JP2005014144A - ロボット装置及びその動作制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】2足歩行型であっても、自身や外界に重大な危害を及ぼすことなく安全にシャットダウン処理を行うことのできるロボット装置及びその動作制御方法を提供する。
【解決手段】ロボット装置は、何らかの理由によりシャットダウン処理を行う場合に、現在の姿勢と同一の姿勢グループから安全姿勢を検索し、同一姿勢グループに安全姿勢がない場合にのみ別の姿勢グループから安全姿勢を検索する。そして、安全姿勢に至る全てのパスについて重み付け距離を計算し、重み付け距離が最短であるパスを与える安全姿勢を目標安全姿勢として、該目標安全姿勢に遷移する。
【選択図】 図6
【解決手段】ロボット装置は、何らかの理由によりシャットダウン処理を行う場合に、現在の姿勢と同一の姿勢グループから安全姿勢を検索し、同一姿勢グループに安全姿勢がない場合にのみ別の姿勢グループから安全姿勢を検索する。そして、安全姿勢に至る全てのパスについて重み付け距離を計算し、重み付け距離が最短であるパスを与える安全姿勢を目標安全姿勢として、該目標安全姿勢に遷移する。
【選択図】 図6
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の姿勢の間を遷移しながら自律的に動作するロボット装置及びその動作制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電気的又は磁気的な作用を用いて人間(生物)の動作に似た運動を行う機械装置を「ロボット」という。我が国においてロボットが普及し始めたのは、1960年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化等を目的としたマニピュレータや搬送ロボット等の産業用ロボット(Industrial Robot)であった。
【0003】
最近では、人間のパートナーとして生活を支援する、すなわち住環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動を支援する実用ロボットの開発が進められている。このような実用ロボットは、産業用ロボットとは異なり、人間の生活環境の様々な局面において、個々に個性の相違した人間、又は様々な環境への適応方法を自ら学習する能力を備えている。例えば、犬、猫のように4足歩行の動物の身体メカニズムやその動作を模した「ペット型」ロボット、或いは、2足直立歩行を行う人間等の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた「人間型」又は「人間形」ロボット(Humanoid Robot)等のロボット装置は、既に実用化されつつある。
【0004】
これらのロボット装置は、産業用ロボットと比較して、エンターテインメント性を重視した様々な動作を行うことができるため、エンターテインメントロボットと称される場合もある。また、そのようなロボット装置には、外部からの情報や内部の状態に応じて自律的に動作するものがある。
【0005】
この自律動作を行う自律型ロボット装置の一例として、下記特許文献1には、供給された入力情報に応じて、既知の姿勢を遷移しながら目標とされる動作を実行するロボット装置が記載されている。この特許文献1記載のロボット装置は、感情・本能モデルを有しており、感情・本能に基づいて次の動作(行動)を決定し、その動作(行動)を実行できる姿勢までの遷移計画を立てる。そして、その遷移計画に基づいて姿勢を遷移させてから、そのような感情・本能に基づいて決定した動作(行動)を実際に実行する。
【0006】
【特許文献1】
国際公開第00/43167号パンフレット
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような自律型ロボット装置は、一般に、マニピュレータや搬送ロボット等の産業用ロボットに比し、冗長な自由度を含む多リンク系により構成されているという特徴がある。ロボット装置は、このような特徴を活かし、複雑な動作、或いは移動・バランス維持・アーム作業といった複雑なタスクを同時実行することができる。その一方で、動作中にユーザの指やその他の異物を挟み込んだりバッテリ残量が少なくなったりするなどの事象により緊急停止を余儀なくされ、シャットダウン処理を行う可能性がある。
【0008】
ここで、4足歩行型のロボット装置の場合には、どのような姿勢でシャットダウン処理を行ってもロボット装置自身や外界に重大な危害を及ぼす虞がないため、異常状態を検出した場合には即座にシャットダウン処理を行うことができる。しかしながら、2足歩行型のロボット装置の場合には、歩行中にシャットダウン処理を行うと、転倒してロボット装置自身や外界に重大な危害を及ぼす虞があるため、安全にシャットダウン処理を行うことができないという問題があった。
【0009】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、2足歩行型であっても、自身や外界に重大な危害を及ぼすことなく安全にシャットダウン処理を行うことのできるロボット装置及びその動作制御方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明に係るロボット装置は、行動指令情報に応じて複数の姿勢の間を遷移し動作するロボット装置であって、現在の姿勢から目標とされる姿勢又は目標とされる動作までの経路を、上記行動指令情報に基づいて検索し、その検索結果に基づいて動作させて、上記現在の姿勢から上記目標とされる姿勢又は目標とされる動作に遷移させる制御手段を備え、上記制御手段は、上記行動指令情報として予め複数設定された安全姿勢の何れかへの遷移が指示された場合、現在の姿勢から最も近い安全姿勢を検索して目標安全姿勢とし、該目標安全姿勢に遷移させるものである。
【0011】
また、上述した目的を達成するために、本発明に係るロボット装置の動作制御方法は、行動指令情報に応じて複数の姿勢の間を遷移し動作するロボット装置の動作制御方法であって、現在の姿勢から目標とされる姿勢又は目標とされる動作までの経路を、上記行動指令情報に基づいて検索し、検索結果に基づいて動作させて、上記現在の姿勢から上記目標とされる姿勢又は目標とされる動作に遷移させ、上記行動指令情報として予め複数設定された安全姿勢の何れかへの遷移が指示された場合、現在の姿勢から最も近い安全姿勢を目標安全姿勢とし、該目標安全姿勢に遷移させるものである。
【0012】
このようなロボット装置及びその動作制御方法では、ロボット装置が動作中に例えばユーザの指やその他の異物を挟み込んだりバッテリ残量が少なくなったりするなどの事象により緊急停止を余儀なくされ、シャットダウン処理を行う場合に、予め複数設定された安全姿勢のうち、現在の姿勢から最も近い安全姿勢を検索して目標安全姿勢とし、該目標安全姿勢に遷移する。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0014】
本発明の一構成例として示す2足歩行型のロボット装置は、住環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動を支援する実用ロボットであり、人間が行う基本的な動作を表出できるエンターテインメントロボットである。
【0015】
図1に示すように、ロボット装置1は、体幹部ユニット2の所定の位置に頭部ユニット3が連結されると共に、左右2つの腕部ユニット4R/Lと、左右2つの脚部ユニット5R/Lが連結されて構成されている(但し、R及びLの各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下において同じ。)。
【0016】
このロボット装置1が具備する関節自由度構成を図2に模式的に示す。頭部ユニット3を支持する首関節は、首関節ヨー軸101と、首関節ピッチ軸102と、首関節ロール軸103という3自由度を有している。
【0017】
また、上肢を構成する各々の腕部ユニット4R/Lは、肩関節ピッチ軸107と、肩関節ロール軸108と、上腕ヨー軸109と、肘関節ピッチ軸110と、前腕ヨー軸111と、手首関節ピッチ軸112と、手首関節ロール軸113と、手部114とで構成される。手部114は、実際には、複数本の指を含む多関節・多自由度構造体である。但し、手部114の動作は、ロボット装置1の姿勢制御や歩行制御に対する寄与や影響が少ないので、本明細書ではゼロ自由度と仮定する。したがって、各腕部は7自由度を有するとする。
【0018】
また、体幹部ユニット2は、体幹ピッチ軸104と、体幹ロール軸105と、体幹ヨー軸106という3自由度を有する。
【0019】
また、下肢を構成する各々の脚部ユニット5R/Lは、股関節ヨー軸115と、股関節ピッチ軸116と、股関節ロール軸117と、膝関節ピッチ軸118と、足首関節ピッチ軸119と、足首関節ロール軸120と、足部121とで構成される。本明細書中では、股関節ピッチ軸116と股関節ロール軸117の交点は、ロボット装置1の股関節位置を定義する。人体の足部121は、実際には多関節・多自由度の足底を含んだ構造体であるが、ロボット装置1の足底は、ゼロ自由度とする。したがって、各脚部は、6自由度で構成される。
【0020】
以上を総括すれば、ロボット装置1全体としては、合計で3+7×2+3+6×2=32自由度を有することになる。但し、エンターテインメント向けのロボット装置1が必ずしも32自由度に限定されるわけではない。設計・制作上の制約条件や要求仕様等に応じて、自由度すなわち関節数を適宜増減することができることはいうまでもない。
【0021】
上述したようなロボット装置1がもつ各自由度は、実際にはアクチュエータを用いて実装される。外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形状に近似させること、2足歩行という不安定構造体に対して姿勢制御を行うことなどの要請から、アクチュエータは小型且つ軽量であることが好ましい。
【0022】
図3には、ロボット装置1の制御システム構成を模式的に示している。同図に示すように、ロボット装置1は、ヒトの四肢を表現した体幹部ユニット2,頭部ユニット3,腕部ユニット4R/L,脚部ユニット5R/Lと、各ユニット間の協調動作を実現するための適応制御を行う制御ユニット10とで構成される。
【0023】
ロボット装置1全体の動作は、制御ユニット10によって統括的に制御される。制御ユニット10は、CPU(Central Processing Unit)や、DRAM(Dynamic Random Access Memory)、フラッシュROM(Read Only Memory)等の主要回路コンポーネント(図示せず)で構成される主制御部11と、電源回路やロボット装置1の各構成要素とのデータやコマンドの授受を行うインターフェイス(何れも図示せず)などを含んだ周辺回路12とで構成される。
【0024】
本発明を実現するうえで、この制御ユニット10の設置場所は、特に限定されない。図3では体幹部ユニット2に搭載されているが、頭部ユニット3に搭載してもよい。また、ロボット装置1外に制御ユニット10を配備して、ロボット装置1の機体とは有線又は無線で交信するようにしてもよい。
【0025】
図2に示したロボット装置1内の各関節自由度は、それぞれに対応するアクチュエータによって実現される。すなわち、頭部ユニット3には、首関節ヨー軸101、首関節ピッチ軸102、首関節ロール軸103の各々を表現する首関節ヨー軸アクチュエータA2、首関節ピッチ軸アクチュエータA3、首関節ロール軸アクチュエータA4が配備されている。
【0026】
また、頭部ユニット3には、外部の状況を撮像するためのCCD(Charge Coupled Device)カメラが設けられているほか、前方に位置する物体までの距離を測定するための距離センサ、外部音を集音するためのマイク、音声を出力するためのスピーカ、使用者からの「撫でる」や「叩く」といった物理的な働きかけにより受けた圧力を検出するためのタッチセンサ等が配設されている。
【0027】
また、体幹部ユニット2には、体幹ピッチ軸104、体幹ロール軸105、体幹ヨー軸106の各々を表現する体幹ピッチ軸アクチュエータA5、体幹ロール軸アクチュエータA6、体幹ヨー軸アクチュエータA7が配設されている。また、体幹部ユニット2には、このロボット装置1の起動電源となるバッテリを備えている。このバッテリは、充放電可能な電池によって構成されている。
【0028】
また、腕部ユニット4R/Lは、上腕ユニット41R/Lと、肘関節ユニット42R/Lと、前腕ユニット43R/Lに細分化されるが、肩関節ピッチ軸107、肩関節ロール軸108、上腕ヨー軸109、肘関節ピッチ軸110、前腕ヨー軸111、手首関節ピッチ軸112、手首関節ロール軸113の各々表現する肩関節ピッチ軸アクチュエータA8、肩関節ロール軸アクチュエータA9、上腕ヨー軸アクチュエータA10、肘関節ピッチ軸アクチュエータA11、肘関節ロール軸アクチュエータA12、手首関節ピッチ軸アクチュエータA13、手首関節ロール軸アクチュエータA14が配備されている。
【0029】
また、脚部ユニット5R/Lは、大腿部ユニット51R/Lと、膝ユニット52R/Lと、脛部ユニット53R/Lに細分化されるが、股関節ヨー軸115、股関節ピッチ軸116、股関節ロール軸117、膝関節ピッチ軸118、足首関節ピッチ軸119、足首関節ロール軸120の各々を表現する股関節ヨー軸アクチュエータA16、股関節ピッチ軸アクチュエータA17、股関節ロール軸アクチュエータA18、膝関節ピッチ軸アクチュエータA19、足首関節ピッチ軸アクチュエータA20、足首関節ロール軸アクチュエータA21が配備されている。各関節に用いられるアクチュエータA2,A3,・・・は、より好ましくは、ギア直結型で旦つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニット内に搭載したタイプの小型ACサーボ・アクチュエータで構成することができる。
【0030】
体幹部ユニット2、頭部ユニット3、各腕部ユニット4R/L、各脚部ユニット5R/Lなどの各機構ユニット毎に、アクチュエータ駆動制御部の副制御部20,21,22R/L,23R/Lが配備されている。さらに、各脚部ユニット5R/Lの足底が接地したか否かを検出する接地確認センサ30R/Lを装着するとともに、体幹部ユニット2内には、姿勢を計測する姿勢センサ31を装備している。
【0031】
接地確認センサ30R/Lは、例えば足底に設置された近接センサ又はマイクロ・スイッチなどで構成される。また、姿勢センサ31は、例えば、加速度センサとジャイロ・センサの組み合わせによって構成される。
【0032】
接地確認センサ30R/Lの出力によって、歩行・走行などの動作期間中において、左右の各脚部が現在立脚又は遊脚何れの状態であるかを判別することができる。また、姿勢センサ31の出力により、体幹部分の傾きや姿勢を検出することができる。
【0033】
主制御部11は、各センサ30R/L,31の出力に応答して制御目標をダイナミックに補正することができる。より具体的には、副制御部20,21,22R/L,23R/Lの各々に対して適応的な制御を行い、ロボット装置1の上肢、体幹、及び下肢が協調して駆動する全身運動パターンを実現できる。
【0034】
ロボット装置1の機体上での全身運動は、足部運動、ZMP(Zero Moment Point)軌道、体幹運動、上肢運動、腰部高さなどを設定するとともに、これらの設定内容にしたがった動作を指示するコマンドを各副制御部20,21,22R/L,23R/Lに転送する。そして、各々の副制御部20,21,・・・等では、主制御部11からの受信コマンドを解釈して、各アクチュエータA2,A3,・・・等に対して駆動制御信号を出力する。ここでいう「ZMP」とは、歩行中の床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点のことであり、また、「ZMP軌道」とは、例えばロボット装置1の歩行動作期間中にZMPが動く軌跡を意味する。なお、ZMPの概念並びにZMPを歩行ロボットの安定度判別規範に適用する点については、Miomir Vukobratovic 著“LEGGED LOCOMOTION ROBOTS”(加藤一郎外著『歩行ロボットと人工の足』(日刊工業新聞社))に記載されている。
【0035】
以上のように、ロボット装置1は、各々の副制御部20,21,・・・等が、主制御部11からの受信コマンドを解釈して、各アクチュエータA2,A3,・・・に対して駆動制御信号を出力し、各ユニットの駆動を制御している。これにより、ロボット装置1は、目標の姿勢に安定して遷移し、安定した姿勢で歩行できる。
【0036】
また、ロボット装置1における制御ユニット10では、上述したような姿勢制御のほかに、加速度センサ、タッチセンサ、接地確認センサ等の各種センサ、及びCCDカメラからの画像情報、マイクからの音声情報等を統括して処理している。制御ユニット10では、図示しないが加速度センサ、ジャイロ・センサ、タッチセンサ、距離センサ、マイク、スピーカなどの各種センサ、各アクチュエータ、CCDカメラ及びバッテリが各々対応するハブを介して主制御部11と接続されている。
【0037】
主制御部11は、上述の各センサから供給されるセンサデータや画像データ及び音声データを順次取り込み、これらをそれぞれ内部インターフェイスを介してDRAM内の所定位置に順次格納する。また、主制御部11は、バッテリから供給されるバッテリ残量を表すバッテリ残量データを順次取り込み、これをDRAM内の所定位置に格納する。DRAMに格納された各センサデータ、画像データ、音声データ及びバッテリ残量データは、主制御部11がこのロボット装置1の動作制御を行う際に利用される。
【0038】
主制御部11は、ロボット装置1の電源が投入された初期時、制御プログラムを読み出し、これをDRAMに格納する。また、主制御部11は、上述のように主制御部11よりDRAMに順次格納される各センサデータ、画像データ、音声データ及びバッテリ残量データに基づいて自己及び周囲の状況や、使用者からの指示及び働きかけの有無などを判断する。
【0039】
さらに、主制御部11は、この判断結果及びDRAMに格納した制御プログラムに基づいて自己の状況に応じて行動を決定するとともに、当該決定結果に基づいて必要なアクチュエータを駆動させることによりロボット装置1に、いわゆる「身振り」、「手振り」といった行動をとらせる。
【0040】
このようにしてロボット装置1は、制御プログラムに基づいて自己及び周囲の状況を判断し、自律的に行動することができる。
【0041】
上述した主制御部11のデータ処理の内容を機能的に分類した図を図4に示す。図4に示すように、主制御部11は、行動決定機構部40と、姿勢遷移機構部41と、制御機構部42とに分けられる。
【0042】
行動決定機構部40は、上述したセンサデータ、画像・音声データ等の入力情報D1に基づいて次の動作(行動)を決定し、当該決定された動作(行動)の内容を行動指令情報D2として姿勢遷移機構部41に供給する。
【0043】
姿勢遷移機構部41は、ロボット装置1が遷移可能な姿勢及び遷移する際の動作を予め例えばグラフ(後述する有向グラフ)として保持しており、行動決定機構部40から供給された行動指令情報D2を姿勢遷移情報D3として制御機構部42に供給する。
【0044】
制御機構部42は、この姿勢遷移情報D3に基づいて、必要なアクチュエータA2,A3,・・・を駆動させるための制御信号D4を生成し、これをアクチュエータA2,A3,・・・に送出して当該アクチュエータA2,A3,・・・を駆動させることにより、ロボット装置1に所望の動作を行わせる。
【0045】
以下、姿勢遷移機構部41にて行う処理について詳細に説明する。
ロボット装置1は、指令(行動指令情報D2)の内容に従った姿勢に遷移し、遷移した姿勢に応じた動作を行うが、指令の内容に従った姿勢に直接遷移できない場合もある。すなわち、ロボット装置1の姿勢は、現在の姿勢から直接遷移可能な姿勢と、直接には遷移できなく、ある動作や姿勢を経由して可能になる姿勢とに分類される。例えば、ロボット装置1は、仰向けに寝転んだ姿勢から座った姿勢に直接遷移することはできるが、立った姿勢に直接遷移することはできず、一旦上半身を起こして座った姿勢になり、それから立ち上がるという2段階の動作が必要である。
【0046】
したがって、姿勢遷移機構部41は、行動決定機構部40から供給された行動指令情報D2が直接遷移可能な姿勢を示す場合には、当該行動指令情報D2をそのまま姿勢遷移情報D3として制御機構部42に供給する一方、直接遷移不可能な姿勢を示す場合には、遷移可能な他の姿勢や動作を経由して目標とされる姿勢(行動指令情報D2により指示された姿勢)まで遷移させるような姿勢遷移情報D3を生成し、これを制御機構部42に供給する。
【0047】
実際上、姿勢遷移機構部41は、ロボット装置1がとり得る姿勢及び動作が登録され、姿勢とこの姿勢を遷移させる動作とを結んで構成されたグラフを保持して、現在の姿勢から目標とされる姿勢又は目標とされる動作に遷移させる。すなわち、姿勢遷移機構部41は、ロボット装置1がとり得る姿勢を予め登録すると共に、遷移可能な2つの姿勢の間を記録しておくようになされており、このグラフと行動決定機構部40から供給された行動指令情報D2とに基づいて、目標とされる姿勢或いは動作まで遷移させる。
【0048】
具体的には、姿勢遷移機構部41は、図5に示すような有向グラフというアルゴリズムを用いている。有向グラフでは、ロボット装置1がとり得る姿勢を示すノードと、遷移可能な2つのノード間を結ぶ有向アーク(動作アーク)と、場合によっては1つのノードから当該1つのノードに戻る動作のアーク、すなわち1つのノード内で完結する動作を示す自己動作アークとが結合されて構成されている。すなわち、姿勢遷移機構部41は、ロボット装置1の姿勢(静止姿勢)を示す情報とされるノードと、ロボット装置1の動作を示す情報とされる有向アーク及び自己動作アークとから構成される有向グラフを保持し、姿勢を点の情報として、さらに動作の情報を有向線の情報として把握している。
【0049】
なお、有向アークや自己動作アークは複数とされていてもよい。すなわち、遷移可能なノード(姿勢)の間に有向アークが複数結合されていてもよく、1つのノードにおいて複数の自己動作アークが結合されていてもよい。
【0050】
姿勢遷移機構部41は、行動決定機構部40から行動指令情報D2が供給されると、現在の姿勢に対応したノードと、行動指令情報D2が示す次にとるべき姿勢に対応するノードとを結ぶように、有向アークの向きに従いながら現在のノードから次のノードに至る経路を順次検索することにより、現在の姿勢から目標とされるノード、或いは目標とされるアークに至る経路を探索する。ここで、目標とされるアークとは、有向アークであってもよく、自己動作アークであってもよい。例えば、自己動作アークが目標アークとなる場合とは、とるべき姿勢から開始される自己動作が目標とされた(指示された)場合であって、ダンスが指示された場合等が挙げられる。
【0051】
以上のように、ロボット装置1は、現在の姿勢に対応したノードから行動指令情報D2が示す次にとるべき姿勢に対応するノードに遷移しながら自律的な動作を行うが、動作中にユーザの指やその他の異物を挟み込んだりバッテリ残量が少なくなったりするなどの事象により緊急停止を余儀なくされ、シャットダウン処理を行う場合もあり得る。
【0052】
ここで、2足歩行型のロボット装置1では、シャットダウン処理時の姿勢によっては転倒してしまい、ロボット装置1自身や外界に重大な危害を及ぼす虞がある。そこで、行動決定機構部40は、予め複数設定された安全姿勢の何れかへの遷移を示す特殊コマンドを行動指令情報D2として姿勢遷移機構部41に供給する。姿勢遷移機構部41は、この行動指令情報D2に応じて、上述した有向グラフを参照しながら目標とする安全姿勢を検索し、目標安全姿勢まで遷移させるような姿勢遷移情報D3を制御機構部42に供給する。
【0053】
この際、現在の姿勢からの距離が近い安全姿勢を目標安全姿勢として選択することが、迅速なシャットダウン処理を行う観点から望ましいといえる。具体的には、予め類似する姿勢同士を同一の姿勢グループとして登録しておき、できる限り現在の姿勢と同一の姿勢グループから目標安全姿勢を検索し、同一姿勢グループに安全姿勢がない場合にのみ別の姿勢グループから目標安全姿勢を検索するようにするのが望ましい。
【0054】
目標安全姿勢に遷移する例について、図6を用いて説明する。なお、図6では、各有向アークが動作時間や動作の難易度等に基づいて重み付けされており、姿勢遷移機構部41は、重み付け距離が最短であるパスを経由して目標安全姿勢に遷移させるものとする。
【0055】
具体的に、例えば現在姿勢がノードND1の姿勢であるときに異常状態が検出され、安全姿勢への遷移を示す行動指令情報D2が行動決定機構部40から与えられた場合、姿勢遷移機構部41は、「寝姿勢」を示す姿勢グループからノードND1及びノードND2を検索するが、ノードND1からノードND2に至る有向アークが存在しないため、ノードND1の姿勢、すなわち現在姿勢を目標安全姿勢とする。
【0056】
また、現在姿勢がノードND3の姿勢である場合、姿勢遷移機構部41は、「座り姿勢」を示す姿勢グループから安全姿勢を検索するが、この姿勢グループ内に安全姿勢が存在しないため、別の姿勢グループ、具体的には「寝姿勢」を示す姿勢グループからノードND1及びノードND2を検索する。ここで、ノードND3からノードND1に至るパスとしては、(a)ND3→ND1(重み付け距離=5)、(b)ND3→ND4→ND1(重み付け距離=8)、(c)ND3→ND5→ND4→ND1(重み付け距離=9)、の3通りが考えられるが、姿勢遷移機構部41は、重み付け距離が最短である(a)のパスを経由して目標安全姿勢を示すノードND1に遷移させる。なお、上述と同様に、ノードND1からノードND2に至る有向アークが存在しないため、ノードND2は目標安全姿勢とならない。
【0057】
また、自己動作アークa1の実行中に安全姿勢への遷移を示す行動指令情報D2が行動決定機構部40から与えられた場合、姿勢遷移機構部41は、自己動作アークa1の動作を中止してノードND4の姿勢に遷移した後、「立ち姿勢」を示す姿勢グループから安全姿勢を検索する。この姿勢グループ内に安全姿勢は存在しないため、姿勢遷移機構部41は、別の姿勢グループ、具体的には「寝姿勢」を示す姿勢グループからノードND1及びノードND2を検索する。ここで、ノードND4からノードND1に至るパスとしては、(d)ND4→ND1(重み付け距離=5)、(e)ND4→ND3→ND1(重み付け距離=8)、(f)ND4→ND5→ND3→ND1(重み付け距離=9)、の3通りが考えられるが、姿勢遷移機構部41は、重み付け距離が最短である(d)のパスを経由して目標安全姿勢を示すノードND1に遷移させる。なお、上述と同様に、ノードND1からノードND2に至る有向アークが存在しないため、ノードND2は目標安全姿勢とならない。
【0058】
なお、現在姿勢が「抱き上げ姿勢」であるとき、すなわちロボット装置1がユーザ等によって抱き上げられているときに安全姿勢への遷移を示す行動指令情報D2が行動決定機構部40から与えられた場合、既に異常状態であり抱き上げ姿勢しか存在しないため、姿勢遷移機構部41は、現在姿勢を目標安全姿勢とする。
【0059】
以上説明した姿勢遷移機構部41による目標安全姿勢の検索方法について、図7のフローチャートに示す。先ずステップS1において、同一姿勢グループ内に安全姿勢があるか否かを判別し、同一姿勢グループ内に安全姿勢がある場合(Yes)にはステップS3に進み、同一姿勢グループ内に安全姿勢がない場合(No)にはステップS2で別の姿勢グループから安全姿勢を検索する。
【0060】
続いてステップS3では、現在姿勢から安全姿勢までのパスの重み付け距離を計算し、ステップS4では、全てのパスについて重み付け距離を計算したか否かを判別する。全てのパスについて重み付け距離を計算していない場合(No)には、ステップS3に戻って残りのパスについて重み付け距離を計算し、全てのパスについて重み付け距離を計算している場合(Yes)には、ステップS5で最短の重み付け距離を与えるパスにより目標安全姿勢まで遷移して終了する。
【0061】
なお、以上の例では、安全姿勢までの重み付け距離に基づいて目標安全姿勢を検索するものとして説明したが、単なる距離、すなわち安全姿勢までのアーク数に基づいて目標安全姿勢を検索するようにしても構わない。
【0062】
ここで、上述のようにして目標安全姿勢を検索し、該目標安全姿勢に遷移することにより、安全にシャットダウン処理を行うことができるが、次回確実に起動するためには、充電ステーション上で充電している状態でシャットダウン処理を行うことが望ましい。そこで、本実施の形態におけるロボット装置1は、異常状態を検出した際には、稼働可能時間を考慮しながら充電ステーションを探し、稼働可能時間内に充電ステーションまで移動できる場合には、充電ステーションに移動してから安全姿勢であるステーション姿勢に遷移する。一方、稼働可能時間内に充電ステーションまで移動できない場合、或いは充電ステーションが見つからない場合には、稼働可能時間内に移動できる安全な場所を探し、その場所に移動して安全姿勢に遷移する。
【0063】
以上説明した充電ステーションの探索方法について、図8のフローチャートに示す。先ずステップS10において、安全姿勢に遷移するまでの稼働可能時間を計算し、ステップS11において、充電ステーション又は安全な場所を探索する。なお、上述したように、ロボット装置1は、先ず充電ステーションから探索を始める。
【0064】
次にステップS12において、検索した充電ステーション又は安全な場所までの移動に必要な時間を計算し、上記稼働可能時間内に移動可能か否かを判別する。ここで、稼働可能時間内に移動可能である場合(Yes)には、ステップS13で当該場所まで移動し、ステップS15で安全姿勢に遷移して終了する。なお、充電ステーションに移動した場合には上述したステーション姿勢に遷移し、それ以外の場所に移動した場合には、例えば寝姿勢に遷移する。一方、稼働可能時間内に移動可能でない場合(No)には、ステップS14において、現在の場所で安全姿勢に遷移できるか否かを判別する。現在の場所で安全姿勢に遷移できる場合(Yes)には、ステップS15で安全姿勢に遷移して終了する。一方、そうでない場合(No)には、ステップS11に戻って、安全な場所をさらに検索する。
【0065】
ここで、ステーション姿勢に遷移する例について、図9を用いて説明する。
具体的に、自己動作アークa1の実行中に安全姿勢への遷移を示す行動指令情報D2が行動決定機構部40から与えられた場合、姿勢遷移機構部41は、自己動作アークa1の動作を中止してノードND4の姿勢に遷移させる。その後、ロボット装置1は、入力された周囲の画像データに基づいて充電ステーションを探し、充電ステーションに確実に接続できる位置まで移動する。姿勢遷移機構部41は、ステーション準備姿勢に遷移させ、充電ステーションへの接続が検出されると、安全姿勢であるステーション姿勢にジャンプさせる。
【0066】
以上説明したように、本実施の形態におけるロボット装置1及びその動作制御方法によれば、何らかの理由によりシャットダウン処理を行う場合に、現在の姿勢と同一の姿勢グループから目標安全姿勢を検索し、同一姿勢グループに安全姿勢がない場合にのみ別の姿勢グループから目標安全姿勢を検索し、該目標安全姿勢に遷移することにより、2足歩行型であっても、ロボット装置1自身や外界に重大な危害を及ぼすことなく安全にシャットダウン処理を行うことができる。特に、シャットダウン処理を行う前に稼働可能時間を計算し、その時間内に充電ステーションに移動できる場合には、充電ステーションに移動してから安全姿勢に遷移することにより、次回起動時に充電されている状態を作り出すことができ、無理なく自律動作を行うことが可能となる。
【0067】
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
【0068】
例えば、上述の実施の形態では、本発明を人間を模した2足歩行型のロボット装置1に適用した場合について説明したが、これに限らず、動物を模した4足歩行型のロボット装置や、例えばゲームや展示等のエンターテインメント分野で用いられるロボット装置など、他の種々のロボット装置に適用可能である。
【0069】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係るロボット装置は、行動指令情報に応じて複数の姿勢の間を遷移し動作するロボット装置であって、現在の姿勢から目標とされる姿勢又は目標とされる動作までの経路を、上記行動指令情報に基づいて検索し、その検索結果に基づいて動作させて、上記現在の姿勢から上記目標とされる姿勢又は目標とされる動作に遷移させる制御手段を備え、上記制御手段は、上記行動指令情報として予め複数設定された安全姿勢の何れかへの遷移が指示された場合、現在の姿勢から最も近い安全姿勢を検索して目標安全姿勢とし、該目標安全姿勢に遷移させるものである。
【0070】
また、本発明に係るロボット装置の動作制御方法は、行動指令情報に応じて複数の姿勢の間を遷移し動作するロボット装置の動作制御方法であって、現在の姿勢から目標とされる姿勢又は目標とされる動作までの経路を、上記行動指令情報に基づいて検索し、検索結果に基づいて動作させて、上記現在の姿勢から上記目標とされる姿勢又は目標とされる動作に遷移させ、上記行動指令情報として予め複数設定された安全姿勢の何れかへの遷移が指示された場合、現在の姿勢から最も近い安全姿勢を目標安全姿勢とし、該目標安全姿勢に遷移させるものである。
【0071】
このようなロボット装置及びその動作制御方法によれば、ロボット装置が動作中に例えばユーザの指やその他の異物を挟み込んだりバッテリ残量が少なくなったりするなどの事象により緊急停止を余儀なくされ、シャットダウン処理を行う場合に、予め複数設定された安全姿勢のうち、現在の姿勢から最も近い安全姿勢を検索して目標安全姿勢とし、該目標安全姿勢に遷移することにより、2足歩行型のロボット装置であっても、自身や外界に重大な危害を及ぼすことなく、シャットダウン処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態におけるロボット装置の外観構成を示す斜視図である。
【図2】同ロボット装置の自由度構成モデルを模式的に示す図である。
【図3】同ロボット装置の制御システム構成を模式的に示す図である。
【図4】主制御部のデータ処理の内容を機能的に分類した図である。
【図5】同主制御部の姿勢遷移機構部における姿勢遷移のグラフを示す図である。
【図6】目標安全姿勢に遷移する例を説明する図である。
【図7】姿勢遷移機構部による目標安全姿勢の検索方法を説明するフローチャートである。
【図8】充電ステーションの探索処理を説明するフローチャートである。
【図9】ステーション姿勢に遷移する例を説明する図である。
【符号の説明】
1 ロボット装置、2 体幹部ユニット、3 頭部ユニット、4R/L 腕部ユニット、5R/L 脚部ユニット、10 制御ユニット、11 主制御部、40 行動決定機構部、41 姿勢遷移機構部、42 制御機構部
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の姿勢の間を遷移しながら自律的に動作するロボット装置及びその動作制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電気的又は磁気的な作用を用いて人間(生物)の動作に似た運動を行う機械装置を「ロボット」という。我が国においてロボットが普及し始めたのは、1960年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化等を目的としたマニピュレータや搬送ロボット等の産業用ロボット(Industrial Robot)であった。
【0003】
最近では、人間のパートナーとして生活を支援する、すなわち住環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動を支援する実用ロボットの開発が進められている。このような実用ロボットは、産業用ロボットとは異なり、人間の生活環境の様々な局面において、個々に個性の相違した人間、又は様々な環境への適応方法を自ら学習する能力を備えている。例えば、犬、猫のように4足歩行の動物の身体メカニズムやその動作を模した「ペット型」ロボット、或いは、2足直立歩行を行う人間等の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた「人間型」又は「人間形」ロボット(Humanoid Robot)等のロボット装置は、既に実用化されつつある。
【0004】
これらのロボット装置は、産業用ロボットと比較して、エンターテインメント性を重視した様々な動作を行うことができるため、エンターテインメントロボットと称される場合もある。また、そのようなロボット装置には、外部からの情報や内部の状態に応じて自律的に動作するものがある。
【0005】
この自律動作を行う自律型ロボット装置の一例として、下記特許文献1には、供給された入力情報に応じて、既知の姿勢を遷移しながら目標とされる動作を実行するロボット装置が記載されている。この特許文献1記載のロボット装置は、感情・本能モデルを有しており、感情・本能に基づいて次の動作(行動)を決定し、その動作(行動)を実行できる姿勢までの遷移計画を立てる。そして、その遷移計画に基づいて姿勢を遷移させてから、そのような感情・本能に基づいて決定した動作(行動)を実際に実行する。
【0006】
【特許文献1】
国際公開第00/43167号パンフレット
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような自律型ロボット装置は、一般に、マニピュレータや搬送ロボット等の産業用ロボットに比し、冗長な自由度を含む多リンク系により構成されているという特徴がある。ロボット装置は、このような特徴を活かし、複雑な動作、或いは移動・バランス維持・アーム作業といった複雑なタスクを同時実行することができる。その一方で、動作中にユーザの指やその他の異物を挟み込んだりバッテリ残量が少なくなったりするなどの事象により緊急停止を余儀なくされ、シャットダウン処理を行う可能性がある。
【0008】
ここで、4足歩行型のロボット装置の場合には、どのような姿勢でシャットダウン処理を行ってもロボット装置自身や外界に重大な危害を及ぼす虞がないため、異常状態を検出した場合には即座にシャットダウン処理を行うことができる。しかしながら、2足歩行型のロボット装置の場合には、歩行中にシャットダウン処理を行うと、転倒してロボット装置自身や外界に重大な危害を及ぼす虞があるため、安全にシャットダウン処理を行うことができないという問題があった。
【0009】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、2足歩行型であっても、自身や外界に重大な危害を及ぼすことなく安全にシャットダウン処理を行うことのできるロボット装置及びその動作制御方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明に係るロボット装置は、行動指令情報に応じて複数の姿勢の間を遷移し動作するロボット装置であって、現在の姿勢から目標とされる姿勢又は目標とされる動作までの経路を、上記行動指令情報に基づいて検索し、その検索結果に基づいて動作させて、上記現在の姿勢から上記目標とされる姿勢又は目標とされる動作に遷移させる制御手段を備え、上記制御手段は、上記行動指令情報として予め複数設定された安全姿勢の何れかへの遷移が指示された場合、現在の姿勢から最も近い安全姿勢を検索して目標安全姿勢とし、該目標安全姿勢に遷移させるものである。
【0011】
また、上述した目的を達成するために、本発明に係るロボット装置の動作制御方法は、行動指令情報に応じて複数の姿勢の間を遷移し動作するロボット装置の動作制御方法であって、現在の姿勢から目標とされる姿勢又は目標とされる動作までの経路を、上記行動指令情報に基づいて検索し、検索結果に基づいて動作させて、上記現在の姿勢から上記目標とされる姿勢又は目標とされる動作に遷移させ、上記行動指令情報として予め複数設定された安全姿勢の何れかへの遷移が指示された場合、現在の姿勢から最も近い安全姿勢を目標安全姿勢とし、該目標安全姿勢に遷移させるものである。
【0012】
このようなロボット装置及びその動作制御方法では、ロボット装置が動作中に例えばユーザの指やその他の異物を挟み込んだりバッテリ残量が少なくなったりするなどの事象により緊急停止を余儀なくされ、シャットダウン処理を行う場合に、予め複数設定された安全姿勢のうち、現在の姿勢から最も近い安全姿勢を検索して目標安全姿勢とし、該目標安全姿勢に遷移する。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0014】
本発明の一構成例として示す2足歩行型のロボット装置は、住環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動を支援する実用ロボットであり、人間が行う基本的な動作を表出できるエンターテインメントロボットである。
【0015】
図1に示すように、ロボット装置1は、体幹部ユニット2の所定の位置に頭部ユニット3が連結されると共に、左右2つの腕部ユニット4R/Lと、左右2つの脚部ユニット5R/Lが連結されて構成されている(但し、R及びLの各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下において同じ。)。
【0016】
このロボット装置1が具備する関節自由度構成を図2に模式的に示す。頭部ユニット3を支持する首関節は、首関節ヨー軸101と、首関節ピッチ軸102と、首関節ロール軸103という3自由度を有している。
【0017】
また、上肢を構成する各々の腕部ユニット4R/Lは、肩関節ピッチ軸107と、肩関節ロール軸108と、上腕ヨー軸109と、肘関節ピッチ軸110と、前腕ヨー軸111と、手首関節ピッチ軸112と、手首関節ロール軸113と、手部114とで構成される。手部114は、実際には、複数本の指を含む多関節・多自由度構造体である。但し、手部114の動作は、ロボット装置1の姿勢制御や歩行制御に対する寄与や影響が少ないので、本明細書ではゼロ自由度と仮定する。したがって、各腕部は7自由度を有するとする。
【0018】
また、体幹部ユニット2は、体幹ピッチ軸104と、体幹ロール軸105と、体幹ヨー軸106という3自由度を有する。
【0019】
また、下肢を構成する各々の脚部ユニット5R/Lは、股関節ヨー軸115と、股関節ピッチ軸116と、股関節ロール軸117と、膝関節ピッチ軸118と、足首関節ピッチ軸119と、足首関節ロール軸120と、足部121とで構成される。本明細書中では、股関節ピッチ軸116と股関節ロール軸117の交点は、ロボット装置1の股関節位置を定義する。人体の足部121は、実際には多関節・多自由度の足底を含んだ構造体であるが、ロボット装置1の足底は、ゼロ自由度とする。したがって、各脚部は、6自由度で構成される。
【0020】
以上を総括すれば、ロボット装置1全体としては、合計で3+7×2+3+6×2=32自由度を有することになる。但し、エンターテインメント向けのロボット装置1が必ずしも32自由度に限定されるわけではない。設計・制作上の制約条件や要求仕様等に応じて、自由度すなわち関節数を適宜増減することができることはいうまでもない。
【0021】
上述したようなロボット装置1がもつ各自由度は、実際にはアクチュエータを用いて実装される。外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形状に近似させること、2足歩行という不安定構造体に対して姿勢制御を行うことなどの要請から、アクチュエータは小型且つ軽量であることが好ましい。
【0022】
図3には、ロボット装置1の制御システム構成を模式的に示している。同図に示すように、ロボット装置1は、ヒトの四肢を表現した体幹部ユニット2,頭部ユニット3,腕部ユニット4R/L,脚部ユニット5R/Lと、各ユニット間の協調動作を実現するための適応制御を行う制御ユニット10とで構成される。
【0023】
ロボット装置1全体の動作は、制御ユニット10によって統括的に制御される。制御ユニット10は、CPU(Central Processing Unit)や、DRAM(Dynamic Random Access Memory)、フラッシュROM(Read Only Memory)等の主要回路コンポーネント(図示せず)で構成される主制御部11と、電源回路やロボット装置1の各構成要素とのデータやコマンドの授受を行うインターフェイス(何れも図示せず)などを含んだ周辺回路12とで構成される。
【0024】
本発明を実現するうえで、この制御ユニット10の設置場所は、特に限定されない。図3では体幹部ユニット2に搭載されているが、頭部ユニット3に搭載してもよい。また、ロボット装置1外に制御ユニット10を配備して、ロボット装置1の機体とは有線又は無線で交信するようにしてもよい。
【0025】
図2に示したロボット装置1内の各関節自由度は、それぞれに対応するアクチュエータによって実現される。すなわち、頭部ユニット3には、首関節ヨー軸101、首関節ピッチ軸102、首関節ロール軸103の各々を表現する首関節ヨー軸アクチュエータA2、首関節ピッチ軸アクチュエータA3、首関節ロール軸アクチュエータA4が配備されている。
【0026】
また、頭部ユニット3には、外部の状況を撮像するためのCCD(Charge Coupled Device)カメラが設けられているほか、前方に位置する物体までの距離を測定するための距離センサ、外部音を集音するためのマイク、音声を出力するためのスピーカ、使用者からの「撫でる」や「叩く」といった物理的な働きかけにより受けた圧力を検出するためのタッチセンサ等が配設されている。
【0027】
また、体幹部ユニット2には、体幹ピッチ軸104、体幹ロール軸105、体幹ヨー軸106の各々を表現する体幹ピッチ軸アクチュエータA5、体幹ロール軸アクチュエータA6、体幹ヨー軸アクチュエータA7が配設されている。また、体幹部ユニット2には、このロボット装置1の起動電源となるバッテリを備えている。このバッテリは、充放電可能な電池によって構成されている。
【0028】
また、腕部ユニット4R/Lは、上腕ユニット41R/Lと、肘関節ユニット42R/Lと、前腕ユニット43R/Lに細分化されるが、肩関節ピッチ軸107、肩関節ロール軸108、上腕ヨー軸109、肘関節ピッチ軸110、前腕ヨー軸111、手首関節ピッチ軸112、手首関節ロール軸113の各々表現する肩関節ピッチ軸アクチュエータA8、肩関節ロール軸アクチュエータA9、上腕ヨー軸アクチュエータA10、肘関節ピッチ軸アクチュエータA11、肘関節ロール軸アクチュエータA12、手首関節ピッチ軸アクチュエータA13、手首関節ロール軸アクチュエータA14が配備されている。
【0029】
また、脚部ユニット5R/Lは、大腿部ユニット51R/Lと、膝ユニット52R/Lと、脛部ユニット53R/Lに細分化されるが、股関節ヨー軸115、股関節ピッチ軸116、股関節ロール軸117、膝関節ピッチ軸118、足首関節ピッチ軸119、足首関節ロール軸120の各々を表現する股関節ヨー軸アクチュエータA16、股関節ピッチ軸アクチュエータA17、股関節ロール軸アクチュエータA18、膝関節ピッチ軸アクチュエータA19、足首関節ピッチ軸アクチュエータA20、足首関節ロール軸アクチュエータA21が配備されている。各関節に用いられるアクチュエータA2,A3,・・・は、より好ましくは、ギア直結型で旦つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニット内に搭載したタイプの小型ACサーボ・アクチュエータで構成することができる。
【0030】
体幹部ユニット2、頭部ユニット3、各腕部ユニット4R/L、各脚部ユニット5R/Lなどの各機構ユニット毎に、アクチュエータ駆動制御部の副制御部20,21,22R/L,23R/Lが配備されている。さらに、各脚部ユニット5R/Lの足底が接地したか否かを検出する接地確認センサ30R/Lを装着するとともに、体幹部ユニット2内には、姿勢を計測する姿勢センサ31を装備している。
【0031】
接地確認センサ30R/Lは、例えば足底に設置された近接センサ又はマイクロ・スイッチなどで構成される。また、姿勢センサ31は、例えば、加速度センサとジャイロ・センサの組み合わせによって構成される。
【0032】
接地確認センサ30R/Lの出力によって、歩行・走行などの動作期間中において、左右の各脚部が現在立脚又は遊脚何れの状態であるかを判別することができる。また、姿勢センサ31の出力により、体幹部分の傾きや姿勢を検出することができる。
【0033】
主制御部11は、各センサ30R/L,31の出力に応答して制御目標をダイナミックに補正することができる。より具体的には、副制御部20,21,22R/L,23R/Lの各々に対して適応的な制御を行い、ロボット装置1の上肢、体幹、及び下肢が協調して駆動する全身運動パターンを実現できる。
【0034】
ロボット装置1の機体上での全身運動は、足部運動、ZMP(Zero Moment Point)軌道、体幹運動、上肢運動、腰部高さなどを設定するとともに、これらの設定内容にしたがった動作を指示するコマンドを各副制御部20,21,22R/L,23R/Lに転送する。そして、各々の副制御部20,21,・・・等では、主制御部11からの受信コマンドを解釈して、各アクチュエータA2,A3,・・・等に対して駆動制御信号を出力する。ここでいう「ZMP」とは、歩行中の床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点のことであり、また、「ZMP軌道」とは、例えばロボット装置1の歩行動作期間中にZMPが動く軌跡を意味する。なお、ZMPの概念並びにZMPを歩行ロボットの安定度判別規範に適用する点については、Miomir Vukobratovic 著“LEGGED LOCOMOTION ROBOTS”(加藤一郎外著『歩行ロボットと人工の足』(日刊工業新聞社))に記載されている。
【0035】
以上のように、ロボット装置1は、各々の副制御部20,21,・・・等が、主制御部11からの受信コマンドを解釈して、各アクチュエータA2,A3,・・・に対して駆動制御信号を出力し、各ユニットの駆動を制御している。これにより、ロボット装置1は、目標の姿勢に安定して遷移し、安定した姿勢で歩行できる。
【0036】
また、ロボット装置1における制御ユニット10では、上述したような姿勢制御のほかに、加速度センサ、タッチセンサ、接地確認センサ等の各種センサ、及びCCDカメラからの画像情報、マイクからの音声情報等を統括して処理している。制御ユニット10では、図示しないが加速度センサ、ジャイロ・センサ、タッチセンサ、距離センサ、マイク、スピーカなどの各種センサ、各アクチュエータ、CCDカメラ及びバッテリが各々対応するハブを介して主制御部11と接続されている。
【0037】
主制御部11は、上述の各センサから供給されるセンサデータや画像データ及び音声データを順次取り込み、これらをそれぞれ内部インターフェイスを介してDRAM内の所定位置に順次格納する。また、主制御部11は、バッテリから供給されるバッテリ残量を表すバッテリ残量データを順次取り込み、これをDRAM内の所定位置に格納する。DRAMに格納された各センサデータ、画像データ、音声データ及びバッテリ残量データは、主制御部11がこのロボット装置1の動作制御を行う際に利用される。
【0038】
主制御部11は、ロボット装置1の電源が投入された初期時、制御プログラムを読み出し、これをDRAMに格納する。また、主制御部11は、上述のように主制御部11よりDRAMに順次格納される各センサデータ、画像データ、音声データ及びバッテリ残量データに基づいて自己及び周囲の状況や、使用者からの指示及び働きかけの有無などを判断する。
【0039】
さらに、主制御部11は、この判断結果及びDRAMに格納した制御プログラムに基づいて自己の状況に応じて行動を決定するとともに、当該決定結果に基づいて必要なアクチュエータを駆動させることによりロボット装置1に、いわゆる「身振り」、「手振り」といった行動をとらせる。
【0040】
このようにしてロボット装置1は、制御プログラムに基づいて自己及び周囲の状況を判断し、自律的に行動することができる。
【0041】
上述した主制御部11のデータ処理の内容を機能的に分類した図を図4に示す。図4に示すように、主制御部11は、行動決定機構部40と、姿勢遷移機構部41と、制御機構部42とに分けられる。
【0042】
行動決定機構部40は、上述したセンサデータ、画像・音声データ等の入力情報D1に基づいて次の動作(行動)を決定し、当該決定された動作(行動)の内容を行動指令情報D2として姿勢遷移機構部41に供給する。
【0043】
姿勢遷移機構部41は、ロボット装置1が遷移可能な姿勢及び遷移する際の動作を予め例えばグラフ(後述する有向グラフ)として保持しており、行動決定機構部40から供給された行動指令情報D2を姿勢遷移情報D3として制御機構部42に供給する。
【0044】
制御機構部42は、この姿勢遷移情報D3に基づいて、必要なアクチュエータA2,A3,・・・を駆動させるための制御信号D4を生成し、これをアクチュエータA2,A3,・・・に送出して当該アクチュエータA2,A3,・・・を駆動させることにより、ロボット装置1に所望の動作を行わせる。
【0045】
以下、姿勢遷移機構部41にて行う処理について詳細に説明する。
ロボット装置1は、指令(行動指令情報D2)の内容に従った姿勢に遷移し、遷移した姿勢に応じた動作を行うが、指令の内容に従った姿勢に直接遷移できない場合もある。すなわち、ロボット装置1の姿勢は、現在の姿勢から直接遷移可能な姿勢と、直接には遷移できなく、ある動作や姿勢を経由して可能になる姿勢とに分類される。例えば、ロボット装置1は、仰向けに寝転んだ姿勢から座った姿勢に直接遷移することはできるが、立った姿勢に直接遷移することはできず、一旦上半身を起こして座った姿勢になり、それから立ち上がるという2段階の動作が必要である。
【0046】
したがって、姿勢遷移機構部41は、行動決定機構部40から供給された行動指令情報D2が直接遷移可能な姿勢を示す場合には、当該行動指令情報D2をそのまま姿勢遷移情報D3として制御機構部42に供給する一方、直接遷移不可能な姿勢を示す場合には、遷移可能な他の姿勢や動作を経由して目標とされる姿勢(行動指令情報D2により指示された姿勢)まで遷移させるような姿勢遷移情報D3を生成し、これを制御機構部42に供給する。
【0047】
実際上、姿勢遷移機構部41は、ロボット装置1がとり得る姿勢及び動作が登録され、姿勢とこの姿勢を遷移させる動作とを結んで構成されたグラフを保持して、現在の姿勢から目標とされる姿勢又は目標とされる動作に遷移させる。すなわち、姿勢遷移機構部41は、ロボット装置1がとり得る姿勢を予め登録すると共に、遷移可能な2つの姿勢の間を記録しておくようになされており、このグラフと行動決定機構部40から供給された行動指令情報D2とに基づいて、目標とされる姿勢或いは動作まで遷移させる。
【0048】
具体的には、姿勢遷移機構部41は、図5に示すような有向グラフというアルゴリズムを用いている。有向グラフでは、ロボット装置1がとり得る姿勢を示すノードと、遷移可能な2つのノード間を結ぶ有向アーク(動作アーク)と、場合によっては1つのノードから当該1つのノードに戻る動作のアーク、すなわち1つのノード内で完結する動作を示す自己動作アークとが結合されて構成されている。すなわち、姿勢遷移機構部41は、ロボット装置1の姿勢(静止姿勢)を示す情報とされるノードと、ロボット装置1の動作を示す情報とされる有向アーク及び自己動作アークとから構成される有向グラフを保持し、姿勢を点の情報として、さらに動作の情報を有向線の情報として把握している。
【0049】
なお、有向アークや自己動作アークは複数とされていてもよい。すなわち、遷移可能なノード(姿勢)の間に有向アークが複数結合されていてもよく、1つのノードにおいて複数の自己動作アークが結合されていてもよい。
【0050】
姿勢遷移機構部41は、行動決定機構部40から行動指令情報D2が供給されると、現在の姿勢に対応したノードと、行動指令情報D2が示す次にとるべき姿勢に対応するノードとを結ぶように、有向アークの向きに従いながら現在のノードから次のノードに至る経路を順次検索することにより、現在の姿勢から目標とされるノード、或いは目標とされるアークに至る経路を探索する。ここで、目標とされるアークとは、有向アークであってもよく、自己動作アークであってもよい。例えば、自己動作アークが目標アークとなる場合とは、とるべき姿勢から開始される自己動作が目標とされた(指示された)場合であって、ダンスが指示された場合等が挙げられる。
【0051】
以上のように、ロボット装置1は、現在の姿勢に対応したノードから行動指令情報D2が示す次にとるべき姿勢に対応するノードに遷移しながら自律的な動作を行うが、動作中にユーザの指やその他の異物を挟み込んだりバッテリ残量が少なくなったりするなどの事象により緊急停止を余儀なくされ、シャットダウン処理を行う場合もあり得る。
【0052】
ここで、2足歩行型のロボット装置1では、シャットダウン処理時の姿勢によっては転倒してしまい、ロボット装置1自身や外界に重大な危害を及ぼす虞がある。そこで、行動決定機構部40は、予め複数設定された安全姿勢の何れかへの遷移を示す特殊コマンドを行動指令情報D2として姿勢遷移機構部41に供給する。姿勢遷移機構部41は、この行動指令情報D2に応じて、上述した有向グラフを参照しながら目標とする安全姿勢を検索し、目標安全姿勢まで遷移させるような姿勢遷移情報D3を制御機構部42に供給する。
【0053】
この際、現在の姿勢からの距離が近い安全姿勢を目標安全姿勢として選択することが、迅速なシャットダウン処理を行う観点から望ましいといえる。具体的には、予め類似する姿勢同士を同一の姿勢グループとして登録しておき、できる限り現在の姿勢と同一の姿勢グループから目標安全姿勢を検索し、同一姿勢グループに安全姿勢がない場合にのみ別の姿勢グループから目標安全姿勢を検索するようにするのが望ましい。
【0054】
目標安全姿勢に遷移する例について、図6を用いて説明する。なお、図6では、各有向アークが動作時間や動作の難易度等に基づいて重み付けされており、姿勢遷移機構部41は、重み付け距離が最短であるパスを経由して目標安全姿勢に遷移させるものとする。
【0055】
具体的に、例えば現在姿勢がノードND1の姿勢であるときに異常状態が検出され、安全姿勢への遷移を示す行動指令情報D2が行動決定機構部40から与えられた場合、姿勢遷移機構部41は、「寝姿勢」を示す姿勢グループからノードND1及びノードND2を検索するが、ノードND1からノードND2に至る有向アークが存在しないため、ノードND1の姿勢、すなわち現在姿勢を目標安全姿勢とする。
【0056】
また、現在姿勢がノードND3の姿勢である場合、姿勢遷移機構部41は、「座り姿勢」を示す姿勢グループから安全姿勢を検索するが、この姿勢グループ内に安全姿勢が存在しないため、別の姿勢グループ、具体的には「寝姿勢」を示す姿勢グループからノードND1及びノードND2を検索する。ここで、ノードND3からノードND1に至るパスとしては、(a)ND3→ND1(重み付け距離=5)、(b)ND3→ND4→ND1(重み付け距離=8)、(c)ND3→ND5→ND4→ND1(重み付け距離=9)、の3通りが考えられるが、姿勢遷移機構部41は、重み付け距離が最短である(a)のパスを経由して目標安全姿勢を示すノードND1に遷移させる。なお、上述と同様に、ノードND1からノードND2に至る有向アークが存在しないため、ノードND2は目標安全姿勢とならない。
【0057】
また、自己動作アークa1の実行中に安全姿勢への遷移を示す行動指令情報D2が行動決定機構部40から与えられた場合、姿勢遷移機構部41は、自己動作アークa1の動作を中止してノードND4の姿勢に遷移した後、「立ち姿勢」を示す姿勢グループから安全姿勢を検索する。この姿勢グループ内に安全姿勢は存在しないため、姿勢遷移機構部41は、別の姿勢グループ、具体的には「寝姿勢」を示す姿勢グループからノードND1及びノードND2を検索する。ここで、ノードND4からノードND1に至るパスとしては、(d)ND4→ND1(重み付け距離=5)、(e)ND4→ND3→ND1(重み付け距離=8)、(f)ND4→ND5→ND3→ND1(重み付け距離=9)、の3通りが考えられるが、姿勢遷移機構部41は、重み付け距離が最短である(d)のパスを経由して目標安全姿勢を示すノードND1に遷移させる。なお、上述と同様に、ノードND1からノードND2に至る有向アークが存在しないため、ノードND2は目標安全姿勢とならない。
【0058】
なお、現在姿勢が「抱き上げ姿勢」であるとき、すなわちロボット装置1がユーザ等によって抱き上げられているときに安全姿勢への遷移を示す行動指令情報D2が行動決定機構部40から与えられた場合、既に異常状態であり抱き上げ姿勢しか存在しないため、姿勢遷移機構部41は、現在姿勢を目標安全姿勢とする。
【0059】
以上説明した姿勢遷移機構部41による目標安全姿勢の検索方法について、図7のフローチャートに示す。先ずステップS1において、同一姿勢グループ内に安全姿勢があるか否かを判別し、同一姿勢グループ内に安全姿勢がある場合(Yes)にはステップS3に進み、同一姿勢グループ内に安全姿勢がない場合(No)にはステップS2で別の姿勢グループから安全姿勢を検索する。
【0060】
続いてステップS3では、現在姿勢から安全姿勢までのパスの重み付け距離を計算し、ステップS4では、全てのパスについて重み付け距離を計算したか否かを判別する。全てのパスについて重み付け距離を計算していない場合(No)には、ステップS3に戻って残りのパスについて重み付け距離を計算し、全てのパスについて重み付け距離を計算している場合(Yes)には、ステップS5で最短の重み付け距離を与えるパスにより目標安全姿勢まで遷移して終了する。
【0061】
なお、以上の例では、安全姿勢までの重み付け距離に基づいて目標安全姿勢を検索するものとして説明したが、単なる距離、すなわち安全姿勢までのアーク数に基づいて目標安全姿勢を検索するようにしても構わない。
【0062】
ここで、上述のようにして目標安全姿勢を検索し、該目標安全姿勢に遷移することにより、安全にシャットダウン処理を行うことができるが、次回確実に起動するためには、充電ステーション上で充電している状態でシャットダウン処理を行うことが望ましい。そこで、本実施の形態におけるロボット装置1は、異常状態を検出した際には、稼働可能時間を考慮しながら充電ステーションを探し、稼働可能時間内に充電ステーションまで移動できる場合には、充電ステーションに移動してから安全姿勢であるステーション姿勢に遷移する。一方、稼働可能時間内に充電ステーションまで移動できない場合、或いは充電ステーションが見つからない場合には、稼働可能時間内に移動できる安全な場所を探し、その場所に移動して安全姿勢に遷移する。
【0063】
以上説明した充電ステーションの探索方法について、図8のフローチャートに示す。先ずステップS10において、安全姿勢に遷移するまでの稼働可能時間を計算し、ステップS11において、充電ステーション又は安全な場所を探索する。なお、上述したように、ロボット装置1は、先ず充電ステーションから探索を始める。
【0064】
次にステップS12において、検索した充電ステーション又は安全な場所までの移動に必要な時間を計算し、上記稼働可能時間内に移動可能か否かを判別する。ここで、稼働可能時間内に移動可能である場合(Yes)には、ステップS13で当該場所まで移動し、ステップS15で安全姿勢に遷移して終了する。なお、充電ステーションに移動した場合には上述したステーション姿勢に遷移し、それ以外の場所に移動した場合には、例えば寝姿勢に遷移する。一方、稼働可能時間内に移動可能でない場合(No)には、ステップS14において、現在の場所で安全姿勢に遷移できるか否かを判別する。現在の場所で安全姿勢に遷移できる場合(Yes)には、ステップS15で安全姿勢に遷移して終了する。一方、そうでない場合(No)には、ステップS11に戻って、安全な場所をさらに検索する。
【0065】
ここで、ステーション姿勢に遷移する例について、図9を用いて説明する。
具体的に、自己動作アークa1の実行中に安全姿勢への遷移を示す行動指令情報D2が行動決定機構部40から与えられた場合、姿勢遷移機構部41は、自己動作アークa1の動作を中止してノードND4の姿勢に遷移させる。その後、ロボット装置1は、入力された周囲の画像データに基づいて充電ステーションを探し、充電ステーションに確実に接続できる位置まで移動する。姿勢遷移機構部41は、ステーション準備姿勢に遷移させ、充電ステーションへの接続が検出されると、安全姿勢であるステーション姿勢にジャンプさせる。
【0066】
以上説明したように、本実施の形態におけるロボット装置1及びその動作制御方法によれば、何らかの理由によりシャットダウン処理を行う場合に、現在の姿勢と同一の姿勢グループから目標安全姿勢を検索し、同一姿勢グループに安全姿勢がない場合にのみ別の姿勢グループから目標安全姿勢を検索し、該目標安全姿勢に遷移することにより、2足歩行型であっても、ロボット装置1自身や外界に重大な危害を及ぼすことなく安全にシャットダウン処理を行うことができる。特に、シャットダウン処理を行う前に稼働可能時間を計算し、その時間内に充電ステーションに移動できる場合には、充電ステーションに移動してから安全姿勢に遷移することにより、次回起動時に充電されている状態を作り出すことができ、無理なく自律動作を行うことが可能となる。
【0067】
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
【0068】
例えば、上述の実施の形態では、本発明を人間を模した2足歩行型のロボット装置1に適用した場合について説明したが、これに限らず、動物を模した4足歩行型のロボット装置や、例えばゲームや展示等のエンターテインメント分野で用いられるロボット装置など、他の種々のロボット装置に適用可能である。
【0069】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係るロボット装置は、行動指令情報に応じて複数の姿勢の間を遷移し動作するロボット装置であって、現在の姿勢から目標とされる姿勢又は目標とされる動作までの経路を、上記行動指令情報に基づいて検索し、その検索結果に基づいて動作させて、上記現在の姿勢から上記目標とされる姿勢又は目標とされる動作に遷移させる制御手段を備え、上記制御手段は、上記行動指令情報として予め複数設定された安全姿勢の何れかへの遷移が指示された場合、現在の姿勢から最も近い安全姿勢を検索して目標安全姿勢とし、該目標安全姿勢に遷移させるものである。
【0070】
また、本発明に係るロボット装置の動作制御方法は、行動指令情報に応じて複数の姿勢の間を遷移し動作するロボット装置の動作制御方法であって、現在の姿勢から目標とされる姿勢又は目標とされる動作までの経路を、上記行動指令情報に基づいて検索し、検索結果に基づいて動作させて、上記現在の姿勢から上記目標とされる姿勢又は目標とされる動作に遷移させ、上記行動指令情報として予め複数設定された安全姿勢の何れかへの遷移が指示された場合、現在の姿勢から最も近い安全姿勢を目標安全姿勢とし、該目標安全姿勢に遷移させるものである。
【0071】
このようなロボット装置及びその動作制御方法によれば、ロボット装置が動作中に例えばユーザの指やその他の異物を挟み込んだりバッテリ残量が少なくなったりするなどの事象により緊急停止を余儀なくされ、シャットダウン処理を行う場合に、予め複数設定された安全姿勢のうち、現在の姿勢から最も近い安全姿勢を検索して目標安全姿勢とし、該目標安全姿勢に遷移することにより、2足歩行型のロボット装置であっても、自身や外界に重大な危害を及ぼすことなく、シャットダウン処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態におけるロボット装置の外観構成を示す斜視図である。
【図2】同ロボット装置の自由度構成モデルを模式的に示す図である。
【図3】同ロボット装置の制御システム構成を模式的に示す図である。
【図4】主制御部のデータ処理の内容を機能的に分類した図である。
【図5】同主制御部の姿勢遷移機構部における姿勢遷移のグラフを示す図である。
【図6】目標安全姿勢に遷移する例を説明する図である。
【図7】姿勢遷移機構部による目標安全姿勢の検索方法を説明するフローチャートである。
【図8】充電ステーションの探索処理を説明するフローチャートである。
【図9】ステーション姿勢に遷移する例を説明する図である。
【符号の説明】
1 ロボット装置、2 体幹部ユニット、3 頭部ユニット、4R/L 腕部ユニット、5R/L 脚部ユニット、10 制御ユニット、11 主制御部、40 行動決定機構部、41 姿勢遷移機構部、42 制御機構部
Claims (7)
- 行動指令情報に応じて複数の姿勢の間を遷移し、動作するロボット装置であって、
現在の姿勢から目標とされる姿勢又は目標とされる動作までの経路を、上記行動指令情報に基づいて検索し、その検索結果に基づいて動作させて、上記現在の姿勢から上記目標とされる姿勢又は目標とされる動作に遷移させる制御手段を備え、
上記制御手段は、上記行動指令情報として予め複数設定された安全姿勢の何れかへの遷移が指示された場合、現在の姿勢から最も近い安全姿勢を検索して目標安全姿勢とし、該目標安全姿勢に遷移させる
ことを特徴とするロボット装置。 - 上記複数の姿勢の間を遷移させる各動作に重みが付されており、
上記制御手段は、上記重みの和が最小となる経路を与える安全姿勢を上記目標安全姿勢とする
ことを特徴とする請求項1記載のロボット装置。 - 上記安全姿勢への遷移が指示されたときに一の動作を実行中である場合、該実行中の動作を中止して上記目標安全姿勢に遷移することを特徴とする請求項1記載のロボット装置。
- 上記安全姿勢への遷移が指示された場合、上記制御手段は、上記複数の安全姿勢の何れかに遷移可能な安全な場所を探索し、該安全な場所に移動して上記複数の安全姿勢の何れかに遷移することを特徴とする請求項1記載のロボット装置。
- 上記制御手段は、稼働可能時間内に上記安全な場所に移動可能である場合に、該安全な場所に移動することを特徴とする請求項4記載のロボット装置。
- 上記安全な場所は、該ロボット装置を充電可能な充電装置のある場所であり、該充電装置に固定されたことを検出すると、所定の安全姿勢に遷移することを特徴とする請求項4記載のロボット装置。
- 行動指令情報に応じて複数の姿勢の間を遷移し、動作するロボット装置の動作制御方法であって、
現在の姿勢から目標とされる姿勢又は目標とされる動作までの経路を、上記行動指令情報に基づいて検索し、
検索結果に基づいて動作させて、上記現在の姿勢から上記目標とされる姿勢又は目標とされる動作に遷移させ、
上記行動指令情報として予め複数設定された安全姿勢の何れかへの遷移が指示された場合、現在の姿勢から最も近い安全姿勢を目標安全姿勢とし、該目標安全姿勢に遷移させる
ことを特徴とするロボット装置の動作制御方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003181617A JP2005014144A (ja) | 2003-06-25 | 2003-06-25 | ロボット装置及びその動作制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2003181617A JP2005014144A (ja) | 2003-06-25 | 2003-06-25 | ロボット装置及びその動作制御方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005014144A true JP2005014144A (ja) | 2005-01-20 |
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ID=34182272
Family Applications (1)
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JP2003181617A Pending JP2005014144A (ja) | 2003-06-25 | 2003-06-25 | ロボット装置及びその動作制御方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2005014144A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011051069A (ja) * | 2009-09-03 | 2011-03-17 | Toyota Motor Corp | ロボットの緊急停止装置及び方法 |
JP2011083835A (ja) * | 2009-10-13 | 2011-04-28 | Seiko Epson Corp | ロボット制御装置およびロボット制御方法 |
JP2013092817A (ja) * | 2011-10-24 | 2013-05-16 | Toyota Motor Corp | 電源装置の制御方法及び電源装置 |
-
2003
- 2003-06-25 JP JP2003181617A patent/JP2005014144A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2011051069A (ja) * | 2009-09-03 | 2011-03-17 | Toyota Motor Corp | ロボットの緊急停止装置及び方法 |
JP2011083835A (ja) * | 2009-10-13 | 2011-04-28 | Seiko Epson Corp | ロボット制御装置およびロボット制御方法 |
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