩容データを修正する歩容データ修正手段を備える、ことを特徴とする脚式ロボットである。本態様によれば、不整地路面に足部を確実に着地させることができる。

この一態様において、前記足部の足裏には、前記路面と接触する３個の凸状部が設けられていてもよい。足部を路面に３点で接地させることで、足部を安定的に接地させることができる。

この一態様において、前記歩容データ修正手段は、前記接触検出手段により検出された前記足部の足裏の第１凸状部と路面との接触点を中心にして前記足部をロール軸及び／又はピッチ軸周りに回転させ、第２凸状部が路面と接地すると前記第１及び第２凸状部と路面との接触点を結ぶ線を中心にして前記足部をロール軸及び／又はピッチ軸周りに回転させ、第３凸状部を路面に接地させるように前記歩容データを修正してもよい。

この一態様において、前記接触検出手段は、光信号を送出する光学式距離センサと、前記光学式距離センサからの光信号を反射する反射板と、前記光学式距離センサ及び反射板を覆うカバー部材と、前記反射板を支持し上下方向へ移動可能な支持軸と、該支持軸を付勢するバネ部材と、前記支持軸に連結され足裏に設けられ路面に接地するスパイク部と、を有していてもよい。これにより、接触検出手段の軽量化及び信頼性向上を図ることができる。

この一態様において、前記接触検出手段は、前記足部の爪先側に２個及び踵側に１個設けられていてもよい。

他方、上記目的を達成するための本発明の一態様は、胴体と、該胴体に連結された脚部と、該脚部の下端に設けられた足部と、予め設定された歩容データに基づいて、前記脚部の関節を駆動制御する制御部と、前記足部の足裏と路面との接触を検出する接触検出手段と、を備えた脚式ロボットの制御方法であって、前記接触検出手段により検出された前記足部の足裏と路面との接触位置を中心にして、前記足部をロール軸及び／又はピッチ軸周りに回転させ、前記足部の足裏の他の部分を路面に接地させるように前記歩容データを修正する、ことを特徴とする脚式ロボットの制御方法であってもよい。

また、上記目的を達成するための本発明の一態様は、胴体と、該胴体に連結された脚部と、該脚部の下端に設けられた足部と、予め設定された歩容データに基づいて、前記脚部の関節を駆動制御する制御部と、前記足部の足裏と路面との接触を検出する接触検出手段と、を備えた脚式ロボットの制御プログラムであって、前記接触検出手段により検出された前記足部の足裏と路面との接触位置を中心にして、前記足部をロール軸及び／又はピッチ軸周りに回転させ、前記足部の足裏の他の部分を路面に接地させるように前記歩容データを修正する処理をコンピュータに実行させる、ことを特徴とする脚式ロボットの制御プログラムであってもよい。

本発明によれば、不整地路面に足部を確実に着地させることができる脚式ロボット、その制御方法、及びプログラムを提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る脚式ロボットの概略的な構成を示す摸式図である。 本発明の実施の形態１に係る脚式ロボットの概略的なシステム構成をブロック図である。 （ａ）従来の４点接地型の足部機構における安定領域を示す図である。（ｂ）本発明の実施の形態１に係る３点接地型の足部機構における安定領域を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る接触検出部の概略的構成を示す図である。 （ａ）足部の爪先側に設けられたスパイク部の一例を示す図である。（ｂ）足部の踵側に設けられたスパイク部の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る３点接地型の足部機構を示す斜視図である。 （ａ）従来の足裏倣い制御を説明するための図である。（ｂ）本発明の実施の形態１に係る足裏倣い制御を説明するための図である。 実験室内の擬似不整地において脚式ロボットを歩行させたときのＺＭＰ軌道を示す図である。 傾斜路面において脚式ロボットを歩行させたときの足首関節におけるロール軸及びピッチ軸の回転角度を示す図である。

実施の形態１．
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る脚式ロボットの概略的な構成を示す摸式図である。図２は、本実施の形態１に係る脚式ロボットの概略的なシステム構成をブロック図である。

本実施の形態１に係る脚式ロボット１は、胴体１０と、胴体１０に連結された脚部２０と、脚部２０の下端に設けられた足部２６と、歩容データ２ａを記憶する記憶部２と、歩容データ２ａを修正する歩容データ修正部３と、脚部２０の各関節２１、２３、２５を各関節２１、２３、２５に設けられたアクチュエータ４を介して駆動制御する制御部５と、足部２６の足裏と路面との接触を検出する接触検出部６と、胴体１０の鉛直方向に対する傾斜角度（姿勢角度）を検出する姿勢センサ７と、胴体１０の加速度を検出する加速度センサ８と、を備えている。

脚部２０は、例えば、股関節２１、膝関節２３、足首関節２５、大腿リンク２２、脛リンク２４、及び足部２６を有している。図１において、大腿リンク２２と脛リンク２４は、直線で模式化して示してある。股関節２１は、胴体１０と大腿リンク２２をピッチ軸、ヨー軸、及びロール軸周りに揺動可能に連結している。膝関節２３は、大腿リンク２２と脛リンク２４をピッチ軸周りに揺動可能に連結している。足首関節２５は、脛リンク２４と足部２６をロール軸及び／又はピッチ軸周りに揺動可能に連結している。足部２６は、例えば、板状の部材であり、足部２６の裏面（足裏面）は平面となっている。なお、上記脚部２０の構成は一例であり、これに限らず、例えば、関節の数及び位置は任意でよい。

制御部５は、制御手段の一具体例であり、記憶部２に予め記憶された歩容データ２ａに基づいて、脚部２０の各関節２１、２３、２５を回転駆動する各アクチュエータ４を夫々制御して、上記足裏倣い制御及び倒立振子制御を行う。ここで、歩容データ２ａは、例えば、シミュレーション等によって脚式ロボット１を安定的に歩行させることができるように作成された歩行データである。

即ち、歩容データ（例えば、目標の胴体位置、目標の胴体姿勢角、目標の足部位置、目標の足部姿勢角などの時系列データ）２ａは、脚式ロボット１のＺＭＰ位置が路面に接地した足部２６の足裏で囲まれた凸包内となる関係を満足するように設定されている。

制御部５は、脚式ロボット１が不整地を歩行する際に、足部２６に設けられた接触検出部６を用いて足部２６の足裏を路面の凹凸に倣わせる足裏倣い制御と、姿勢センサ７を用いて脚式ロボット１の姿勢を倒立状態に維持させる倒立振子制御を組み合わせることで、安定化制御を実現している。

制御部５は、例えば、上記倒立制御において、実際の胴体位置と目標の胴体位置との偏差、及び、実際の胴体姿勢角と目標の胴体姿勢角との偏差が、夫々、０となるようなフィードバック制御を行う。同様に、制御部５は、上記足裏倣い制御において、接地面から見た相対的な実際の足部位置と目標の足部位置との偏差、及び、実際の足部姿勢角と目標の足部姿勢角との偏差が、夫々、０となるようなフィードバック制御を行う。

歩容データ修正部３は、歩容データ修正手段の一具体例であり、接触検出部６により検出された足部２６の足裏と路面との接触位置を中心にして、足部２６をロール軸及び／又はピッチ軸周りに回転させ、足部２６の足裏の他の部分を路面に接地するように、記憶部２に記憶された歩容データ２ａを修正する。

例えば、各足部２６の足裏には、路面と接触する第１乃至第３凸状部が設けられている。
歩容データ修正部３は、まず、接触検出部６により検出された足部２６の足裏の第１凸状部と路面との接触点を中心にして足部２６をロール軸又はピッチ軸周りに回転させ、次に、第２凸状部が路面と接地すると第１及び第２凸状部と路面との接触点を結ぶ線を中心にして足部２６をロール軸又はピッチ軸周りに回転させ、第３凸状部を路面に接地させるように、記憶部２に記憶された歩容データ２ａを修正する。

なお、記憶部２、制御部５、及び歩容データ修正部３は、例えば、演算装置内に構成されている。また、演算装置は、演算処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵによって実行される演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）と、処理データ等を一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）と、を有するマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。これらＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭは、データバスによって相互に接続されている。記憶部２は、上記ＲＯＭやＲＡＭなどにより構成することができる。

姿勢センサ７は、例えば、胴体１０の角速度を検出するジャイロセンサと、ジャイロセンサの出力（角速度）を積分する積分器と、重力加速度ベクトルを検出する３軸加速度センサと、で構成されている。

各関節２１、２３、２５には、サーボモータなどのアクチュエータ４が内蔵されており、制御部５から送信される制御信号に基づいて駆動制御される。各アクチュエータ４を駆動することによって、各関節２１、２３、２５に連結されたリンク２２、２４、２６同士を揺動させることができる。

接触検出部６は、接触検出手段の一具体例であり、足部２６の爪先側に２個および踵側に１個の合計３個設けられている。各足部２６は、３個の接触検出部６を路面に夫々接地させて歩行を行う３点接地型の足部機構として構成されている。ここで、従来の４点接地型の足部機構においては、不整地歩行中に４個全ての接触検出部を路面に接地させることは難しく、支持多角形が一意に定まらない場合がある。

このため、従来の４点接地型の足部機構においては、どの接触検出部が最初に接地したかを検知し、それに応じて足部の姿勢を制御し、接地する３点を能動的に選択することで安定領域を確保している。しかしながら、この手法の場合、図３（ａ）に示す如く、設定ＺＭＰをそれぞれの支持多角形が形成する安定領域の共通部分にしか設定できず、設定ＺＭＰから安定領域の境界までの距離、すなわち足部の対角線方向における安定余裕が小さくなっている。

一方、本実施の形態１においては、足部２６を３点接地型の足部機構にすることで、図３（ｂ）に示す如く、設定ＺＭＰから安定領域の境界までの距離を大きくし、安定余裕を増加させることができるため、足部２６を路面に安定的に接地させることができる。また、支持多角形は３点接地型であれば一意に定まるので変更後も安定領域を確保することができる。

図４は、本実施の形態１に係る接触検出部の概略的構成の一例を示す図である。接触検出部６は、赤外線センサなどの光学式距離センサ６１と、光学式距離センサ６１からの光信号を反射する反射板６２と、光学式距離センサ６１及び反射板６２を覆うカバー部材６３と、反射板６２を支持し上下方向へ移動可能な支持軸６４と、支持軸６４を上下方向へ付勢するバネ部材６５と、路面に接地するスパイク部６６と、スパイク部６６を支持し上下方向へ移動可能な支持軸６７と、スパイク部６６の支持軸６７を上下方向へ摺動可能に支持するブッシュ部６８と、を有している。

各スパイク部６６が路面に接地すると、支持軸６７、６４を介して反射板６２が上方に移動することで、各光学式距離センサ６１は各スパイク部６６の押し込み量を検出することができる。また、各スパイク部６６が路面に接地したときに一定量だけ足裏側へ押し込まれることにより、足部２６が路面に接地したときのその衝撃を緩和している。

ここで、接触検出部６の軽量化及び信頼性向上を図る目的で、接触検出部６は、光学式距離センサ６１、反射板６２等からなるフォトリフレクタ式として構成され、さらに、カバー部材６３を設けることでセンサ部に対する外乱光の遮断を行っている。

各スパイク部６６は、凸状部の一具体例であり、路面との接地時の安定性を考慮して下面である接地面は略平面となっている。また、各スパイク部６６の下面には、窪みが形成されており、路面の凸面を捉えて滑落を防ぐことができるように構成されている。

さらに、足部２６の爪先側には、略円柱形に形成された２個のスパイク部６６が設けられている（図５（ｂ））。一方、足部２６の踵側には、着地時のＹａｗ回転を防止するために略馬蹄形のスパイク部６６が１個設けられている（図５（ａ））。また、足部２６の踵接地への対応のために、踵側のスパイク部６６にはフィレットが設けられている。

なお、足部２６の踵接地時に生じる大きな衝撃による脚式ロボット１の姿勢崩れを防止するために、スパイク部６６は衝撃吸収材（ソルボセイン（登録商標）など）から構成されている。スパイク部６６の表面素材としては、表面の細かい模様の窪みにより大きな摩擦が作用しかつ耐久性が高いという理由から、厚さ３[ｍｍ]のスタッドレスシートが用いられている。

ここで、未知の不整地環境を移動する際には、レーザレンジファインダやＣＣＤカメラなどの外界センサで障害物や路面形状を検出する方法が考えられる。しかしながら、これら外界センサの計測精度は測定距離の１％程度であり、センサの取付位置から路面までの距離を考えると、外界センサを搭載した脚式ロボット１においても２０[ｍｍ]程度の未知の凹凸に適応できる能力が必要になると考えられる。そこで、本実施の形態１において、スパイク部５６の厚さを２０［ｍｍ］程度とし、接地点に厚みを持たせることで、未知の凹凸路面への適応能力を向上させている。

図６は、本実施の形態１に係る３点接地型の足部機構を示す斜視図である。図６に示すように、本実施の形態１に係る３点接地型の足部２６は、例えば、略三角形状に形成され、外形１６７[ｍｍ]×２４４[ｍｍ]、重量１．３[ｋｇ]となっており、足部２６の足先側の両端に接触検出部６、６が夫々設けられ、踵側の端部に接触検出部６が設けられている。これにより、従来の４点接地型の足部と比較して、約１４％軽量化されている。このように、本実施の形態１に係る３点接地型の足部機構は、従来の４点接地型の足部機構では不可能だった踵から接地するという人間により近い歩行動作を再現できる。

ここで、従来の脚式ロボットが不整地を歩行する場合において、例えば、足部の関節の真下位置Ｘ１を中心にして足部を回転させ接地させる足裏倣い制御を行っている（図７（ａ））。この場合、足部を回転させ路面に適応させるときに、足部が並進方向に変位Δｘが発生するため、足部が凹凸路面から滑落する虞がある。

一方で、本実施の形態１に係る脚式ロボット１において、制御部５は、歩容データ修正部３により修正された歩容データ２ａに基づいて、接触検出部６により検出された足部２６の足裏のスパイク部６６と路面との接触位置Ｘ２を中心にして、足部２６をロール軸或いはピッチ軸周りに回転させ、足部２６の足裏の他のスパイク部６６を路面に接地させるようにして足裏倣い制御を行う（図７（ｂ））。これにより、上記足裏倣い制御実行時において、足部２６が並進方向に変位しないため、足部２６が凹凸路面から滑落するのを防止できる。

例えば、制御部５は、歩容データ修正部３により修正された歩容データ２ａに基づいて、接触検出部６により検出された足部２６の爪先右側のスパイク部６６と路面との接触点を中心にして足部２６をピッチ軸周りに回転させ、足部２６の踵側のスパイク部６６を路面に接地させ、爪先右側及び踵側のスパイク部６６と路面との接触線を中心にして足部２６をロール軸周りに回転させ、足部２６の爪先左側のスパイク部６６を路面に接地させる。

図８は、最大高さ２０[ｍｍ]までの障害物を設置した実験室内の擬似不整地において、本実施の形態１に係る脚式ロボットを歩行させたときのＺＭＰ軌道を示す図である。図８に示す如く、本実施の形態１に係る脚式ロボット１によれば、各接触検出部６のスパイク部６６で障害物を踏んだ場合でも安定した支持多角形を確保でき、ＺＭＰが安定領域内に収まっていることが分かる。

また、図９は、傾斜路面において、本実施の形態１に係る脚式ロボットを歩行させたときの右側の足首関節におけるロール軸及びピッチ軸周りの回転角度を示す図である。ここで、傾斜路面の傾斜角度を７．０［ｄｅｇ］とし、脚式ロボット１が３歩目から完全に傾斜を踏み始め、７〜８歩目で傾斜を下り終えるように、傾斜板を設置している。図９に示すように、ピッチ軸周りに略７．０[ｄｅｇ]の修正量が確認でき、脚式ロボット１の安定的な歩行が実現されていることが分かる。

以上、本実施の形態１に係る脚式ロボット１において、接触検出部６により検出された足部２６の足裏と路面との接触位置を中心にして、足部２６をロール軸及び／又はピッチ軸周りに回転させ、足部２６の足裏の他の部分を路面に接地させる。これにより、足部２６を不整地路面に接地させたときにその凹凸から滑落することなく、不整地路面に足部２６を確実に着地させることができる。また、足部２６を３点接地型の足部機構とすることで、設定ＺＭＰから安定領域の境界までの距離を大きくし、安定余裕を増加させることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

例えば、上記実施の形態において、脚式ロボット１は、２足歩行ロボットに適用されているが、これに限らず、例えば、４足歩行ロボットにも適用可能であり、脚部を有する任意の歩行ロボットに適用可能である。

さらに、上述の実施の形態では、本発明をハードウェアの構成として説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明は、例えば、上記制御部５及び歩容データ修正部３が実行する処理を、上記ＣＰＵにコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。

プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ）を含む。

また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

１ 脚式ロボット
２ 記憶部
３ 歩容データ修正部
４ アクチュエータ
５ 制御部
６ 接触検出部
７ 姿勢センサ
８ 加速度センサ
１０ 胴体
２０ 脚部

Claims (7)

1. 胴体と、該胴体に連結された脚部と、該脚部の下端に設けられた足部と、歩容データを記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶された歩容データに基づいて、前記脚部の関節を駆動制御する制御手段と、前記足部の足裏と路面との接触を検出する接触検出手段と、を備えた脚式ロボットであって、
   前記接触検出手段により検出された前記足部の足裏と路面との接触位置を中心にして、前記足部をロール軸及び／又はピッチ軸周りに回転させ、該接触位置の次に接触させる 前記足部の足裏の他の部分を路面に接地させるように前記歩容データを修正する歩容データ修正手段を備える、ことを特徴とする脚式ロボット。
2. 請求項１記載の脚式ロボットであって、
   前記足部の足裏には、前記路面と接触する３個の凸状部が設けられている、ことを特徴とする脚式ロボット。
3. 請求項１又は２記載の脚式ロボットであって、
   前記歩容データ修正手段は、前記接触検出手段により検出された前記足部の足裏の第１凸状部と路面との接触点を中心にして前記足部をロール軸及び／又はピッチ軸周りに回転させ、第２凸状部が路面と接地すると前記第１及び第２凸状部と路面との接触点を結ぶ線を中心にして前記足部をロール軸及び／又はピッチ軸周りに回転させ、第３凸状部を路面に接地させるように前記歩容データを修正する、ことを特徴とする脚式ロボット。
4. 請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の脚式ロボットであって、
   前記接触検出手段は、光信号を送出する光学式距離センサと、前記光学式距離センサからの光信号を反射する反射板と、前記光学式距離センサ及び反射板を覆うカバー部材と、前記反射板を支持し上下方向へ移動可能な支持軸と、該支持軸を付勢するバネ部材と、前記支持軸に連結され足裏に設けられ路面に接地するスパイク部と、を有する、ことを特徴とする脚式ロボット。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の脚式ロボットであって、
   前記接触検出手段は、前記足部の爪先側に２個及び踵側に１個設けられている、ことを特徴とする脚式ロボット。
6. 胴体と、該胴体に連結された脚部と、該脚部の下端に設けられた足部と、予め設定された歩容データに基づいて、前記脚部の関節を駆動制御する制御部と、前記足部の足裏と路面との接触を検出する接触検出手段と、を備えた脚式ロボットの制御方法であって、
   前記接触検出手段により検出された前記足部の足裏と路面との接触位置を中心にして、前記足部をロール軸及び／又はピッチ軸周りに回転させ、該接触位置の次に接触させる前記足部の足裏の他の部分を路面に接地させるように前記歩容データを修正する、ことを特徴とする脚式ロボットの制御方法。
7. 胴体と、該胴体に連結された脚部と、該脚部の下端に設けられた足部と、予め設定された歩容データに基づいて、前記脚部の関節を駆動制御する制御部と、前記足部の足裏と路面との接触を検出する接触検出手段と、を備えた脚式ロボットの制御プログラムであって、
   前記接触検出手段により検出された前記足部の足裏と路面との接触位置を中心にして、前記足部をロール軸及び／又はピッチ軸周りに回転させ、該接触位置の次に接触させる前記足部の足裏の他の部分を路面に接地させるように前記歩容データを修正する処理をコンピュータに実行させる、ことを特徴とする脚式ロボットの制御プログラム。