WO2006013778A1

WO2006013778A1 - 脚式移動ロボットの制御方法

Info

Publication number: WO2006013778A1
Application number: PCT/JP2005/013839
Authority: WO
Inventors: Tadaaki Hasegawa; Naohide Ogawa
Original assignee: Honda Motor Co., Ltd.
Priority date: 2004-08-02
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2006-02-09
Also published as: CN1968789A; DE602005016580D1; EP1798005B1; CN100540237C; JPWO2006013778A1; EP1798005A4; JP4828424B2; EP1798005A1; KR20070032706A; KR101262690B1; US20070260354A1; US8793015B2

Description

明細書

脚式移動ロボットの制御方法

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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カ卩えることで、 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。

[0007] 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。

[0008] 本発明は力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、口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発明の開示

[0009] 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。

[0010] 力かる第 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!/ヽようにする（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、対象物力も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。

[0011] 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力も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ステツ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。

[0012] 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ぐ 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。

[0013] 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。

[0014] 力かる第 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。

[0015] 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力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、対象物力も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。

[0016] 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ぐ 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。

[0017] 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。

[0018] 力かる第 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、口ボットが対象物力も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。

[0019] 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力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。

[0020] 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ぐ 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。

[0021] 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、 (第 4発明)。

[0022] 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つ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力も遠ざけるべきとき (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つ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、該腕体力ゝら対象物に力を作用させるので、第 1ステップ力も第 2ステップへの移行を円滑に行なうことができる。

[0023] 力かる第 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、これに続ぐ第 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。

[0024] 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）。

[0025] 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。

発明を実施するための最良の形態

[0026] 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。

[0027] 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。この口ボット 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）の両側部力延設された 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）。

[0028] 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。

[0029] 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。

[0030] 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ぐロボット 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。

[0031] 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ァクチユエータ（図示省略)が備えられており、その関節ァクチユ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つている。そして、上体 2には、マイク口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により各関節ァクチユエータの動作、ひいては、各脚体 3および各腕体 4の運動が制御される。

[0032] 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 X印で示している。

[0033] 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力両足平 6, 6の接地位置が前後にずれていてもよい。

[0034] 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)に示す如ぐロボット 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）との合力力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。

[0035] 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を前方に向かつて加速する（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のァクチユ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のァクチユ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。力かる図 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。

[0036] 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。

[0037] 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に前方に向力つて力 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。力かる図 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。

[0038] 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の前方に向力つて移動し始める。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の前方に向力つて発生する。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ぐ支持多角形 sの中央付近に位置する。

[0039] 次いで、図 2 (d)に示す如ぐ対象物 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力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、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、な、（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、支障なぐ上記のように 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。

[0040] 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ぐロボット 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。

[0041] 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。

[0042] 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 X印で示している。

[0043] 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力両足平 6, 6の接地位置が前後にずれていてもよい。

[0044] 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 )に示す如ぐロボット 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。

[0045] 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のァクチユ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)の状態力も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のァクチユ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。

[0046] 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) に示す如ぐ支持多角形 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。

[0047] 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のァクチユ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のァクチユ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、前方に向力つて（対象物 Aに向かって）多少加速している。

[0048] 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）によつて、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。

[0049] 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で示す如ぐロボット 1の後方に向かつて発生する。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。

[0050] 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。

[0051] 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に前方に向力つて力 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。

[0052] 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、口ボット 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で示す如ぐ前傾方向に慣性力（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)に示す如ぐロボット 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ぐ支持多角形 Sの中央付近に位置する。

[0053] 次いで、図 4 (e)に示す如ぐ対象物 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)に示す如ぐ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、支障なぐ上記のように 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。

[0054] 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ぐロボット 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。

[0055] 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ちょい。

[0056] 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。

[0057] 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力ロボット 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。

[0058] 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力対象物 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。

[0059] 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。

産業上の利用可能性

[0060] 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。

図面の簡単な説明

[0061] [図 1]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]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]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]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 5]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

請求の範囲

[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、前記上体力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のいずれ力 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。