JPWO2006013778A1 - 脚式移動ロボットの制御方法 - Google Patents

Abstract

ロボット(１)を対象物(Ａ)に対向させた状態で、対象物(Ａ)にロボットから力が作用しないようにしつつ、ロボット(１)の重心(Ｇ)が対象物(Ａ)の移動させるべき向きに運動量を持ち、または上体(２)が角運動量を持つようにロボット(１)の上体(２)を運動させる第１ステップと、重心(Ｇ)に運動量を持たせ、または上体(２)に角運動量を持たせた状態で、ロボット(１)の上体(２)設けた腕体(５)の手先(７)から、対象物(Ａ)に力を作用させ、該対象物(Ａ)の移動を開始する第２ステップとを備える。これにより、対象物をロボットにより移動させる場合にその移動の開始前と開始後とでＺＭＰが大きく変化するのを防止しつつ、ロボットの運動を滑らかに変化させる。

Description

本発明は脚式移動ロボットの制御方法に関し、特に該ロボットによりある対象物を移動させる場合の制御方法に関する。

脚式移動ロボットにより対象物を移動させる作業を行う技術としては、例えば本願出願人による特開平１０−２３０４８５号公報（以下、特許文献１という）に見られるものが知られている。

この技術では、ロボットの運動により発生する慣性力と、ロボットに作用する重力および外力との合力が目標ＺＭＰ（目標床反力中心点）まわりに発生するモーメントの鉛直成分を除く成分（水平成分）が０になる（目標床反力中心点に作用する床反力と上記合力とが釣り合う）という動力学的平衡条件を満たすように、目標歩容を生成するようにしている。

前記特許文献１に見られる技術では、例えば対象物を押す作業を開始する前は、対象物からロボットが受ける反力（外力）は０であるから、ロボットの運動により発生する慣性力と重力との合力が目標ＺＭＰまわりに発生するモーメントの水平成分が０になるように歩容が生成されることとなる。そして、対象物を押す作業を開始するときから、上記慣性力と重力と０でない外力との合力が目標ＺＭＰまわりに発生するモーメントの水平成分が０になるように歩容が生成されることとなる。

このため、対象物を押す作業を開始するときに、外力が急変することで、ＺＭＰが急変する。このため、対象物を押す前と後とでロボットの運動状態を滑らかに変化させながら、ＺＭＰをロボットの接地面（より詳しくは、いわゆる支持多角形）の適正な範囲内に収めることが困難となって、ロボットの安定性を確保することが困難となる恐れがあった。ここで、支持多角形は、ロボットの接地面を含む最小の凸多角形である。

そこで、例えば対象物を押す作業を開始したときにロボット（ここでは２足移動ロボットとする）に作用する反力によるＺＭＰの変化を考慮し、対象物を押す作業を開始する前に、ロボットを前傾姿勢にして腕体の手先（より一般的には対象物を押すために対象物に係合させる部位）を対象物に当接させると共に、両脚体を前後に開いて着地させる。そして、この状態から、腕体を介して対象物に力を加えることが考えられる。この場合、両脚体を前後に開くことで、対象物を移動させるべき方向での支持多角形の長さが長くなるので、ロボットから対象物に力を加えることで、ＺＭＰが急変しても該ＺＭＰが適切な範囲に収まるようにして、ロボットの安定性を保ちつつ、対象物を押すことが可能となる。

しかし、このようにした場合には、対象物を押す作業を開始する前に、ロボットの体勢を上記のように整える特別な動作制御が必要となる。このため、対象物を押す作業を迅速に開始することができない。また、ロボットの１つの脚体だけを接地させているような状況では、対象物を押す作業を開始することが困難である。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、対象物をロボットにより移動させる場合にその移動の開始前と開始後とでＺＭＰが大きく変化するのを防止しつつ、ロボットの運動を滑らかに変化させることができる制御方法を提供することを目的とする。

本発明の脚式移動ロボットの制御方法の第１発明は、かかる目的を達成するために、上体から延設された複数の脚体を備える脚式移動ロボットにより対象物を移動させるための動作を該ロボットに行わせる制御方法であって、前記ロボットを前記対象物に対向させた状態で、該対象物にロボットから力が作用しないようにしつつ、ロボットの重心が該対象物の移動させるべき向きに運動量を持つように該ロボットの上体を運動させる第１ステップと、該重心に運動量を持たせた状態で、ロボットの上体に設けた所定の部位から、前記対象物に力を作用させ、該対象物の移動を開始する第２ステップとを備えたことを特徴とする。

かかる第１発明によれば、前記第１ステップでは、ロボットの重心に運動量（並進運動量）を持たせるために、ロボットの上体の加速度運動を行なうこととなる。この場合、重心の運動による慣性力が発生するものの、ロボットから対象物に力を作用させないようにする（ロボットから対象物に作用する力が０もしくはほぼ０になるようにする）ので、対象物からロボットが受ける反力もほぼ０になる。また、第１ステップでは、ロボットが対象物から反力をほとんど受けない状態でロボットの重心に運動量を持たせればよいので、上体の運動加速度、ひいては重心の運動加速度の大きさをさほど大きくする必要はない。従って、第１ステップでは、ＺＭＰがロボットの接地面（脚体の接地面）を含む最小の凸多角形である支持多角形内に余裕をもって収めることが可能である。なお、本明細書では、ＺＭＰは、ロボットの運動（重心の運動）によって発生する慣性力とロボットに作用する重力とロボットが対象物から受ける反力との合力が、その点まわりに発生するモーメントの水平成分が０となるような床面上の点を意味する。

この第１ステップに続く前記第２ステップでは、ロボットの重心が運動量を持った状態で、ロボットの所定の部位から対象物に力を作用させるので、対象物からロボットが受ける反力と逆向きの慣性力をロボットの重心に発生させながら（換言すれば反力によってロボットの重心の運動量を減少させながら）、対象物の移動を開始することが可能となる。このため、ロボットから対象物に力を作用させて該対象物を移動させることを開始したときに、対象物からロボットが受ける反力と、これと逆向きの重心の慣性力との和（ベクトル和）を小さくすることができる。そのため、ＺＭＰが前記支持多角形から逸脱したり、該支持多角形の端に偏ったりするのを回避して、該ＺＭＰを第１ステップの場合と同様に支持多角形内に余裕をもって収めるようにすることができる。

従って、本発明によれば、対象物を移動させるときに、その移動方向でＺＭＰの存在可能範囲である支持多角形が広がるような特別な姿勢にロボットを制御したりすることなく、ＺＭＰが対象物の移動開始前（第１ステップ）と、移動開始後（第２ステップ）との間で、ＺＭＰが急激に変化するのを抑制しつつ、ロボットの運動を滑らかに変化させることが可能となる。

前記第１発明は、ロボットの重心の並進運動の運動量を利用するものであるが、角運動量を利用するようにしてもよい。すなわち、本発明の脚式移動ロボットの制御方法の第２発明は、上体から延設された複数の脚体を備える脚式移動ロボットにより対象物を移動させるための動作を該ロボットに行わせる制御方法であって、前記ロボットを前記対象物に対向させた状態で、該対象物にロボットから力が作用しないようにしつつ、ロボットの上体が該対象物の移動させるべき向きに該ロボットの重心まわりの角運動量を持つように該ロボットの上体を運動させる第１ステップと、該上体に角運動量を持たせた状態で、ロボットの上体に設けた所定の部位から、前記対象物に力を作用させ、該対象物の移動を開始する第２ステップとを備えたことを特徴とする。

かかる第２発明によれば、前記第１ステップでは、ロボットの重心まわりの角運動量を前記上体に持たせるために、ロボットの上体の姿勢変化運動（角加速度を伴う上体の傾斜運動）を行なうこととなる。この場合、ロボットの上体の姿勢変化運動による慣性力が発生するものの、前記第１発明と同様に、ロボットから対象物に力を作用させないようにするので、対象物からロボットが受ける反力も０またはほぼ０になる。また、第１ステップでは、ロボットが対象物から反力をほとんど受けない状態でロボットの上体に角運動量を持たせればよいので、上体の角加速度をさほど大きくする必要はない。従って、第１ステップでは、第１発明と同様に、ＺＭＰを前記支持多角形内に余裕をもって収めることが可能である。

そして、この第１ステップに続く前記第２ステップでは、ロボットの上体が角運動量を持った状態で、ロボットの所定の部位から対象物に力を作用させるので、対象物からロボットが受ける反力によってロボットの上体の重心まわりの角運動量を減少させながら、対象物の移動を開始することが可能となる。このため、ロボットから対象物に力を作用させて該対象物を移動させることを開始したときに、対象物からロボットが受ける反力によってロボットの重心まわりに発生するモーメントと、これと逆向きの上体の角加速度（角速度の減速）に伴う慣性力（モーメント）との和（ベクトル和）を小さくすることができる。そのため、ＺＭＰが前記支持多角形から逸脱したり、該支持多角形の端に偏ったりするのを回避して、該ＺＭＰを第１ステップの場合と同様に支持多角形内に余裕をもって収めるようにすることができる。

従って、第２発明によれば、第１実施形態と同様に、対象物を移動させるときに、その移動方向でＺＭＰの存在可能範囲である支持多角形が広がるような特別な姿勢にロボットを制御したりすることなく、ＺＭＰが対象物の移動開始前（第１ステップ）と、移動開始後（第２ステップ）との間で、ＺＭＰが急激に変化するのを抑制しつつ、ロボットの運動を滑らかに変化させることが可能となる。

また、第１発明と第２発明とを複合し、ロボットの重心の並進運動の運動量と上体の角運動量との両者を併用してもよい。すなわち、本発明の脚式移動ロボットの制御方法の第３発明は、上体から延設された複数の脚体を備える脚式移動ロボットにより対象物を移動させるための動作を該ロボットに行わせる制御方法であって、前記ロボットを前記対象物に対向させた状態で、該対象物にロボットから力が作用しないようにしつつ、ロボットの重心が該対象物の移動させるべき向きに運動量を持つと共に該ロボットの上体が該対象物の移動させるべき向きに角運動量を持つように該ロボットの上体を運動させる第１ステップと、該ロボットの重心および上体にそれぞれ前記運動量および角運動量を持たせた状態で、ロボットの上体に設けた所定の部位から、前記対象物に力を作用させ、該対象物の移動を開始する第２ステップとを備えたことを特徴とする。

かかる第３発明によれば、前記第１ステップでは、ロボットの重心の加速度運動（並進加速度運動）と上体の角加速度運動を行なうこととなるものの、これらの運動は、ロボットが対象物から反力をほとんど受けない状態で行なわれる。このため、第１発明および第２発明と同様に、第１ステップでは、ＺＭＰがロボットの接地面（脚体の接地面）を含む最小の凸多角形である支持多角形内に余裕をもって収めることが可能である。

また、この第１ステップに続く第２ステップでは、ロボットの重心が並進運動量を持ち、且つ上体が角運動量を持った状態で、ロボットの所定の部位から対象物に力を作用させるので、前記第１発明および第２発明と同様に、ロボットから対象物に力を作用させて該対象物を移動させることを開始したときに、ＺＭＰが前記支持多角形から逸脱したり、該支持多角形の端に偏ったりするのを回避して、該ＺＭＰを第１ステップの場合と同様に支持多角形内に余裕をもって収めるようにすることができる。

従って、前記第１発明および第２発明と同様に、対象物を移動させるときに、その移動方向でＺＭＰの存在可能範囲である支持多角形が広がるような特別な姿勢にロボットを制御したりすることなく、ＺＭＰが対象物の移動開始前（第１ステップ）と、移動開始後（第２ステップ）との間で、ＺＭＰが急激に変化するのを抑制しつつ、ロボットの運動を滑らかに変化させることが可能となる。

前記第１〜第３発明では、前記所定の部位が、前記上体から延設された腕体であると共に、該腕体には、その先端部と上体との距離を変更可能とする少なくとも一つ以上の関節が設けられているときには、前記第１ステップの前に、前記腕体の少なくとも先端部を前記対象物に接触させるステップを備え、前記第１ステップにおける前記上体の運動を、該腕体の少なくとも先端部を前記対象物に接触させた状態で前記関節を動作させつつ実行することが好ましい（第４発明）。

この第４発明によれば、前記第１ステップでは、ロボットの腕体の先端部を対象物に接触させた状態で該腕体の関節を動作させることで、ロボットから対象物に力が作用しないように、ロボットの上体の運動を行なって、ロボットの重心に並進運動量を持たせたり、上体に角運動量を持たせることができる。具体的には、対象物を移動させるためにロボットの上体を対象物に近づけるべきとき（例えば対象物を押して移動させようとするとき）には、該上体と腕体の先端部との距離が短くなっていくように該腕体の関節を動作させればよい。また、対象物を移動させるためにロボットの上体を対象物から遠ざけるべきとき（例えば対象物を引いて移動させようとするとき、あるいは、対象物を持ち上げようとするとき）には、、該上体と腕体の先端部との距離が長くなっていくように該腕体の関節を動作させればよい。そして、腕体の先端部を対象物に接触させたまま、前記第２ステップに移行して、該腕体から対象物に力を作用させるので、第１ステップから第２ステップへの移行を円滑に行なうことができる。

かかる第４発明では、前記腕体の少なくとも先端部を前記対象物に接触させるステップは、前記ロボットの移動停止状態で実行されることが好ましい（第５発明）。これによれば、対象物に腕体を対象物の接触させる動作と、これに続く、第１ステップ、第２ステップとからなる一連の動作を円滑に行なうことができる。

なお、前記第１〜第５発明は、前記脚体が２本である場合、すなわち脚式移動ロボットが２足移動ロボットである場合に好適である（第６発明）。

補足すると、本発明において、対象物の移動は、対象物を床面上で移動させる場合に限らず、該対象物を床面から持ち上げるような移動も含まれる。

本発明の第１実施形態を以下図１〜図３を参照して説明する。

図１は本実施形態の脚式移動ロボットの概略構成を側面視で示す図である。このロボット１は、２足移動ロボットであり、上体（基体）２にから下方に延設された２つの脚体３，３と、上体２の左右（紙面に垂直な方向）の両側部から延設された２つの腕体４，４と、上体２の上端部に支持された頭部５とを備えている。なお、図１は側面図であるため、脚体３と腕体４とは、ロボット１の前方に向かって右側のもののみが図示されている（左側の脚体および腕体はそれぞれ図面上、右側の脚体３および腕体４と重なっている）。

各脚体３は、上体２に股関節３ａを介して連結され、該脚体３の先端部の足平６と股関節３ａとの間に膝関節３ｂおよび足首関節３ｃを備えている。これらの股関節３ａ、膝関節３ｂおよび足首関節３ｃは、１軸または複数軸回りの回転動作が可能となっている。例えば股関節３ａは３軸回りの回転動作、膝関節３ｂは１軸回りの回転動作、足首関節３ｃは２軸回りの回転動作が可能となっている。この場合、各脚体３の足平６は上体２に対して６自由度の運動が可能となる。

各腕体４は、上体２に肩関節４ａを介して連結され、該腕体４の先端部の手先７と肩関節４ａとの間に肘関節４ｂおよび手首関節４ｃを備えている。これらの肩関節４ａ、肘関節４ｂおよび手首関節４ｃは、１軸または複数軸回りの回転動作が可能となっている。例えば肩関節４ａは３軸回りの回転動作、肘関節４ｂは１軸回りの回転動作、手首関節４ｃは３軸回りの回転動作が可能となっている。この場合、各腕体４の手先７は上体２に対して７自由度の運動が可能となる。そして、各腕体４は、その関節４ａ，４ｂ，４ｃの動作によって、該腕体４の先端部である手先７と上体２との距離が変更可能とされている。なお、腕体４，４は、本発明における所定の部位に相当するものである。

補足すると、脚体３および腕体４の自由度、あるいは関節の個数もしくは各関節の回転軸数は、必ずしも上記通りにする必要はなく、ロボット１に行わせたい運動形態などに応じて適宜設定されていればよい。例えば、腕体４は、その手先７（先端部）と上体２との距離を変更可能とする一つの関節だけを備えるものであってもよい。

各脚体３および各腕体４の各関節には、電動モータなどの関節アクチュエータ（図示省略）が備えられており、その関節アクチュエータを駆動することで、各脚体３および各腕体４の所望の運動が行なわれるようになっている。そして、上体２には、マイクロコンピュータなどを含む制御ユニット１０が搭載されており、この制御ユニット１０により各関節アクチュエータの動作、ひいては、各脚体３および各腕体４の運動が制御される。

次に、本実施形態のロボット１によって、ある対象物を移動する作業、例えば対象物を押して移動させる作業を行う場合における該ロボット１の動作制御について図２および図３を参照して説明する。図２（ａ）〜（ｅ）は対象物Ａ（図示の例では台車）とロボット１との位置関係を側面視で時系列的に示す図であり、図３（ａ）〜（ｅ）は、ロボット１の重心およびＺＭＰの水平面位置を図２（ａ）〜（ｅ）にそれぞれ対応させて時系列的に示す図である。なお、図３（ａ）〜（ｅ）では、ＺＭＰを×印で示している。

まず、図２（ａ）に示すように、ロボット１を対象物Ａに対向させ（ロボット１の前方正面に対象物Ａが存するようにする）、両腕体４，４の手先７，７を対象物Ａに当接させる。この場合、両腕体４，４の手先７，７は、対象物Ａに押す力が作用しないように（対象物Ａにロボット１から作用する力がほぼ０になるように）対象物Ａに当接（接触）させる。なお、この例では、ロボットの１の両脚体２，２は左右に並列した状態で継続的に接地され、ロボット１は移動を停止している。また、本実施形態で説明する例では、ロボットの１の両脚体２，２は左右に並列させているが、両足平６，６の接地位置が前後にずれていてもよい。

この図２（ａ）の状態では、ロボット１の重心Ｇはほぼ静止しており、側面視で見て、足平６の上方に位置している。この状態では、ロボット１のＺＭＰは、図３（ａ）に示す如く、ロボット１の接地面（両足平６，６の接地面）を含む最小の凸多角形である支持多角形Ｓのほぼ中央部で、重心Ｇの鉛直下方に位置している。換言すれば、図２（ａ）の状態では、ＺＭＰが図３（ａ）に示した位置になり、且つ、腕体４，４の手先７，７が上記のように対象物Ａに接触するようにロボット１の姿勢制御が行なわれている。ここで、ロボット１のＺＭＰは、前記したようにロボット１の運動（重心Ｇの運動）によって発生する慣性力とロボット１に作用する重力とロボット１が対象物Ａから受ける反力（以下、対象物反力ということがある）との合力が、その点まわりに発生するモーメントの水平成分が０となるような床面上の点である。図２（ａ）の状態では、慣性力と対象物反力とがほぼ０であるため、重心Ｇの鉛直下方の床面上の点がＺＭＰとなる。

次いで、図２（ｂ）に示すように、両足平６，６を接地させたまま、上体２を前方に向かって加速する（上体２を加速しつつ対象物Ａに近づける）ように、両脚体３，３を動作させる（各関節３ａ〜３ｃのアクチュエータの動作制御を行なう）。但し、このとき、両腕体４，４は、対象物Ａに押す力が作用しないように（対象物Ａにロボット１から作用する力がほぼ０になるように）、両腕体４，４を動作させる（各関節４ａ〜４ｃのアクチュエータの動作制御を行なう）。つまり、上体２の前方への加速によって、該上体２が対象物Ａに近づいた分だけ、両腕体４，４の手先７，７を上体２に近づけるように両腕体４，４を動作させる。かかる図２（ｂ）のロボット１の動作は、第１発明における第１ステップの動作に相当するものである。

この図２（ｂ）の動作状態では、上体２の前方への加速によってロボット１の重心Ｇが前方に加速するので、該重心Ｇの慣性力（重心Ｇの並進運動の慣性力）は、図３（ｂ）の矢印Ｙ1で示すようにロボット１の後方に向かって発生する。また、ロボット１が受ける対象物反力はほぼ０である。このため、ＺＭＰは、図３（ｂ）で示すように、ロボット１の接地面（両足平６，６の接地面）を含む支持多角形Ｓの後方側に移動する。なお、ロボット１の上体２の前方への加速（ひいては重心Ｇの前方への加速）は、ＺＭＰが支持多角形Ｓ内に収まり、また、急激な変化をしないように行なわれる。

次いで、図２（ｃ）に示すように、両腕体４，４の手先７，７を突き出す動作（手先７，７を上体２から遠ざける動作）を開始して、ロボット１から対象物Ａに前方に向かって力Ｆを作用させつつ、ロボット１の上体２の前方への運動速度を減速する。これにより、対象物Ａをロボット１の前方に押す作業が開始される。かかる図２（ｃ）の動作は本発明における第２ステップの動作に相当するものである。

この図２（ｃ）の直前において、ロボット１の重心Ｇが前方に向かって運動（並進運動）しているので、図２（ｃ）の状態では、ロボット１の重心Ｇの運動量が減少しつつ、対象物Ａの運動量が増加して該対象物Ａがロボット１の前方に向かって移動し始める。つまり、ロボット１の重心Ｇの運動量の一部もしくは全部が対象物Ａの運動量に変換される。従って、図２（ｃ）の状態では、ロボット１の重心Ｇの慣性力は、図３（ｃ）に矢印Ｙ2で示すようにロボット１の前方に向かって発生する。また、重心Ｇには、ロボット１から対象物Ａに作用させる力Ｆの反力、すなわち、対象物反力Ｆ’（＝−Ｆ）が対象物Ａから作用する。このため、ＺＭＰは、ロボット１の接地面（両足平６，６の接地面）を含む支持多角形Ｓの端に偏りすぎることなく、支持多角形Ｓの中央付近に位置する。

次いで、図２（ｄ）に示す如く、対象物Ａが自走してロボット１から離れる。本実施形態で説明する例では、この図２（ｄ）の状態以降、ロボット１は、その重心Ｇが、平面視で見て支持多角形Ｓのほぼ中央部に移動し、最終的に図２（ｅ）示すロボット１の姿勢状態になるように制御される。この場合、ＺＭＰが、例えば図３（ｄ），（ｅ）に示すように支持多角形Ｓのほぼ中央部に位置するようにロボット１の脚体３および腕体４の動作制御が行なわれる。なお、図３（ｄ），（ｅ）に示す例では、それぞれ図２（ｄ），（ｅ）の動作状態において重心Ｇの加速度運動（上体２の加速度運動）は行なわれていない（重心Ｇの慣性力が発生していない）としており、このため、ＺＭＰは重心Ｇの鉛直直下に位置している。図２（ｄ）の状態以降は、ロボット１に対象物反力を含む外力（床反力を除く）が作用しないので、支障なく、上記のようにＺＭＰを支持多角形Ｓのほぼ中央部にほぼ維持することができる。

以上説明したロボット１の動作（対象物Ａを押して移動させる動作）によって、ＺＭＰの変化を比較的小さなものに抑制して、該ＺＭＰを支持多角形内に余裕をもって収めることができる。従って、対象物Ａを押し始める前に両脚体２，２の足平６，６を意図的に前後に開いて着地させたりする必要がなく、ロボット１による対象物Ａの移動作業を迅速かつ円滑に開始することができる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。なお、本実施形態は、ロボットの構成は、前記第１実施形態のものと同一であるので、第１実施形態と同一の参照符号を用いて説明を省略する。

本実施形態は、ロボット１によって、対象物Ａを押して移動させる作業を行う場合における該ロボット１の動作制御のみが第１実施形態と相違するものである。以下、その動作制御について図４および図５を参照して説明する。図４（ａ）〜（ｆ）は対象物Ａ（図示の例では台車）とロボット１との位置関係を側面視で時系列的に示す図であり、図５（ａ）〜（ｆ）は、ロボット１の重心およびＺＭＰの水平面位置を図４（ａ）〜（ｆ）にそれぞれ対応させて時系列的に示す図である。なお、図５（ａ）〜（ｆ）では、ＺＭＰを×印で示している。

まず、図４（ａ）に示すように、ロボット１を対象物Ａに対向させ（ロボット１の前方正面に対象物Ａが存するようにする）、両腕体４，４の手先７，７を対象物Ａに当接させる。この場合、両腕体４，４の手先７，７は、対象物Ａに押す力が作用しないように（対象物Ａにロボット１から作用する力がほぼ０になるように）対象物Ａに当接（接触）させる。なお、この例では、ロボットの１の両脚体２，２は左右に並列した状態で継続的に接地され、ロボット１は移動を停止している。また、本実施形態で説明する例では、ロボットの１の両脚体２，２は左右に並列させているが、両足平６，６の接地位置が前後にずれていてもよい。

この図４（ａ）の状態は、前記第１実施形態における図２（ａ）の状態と同じである。すなわち、ロボット１の重心Ｇはほぼ静止しており、側面視で見て、足平６の上方に位置している。そして、この状態では、第１実施形態と同様に、ロボット１のＺＭＰは、図５（ａ）に示す如く、ロボット１の接地面（両足平６，６の接地面）を含む支持多角形Ｓのほぼ中央部で、重心Ｇの鉛直下方に位置している。

次いで、図４（ｂ）に示すように、両足平６，６を接地させたまま、ロボット１の腰部（股関節３ａの付近の部位）を前方に若干突き出すと共に、上体２の姿勢を後傾側に傾けるように両脚体３，３のそれぞれの各関節３ａ〜３ｃのアクチュエータの動作制御を行なう。この場合、ロボット１の腰部の突き出し動作と、上体２の後傾動作とは、それらの動作によって発生する慣性力が十分に小さなものとなるように比較的ゆっくり行なわれると共に、ロボット１の重心Ｇが図４（ａ）の状態から前後方向に大きく動くことがないように行なわれる。また、このとき、両腕体４，４にあっては、各腕体４の関節４ａ〜４ｃのアクチュエータの動作制御によって、ロボット１の各腕体４の手先７と対象物Ａとの間の作用力がほぼ０となる状態で該手先７が対象物Ａに接触した状態に維持される。

この図４（ｂ）の動作は、上記の如く行なわれるので、この動作時のＺＭＰは、図５（ｂ）に示す如く、支持多角形Ｓのほぼ中央部でロボット１の重心Ｇのほぼ鉛直直下の位置に維持される。なお、上記の例では、図４（ｂ）の動作をゆっくり行なうようにしたが、ＺＭＰが支持多角形Ｓ内の概ね中央付近に収まる範囲で、ロボット１の上体２に角加速度を発生させたり、重心Ｇに加速度（並進加速度）を発生させるようにしてもよい。

次いで、図４（ｃ）に示すように、両足平６，６を接地させたまま、ロボット１の上体２を前傾側（上体２が対象物Ａに近づく向きで図４（ｃ）中の矢印Ｙ３の向き）に加速しつつ傾けるように、両脚体３，３を動作させる（各関節３ａ〜３ｃのアクチュエータの動作制御を行なう）。これにより、上体２にロボット１の重心Ｇまわりの角運動量を持たせる（角運動量を増加させる）。但し、このとき、両腕体４，４は、対象物Ａに押す力が作用しないように（対象物Ａにロボット１から作用する力がほぼ０になるように）、各関節４ａ〜４ｃのアクチュエータの動作制御が行なわれる。つまり、上体２の前傾動作によって、該上体２が対象物Ａに近づいた分だけ、両腕体４，４の手先７，７を上体２に近づけるように両腕体４，４を動作させる。なお、このとき、ロボット１の重心Ｇは、動かないようにしてもよいが、図示の例では、前方に向かって（対象物Ａに向かって）多少加速している。

この図４（ｃ）の動作状態では、上体２の前傾（前傾方向への角運動量の増加）によって、それと逆向きの慣性力（モーメント。図５（ｃ）の破線矢印Ｙ４を参照）が重心Ｇのまわりに発生する。なお、図５では破線矢印は、上体２の姿勢傾斜運動に伴う慣性力（モーメント）を示している。この場合、該慣性力の向きは、破線矢印の向きが前向きであるとき、上体２の前傾方向の向きであるとし、破線矢印の向きが後向きであるとき、上体２の後傾方向の向きであるとする。

また、本実施形態の例では、上記の如くロボット１の重心Ｇも多少、前方に加速するので、該重心Ｇの慣性力が図５（ｃ）に矢印Ｙ５で示す如く、ロボット１の後方に向かって発生する。また、ロボット１が受ける対象物反力はほぼ０である。このため、ＺＭＰは、図５（ｃ）で示すように、支持多角形Ｓの後方側に移動する。なお、ロボット１の上体２の前傾動作は、ＺＭＰが支持多角形Ｓ内に収まり、また、急激な変化をしないように行なわれる。

以上のようにして、図４（ｃ）の動作によって、ロボット１は、その上体２が重心Ｇのまわりに角運動量（前傾方向の角運動量）を持つと共に、重心Ｇが前方への運動量（並進運動量）を持つこととなる。なお、この図４（ｃ）の動作は、前記第２発明、あるいは第３発明における第１ステップの動作に相当するものである。

次いで、図４（ｄ）に示すように、両腕体４，４の手先７，７を突き出す動作（手先７，７を上体２から遠ざける動作）を開始して、ロボット１から対象物Ａに前方に向かって力Ｆを作用させつつ、ロボット１の上体２の前傾側への角運動量を減少させる（上体２の傾き速度を減速する）。このとき、ロボット１の重心Ｇの前方への運動速度も減速される。これにより、対象物Ａをロボット１の前方に押す作業が開始される。かかる図４（ｄ）の動作は前記第２発明あるいは第３発明における第２ステップの動作に相当するものである。

この図４（ｄ）の直前において、ロボット１の上体２が対象物Ａに近づくように前傾運動をしている（重心Ｇのまわりの角運動量をもっている）。また、ここでの例では、ロボット１の重心Ｇも前方に向かって並進運動をしている。このため、図４（ｄ）の状態では、ロボット１の上体２の角運動量が減少すると共に、ロボット１の重心Ｇの運動量が減少しつつ、対象物Ａの運動量が増加して該対象物Ａがロボット１の前方に向かって移動し始める。つまり、ロボット１の上体２の角運動量と重心Ｇの運動量との一部が対象物Ａの運動量に変換される。従って、図４（ｄ）の状態では、ロボット１の上体２には、図５（ｄ）に破線矢印Ｙ６で示す如く、前傾方向に慣性力（モーメント）が発生し、また、ロボット１の重心Ｇには、図５（ｄ）に矢印Ｙ７で示す如くロボット１の前方に慣性力（並進慣性力）が発生する。そして、重心Ｇには、ロボット１から対象物Ａに作用させる力Ｆの反力、すなわち、対象物反力Ｆ’（＝−Ｆ）が対象物Ａから作用する。このため、ＺＭＰは、図５（ｄ）に示す如く、ロボット１の接地面（両足平６，６の接地面）を含む支持多角形Ｓの端に偏りすぎることなく、支持多角形Ｓの中央付近に位置する。

次いで、図４（ｅ）に示す如く、対象物Ａが自走してロボット１から離れる。本実施形態で説明する例では、この図４（ｅ）の状態以降、ロボット１は、その上体２の姿勢が図４（ｅ），（ｆ）に示す如く、鉛直姿勢に戻されると共に、重心Ｇが、平面視で見て支持多角形Ｓのほぼ中央部に移動し、最終的に図４（ｆ）示すロボット１の姿勢状態になるように制御される。この場合、ＺＭＰが、例えば図５（ｅ），（ｆ）に示すように支持多角形Ｓのほぼ中央部に位置するようにロボット１の脚体３および腕体４の動作制御が行なわれる。なお、図５（ｅ），（ｆ）に示す例では、上体２の姿勢の鉛直姿勢への復元と重心Ｇの移動がゆっくり行われ（このため慣性力がほとんど発生しない）、ＺＭＰは重心Ｇの鉛直直下に位置している。図４（ｅ）の状態以降は、ロボット１に対象物反力を含む外力（床反力を除く）が作用しないので、支障なく、上記のようにＺＭＰを支持多角形Ｓのほぼ中央部にほぼ維持することができる。

第２実施形態では、以上説明したロボット１の動作（対象物Ａを押して移動させる動作）によって、対象物Ａを押し始める直前の上体２の角運動量と、重心Ｇの運動量（並進運動量）とを利用して、ＺＭＰの変化を比較的小さなものに抑制しつつ、該ＺＭＰを支持多角形内に余裕をもって収めることができる。従って、第１実施形態と同様に、対象物Ａを押し始める前に両脚体２，２の足平６，６を意図的に前後に開いて着地させたりする必要がなく、ロボット１による対象物Ａの移動作業を迅速かつ円滑に開始することができる。

なお、前記第２実施形態では、対象物Ａの移動を開始する直前に上体２に角運動量を発生させるときに、ロボット１の重心Ｇにも運動量（並進運動量）を発生さえるようにしたが、重心Ｇが動かないようにしつつ、上体２に角運動量を発生させるようにしてもよい。

また、以上説明した各実施形態では、両脚体２，２の足平６，６を左右方向に並列させて着地したまま、対象物Ａを移動させる場合を例に採って説明したが、一方の脚体２の足平６のみを接地させた状態で、対象物Ａの移動を行なうようにすることも可能である。

また、前記各実施形態では、対象物Ａを押して移動させる前に、腕体４，４の手先７，７を対象物Ａに当接させるようにしたが、ロボット１の重心Ｇに運動量を持たせたり、あるいは、上体２に角運動量をもたせるように上体３を運動させながら、腕体４，４の手先７，７を対象物Ａに当接させるようにしてもよい。

また、前記実施形態では、対象物Ａを押して移動させる場合を例に採って説明したが、対象物Ａを引いて移動させる場合についても本発明を適用できる。この場合には、対象物Ａに引く力を作用させる前に、ロボット１の重心Ｇが後方側に運動量を持ち、あるいは、ロボット１の上体２が後傾側に角運動量を持つように上体２を後方側もしくは後傾側に加速し、その後、ロボット１から対象物Ａに引く力を作用させるようにすればよい。

さらに、対象物をロボット１により持ち上げるような場合にも、本発明を適用できる。この場合には、例えばロボット１の上体２を前傾させ、腕体４，４の手先７，７で対象物を把持した状態で、対象物にその持ち上げ方向の力が作用しないようにしつつ、ロボット１の上体２の姿勢を鉛直姿勢に向けて加速しつつ引き起こす。これにより、ロボット１の上体２に後傾方向の角運動量を発生させる。そして、このようにロボット１の上体２に角運動量を発生させた状態で、腕体４，４から対象物に持ち上げ方向の力を作用させ、該角運動量を利用して、該対象物を持ち上げるようにすればよい。

以上のように、本発明は、２足移動ロボットなどの脚式移動ロボットにより、種々様々の対象物を押して移動させる、あるいは、引いて移動させる、あるいは持ち上げるなどの作業を行う場合に、対象物の移動の開始前と開始後とでロボットの姿勢の安定性を容易に確保できるものとして有用である。

本発明の第１実施形態における脚式移動ロボットとしての２足移動ロボットを側面視で示す図。 図２（ａ）〜（ｅ）は第１実施形態における対象物とロボットとの位置関係を側面視で時系列的に示す図。 図３（ａ）〜（ｅ）は第１実施形態におけるロボット１の重心およびＺＭＰの水平面位置を図２（ａ）〜（ｅ）にそれぞれ対応させて時系列的に示す図。 図４（ａ）〜（ｆ）は第２実施形態における対象物とロボットとの位置関係を側面視で時系列的に示す図。 図３（ａ）〜（ｆ）は第２実施形態におけるロボット１の重心およびＺＭＰの水平面位置を図２（ａ）〜（ｆ）にそれぞれ対応させて時系列的に示す図。

Claims (6)

1. 上体から延設された複数の脚体を備える脚式移動ロボットにより対象物を移動させるための動作を該ロボットに行わせる制御方法であって、
   前記ロボットを前記対象物に対向させた状態で、該対象物にロボットから力が作用しないようにしつつ、ロボットの重心が該対象物の移動させるべき向きに運動量を持つように該ロボットの上体を運動させる第１ステップと、
   該重心に運動量を持たせた状態で、ロボットの上体に設けた所定の部位から、前記対象物に力を作用させ、該対象物の移動を開始する第２ステップとを備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの制御方法。
2. 上体から延設された複数の脚体を備える脚式移動ロボットにより対象物を移動させるための動作を該ロボットに行わせる制御方法であって、
   前記ロボットを前記対象物に対向させた状態で、該対象物にロボットから力が作用しないようにしつつ、ロボットの上体が該対象物の移動させるべき向きに該ロボットの重心まわりの角運動量を持つように該ロボットの上体を運動させる第１ステップと、
   該上体に角運動量を持たせた状態で、ロボットの上体に設けた所定の部位から、前記対象物に力を作用させ、該対象物の移動を開始する第２ステップとを備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの制御方法。
3. 上体から延設された複数の脚体を備える脚式移動ロボットにより対象物を移動させるための動作を該ロボットに行わせる制御方法であって、
   前記ロボットを前記対象物に対向させた状態で、該対象物にロボットから力が作用しないようにしつつ、ロボットの重心が該対象物の移動させるべき向きに運動量を持つと共に該ロボットの上体が該対象物の移動させるべき向きに角運動量を持つように該ロボットの上体を運動させる第１ステップと、
   該ロボットの重心および上体にそれぞれ前記運動量および角運動量を持たせた状態で、ロボットの上体に設けた所定の部位から、前記対象物に力を作用させ、該対象物の移動を開始する第２ステップとを備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの制御方法。
4. 前記所定の部位は、前記上体から延設された腕体であると共に、該腕体には、その先端部と上体との距離を変更可能とする少なくとも一つ以上の関節が設けられており、前記第１ステップの前に、前記腕体の少なくとも先端部を前記対象物に接触させるステップを備え、前記第１ステップにおける前記上体の運動を、該腕体の少なくとも先端部を前記対象物に接触させた状態で前記関節を動作させつつ実行することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
5. 前記腕体の少なくとも先端部を前記対象物に接触させるステップは、前記ロボットの移動停止状態で実行されることを特徴とする請求項４記載の脚式移動ロボットの制御方法。
6. 前記脚体は、２本であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の脚式移動ロボットの制御方法。

Images