JPH03166077A

JPH03166077A - 脚歩行制御装置およびその制御方法

Info

Publication number: JPH03166077A
Application number: JP1302018A
Authority: JP
Inventors: Kazutoshi Suga; 和俊菅; Makoto Hattori; 誠服部; Yoshihiro Sakakibara; 義宏榊原; Yuji Hosoda; 祐司細田; Masakatsu Fujie; 正克藤江; Kazuo Honma; 本間　和男; Akimine Kobayashi; 小林　暁峯; Yutaka Nakano; 裕中野
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1989-11-22
Filing date: 1989-11-22
Publication date: 1991-07-18
Anticipated expiration: 2011-01-10
Also published as: JPH08371B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、脚歩行制御装置およびその制御方法に係り，
特に高速で移動を行う脚移動機構の制御に好適な脚歩行
制御装置およびその制御方法に関するものである．〔従来の技術〕従来の装置は、例えば特開昭６１−１９３９７３号公報
記載のように、段差、不整地における歩行脚の足先の接
地状態を検出する接触センサが用いられていた．また，特開昭６２−５０２８１号公報記載のものでｔｉ
曲面を有する壁面に対し、バランスのとれたスｌ−スな
走行を行うため、壁面に離着する吸着脚σ端部と壁面と
の距離を検知するセンサが用いらかでいた．さらに、第２回知能移動ロボットシンポジウム資料、昭
和５９年６月刊、ページｌ３〜１９にも接触式の検出器
が開示されていた．また、特開昭６３　−　５４０８号公報には、ロボット
の胴体側面に超音波センサを設けた技術が開示されてい
る．〔発明が解決しようとする課Ｒ）上記従来技術は、静的な歩行を行う歩行ロボットあるい
は壁面走行装置などの脚移動機構におけるものであり、
移動速度も低く、進行方向の障害物などの検知について
十分に考慮されていなかった．また、検知手段が考えら
れていても，障害物に対し低速で接近するものであるた
め，接触方式がとられていて検知範囲も狭かった．そのため、非接触で早期に比較的広範囲に検出すること
に対して配慮がされておらず、高速な動歩行においては
障害物に脚が接触してしまう危険があり、安定な歩行が
できなくなるという問題があった。

また，脚の側面にセンサを並べると、前方および側方は
認識できるが足元の情報が検知できず、足元にセンサを
設けなくてはならない。しかし、足先に多くのセンサを
設けることによって足先重量が増加するため，より強力
なアクチュエータを必要とするようになり、軽量で高速
な動きが要求される脚移動機構にとっては不利である。

本発明は，上記従来技術における課題を解決するために
なされたもので、障害物を非接触で早期に検出し，それ
に対処して安定な歩行を行い、軽量な足先により高速な
動歩行を実現しつる脚歩行制御装置を提供することを、
その目的とするものである．また，本発明の他の目的は、歩行脚および床面環境を認
識し、その情報を判断して歩行を制御する脚歩行制御方
法を提供することにある．〔課題を解決するための手段
〕上記目的を達或するために，本発明に係る脚歩行制御装
置の構威は、胴体と、複数の関節部を有する歩行脚と、
この歩行脚の関節部を制御する関節制御部とを備えた脚
歩行制御装置において、胴体下部あるいは側面のいずれ
かに装備され，前記歩行脚および周辺環境をスカする画
像入方装置と，その入力信号を処理し、前記歩行脚およ
び周辺環境を認識する手段と，その環境情報を判断して
歩行脚の関節制御部に指令信号を出カする脚移動制御装
置とを、備えたものである．また，上記他の目的を達成するために、本発明に係る脚
歩行制御方法の構成は、胴体と，複数の関節部を有する
歩行脚と，この歩行脚の関節部を制御する関節制御部と
を備えたものにおいて、胴体下部あるいは側面のいずれ
かに、前記歩行脚および周辺環境を入力する画像入方装
置を設け、その入力画像を処理する画像処理装置を設け
、この画像処理装置に入カした生画像を、その明暗がら
エッジ部を抽出して二値化画像とし、さらに広角レンズ
系の曲率歪を補正した画像により、前記歩行脚および周
辺環境を認識し、その環境情報を判断して歩行脚の関節
部を制御するものである。

〔作用〕

胴体下部の、歩行脚の暴走による損傷を避ける位置に下
向きに、歩行脚および床面の環境を広角度に入力するよ
うに画像入力装置が装備されている．この画像入力装置から得られた信号は、画像処理されて
、歩行脚の位置や床面の状態および前方や側方の障害物
の有無などの情報を脚移動制御装置に送る．脚移動制御
装置は、これらの情報を判断し，歩行脚を制御する．このように、胴体の画像入力装置から非接触で、なおか
つ広角度に床面状態や障害物が検知できるので、早期に
情報が得られ歩行を安定に制御できる。

また，これにより足先には必要最低限のセンサを設ける
だけでよく、足先の軽量化が可能になる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図ないし第７図を参照し
て説明する．第１図は、本発明の一実施例に係るロボットの脚歩行制
御装置の構成を示すブロック図、第２図は、画像処理装
置の構威と機能を示す説明図、第３図は、床面歩行時の
、画像認識装置の機能説明図、第４図は、階段昇降時の
、画像認識装置の機能説明図である。

脚移動機構である歩行ロボットは、一般に、第１図に示
すように、胴体に係るロボット本体４と，複数の関節部
５ａ，５ｂ，５ｃを有する歩行脚７と、この歩行脚７の
前記関節部５ａ，５ｂ，５ｃを制御する関節制御装置２
１とから構成されている。

本実施例のロボット本体４の胴体下部には，広角，広視
野の環境情報入力装置である画像入力装置３１が装着さ
れている．第１図に示す６は、歩行脚７の足先、８は、足先７が接
地する床面，９は，階段などの段差部を示している．本実施例の制御装置はブロック図で示すとおりであり、
各信号の入出力は実線矢印で示している．画像入力装置
３１は、胴体下部の、歩行脚の暴走による損害を避ける
位置に下向きに装備され、ロボット自身の歩行脚７およ
び周辺の環境を入力し、画像処理装置３２に信号を送る
．画像処理装置３２でこの信号の処理を行い、画像認識
装置３３および距離演算装置３４に処理した信号を送る
。

画像認識装［３３では、処理された信号から環境を認識
し床面の状態や障害物の有無、壁面等を検知し、検知し
た情報を脚移動制御装置２および上位制御装置１，ある
いは距離演算装置３４に送るように構威されている．距離演算装ｌｍ！３４では，障害物や壁面までの距離を
演算しその情報を脚移動制御装置２に送る。

脚移動制御装置２は，画像認識装置３３による、床面状
態や障害物の有無、壁面等の情報をもとに，距離演算装
置３４から距離の情報を得て歩行脚７の移動を制御する
．例えば，進行方向前方に１ｍの距離に障害物を検知し
たと判断すれば、ただちに，停止のための脚シーケンス
に入り、関節制御装置２１に指令値を出力しロボットの
移動を停止する。また，脚移動制御装置２は、上位制御
装置へと情報を交換し、上位の指令信号により歩行移動
を制御する．以下、このシステムについて詳細に説明する．第２図は
、画像処理装置３２の構成と機能について示したもので
ある．広角レンズを持つＴＶカメラ３１１で入力した生画像は
、カメラコントローラ３１２を経てエッジ抽出二値化処
理部３２１に入る．エッジ抽出二値化処理部では、生画
像における明暗や色等の切替わりのエッジ部を抽出し、
さらに二値化し、エッジ抽出二値化画像Ｖ２を出力する
．この信号ｖ２は、広角レンズ曲率補正処理部３２２に
入り，広角レンズの曲率による歪を補正される．これに
は、撮像面上の画素数で示される中心からの位置Ｘにあ
る情報を、Ｙ＝Ａｔａｎ　（（ＥＩＸ−ａｘ＞　　　　　　　　−
（１）の式により補正し、仮想画面上に補正された位置
Ｙが得られ、全体として画像ｖ３のようになり，次の処
理部へ入力される。

この補正式は、レンズ系により異なる。また（１）式中
、Ａ，αエ，α２は、レンズ系で決まる係数である。

次に、第３図，第４図は，画像認識装置の機能を示した
ものである。

第３図は、床面歩行時の機能を示している。

ここでは、まず画像処理装置３２で得られた画像の対象
とする部分の切り出しを行う。例えば、階段前画像Ｖ３
１に示す太い破線部を切り出し、この部分において認識
処理を行う．この切り出しを側方で行なって壁面情報の
認識も行うこともできる．この切り出した画面で線分検知を行う。例えば、第３図
のＳＡのようにロボットの歩行脚７の近辺に障害物であ
る段差部９があるようなときは横線分９Ａが検知される
．また，第３図のＳＢのように障害物がないようなとき
は線分は検知されない．もちろん、より複雑な認識処理
により物体が何であるかを認識することも可能である．このように、床面８を歩行中には，前述の処理を行い、
前方や側方の物体の検知を行い、物体の有無情報エ１が
脚移動制御装置２あるいは距離演算装！ｉ３４、必要な
ら上位制御装Ｉｉｉ１へ出力される．第４図は、階段昇降時の機能を示している．このときも
、各歩行脚７、特に足先６を含むようにあらかじめ設定
した枠（図では太い破線部）に従って画像を切り出す．
例えば、第４図のＳＣのように階段１０昇降時には、階
段上画像ｖ３１１を切り出し，状況により、（イ），（
ロ），（ハ）のような画像を得る．これにより、円弧（
曲線）、横線分を検知し，その相互関係を認識すること
で，階段１０に対する足先６の踏み込み状況が情報Ｉｌ
ｌとして出力される．次に、第５図は、距離演算装置の機能説明図、第６図は
、障害物の高さ等を求める幾何的関係図である．第５図に示す距離演算装置３４では、ＳＤに示すように
ロボットの異なる位［Ａ，Ａ’　における２つの画像情
報から、あらかじめ設定した＠０−Ｗやｏ”−ｗ”によ
り対象゛点を切り出す。例えば、画像入力装置がＡの位
置のときはＯ−Ｄ−Ｃ、Ａ′の位置のときはＯ’　−Ｄ
’　−Ｃ’　が対象点となり，それぞれ画像上から距離
Ｌｖ，ＱｖおよびＬｖ’　　　Ｑｖ’　を得る．障害物とロボットとの距離および高さを求めるには、第
６図（ａ）〜第６図（ｃ）に示す幾何学的な演算から求
められる。

第６図（ａ）〜第６図（ｃ）において、０は、画像入力
装置のレンズ位置Ａから床面８に垂線を立てた垂線の足
、０′は、位置Ａ′の垂線の足、Ｃは、段差部の上端、
Ｄは、段差部９の下端，Ｂ，Ｂ′は、Ａ，Ａ’　とＣを
結ぶ！（視野）の延長線が床面８の延長，ｉｌｌ（破線
）と交わる点，ＨはＯＡ，０’　Ａ’の高さ，ＬはＯＤ
間の距離、Ｌ′はＯ′Ｄ間の距離，１１はＢＤ間の距離
、詰′はＢ’　Ｄ間の距離、ｈは，段差部の高さを示す
。

画像上の距離に、レンズ面の高さやレンズ系の拡大率な
どの全体の寸法で決まる係数αをかけて実際の床面８上
の距離Ｌ，ＪおよびＬ’　，ｎ’が求められる．すなわ
ち，Ｌ，　ｆｌ，Ｌ’　，ａ’は、夫々Ｌ．＝ａＬｖ，Ｑ＝ａＱｖＬ’　＝αＬｖ’　　盆′＝αＱｖで得られる．また、愈とＤ′の関係から，床面前方の物体の高さｈや
深さｈｏが次のように求められる．すなわち、第６図（
ａ）の場合には、Ω〉Ｌ′であり、凸物体が存在するこ
とを示し，その高さｈは，Ｌ＋Ｑとなる．また、第６図（ｂ）の場合には、悲＝文′とな
り、これは床面であることを示している。

第６図（Ｃ）の場合は、Ｑ＜Ｑ’　となり、凹物体が存
在することを示し，その深さｈＯは、ここで、Ｈは床面
から画像入力装置設置位置までの高さであり、関節角と
リンク長から予め求められている．この距離演算は，画像認識装置３３からの情報Ｉ１によ
り距離演算装置３４で実施できるようになっており、前
記のように距離、高さ演算により情報工２として、距離
し、高さｈ（または深さｈａ）が得られ，脚移動制御装
置２に送られる。

み、また障害物体を認識、確認して、その物体認識情報
を取り込み、高さ距離情報を取り込んで、障害物に対応
した歩行を行う制御の流れは、第７図の詳細なフローチ
ャートから明らかであろう。

ロボットの進路を決めたり誘導していくものは上位制御
装Ｉ！！１であり、これらに伴う脚移動制御装置２の処
理は、図中の歩行実行の中に含まれるまた、図の階段昇
降歩行の中には、フローチャートには示していないが、
画像認識装［３３によるステップ踏み込み状況の情報が
利用されている。

このように、本実施例によれば、早期に障害物や床面状
態を非接触で検知でき、その対応を歩行に反映できるの
で歩行における安全性や安定性を向上させるのに効果が
ある．また、これにより足先部には必要最小限のセンサを設け
るのみでよく、足先部の軽量化ができる利点がある．さらに，壁に沿った移動など変化に富んだ歩行にも脚歩
行制御により対応することができる。

安定な歩行を行い，軽量な足先により高速な動歩行を実
現しうる脚歩行制御装置を提供することができる．また、歩行脚および床面環境を認識し、その情報を判断
して歩行を制御する脚歩行制御方法を提脚歩行制御装置
の構成を示すブロック図、第２図は、画像処理装置の構
或と機能を示す説明図、第３図は，床面歩行時の，画像
認識装置の機能説明図，第４図は、階段昇降時の画像認
識装置の機能説明図，第５図は、距離演算装置の機能説
明図、第６図（ａ）〜第６図（Ｑ）は、障害物の高さ等
を求める幾何的関係図，第７図は、脚移動制御装置２に
おける制御手順を示すフローチャート図である．２・・・脚移動制御装置，４・・・ロボット本体、５ａ
，５ｂ，５ｃ・・・関節部、６・・・足先、７・・・歩
行脚，２１・・・関節制御装置、３１・・・画像入力装
置、３２・・・画像処理装置，３３・・・画像認識装置
、３４・・・距離演算装置．

Claims

【特許請求の範囲】１、胴体と、複数の関節部を有する歩行脚と、この歩行
脚の関節部を制御する関節制御部とを備えた脚歩行制御
装置において、胴体下部あるいは側面のいずれかに装備され、前記歩行
脚および周辺環境を入力する画像入力装置と、その入力信号を処理し、前記歩行脚および周辺環境を認
識する手段と、その環境情報を判断して歩行脚の関節制御部に指令信号
を出力する脚移動制御装とを備えたことを特徴とする脚
歩行制御装置。２、画像入力装置は、広視野の周辺環境画像を入力しう
る広角レンズ系を胴体下部に備えたことを特徴とする請
求項１記載の脚歩行制御装置。３、胴体と、複数の関節部を有する歩行脚と、この歩行
脚の関節部を制御する関節制御部とを備えたものにおい
て、胴体下部あるいは側面のいずれかに設けた画像入力装置
により、前記歩行脚および周辺環境を入力し、その入力した生画像を、その明暗からエッジ部を抽出し
て二値化画像とし、さらに広角レンズ系の曲率歪を補正した画像により、前
記歩行脚および周辺環境を認識し、その環境情報を判断
して歩行脚の関節部を制御することを特徴とする脚歩行
制御方法。