JP5899788B2 - 脚式ロボット - Google Patents
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Description
脚型ロボットの接地検出用のセンサとして、例えば特許文献1に記載のリング型センサがある。このリング型センサは、発光素子としての発光ダイオード(LED)及び受光素子としてのフォトトランジスタのペアを有する光センサ素子を備えるものである。
上記リング型センサでは、光センサ素子を、網目状の抵抗ネットワーク上で閉ループを形成するようにリング状に配置することで、全方位対応の近接覚センサを実現している。
そこで、本発明は、段差の昇降性能を向上させることができる脚式ロボットを提供することを課題としている。
このように、センサ素子を配置する領域を適切に設定することで、複数の近接物体が同時に検出可能範囲内に存在する可能性を低減することができる。したがって、複数のセンサ素子を同時に駆動してその平均をとる方式を採用した場合であっても、複数の近接物体が同時に検出可能範囲内に存在することに起因する近接物体の誤検出の発生を抑制することができる。そのため、信頼性の高い近接覚センサを実現することができる。
これにより、比較的簡易な構成で近接覚センサを実現することができる。
また、上記において、前記受光素子は、短パルス光の受光に対して前記検出電流を出力可能に構成されていることを特徴としている。
このように、受光素子は、パルス状で短期間の受光においても、十分な応答性をもって受光強度に応じた検出電流を出力可能であるため、適切に近接物体を検出することができる。
これにより、前脚部の近接覚センサの発光素子から放射される光と、後脚部の近接覚センサの発光素子から放射される光とが干渉するのを防止することができる。その結果、当該光の干渉に起因する近接物体の誤検出の発生を防止することができ、より信頼性の高い近接覚センサを実現することができる。
図1は、本実施形態における脚式ロボット100の概略構成を示す正面図である。また、図2は、本実施形態における脚式ロボット100の概略構成を示す側面図である。
脚式ロボット100は、略直方体の基体10と、この基体10の四隅に、基体10に対して自由度を有して連結された四本の脚部20と、を備えている。
各脚部20の先端には、膝関節50と平行な軸回りに回転する駆動輪60が軸支されている。
三次元距離測定装置14の座標系(以下、センサ座標系と称す)は、基体10の前後方向をxrs軸、基体10の左右方向をyrs軸、基体10の高さ方向をzrs軸とする。なお、距離センサの原点位置においては、距離センサの測定方向がxrs軸と一致し、距離センサの第一の回転軸がyrs軸と一致する。距離センサの第一の回転軸は、z軸回りの走査角度によって向きが変化するが、原点位置においてyrs軸と一致するため、説明の便宜上、距離センサの第一の回転軸をyrs’軸と表記する。
さらに、各脚部20の先端側には、前方物体までの距離を検出する脚先前方センサ23と、接地面までの距離を検出する脚先下方センサ24と、が設けられている。
図3は、腰関節13の側面図である。
腰関節13は、一般にハーモニックドライブ(登録商標)として知られる波動歯車装置70を備え、この波動歯車装置70を介して、前側基体11及び後側基体12を、基体10のロール軸回りに相対変位可能な状態で連結している。なお、腰関節13は、基体10のピッチ軸(図2の紙面垂直軸)回りに回動可能なものとしても良く、省略しても良い。
図4は、波動歯車装置70の断面図である。
波動歯車装置70は、回転中心となる楕円状のカム及びこれに外嵌されたボールベアリングによって構成されるウェーブジェネレータ71と、内周面がボールベアリングの外輪に摺接し外周面に歯が形成された薄肉カップ状のフレクスプライン72と、内周面に形成されたフレクスプライン72よりも多い歯を介してフレクスプライン72に噛合するリング状のサーキュラスプライン73と、で構成されている。ここで、フレクスプライン72が前側基体11に連結され、サーキュラスプライン73が後側基体12に連結されている。
図5は、脚部20の全体図である。
第一股関節30は、基体10に固定されるボックス状のハウジング31と、基体10の上下軸と略平行な状態でハウジング31に軸支されハウジング31の下方で第二股関節40に連結される関節軸32と、ハウジング31の上面に固定され関節軸32を駆動するモータM2と、を備えている。なお、ハウジング31には、モータM2の回転を所定の減速比で関節軸32に伝達する減速機(例えば波動歯車装置)が収容されている。また、ハウジング31の側面には、関節軸32で基体側脚部21が回動する際に、この基体側脚部21と干渉する部位を、基体側脚部21の軌道に応じて除去した切欠部33が形成されている。
基体側脚部21は、上端側が第二股関節40のハウジング41を挟むように対向し且つ関節軸42に固定される一対のフレームで構成される。
駆動輪60は、接地側脚部22の下端側に一体形成されたボックス状のハウジング61と、基体10の上下軸と直交する軸と略平行な状態でハウジング61に軸支されハウジング61の下方に少なくとも接地部が露出した車輪62a,62bと、ハウジング61に収容され車輪62a及び62bを駆動するモータM3(図示省略)と、を備えている。なお、ハウジング61には、モータM3の回転を所定の減速比で車輪62a及び62bに伝達する減速機(例えば波動歯車装置)が収容されている。
脚式ロボット100は階段を昇降可能であり、階段を昇降する際は、第一股関節30を略正面(図1及び図2に示す向き)に向け、第二股関節40と膝関節50とを駆動して、基体側脚部21と接地側脚部22とを前後上下に運ぶような歩容を取る。
すなわち、脚部20の運動は、主として(zrs,xrs)平面上で行われ、yrs軸方向及びzrs軸回りの回転方向の運動は、基体10の微調整といった補助的なものである。
近接覚センサ25は、複数のセンサ素子26を1次元もしくは2次元に配列したセンサユニットであり、ハウジング61の下端部の外周面に、上記センサ素子26を基体10の左右方向のyrs軸(紙面垂直方向の軸)を中心軸とする円弧状に配置して構成されている。
このような構成とすることで、脚式ロボット100が階段を歩行するときの脚部20の動き(zrs軸方向及びxrs軸方向の動き)に対して、脚先に物体が近づいているか否かを検出することができる。
このような構成により、脚先に物体Pが接近して検出可能範囲内に進入し、発光素子から放射され物体Pで反射した反射光を受光素子で受光したときにセンサ素子26から出力される検出電流の分布と大きさとに基づいて、物体Pの位置(方位角θ)および物体Pまでの距離Lが算出できる。
このとき、環境光による受光強度への影響を軽減するために、受光動作時の検出電流値を環境光に相当する電流分減少補正し、補正後の電流値に基づいて物体Pの位置θ及び距離Lを検出するようにする。ここで、上記環境光に相当する電流値は、発光素子が消灯している期間内に取得した検出電流値を用いる。
この図7に示すように、発光素子が発光して近接覚センサ25が作動状態となるタイミングを、前脚部の近接覚センサ25と後脚部の近接覚センサ25とで所定時間T1だけずらす。そして、発光素子が発光して近接覚センサ25が作動状態となる期間T2と、近接覚センサ25が作動状態となってから次の作動状態となるまでの期間T3とは、前脚部の近接覚センサ25と後脚部の近接覚センサ25とで等しくなるように設定する。
ただし、電源投入時に発光タイミングをずらしても、各サブ制御装置でのカウントタイミングが微妙に異なると、図8(a)に示すように、ある程度の時間が経過すると、前後の近接覚センサ25の動作期間が重なり、前後の近接覚センサ25で光の干渉が起こり誤検出の原因となってしまう。そこで、所定のタイミングで、メイン制御装置(後述するCPU80に対応)から各サブ制御装置へ時間合わせ信号(補正信号)を出力するようにする。そして、各サブ制御装置は、当該時間合わせ信号を受信したとき、図8(b)に示すように、その時刻を基準として発光素子の発光タイミングを補正する。
図9は、脚式ロボット100の移動制御システムを示すブロック図である。
腰関節13のモータM1には、回転角を検出するエンコーダ75が設けられており、脚式ロボット100は、モータ制御指令及びエンコーダ75の出力信号に基づいてモータM1を駆動するドライバ76と、エンコーダ75及びドライバ76に関する制御(信号処理、駆動制御等)を行う分散コントローラ77とを備える。
障害物検出処理では、三次元距離測定装置14から入力した面データに基づいて、センサ座標系の座標をグローバル座標系の座標に変換し、連続面の境界線上の点を階段の特徴点として抽出する。次に、抽出した特徴点に基づいて階段の幅及び階段の段鼻部の実座標を算出する。そして、算出した階段の幅および段鼻部の実座標、並びに3軸姿勢センサ(不図示)のセンサ信号に基づいて逆運動学計算および重心計算を行い、その計算結果に基づいて脚先(駆動輪60)の着地位置を決定する。
また、各分散コントローラ37,67,77は、モータM2が速度制御モード又はトルク制御モードであるときに、予め設定した一定期間、CPU80から新しい指令が送信されない場合、各モータM1〜M3を停止するためのモータ指令信号を生成し、生成したモータ指令信号をドライバ36、46に出力する。このように、各分散コントローラ37,67,77は、CPU80の動作異常時における安全装置として機能させることができる。この機能は、特に車輪62a及び62bを駆動するモータM3に対して好適である。
図11は、脚部20の断面図である。
脚部20は、図11に示すように、第二股関節40と膝関節50とが連結する基体側脚部21の第二股関節40側端部には、第二股関節40のモータM2および分散コントローラ37が配置され、分散コントローラ37には、CPU80からのハーネス(制御用信号線LCおよび駆動用電源線LP1)が接続されている。なお、エンコーダ35はモータM2に内蔵されている。
分散コントローラ37は、基板(不図示)に実装されている。同基板上には、駆動用電源線LP1に接続され、駆動用電源線LP1から供給される駆動用電源から制御用電源を生成するDC−DCコンバータ(制御用電源生成手段)38が設けられている。そして、分散コントローラ37とDC−DCコンバータ38とは、制御用電源を伝送可能に接続されている。なお、基板上に限らず、DC−DCコンバータ38を基板の近傍に設け、分散コントローラ37とDC−DCコンバータ38とを制御用電源線で接続してもよい。
なお、上記において、分散コントローラ37及びCPU80がセンサ制御手段に対応し、モータM2がアクチュエータに対応し、ドライバ35及び分散コントローラ37がアクチュエータ駆動制御手段に対応している。
脚式ロボット100の移動経路上に階段が存在すると、三次元距離測定装置14から入力した面データに基づいて、階段の特徴点が抽出される。そして、抽出された特徴点に基づいて階段の幅および段鼻部の実座標が算出され、算出された階段の幅および段鼻部の実座標に基づいて脚先の着地位置が決定される。
その際、脚先に設けられた近接覚センサ25からセンサ信号が入力され、近接物体の有無を判定する。このとき、図12(a)に示すように、矢印Aの方向に脚部20を移動して階段を乗り越えようとしているとき、近接覚センサ25の検出可能範囲内に近接物体が存在しない場合には、そのまま階段を乗り越える動作を継続する。
このとき、近接覚センサ25のセンサ素子26を、脚部20の接地側先端の下側外周面に、左右方向の軸を中心軸とする円弧状(中心角180°程度)に配置するので、昇降制御時に検出すべき近接物体を適切に検出することができる。
さらに、前脚部に配置された近接覚センサ25の動作期間(発光素子の発光期間及び受光素子の受光動作期間)と、後脚部に配置された近接覚センサ25の動作期間とが所定時間ずれるようにするので、前後に配置された近接覚センサ25間での光の干渉を防止することができる。これにより、より高精度な物体検出を行うことができる。
また、上記実施形態においては、駆動輪60が2つの車輪62a,62bを備える場合について説明したが、例えば図13に示すように、1つの車輪62のみが設けられた駆動輪60を備える脚式ロボット100にも本発明を適用可能である。この場合にも、図13に示すように、車輪62の近傍に近接覚センサ25を配置することで脚先に接近した物体を適切に検出することができる。
また、センサ素子26の検出信号の処理方式としては、例えばセンサ素子26の検出信号を個別に処理する方式を用いることもできる。この場合は、センサ素子26の配置範囲は広い方(例えば、中心角180°以上)が好ましい。同様に、センサ素子26の検出信号の処理方式に応じて、センサ素子26の配置範囲を適宜変更することが可能である。
また、上記実施形態においては、4本の脚部20を備える脚式ロボット100に本発明を適用する場合について説明したが、脚部20の本数はこれに限定されるものではなく、例えば2本の脚部を備える脚式ロボットにも本発明を適用可能である。
Claims (7)
- 基体と、前記基体に対して自由度を有して連結された複数の脚部とを備える脚式ロボットであって、
前記脚部は、可動関節を介して複数のリンクを連結してなり、
前記可動関節を駆動するための動力を付与するアクチュエータと、
前記脚部の接地側先端の外周面下側に、左右方向の軸を中心軸とする円弧状に配置された複数のセンサ素子を有し、前記脚部の接地側先端に接近した近接物体を検出する近接覚センサと、
前記近接覚センサで検出した前記近接物体の位置情報と、前記脚部の接地側先端部の移動方向とに基づいて、前記アクチュエータを駆動制御するアクチュエータ制御手段と、を備え、
前記センサ素子は、光を放射する発光素子と、前記発光素子から放射された光の前記近接物体による反射光を受光する受光素子とを備え、前記反射光の受光強度に応じた検出電流を出力するように構成され、
前記アクチュエータ制御手段は、前記脚部を移動先へと移動する際に、前記近接覚センサのセンサ信号に基づいて前記近接物体の有無を判定し、前記近接物体が無いと判定した場合は前記脚部の移動を継続して行い、前記近接物体が有ると判定した場合は前記近接物体の存在する方向への移動を制限するように前記アクチュエータを駆動制御することを特徴とする脚式ロボット。 - 前記アクチュエータ制御手段は、前記脚部の脚先を踏板に着地するために、前記踏板の上方から前記脚先を下ろすように前記アクチュエータを駆動制御しているときに、前記脚先の移動方向に前記近接物体が有ると判定したときには、足場となる踏板を検出したと判断することを特徴とする請求項1に記載の脚式ロボット。
- 前記センサ素子は、前記脚部の鉛直方向真下位置を0°としたとき、前記脚部の接地側先端の外周面上における−90°以上90°以下の領域に配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の脚式ロボット。
- 前記受光素子は、短パルス光の受光に対して前記検出電流を出力可能に構成されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の脚式ロボット。
- 前記複数の脚部は、前記基体の前後方向に並設された前脚部及び後脚部の2本の脚部を1組とした、1組以上の脚部から構成されており、
前記前脚部に設けられた前記近接覚センサの発光素子の発光期間と、前記後脚部に設けられた前記近接覚センサの発光素子の発光期間とが所定時間ずれるように、前記近接覚センサを制御するセンサ制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の脚式ロボット。 - 前記センサ制御手段は、前記各近接覚センサに対応してそれぞれ個別に設けられ、前記近接覚センサを制御するサブ制御手段と、前記各サブ制御手段とハーネスを介して接続され、前記近接覚センサを用いた制御を行うメイン制御手段と、を備え、
前記ハーネスは、前記近接覚センサを駆動するための駆動用電源を伝送する駆動用電源線と、前記サブ制御手段を制御するための制御信号を伝送する制御信号線とからなり、
前記サブ制御手段は、前記駆動用電源線から供給される前記駆動用電源から、前記サブ制御手段の制御に必要な制御用電源を生成する制御用電源生成手段を有することを特徴とする請求項5に記載の脚式ロボット。 - 前記メイン制御手段は、所定のタイミングで、前記制御信号として、前記前脚部に設けられた前記近接覚センサの発光素子の発光期間と、前記後脚部に設けられた前記近接覚センサの発光素子の発光期間とのずれが前記所定時間となるように補正するための補正信号を、前記前脚部に設けられた前記近接覚センサおよび前記後脚部に設けられた前記近接覚センサにそれぞれ対応する前記サブ制御手段に対して出力することを備えることを特徴とする請求項6に記載の脚式ロボット。
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