JPH05169378A - 多脚歩行機構の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】屋内外を問わず任意のフィールドにおいて、様
々な外乱に対応して、安定に歩行を継続して移動しうる
多脚歩行機構の制御装置を提供する。 【構成】多脚歩行機構１の歩行状態を検出する装置２
と、歩行を安定化する知識が納められた知識ベース６
と、安定な歩行動作を規定する歩行動作生成装置４と、
歩行状態と安定歩行知識ベース６を照合し、安定歩行動
作生成装置４を起動することにより、安定な歩行動作を
決定する推論装置７と、推論装置７によって決定された
歩行動作を行わせる関節制御装置９から構成される。 【効果】不整地面など何らかの要因で脚歩行機構に加わ
る外乱のために生じる不安定状態の発生に実時間で対応
して、安定して歩行を継続することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は多脚歩行機構の制御装置
に係り、特に、各種プラント設備などの建屋内環境を移
動する点検ロボットや搬送ロボット、屋外環境を移動す
る各種作業ロボットにおいて、安定に歩行するために好
適な多脚歩行機構の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の制御装置は、歩行面が局所的には
理想的な平面であると仮定して、あらかじめ計算機で作
成した時系列の関節角度指令値を順番に関節部に出力し
て、歩行を行わせるものであった。特開昭62−97006 号
公報には、このような時系列の関節角度指令値を用いて
２足歩行ロボットの歩行制御を行った実施例が記載され
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、歩行
面が局所的には理想的な平面であると仮定して、あらか
じめ作成した関節角度指令値のみにより制御するため、
不整地面など屋内外を問わず局所的な不均一性が実際に
は無視できない歩行面や、歩行機構の寸法や関節サーボ
特性のばらつきなど歩行機構自体に起因する脚先位置の
誤差や、その他の何らかの外的要因で脚歩行機構に加わ
る外乱のために生じる不安定状態の発生に対応できず、
安定して歩行を継続することが不可能となるという問題
があった。

【０００４】本発明の目的は、屋内外を問わず任意のフ
ィールドにおいて、様々な外乱に対応して、安定に歩行
を継続して移動しうる多脚歩行機構の制御装置を提供す
ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、歩行状態を
検出する手段と、歩行を安定化する知識が納められた知
識記憶手段と、安定な歩行動作を規定する歩行動作生成
手段と、歩行状態と前記知識記憶手段を照合し、前記歩
行動作生成手段を起動することにより、安定な歩行動作
を決定する推論手段と、前記推論手段によって決定され
た歩行動作を行わせる歩行脚制御手段から構成されるこ
とを特徴とした多脚歩行機構の制御装置によって達成さ
れる。

【０００６】

【作用】歩行状態検出手段によって、多脚歩行機構の歩
行が安定に継続できるかどうかの指標となる各種歩行状
態を検出する。推論手段はこれらの歩行状態と歩行安定
化のための知識記憶手段を照合することにより次の瞬間
の安定な歩行動作を決定し、歩行動作生成装置を起動し
てこの歩行動作を生成し、歩行脚制御装置にこの動作の
実行を指示する。推論手段は常時歩行状態をモニタして
おり、何らかの要因で不安定状態が生じれば、歩行安定
化のための知識に基づいて歩行安定化のための動作を決
定して実行する。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１から図８を参
照して説明する。

【０００８】図１に多脚歩行機構の制御装置の構成を示
す。多脚歩行機構１は、例えば、各種プラント設備など
の建屋内環境を移動する点検ロボットや搬送ロボット、
屋外環境を移動する各種作業ロボットであり、その胴体
には、四つの関節部をもつ歩行脚が備えられている。状
態検出装置２は、歩行脚の足底面の前後端，左右端およ
び中央部に具備され、足底面の部分接地を含めた詳細な
接地情報を得ることができる接地センサと、胴体に具備
され胴体の姿勢を検出する姿勢センサと、胴体に生じる
揺動を検出する加速度センサ及びこれら各種センサ信号
の処理部から構成されている。そして、ここで検出され
た歩行状態の情報は状態記憶装置３に格納される。安定
歩行動作生成装置４は、１歩行周期単位の時系列の関節
角度指令値データである歩行パターンを生成する。生成
された歩行パターンは安定歩行動作データベース５に格
納され、ここに格納された歩行パターンであれば、以後
選択される毎に安定歩行動作生成装置４によって歩行パ
ターンを生成しなくても、このデータベースから、直
接、呼び出すことによって用いることができる。安定歩
行知識ベース６には、歩行を安定させる知識をｉｆ〜ｔ
ｈｅｎ形式のプロダクションルールで記述したものが格
納される。これらのルールは、条件部で１歩行周期中の
ある瞬間における各種センサの情報と歩行パターンの情
報を評価し、実行部で次の瞬間の安定な歩行を行うため
の歩行パターンに切り換える命令を発する。推論装置７
は、状態記憶装置３にアクセスすることによって、１歩
行周期中の各種センサ情報を常時モニタし、これらの情
報の瞬間的な変化すなわち歩行状態の変化に応じて、次
の瞬間の安定な歩行を行うための歩行パターンを指定す
る最適なルールを安定歩行知識ベース６の中から実時間
で選択する。この推論装置７は下位インタフェース８を
通して関節制御装置９に接続されており、この関節制御
装置９によって推論装置７によって指定された歩行パタ
ーンの時系列の指令値データを、歩行周期に応じた点数
で補間して実行し、１歩行周期中の任意の時点で歩行パ
ターンの切り換えをスムーズに行う。また、推論装置７
は上位インタフェース１０を通して上位制御装置１１に
接続されており、マクロな歩行計画は上位制御装置１１
の方で決定され、その計画に従って推論装置７は安定な
歩行動作を実現させる。

【０００９】次に、図２から図８を用いて、多脚歩行機
構の歩行を安定化する制御方法について説明する。本実
施例の制御装置における安定歩行知識ベースには、接地
センサ，姿勢センサおよび加速度センサの情報に基づい
て、不整地面のような歩行面の不均一性をはじめ多脚歩
行機構内外に起因する外乱に対応して、安定な歩行を継
続するための歩行パターンを選択するルールが格納され
ており、さらにこれらのルールは関連のあるものどうし
をまとめてサブルールベースを構成している。図２は、
その中の１サブルールベースに格納されているルールを
模式的に表したもので、これらのルールは１歩行周期中
の接地センサの情報と歩行パターンに付随する情報に基
づいて、不整地面における安定な歩行動作すなわち歩行
パターンを決定するものである。このサブルールベース
が対象とする不整地面は、一つの段差面の面積が歩行機
構の足底サイズ程度以上の面積を有するような比較的単
純な凹凸面である。

【００１０】凹凸面では脚の接地面の高さが一定でない
ため、接地面高さに応じた複数の歩行パターンを用いる
ことによってこれに対応する。また、接地面高さによら
ず歩幅を一定に保つことにより、残りの脚との歩行リズ
ムを崩すことなく歩行を続行できる。そこで、図３に示
すような足先軌跡を採用する。ここで、振り出して接地
していない歩行脚のことを遊脚，接地して胴体を支持し
ている歩行脚のことを立脚といい、それぞれの歩行脚の
動作を遊脚運動，立脚運動という。図３のＣ→Ｄの垂直
移動の間で接地し、遊脚運動から立脚運動に切り換える
ことにより、歩幅を一定に保つことができる。その際の
歩行パターン切り換えの例を図４に示す。図４のＡ→Ｄ
は１歩目の足先軌跡、Ｄ→Ｅは２歩目の足先軌跡を示
す。Ａ，Ｄ，Ｅは接地点であるが、それぞれの高さは異
なるため、その点における立脚運動は異なった歩行パタ
ーンに基づくものとなる。すなわち、接地と同時に歩行
パターンの切り換えを行っている。このように、歩幅一
定のまま、凹凸面の高さ方向の変化に適応する歩行パタ
ーンのことを基本歩行パターンという。この基本歩行パ
ターンの切り換えにより、凹凸面の高さ方向の変化に適
応することができる。なお、図４において、Ｂでもパタ
ーンの切り換えを行っているが、これは遊脚が垂直踏み
降ろし運動に入るときで、ここで足先を最も低いところ
まで降ろす基本歩行パターンに切り換えている。このよ
うにすれば足底が接地するまで、パターンの切り換えを
行う必要がなく、パターン切り換え回数を最小限に抑え
ることができ、推論装置の負担を軽減することができ
る。

【００１１】また、図５のように足底の一部しか接地し
ていないときは、ここに自重をかけていくと、足底で荷
重を支えきれず不安定になる。そのため、図６のような
脚の踏み替え運動を行って足底の安定接地を確保して、
このような不安定状態を回避を行う。遊脚が図５のよう
な不安定接地をした場合、まず残りの立脚をその状態で
ホールドし、胴体運動を停止する。そして、不安定接地
をしている脚のみの踏み替え運動を行い、安定接地が得
られたところで立脚運動に切り換え、同時に残り３脚の
ホールド状態を解除し、胴体運動を再開する。踏み替え
運動の方向については、足底の前端部分のみが接地して
いるときは前方に踏み替えを行い、足底の後端部分のみ
が接地しているときは後方に踏み替えを行う。一回の踏
み替え運動で安定接地が得られない場合、同じ方向への
踏み替え運動を繰り返す。このような踏み替え運動を行
うための歩行パターンを踏み替えパターンという。

【００１２】また、不安定接地回避の踏み替えパターン
実行後は踏み替えを行ったの脚の接地点が当初の予定接
地点と異なるため、後に続く立脚および遊脚運動を連続
的に行うため、基本歩行パターンを修正した歩行パター
ンを実行する。これを修正歩行パターンと呼ぶ。図７に
修正歩行パターンの概略を示す。前方踏み替えを行った
後に実行される修正歩行パターンは基本歩行パターンの
歩幅よりも踏み替えの分だけ歩幅を短く、後方踏み替え
を行った後の修正歩行パターンは基本歩行パターンの歩
幅よりも踏み替えの分だけ歩幅を長くした。このため修
正歩行パターンを実行した後は再び基本歩行パターンに
復帰することができる。

【００１３】以上の各種歩行パターンのことをふまえ、
図２のルールについて説明する。まず、歩行パターンは
遊脚の曲線運動が終了した時点（図３のＣ点）で、その
時点で対象とする最も低い面まで踏み降ろす基本歩行パ
ターンに切り換えられる（ルール１）。ここで、遊脚運
動は垂直踏み降ろし運動に切り換えられ、遊脚の足底の
いずれかの接地センサが接地状態を検出するまで、この
踏み降ろし運動を継続する。遊脚のいずれかの接地セン
サが接地を検出すれば、その接地状態が安定接地である
か不安定接地であるかによって、次の瞬間の歩行動作、
すなわち、歩行パターンが決定される。足底の中央部が
接地するか足底の前後端の両方が接地すれば、その歩行
脚は安定に接地したものと判断され、その接地面での立
脚運動を行う基本歩行パターンに切り換えられる（ルー
ル２）。足底の前端部のみが接地した場合は、とりあえ
ず前端部分接地であることを意味するフラグを立て、そ
れが不安定接地であるかどうか判定をするまでに一定の
待ち時間を設ける（ルール３）。ここで、前端部分接地
を検出した後、即座に不安定接地であると判定せず、待
ち時間を設けた理由は、足底が接地の際に接地面がわず
かに傾斜していたり、足底自体が接地面に対して完全に
は平行ではないため、本来ならば安定な接地をするはず
の場合でも、各接地センサが接地を検出するまでにはわ
ずかな時間差が生じるためである。前端部分接地のフラ
グが立った後、一定の待ち時間以内に残りの足底中央部
あるいは後端部の接地センサが接地を検出して、安定接
地が確保されれば、その接地面での立脚運動を行う基本
歩行パターンに切り換えられる（ルール４）。一方、前
端部分接地のフラグが立った後、一定の待ち時間を経て
も、残りの接地センサが接地を検出せず、前端部分接地
状態のままであれば、その脚の歩行パターンを前方への
踏み替え運動パターンに切り換える（ルール５）。前方
踏み替え運動を行い、足底の中央部あるいは前後端の両
方が接地して、安定接地が得られれば、踏み替え量に応
じた修正歩行パターンに歩行パターンを切り換える（ル
ール６）。１回の前方踏み替え運動で安定接地が得られ
ないときは、さらに前方に踏み替え運動を行う（ルール
７）。足底の後端のみが接地した場合も同様に、とりあ
えず後端部分接地であることを意味するフラグを立て、
一定の待ち時間を設ける（ルール８）。一定の待ち時間
以内に残りの足底中央部あるいは前端部の接地センサが
接地を検出して、安定接地が確保されれば、その接地面
での立脚運動を行う基本歩行パターンに切り換えられる
（ルール９）。後端部分接地のフラグが立った後、一定
の待ち時間を経ても、後端部分接地状態のままであれ
ば、その脚の歩行パターンを後方への踏み替え運動パタ
ーンに切り換える（ルール１０）。後方踏み替え運動を
行い、足底の中央部あるいは前後端の両方が接地して、
安定接地が得られれば、踏み替え量に応じた修正歩行パ
ターンに歩行パターンを切り換える（ルール１１）。１
回の後方踏み替え運動で安定接地が得られないときは、
さらに後方に踏み替え運動を行う（ルール１２）。修正
歩行パターンは、その脚が次の歩行周期の遊脚曲線運動
を終えるときに、最下位面まで踏み降ろす基本歩行パタ
ーンに切り換わる（ルール１）。

【００１４】例えば、図８のような凹凸面の場合、Ａか
ら基本歩行パターンで遊脚運動を始めた脚は、Ｂで遊脚
曲線運動を終了し、その時点で足底の接地を検出してい
ないので、ルール１が発火し、最下位面まで踏み降ろす
基本歩行パターンに歩行パターンが切り換えられる。Ｃ
で足底の前端のみが接地したとすると、ルール３が発火
して、前端部分接地のフラグが立ち、状態が確定するま
での待ち時間が設定される。この例の場合、待ち時間を
経ても前端部分接地の状態は変わらないとすると、ルー
ル５が発火し、Ｃ→Ｄの前方踏み替えパターンが起動さ
れる。Ｄで安定接地が得られたとすると修正歩行パター
ンに切り換えられる。Ｄで修正歩行パターンによる立脚
運動を終えた後、再び遊脚運動を始め、Ｅで遊脚曲線運
動を終了したとき、ルール１が発火して、最下位面まで
踏み降ろす基本歩行パターンに切り換えられる。そし
て、Ｆで安定接地が得られたとすると、ルール２が発火
して、この面を立脚面とする基本歩行パターンに切り換
えられる。

【００１５】なお、図２から図８までは、各脚の先端の
足底面の前後端および中央部の三つの接地センサのみを
用いるものとして説明しているが、左右端に設けられた
接地センサの情報も利用し、左右方向の踏み替え運動パ
ターンとそれに続く修正歩行パターンへの切り換えを行
うルールを用意すれば、凹凸面の左右方向の変化にも容
易に適応できる。

【００１６】また、図９のように傾斜部の多い不整地面
であれば、足底の角度が接地面の傾斜に合うように足首
関節をある程度曲げることを許容すれば、図２のルール
を用いて容易に対応することができる。

【００１７】また、接地面ががれ場や砂地のように比較
的不安定な足場の場合、立脚運動中に接地面が形崩れや
沈下をして、胴体姿勢を崩してしまうことがある。そこ
で、足底の接地センサの情報に併せ、胴体に設けられた
姿勢センサと加速度センサの情報を用いて、足場の崩れ
による胴体の不均一な沈み込みを検出し、それに対応し
て立脚運動中の適当な脚を伸ばす運動を行わせるルール
を用意することにより、胴体姿勢を回復させることがで
きる。図１０は接地面の沈み込みに対応して、立脚運動
中の脚を伸ばし、胴体姿勢を回復している例である。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、不整地面など屋内外を
問わず局所的な不均一性が実際には無視できない歩行面
や、歩行機構の寸法や関節サーボ特性のばらつきなど歩
行機構自体に起因する脚先位置の誤差や、その他の何ら
かの外的要因で脚歩行機構に加わる外乱のために生じる
不安定状態の発生に実時間で対応して、安定して歩行を
継続することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一実施例の多脚歩行機構の制御装
置のブロック図。

【図２】本発明による一実施例の不整地歩行用プロダク
ションルールのフローチャート。

【図３】図２に示す不整地用歩行パターンの足先軌跡を
表す説明図。

【図４】図２に示す凹凸面における基本歩行パターンの
切り換えの様子を表す説明図。

【図５】図２に示す凹凸面における不安定接地を表す説
明図。

【図６】図２に示す凹凸面における踏み替え運動の説明
図。

【図７】図２に示す凹凸面における修正歩行パターンの
説明図。

【図８】図２に示す凹凸面における基本歩行パターン，
踏み替えパターン，修正歩行パターンの切り換えの様子
を表す説明図。

【図９】本発明による一実施例において、凹凸面の傾斜
部が多い場合の歩行の様子を表す説明図。

【図１０】本発明による一実施例において、接地面が沈
み込んだ場合の姿勢回復運動の様子を表す説明図。

【符号の説明】

１…多脚歩行機構、２…状態検出装置、３…状態記憶装
置、４…安定歩行動作生成装置、５…安定歩行動作デー
タベース、６…安定歩行知識ベース、７…推論装置、８
…下位インタフェース、９…関節制御装置、１０…上位
インタフェース、１１…上位制御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の歩行脚を持つ多脚歩行機構とその制
   御装置において、歩行状態を検出する手段と、歩行を安
   定化する知識が納められた知識記憶手段と、安定な歩行
   動作を規定する歩行動作生成手段と、歩行状態と前記知
   識記憶手段を照合し、前記歩行動作生成手段を起動する
   ことにより、安定な歩行動作を決定する推論手段と、前
   記推論手段によって決定された歩行動作を行わせる歩行
   脚制御手段から構成されることを特徴とする多脚歩行機
   構の制御装置。