JP4295947B2 - 脚式移動ロボット及びその移動制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の可動脚を備えた脚式移動ロボット及びその移動制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、人や猿などの２足直立歩行を行う動物を模した脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。２足直立による脚式移動ロボットは、クローラ式や４足又は６足式のロボットなどに比べて不安定であり、姿勢制御や歩行制御が複雑になるが、作業経路上に凹凸のある歩行面（不整地や障害物など）、あるいは階段やはしごなど不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。
【０００３】
人間の作業空間や居住空間のほとんどは、２足による直立歩行という人間が持つ身体メカニズムや行動様式に合わせて形成されている。言い換えれば、人間の住空間は、車輪その他の駆動装置を移動手段とした現状の機械システムが移動するにはあまりに多くの障壁が存在する。機械システム、すなわちロボットが様々な人的作業を支援又は代行し、さらに人間の住空間に深く浸透していくためには、ロボットの移動可能範囲が人間のそれとほぼ同じであることが好ましい。これが、脚式移動ロボットの実用化が大いに期待されている所以である。人間型の形態を有していることは、ロボットが人間の住環境との親和性を高める上で必須であると言える。
【０００４】
２足歩行による脚式移動を行うタイプのロボットについての姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に数多く提案されている。その中の多くは、ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）を歩行の安定度判別の規範として用いている。ＺＭＰによる安定度判別規範は、歩行系から路面には重力と慣性力並びにこれらのモーメントが作用し、これらと路面から歩行系への反作用としての床反力及び床反力モーメントとがバランスするというダランベールの原理に基づく。力学的推論の帰結として、足裏の接地点と路面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内側にピッチ及びロール軸モーメントが零となる点が存在し、この点をＺＭＰと言う。
【０００５】
ＺＭＰ規範に基づく２足歩行制御には、足底着地点を予め決定でき、路面形状に応じた足先の運動学的拘束条件を考慮し易いなどの利点がある。また、ＺＭＰを安定度判別規範とすることは、力ではなく軌道を運動制御上の目標値として扱うことを意味するので、技術的に実現性が高まる。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。
【０００６】
ロボットの可動脚（下肢）の先端部に設けられる足部の構成としては、遊脚（路面に接地していない側の脚）の着地時に路面から受ける衝撃、すなわちＺ軸方向（足裏面に対して直交する方向又はヨウ軸に沿う方向）の衝撃を緩和するために、ゴムなどの弾性シートを足裏に接着したもの、あるいはこの弾性シートの破損や変形を防止するためにさらにその下面に金属板などを接着したものが知られている。また、足裏面にＺ軸方向の衝撃を吸収するための板バネを介して金属板などを設けたものも知られている。
【０００７】
また、足部には、ロボット本体の主制御部が可動脚を含む各部の運動を制御するための基礎情報を検出するための種々のセンサが設けられている。例えばＺＭＰを安定判別規範としてロボットの運動制御を行う場合には、実際のＺＭＰを測定するため、足部の路面に対する接地面に、ＺＭＰ検出用の複数の力センサが配設される。足部に設けられるセンサとしては、路面への足部の接地の有無を検出するためのセンサ、路面上に接地された足部の該路面に対する滑りを検出するためのセンサなども設けられる場合がある。
【０００８】
これらのセンサの検出値は、Ａ／Ｄ変換されてロボット本体に設けられる主制御部に取り込まれ、主制御部によって、これらの検出値に基づいて実際のＺＭＰの算出、その他の必要な演算処理が行われ、ロボットの歩行動作を含む各部の制御に供される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ロボットに歩行動作は、ロボット本体の主制御部が足部の目標位置に至る軌道を計算し、上述したＺＭＰの検出結果などに基づいて、その軌道を修正しつつ、可動脚に配設された各アクチュエータなどを制御することによりなされる。
【００１０】
しかしながら、ロボットが歩行動作を行う路面（床面）上には、種々の障害物（路面の凹凸、何らかの独立した物体を含む）が存在し、歩行動作中に、足部が該障害物に衝突ないし干渉し、いわゆる躓きが生じ、姿勢の安定性が崩れ、歩行が困難となったり、最悪の場合には転倒に至る場合がある。また、ロボットは平坦な路面のみならず、段差や階段の昇降をもできることが望ましい。
【００１１】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ロボットが歩行する路面上に何らかの障害物がある場合であっても、安定的に歩行動作を継続できるようにすることである。また、段差や階段の昇降を容易に行えるようにすることも目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の第１の観点に係る脚式移動ロボットは、可動脚と、前記可動脚の先端部に前記可動脚に対して遊動可能に設けられる足本体と、前記足本体に設けられた前記足本体の側部への外力の作用を検出する少なくとも一つの加速度センサと、前記加速度センサの出力を含む情報に基づき前記可動脚の運動を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記足本体を前進方向へ移動する前進動作中に、前記加速度センサの出力に基づき該足本体が障害物に干渉したことを検出した場合に、前記足本体を後退方向へ移動する後退動作を行い、この後退動作中に前記足本体を鉛直方向へ移動する上昇動作を実施し、前記後退動作の終了後、前記前進動作を行い、この前進動作中に前記足本体を鉛直方向へ移動する上昇動作を実施するように構成される。
【００１３】
本発明によると、足本体の側部への外力の作用を検出するセンサを備えているので、その出力（検出値）に基づいて制御手段が該足部が何らかの障害物に衝突ないし干渉したことを判断することが可能であり、該障害物を回避するための制御を行うことができるようになる。従って、安定的に歩行動作を継続することができるようになる。
【００１４】
前記センサとしては、足裏面（ロボットが直立しているときに、路面に接地する部分により構成される面又はヨウ軸に直交する面）に略平行な面内で、ある特定の方向（例えば、ロボットの前後方向又は左右方向）の加速度を検出する加速度センサ又は当該方向に作用する圧力を検出する圧力センサなどを例示することができる。
【００１５】
本発明において、前記センサの出力を演算処理し、演算結果を前記制御手段に供給する足部処理手段を、前記足本体に設けてもよい。前記センサの出力に基づく足本体が障害物に衝突ないし干渉したことの判断やその他の処理を、該足部処理手段に行わせて、その処理結果をロボット本体の制御手段に供給することにより、ロボット本体の制御手段の処理負担を軽減することができる。
【００１６】
また、前記足本体は、該足本体の側部に離間して対面するように設けられた外枠部、及び該外枠部と該足本体の側部との間に介装された緩衝手段を有することができる。足本体の側部が障害物に衝突ないし干渉した場合には、当該足本体にその反力が直接作用することになり、ロボットが姿勢を崩したり、足本体が損傷してしまう場合があるが、このような緩衝手段と外枠部材を設けることにより、障害物に対して当該外枠部材が衝突ないし干渉することになり、その反力は緩衝手段により軽減されて足本体に伝達されるので、姿勢の崩壊や足本体の損傷を抑制することができるようになる。また、軽い干渉の場合には、回避動作を積極的に行うまでもなく、該干渉を解消することができるという利点もある。
【００１７】
前記制御手段によって実行される制御としては、具体的には、以下のようなものを例示することができる。すなわち、前記足本体を第１方向へ移動する第１動作中に、前記センサの出力に基づき該足本体が障害物に干渉したことを検出した場合に、該第１動作を中断する。次いで、前記足本体を前記第１方向と逆の第２方向へ戻す第２動作を実施する。前記第２動作の後若しくは該第２動作と一部を重複させて、前記足本体を前記第１方向及び前記第２方向と異なる第３方向へ移動する第３動作を実施する。前記第３動作の後若しくは該第３動作と一部を重複させて、前記第１動作を再開する。このような制御を実施することにより、姿勢の安定性を崩すことなく障害物を速やかに回避することができるようになる。また、段差や階段の昇降をも容易に行うことができるようになる。
【００１８】
上記目的を達成するための本発明の第２の観点に係る脚式移動ロボットの移動制御方法は、可動脚と、該可動脚の先端部に設けられる足本体とを備えた脚式移動ロボットの移動制御方法であって、前記足本体を第１方向へ移動する第１動作中に、前記センサの出力に基づき該足本体が障害物に干渉したことを検出した場合に、該第１動作を中断するステップと、前記足本体を前記第１方向と逆の第２方向へ戻す第２動作を実施するステップと、前記第２動作の後若しくは該第２動作と一部を重複させて、前記足本体を前記第１方向及び前記第２方向と異なる第３方向へ移動する第３動作を実施するステップと、前記第３動作の後若しくは該第３動作と一部を重複させて、前記第１動作を再開するステップとを含んで構成される。
【００１９】
上記目的を達成するための本発明の第３の観点に係る脚式移動ロボットの移動制御プログラムは、可動脚と、該可動脚の先端部に設けられる足本体と、該足本体の側部への外力の作用を検出するセンサとを備えた脚式移動ロボットの移動制御プログラムであって、前記足本体を第１方向へ移動する第１動作中に、前記センサの出力に基づき該足本体が障害物に干渉したか否かを判断する手段と、前記足本体が前記障害物に干渉したと判断された場合に、該第１動作を中断する手段と、前記足本体を前記第１方向と逆の第２方向へ戻す第２動作を実施する手段と、前記第２動作の後若しくは該第２動作と一部を重複させて、前記足本体を前記第１方向及び前記第２方向と異なる第３方向へ移動する第３動作を実施する手段と、前記第３動作の後若しくは該第３動作と一部を重複させて、前記第１動作を再開する手段とを備えて構成される。
【００２０】
上記目的を達成するための本発明の第４の観点によれば、本発明の第３の観点に係る脚式移動ロボットの移動制御プログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な情報記録媒体が提供される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００２２】
図１及び図２は、本発明の実施に供される「人間型」の脚式移動ロボット１００が直立している様子を前方（図１）及び後方（図２）の各々から眺望した様子を示している。図示の通り、脚式移動ロボット１００は、脚式移動を行う可動脚としての左右２足の下肢１１０と、体幹部１２０と、左右の上肢１３０と、頭部１４０とで構成される。
【００２３】
左右各々の下肢１１０は、大腿部１１１と、膝関節１１２と、頸部１１３と、足首１１４と、足部１５０とで構成され、股関節１１５によって体幹部１２０の略最下端にて連結されている。また、左右各々の上肢１３０は、上腕１３１と、肘関節１３２と、前腕１３３とで構成され、肩関節１３４によって体幹部１２０の上方の左右各側縁にて連結されている。また、頭部１４０は、首関節１４１によって体幹部１２０の略最上端中央に連結されている。
【００２４】
なお、以下では、説明の便宜上、足部１５０の説明において、足部１５０の裏面の路面（床面）に当接する部分を含んで構成される面をＸ−Ｙ平面とし、該Ｘ−Ｙ平面内において、ロボットの前後方向をＸ軸とし、ロボットの左右方向をＹ軸とし、これらに直交する方向をＺ軸として説明する。
【００２５】
各関節には、アクチュエータが配設されている。該アクチュエータの駆動によってロボットの動作は実現される。装置の外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然形状に近似させることや、２足歩行という不安定構造体に対して姿勢制御を行うなどの種々の要請から、関節アクチュエータは小型且つ軽量であることが好ましい。このため、本実施の形態では、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内臓したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータを搭載することとした。なお、脚式ロボットに適用可能な小型ＡＣサーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願人に既に譲渡されている特願平１１−３３８６号明細書に開示されている。
【００２６】
体幹部１２０の内部には、図１及び図２上では見えていない主制御ユニットや電源回路その他の周辺機器類が搭載されている。
【００２７】
図３は、脚式移動ロボット１００の制御システムの構成の概略を示している。主制御ユニット（制御手段）３００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３０１と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）３０２と、動作パターンなどが格納されているＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）３０３と、脚式移動ロボット１００に搭載される各種センサ（不図示）の出力としてのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（不図示）を備えて構成され、これらはバス３０４を介して相互に接続されている。
【００２８】
ＲＯＭ３０３には、上記のデータの他、ＣＰＵ３０１がこのロボットを全体的に制御するためのプログラム及び後述する障害回避動作を実行するための障害物回避プログラム（移動制御プログラム）が予め格納されている。これらのプログラム及び情報は、コンピュータ読み取り可能な情報記録媒体に格納されたものを、書込装置を用いて当該ＲＯＭ３０３に書き込むことによりインストールされる。
【００２９】
また、詳細は後述するが、バス３０４には、一対の足部１５０にそれぞれ設けられた足部センサ処理ユニット（足部処理手段）４００が不図示の入出力制御部（Ｉ／Ｏ部）を介して接続されている。
【００３０】
ＣＰＵ３０１は、ＲＯＭ３０３に蓄えられている情報、各種センサの出力、及び足部センサ処理ユニット４００から供給される情報などに基づいて、脚式移動ロボット１００の動作を生成し、各関節に配置されたＡＣサーボ・アクチュエータ３０６への指令値を決定する。
【００３１】
また、これらのＡＣサーボ・アクチュエータ３０６は、バス３０４を介して主制御ユニット３００に接続され、ＣＰＵ３０１で計算された各関節に対する指令値を受け取ることが可能となっている。ＡＣサーボ・アクチュエータ３０６は、この指令値に従って作動され、脚式移動ロボット１００の歩行動作及び後述する障害物回避動作を含む各種の動作が実現される。
【００３２】
次に、足部１５０及び下肢（可動脚）１１０との連結部の構造について説明する。図４は、足部１５０及び下肢（可動脚）１１０との連結部分の断面構成を示す図である。
【００３３】
足部（足本体）１５０は、左右各々の下肢１１０の足首１１４に連結される足甲部材１１０１及び路面に直接接地される足底部材１１５１を備えて構成され、足底部材１１５１を足甲部材１１０１に遊動可能に取り付けた二重構造となっている。
【００３４】
下肢１１０の足首１１４の脚側連結部１００１には、連結固定位置決め突起１００２と、電気接続用のコネクタ１００３が配置されている。連結固定位置決め突起１００２の側面には切欠部１００４が形設されている。
【００３５】
一方、足部１５０を構成する足甲部材１１０１の上部に形設された連結部には、連結固定位置決め凹部１１０２と、電気接続用コネクタ１１０３と、コネクタ１００３の収容部１１０４と、連結固定用アクチュエータ１１０５が配設されている。
【００３６】
連結固定用アクチュエータ１１０５の略先端には、位置決めピン１１０６が連結固定位置決め凹部１１０２の底面に沿う前後方向（Ｘ軸方向）に出没自在に取り付けられている。この位置決めピン１１０６は、連結固定位置決め凹部１１０２の内部に進出した状態では、連結固定位置決め突起１００２の側面に形設された切欠部１００４に嵌合するようになっている。図４に示す状態では、連結固定用アクチュエータ１１０５の作動により、位置決めピン１１０６は埋没しているので、連結固定位置決め突起１００２を連結固定位置決め凹部１１０２に対して挿脱自在となっている。
【００３７】
足底部材１１５１はその上面が開放された略矩形箱状の部材であり、略矩形板状の底板部１１５２及びその周囲に沿って一体的に立設された側板部（外枠部）１１５３を有している。底板部１１５２の上面は足甲部材１１０１の下面に摺動可能に当接している。ここでは、底板部１１５２の下面により足部１５０の足裏面が構成される。底板部１１５２の下面と側板部１１５３の外面との境界部分は、路面の凹凸などへの躓きを抑制するため、Ｒ面（円弧面）又は滑らかな曲面となっている。
【００３８】
足底部材１１５１の側板部１１５３の内側の形状は、足甲部材１１０１の側面の形状に対して僅かに大きい相似形状となっている。足甲部材１１０１の側面は、足底部材１１５１の側板部１１５３の内面に僅かな隙間（遊び）をもって対面しており、これにより足底部材１１５１は足甲部材１１０１に対して、該足甲部材１１０１の下面に沿って、すなわちＸ−Ｙ平面内において、任意の方向に遊動できるようになっている。
【００３９】
足底部材１１５１は、遊脚時に足甲部材１１０１から落下しないように、且つＸ−Ｙ平面内における遊動を制限しないように、不図示の保持機構を介して足甲部材１１０１に取り付けられている。この保持機構は、足底部材１１５１の交換のため、容易な操作で着脱する機構をも備えていることが望ましい。
【００４０】
足底部材１１５１の側板部１１５３の内面と足甲部材１１０１の側面の間には、緩衝部材（緩衝手段）１１５４が介装されている。この緩衝部材１１５４としては、ここでは、無端状のゴムシートを採用し、足底部材１１５１の側板部１１５３の内面と足甲部材１１０１の側面の間の隙間を完全に埋めるように介装されている。但し、緩衝部材１１５４はこのようなものに限定されず、板バネ、スポンジ、固形ないし半流動体状の粘性手段を採用してもよい。
【００４１】
また、足部の組立時に足底部材１１５１の側板部１１５３の内面と足甲部材１１０１の側面の間の隙間に、硬化ないし凝固した状態で弾性及び／又は粘性を生じるような接着剤を充填して、相互に接着するようにしてもよく、このようにすることで、当該隙間への異物の進入が防止できるとともに、足底部材１１５１を足底部材１１０１に遊動可能に取り付けるための保持機構を採用することなく、同様の効果を得ることができるので都合がよい。
【００４２】
なお、ここでは、足底部材１１５１は足甲部材１１０１に対して、該足甲部材１１０１の下面に沿って任意の方向に遊動できるように構成したが、Ｘ軸方向やＹ軸方向などのように特定の方向にのみ遊動できるように構成してもよい。また、上述したような緩衝部材は、足底部材１１５１の側板部１１５３の内面と足甲部材１１０１の側面の間の隙間を完全に埋めるように介装すれば、その隙間に異物などの進入を防止することができる点で好ましいが、必ずしもそのようにする必要はなく、間欠的に配設するようにしてもよい。また、緩衝部材は必須ではなく、緩衝部材を完全に省略してもよい。
【００４３】
また、この実施形態では足部１５０を足甲部材１１０１と底板部１１５２を有する足底部材１１５１とで構成しているが、足底部材１１５１の底板部１１５２を省略して、矩形状の側板部１１５３のみとし、足甲部材１１０１の裏面を路面に対する接地面としてもよい。この場合、当該側板部１１５３は足甲部材１１５１の側面に対する外力の作用に対して、これを保護する外枠部材（外枠部）となる。この場合の外枠部材１１５３は、足甲部材１１０１の側面を全体的に取り囲むことになるが、必ずしもこのような構成にする必要はなく、外枠部材１１５３として、足甲部材１１０１の側面の一部（例えば、ロボットの正面側の側面）のみに対面する部材とし、これを緩衝部材を介して取り付けるようにしてもよい。
【００４４】
図５は、足甲部材１１０１が脚側連結部１００１に対して取り付けられた状態での連結部分の断面構成を示す図である。
【００４５】
連結固定位置決め突起１００２が連結固定位置決め凹部１１０２内に完全に挿入された状態で、連結固定用アクチュエータ１１０５の作動により位置決めピン１１０６を進出させ、連結固定位置決め突起１００２の先端部を切欠部１００４に嵌合させることによって、足甲部材１１０１は脚側連結部１００１に対して強固に連結される。
【００４６】
このとき、脚側のコネクタ１００３は、収容部１１０４内に収容され、その最奥部のコネクタ１１０３に機械的に嵌合するとともに、コネクタ１００３の端子とコネクタ１１０３の対応する端子とが電気的に接続される。この結果、脚側、すなわちロボット本体側から足甲部材１１０１への電力の供給及び相互間におけるデータ通信が可能な状態となる。
【００４７】
足甲部材１１０１の連結固定位置決め凹部１１０２の底面には、さらに凹部１１１１が形成されており、この凹部１１１１には、電気回路基板１１１２が収容されている。電気回路基板１１１２を設ける位置は、足甲部材１１０１上であれば、他の位置にしてもよい。この電気回路基板１１１２には、足部センサ処理ユニット４００及び電源ユニットなどが搭載されている。
【００４８】
図６は、足部センサ処理ユニットの構成の概略を示している。足部センサ処理ユニット（足部処理手段）４００は、ＣＰＵ４０１と、ＲＡＭ４０２と、ＲＯＭ４０３と、足部１５０に搭載される各種センサ４０６，４０７の出力としてのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器４０５と、不図示の入出力制御部（Ｉ／Ｏ部）を備えて構成され、これらはバス４０４を介して相互に接続されている。
【００４９】
足部センサ処理ユニット４００の入出力制御部は、主制御ユニット３００の入出力制御部と、不図示の通信ケーブルにより相互に接続されている。これにより、足部センサ処理ユニット４００と主制御ユニット３００とは、相互間でデータ通信を行うことができるようになっている。なお、この通信ケーブルは、コネクタ１１０３、１００３を介して分離可能に接続される。
【００５０】
ＲＯＭ４０３には、ＣＰＵ４０１によって実行される、センサ出力処理プログラムなどのプログラムが格納されているとともに、後述する足情報も格納されている。
【００５１】
足甲部材１１０１には、力センサ４０６や加速度センサ４０７などのセンサが配設されている。力センサ４０６は、Ｚ軸方向の圧力を検出するセンサであり、図示は省略するが、足甲部材１１０１の下面（足底部材１１５１の上面に当接する面）に配設されている。これらの力センサ４０６は、ＺＭＰを算出するために用いられるもので、この実施の形態では、足甲部材１１０１の下面の四隅近傍にそれぞれ、すなわち４個設けられている。
【００５２】
これらの力センサ４０６は、それぞれ金属ダイヤフラムと４つの歪ゲージからなり、４つの歪ゲージでブリッジ回路を形成し、該歪ゲージを金属ダイヤフラムに貼着して構成される。足甲部材１１０１の下面が足底部材１１５１の上面に当接しているとき、前記金属ダイヤフラムの変形量（歪量）が電気信号として出力されるので、この出力を換算することにより、力センサ４０６の配置された位置に作用する足底部材１１５１からのＺ軸方向の力を求めることができる。但し、力センサ４０６はこのような構成のものに限定されず、他の構成のものを採用してもよい。ＺＭＰ検出用の力センサ４０６の数や配設位置も上記に限定されない。
【００５３】
また、足甲部材１１０１には加速度センサ４０７も搭載されている。この加速度センサ４０７は、足部１５０のＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向の加速度を検出するものであり、特に限定されないが、例えば、バネ要素及びダンパー要素で支持されたおもり要素を有し、該おもり要素の変位を計測する振動計を用いることができる。なお、ここではＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向の加速度を検出するものとしたが、これらの内の１軸又は２軸方向のみの加速度を検出するもの、あるいは任意の１軸方向の加速度を検出するものとしてもよい。加速度センサ４０７を設ける位置は、特に限定されず、足甲部材１１０１の任意の位置に設けることができる。
【００５４】
この加速度センサ４０７の出力は足部センサ処理ユニット４００に送られ、ＣＰＵ４０１は、これに基づき足部（足裏接地面、Ｘ−Ｙ平面）の水平面に対する傾斜角度を算出する。また、片脚支持期においては、遊脚側の加速度センサ４０７の検出値の変化に基づいて、遊脚に衝撃が加えられたときのその衝撃の大きさを算出したり、ロボットの歩行動作中などにおける躓きの検出を行い、後述する障害物回避動作を行うための基礎情報の一つとして利用される。
【００５５】
足部センサ処理ユニット４００によって求められたこれらの情報も、上述したＺＭＰと同様に主制御ユニット３００に転送され、各部を制御するための基礎情報として用いられる。
【００５６】
これらのセンサ４０６，４０７は、図示しないオペアンプを介して足部センサ処理ユニット４００のＡ／Ｄ変換器４０５に電気的に接続されている。各センサ４０６、４０７の出力のゲイン調整は、Ａ／Ｄ変換器４０５のダイナミックレンジに応じて予め行われていることは言うまでもない。
【００５７】
足部センサ処理ユニット４００のＲＯＭ４０３には、足部１５０に関する情報として、以下に示すような足情報が予め記憶されている。
【００５８】
足情報とは、主制御ユニット３００が軌道計算、その他の演算を実行する際に必要とされる当該足部１５０に固有な情報を含む情報であり、具体的には、足識別情報、足構造情報、足センサ情報などで構成される。
【００５９】
足識別情報は、足部１５０を他の足部から識別するために付与された識別情報（ＩＤ）である。足構造情報は、足甲部材１１０１及び足底部材１１５１並びにその構成部材の寸法（形状）、材質、重量、接地面の摩擦係数などの情報である。足構造情報のうち、足底部材１１５１の路面に対する接地部（接地面）の形状（足底形状）は制御演算上、特に重要である。これらは、例えば数式（二次元近似式）やビットマップ形式で表現することができる。
【００６０】
足センサ情報は、足甲部材１１０１に配設されている各種センサについての情報であり、その識別情報（該センサを他のセンサから識別するためのＩＤ）、個数、配置、特性などで構成される。この実施の形態では、足甲部材１１０１には、ＺＭＰ検出用の力センサ４０６、衝突検出若しくは路面傾き検出用の加速度センサ４０７が配設されているので、これらのセンサについてのセンサ情報が記憶される。足甲部材１１０１（又は足底部材１１５１）に、他のセンサ、例えば、接地面の路面に対する接地、非接地を検出する路面接地検出センサ、着地した足部１５０の路面に対するずれ（滑り）を検出するセンサ、Ｘ軸方向又はＹ軸方向の圧力を検出する力センサなどを設けることもでき、その場合には、それらのセンサについてのセンサ情報が記憶される。
【００６１】
ここでは、足情報をデータの書き換えができないＲＯＭに記憶するようにしたが、データの書き換えができるＥＰＲＯＭ、ＳＲＡＭ、電源バックアップを条件としてＤＲＡＭなどに記憶するようにしてもよい。この場合には、足情報として、動的に変化する情報をも記憶せしめて、必要に応じて随時書き換えるようにすることができる。例えば、足センサ情報として、センサの経時的な特性変化を示すログ情報を記憶させるようにするとよい。
【００６２】
足情報としては、上記の他に、足部１５０に関するあらゆる情報を記憶することができる。なお、足部１５０に直接関係のない情報を記憶しておいてもよい。
【００６３】
足甲部材１１０１に設けられた足部センサ処理ユニット４００のＲＯＭ４０３に記憶された足情報は、足甲部材１１０１の交換などにより、足甲部材１１０１が下肢１１０の足首１１４に連結された時、この脚式移動ロボットの初期化時（電源投入時又はリセット時）、又はその他の必要な時に、そのＣＰＵ４０１によりバス４０４を介して読み出され、入出力制御部及び通信ケーブルを介して、主制御ユニット３００に送られ、該主制御ユニット３００によって、各アクチュエータ３０６などへの指令値を求めるための演算を含む各種の制御演算に用いられる。
【００６４】
なお、足甲部材１１０１の足首１１４への連結をアクチュエータ１１０５を用いて行うようにしたが、手動式のレバーを採用して、同様の機能を実現するようにしてもよい。この場合、当該手動式レバーの操作を、ロボットの腕部並びに手部を用いて行うことにより、足部脱着に伴う足部の固定及び開放を自律的に行うことができる。
【００６５】
また、様々な路面への適応が必要であることが想定される場合には、ロボットが１つ又は特定の複数個の足部（スペア）を携帯しながら脚式作業を行うことも有効である。未知の路面を歩行するロボットの場合、歩行して向かった先で路面対応のために足部の交換が必要になる可能性もある。例えば災害救助や惑星探索などのように難作業現場においては、路面があらかじめ特定できない場合が多い。逆言すれば、このような困難且つ過酷な状況こそ、歩行ロボットの活動が本来求められている作業環境であるとも言える。
【００６６】
足部センサ処理ユニット４００において、力センサ４０６、加速度センサ４０７のセンサ出力は、一定周期ごとにあるいは必要に応じてサンプリングされ、ＺＭＰや足部の傾斜角度などの値も一定周期ごとにあるいは必要に応じて算出される。
【００６７】
足部センサ処理ユニット４００による演算結果の主制御ユニット３００への転送は、主制御ユニット３００が所定の周期であるいは必要に応じてポーリングによって各足部についての足部センサ処理ユニット４００に情報（演算結果）の転送を要求して、これに応じて該情報を転送する。但し、各足部についての足部センサ処理ユニット４００側から、主制御ユニット３００のＣＰＵ３０１に対して割り込みをかけて、該情報を転送するようにしてもよい。場合によっては、これらの双方により該情報を転送するようにしてもよい。
【００６８】
上述した実施の形態においては、足部センサ処理ユニット４００のＣＰＵ４０１により、力センサ４０６及び加速度センサ４０７の出力に基づく所定の演算が実行され、演算結果を主制御ユニット３００に転送するものとしたが、２つのＣＰＵを設けて、ＺＭＰの演算と、足部の傾き又は躓きの検出のための演算などを別々のＣＰＵにより行うようにしてもよい。
【００６９】
また、足部センサ処理ユニット４００と主制御ユニット３００とは、それぞれに設けられた入出力制御部及びこれらを接続する通信ケーブルを介して相互に接続する形態としたが、足部センサ処理ユニット４００のバス４０４と主制御ユニット３００のバス３０４とを直接接続する形態を採用してもよい。さらに、足部センサ処理ユニット４００及び主制御ユニット３００に無線でデータ通信を行うためのデータ送受信装置及び／又は無線で電力を供給する電力送受信装置を配設すれば、これらの間を接続するケーブルなどを省略することができ、その分だけ構成が簡略化されるとともに、足部の交換作業も容易になる。
【００７０】
次に、主制御ユニット４００によって実行される障害物回避のための移動制御について、図７に示すフローチャートを参照して説明する。
【００７１】
まず、主制御ユニット４００は、各種センサからの情報、ＲＯＭ３０３の足情報、その他の情報に基づいて、足部１５０の軌道計算を実施しつつ、その結果に基づいて、遊脚（足部１５０）を移動する（ステップ７０１）。足部１５０の移動中において、足部１５０が路面に正常に着地したか否かを判断し（ステップ７０２）、正常に着地したと判断された場合には、この処理を終了する。なお、足部１５０の路面に対する着地の有無は、例えば、足部１５０に設けられた着地を検出するセンサの出力に基づいて判断される。
【００７２】
ステップ７０２において、足部１５０が未だ正常に着地していないと判断された場合には、加速度センサ４０７の出力に基づいて足部１５０が障害物に衝突ないし干渉（以下、単に干渉という）したか否かが判断される（ステップ７０３）。この判断は、この実施の形態では、足部センサ処理ユニット４００によって加速度センサ４０７の出力に基づいて行われ、干渉が検出された場合に、その判断結果が主制御ユニット３００に送られてくるようになっている。但し、主制御ユニット３００がこの判断を行うようにしてもよい。
【００７３】
ステップ７０３において、障害物に対して干渉していないと判断された場合には、ステップ７０１に戻って、足部１５０の移動を継続する。ステップ７０３において、障害物に対して干渉したと判断された場合には、所定の障害物回避動作が行われた後（ステップ７０４）、ステップ７０１に戻って、足部１５０の移動を継続する。
【００７４】
この障害物回避動作は、第１回避動作（ここでは後退動作）及び第２回避動作（ここでは上昇動作）から構成される。第１回避動作は、足部１５０の障害物に対する干渉を解消するための動作であり、例えば、障害物に干渉する直前の該足部の移動方向を第１方向として、該第１方向とは逆向きの第２方向に足部１５０を若干量だけ移動させる動作である。この場合の若干量とは、足部１５０が該障害物に対する干渉を解消できる程度の予め決められた量である。この量は、足底部材１１５１の足甲部材１１０１に対する遊動可能量などを考慮して決定される。
【００７５】
第２回避動作は、障害物への干渉が解消された足部１５０を該障害物に対して迂回させるための動作であり、前記第１方向及び前記第２方向とは異なる第３方向へ足部１５０を所定量だけ移動する動作である。例えば、該第１方向及び第２方向に略直交する方向へ足部１５０を所定量だけ移動する。ここでは、鉛直上方向に移動するものとした。この場合の所定量としては、該障害物を迂回することを十分に期待できる程度の大きさに設定することができる。但し、障害物の大きさは、必ずしも予期できないので、このロボットの大きさやロボットの主たる用途、場所などを考慮して適宜に値に設定すればよい。
【００７６】
上述した第１回避動作における若干量及び第２回避動作における所定量は、予め適宜に決めておくものとして説明したが、その何れか一方又は双方をその時点で動的に決定するようにしてもよい。例えば、このロボットがＣＣＤなどの視覚センサを備えている場合には映像認識によって、該障害物の大きさや形状の概略を特定することができるので、その認識結果に基づいて設定するようにできる。
【００７７】
また、上述した説明では、第１回避動作を行った後に、第２回避動作を行うようにしており、その方が障害物回避の確実性が高いが、障害物回避の高速化の観点からは、これらを同時にあるいは一部を重複させて並行的に行うようにするとよい。
【００７８】
第２回避動作における移動方向（第３方向）は、一般的には、路面に存在する若干の段差や小物などの障害物を回避することが多いと考えられるので、鉛直上方向への移動とすることがより多くの場面で効果的であると考えられる。但し、水平面内での移動など、他の方向への回避動作であってもよい。回避の方向についても、予め決めておいてもよいが、上述したようなＣＣＤなどの視覚センサを備えている場合には該障害物の映像認識結果に基づいて、動的に決定するようにしてもよい。なお、上述した第１回避動作は本発明にいう第２動作に相当し、上述した第２回避動作は本発明にいう第３動作に相当する。
【００７９】
図８は、路面上に存在する物体を回避する動作を示している。同図は、Ａ地点に接地している足部１５０をＢ地点に移動する場合を考えている。足部１５０を通常の軌道計算に従って移動すると、足部１５０の先端部が障害物としての物体５００に衝突する。このとき、加速度センサ４０７の出力から求められる加速度が急激に変化するので、主制御ユニット３００は、足部１５０が何らかの障害物に衝突したことを認識する。ここで上述した回避動作を行い、すなわち、足部１５０の後退と上昇を行い、軌道を再計算して、Ｂ地点に向けて移動を行い、当該Ｂ地点に着地する。なお、同図では、障害物回避動作としての後退と上昇の前半部分を同時に行い、さらに後退の終了後、Ｂ地点への移動と上昇の後半部分を同時に行うようにして、動作速度を速めている。但し、後退の終了後に上昇を行い、上昇の終了後にＢ地点へ向けた移動を開始するようにしてもよい。
【００８０】
通常のロボットの歩行に際しては、路面上の凹凸などとの干渉を回避する観点から、足部１５０を鉛直上方向にある程度持ち上げてから、着地点の上まで水平移動を行い、その後に鉛直下向きに降下して、着地点に着地するという制御が行われている。これは路面の凹凸の有無に拘わらず、一律に行われるため、ロボットの歩行動作を遅くすることになる。しかしながら、上述したような回避動作を行うことができる本実施形態のロボットは、人間の歩行動作により近い放物線状の歩行軌道を採用することが可能となり、障害物がない場合に高速歩行を実現することができ、障害物がある場合にも、それほど動作速度を低下させることなく安定した歩行を行うことができる。
【００８１】
図９は、路面上に存在する段差や階段の昇りを行う場合の動作を示している。同図は、Ａ地点に接地している足部１５０をＡ地点よりも高いＢ地点に移動する場合を考えている。足部１５０を通常の軌道計算に従ってＡ地点と同じ高さのＣ地点に向けて移動すると、足部１５０の先端部が障害物としての段差６００に衝突する。このとき、加速度センサ４０７の出力から求められる加速度が急激に変化するので、主制御ユニット３００は、足部１５０が何らかの障害物に衝突したことを認識する。ここで上述した回避動作を行い、すなわち、足部１５０の後退と上昇を行い、軌道を再計算して、Ｃ地点（又はＣ地点とＢ地点の間の仮想地点）に向けて移動を行う。このとき、足部１５０が再度障害物に衝突したことを認識する。ここで、再度上述した回避動作を行い、Ｂ地点に着地することになる。このような動作を順次行うことによって、階段昇りをも容易に行うことができる。
【００８２】
上述した実施の形態においては、足部１５０に設けた加速度センサ４０７の出力に基づいて、足部１５０の障害物への干渉の有無を判断するようにしたが、本発明はこれに限定されず、加速度センサ４０７に代えて、圧力センサ（ＺＭＰ検出用センサとは別の足部１５０の側部に作用する圧力を検出するもの）を足部１５０に設け、該圧力センサの出力から障害物への干渉の有無を判断するようにしてもよい。この場合の圧力センサは、足甲部材１１０１の側面又は足底部材１１５１の側板部１１５３の何れに設けてもよく、足甲部材１１０１の緩衝部材１１５４との当接面に設け、あるいは足底部材１１５１の側板部１１５３の緩衝部材１１５４との当接面に設けてもよい。また、何らかの障害物への干渉を検出できるセンサであれば、他の種類のセンサでも勿論よい。
【００８３】
上述した本発明の実施の形態によれば、足部１５０に設けられた加速度センサ４０７の出力に基づいて、足部１５０の障害物への干渉を検出し、所定の回避動作を行って、該障害物を迂回して、該足部１５０を着地させるようにしたので、障害物の有無に拘わらず、安定した歩行動作を行うことができるとともに、段差や階段昇りも容易に行うことができる。
【００８４】
また、足底部材１１５１は足甲部材１１０１に遊動可能に取り付けられるとともに、これらの間に緩衝部材１１５４を介装したので、ロボットの歩行動作時に、何らかの障害物に足部１５０が干渉した場合であっても、緩衝部材１１５４の作用により、足甲部材１１０１への衝撃が少ないとともに、軽微な干渉である場合には、足底部材１１５１の遊動によって直ちに解消することが可能である。
【００８５】
さらに、足部１５０に設けられた加速度センサ４０７の出力に基づいて、同じく足部１５０に設けられた足部センサ処理ユニット４００が当該足部１５０の障害物への干渉の有無を判断するための所定の演算処理を実行し、演算結果をロボット本体の主制御ユニット３００に転送するようにしたので、その分だけ該主制御ユニット３００の処理負担が軽減され、主制御ユニット３００は他の演算処理に専念することができ、緊急度の高い処理を良好な応答性をもって実行できるようになる。
【００８６】
また、足部１５０に配設された各種センサ４０６，４０７は、足部センサ処理ユニット４００に接続され、足部センサ処理ユニット４００と主制御ユニット３００とが通信ケーブルによって接続されているため、ロボット内部の配線は、各種センサ４０６，４０７と主制御ユニット３００とを直接接続する場合と比較して、ロボット内部の配線やコネクタ部の構成を簡易なものとすることができる。上述した無線通信によってデータ通信する場合には、通信のチャネル数を少なくできるという利点もある。
【００８７】
さらに、足部の各種センサ４０６，４０７と、その検出値に基づいて演算処理を行う足部センサ処理ユニット４００との間は、非常に近いので、センサ出力に重畳されるノイズが少なくなり、より正確な処理結果を得ることができる。
【００８８】
上述した実施の形態では、加速度センサ４０７を足甲部材１１０１に設けるものとしたが、足底部材１１５１に設けてもよく、このようにした場合、足底部材１１５１に設けた加速度センサの出力に基づき足部の障害物への干渉を検出してから、足底部材１１５１が足甲部材１１０１に対して相対的に遊動限界にまで遊動し、足甲部材１１０１にその衝撃が完全に伝達されるまでには、ある程度のタイムラグがあるので、この間に、上述した回避動作を行うための処理を行うことができるようになり、ロボットの姿勢制御性、姿勢安定性を向上することができる。
【００８９】
上述した実施の形態のように、加速度センサ４０７を、遊動可能な足底部材１１５１ではなく、足甲部材１１０１に設けた場合には、センサ４０７を足底部材１１５１側に設ける場合と比較して、センサ４０７と足部センサ処理ユニット４００をつなぐ配線に可動部がなく、配線によって足底部材１１５１の遊動が阻害されたり、足底部材１１５１の遊動により該配線が損傷したりすることが少ない。
【００９０】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。従って、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００９１】
【発明の効果】
本発明によれば、足本体の側部への外力の作用を検出するセンサを備えているので、その検出値に基づいて制御手段が該足部が何らかの障害物に衝突ないし干渉したことを判断することが可能であり、該障害物を回避するための制御を行うことができるようになる。従って、安定的に歩行動作を継続することができるようになるという効果がある。また、段差や階段昇りを容易に行い得るようになるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る脚式移動ロボットの斜め前方から見た斜視図である。
【図２】 本発明の実施の形態に係る脚式移動ロボットの斜め後方から見た斜視図である。
【図３】 本発明の実施の形態に係る脚式移動ロボットの主制御ユニットの構成を示す図である。
【図４】 本発明の実施の形態の足部を足首から分離した状態における該足部及び連結部の構成を示す断面図である。
【図５】 本発明の実施の形態の足部を足首に連結した状態における該足部及び連結部の構成を示す断面図である。
【図６】 本発明の実施の形態に係る脚式移動ロボットの足部センサ処理ユニットの構成を示す図である。
【図７】 本発明の実施の形態の主制御ユニットによる障害物回避処理を示すフローチャートである。
【図８】 本発明の実施の形態の障害物を回避する様子を示す図である。
【図９】 本発明の実施の形態の段差又は階段昇りを行う様子を示す図である。
【符号の説明】
１５０…足部
３００…主制御ユニット（制御手段）
４００…足部センサ処理ユニット（足部処理手段）
４０７…加速度センサ（センサ）
１１０１…足甲部材
１１１２…足部電気回路基板
１１５１…足底部材
１１５３…側板部（外枠部）
１１５４…緩衝部材（緩衝手段）

Claims (6)

1. 可動脚と、前記可動脚の先端部に前記可動脚に対して遊動可能に設けられる足本体と、前記足本体に設けられた前記足本体の側部への外力の作用を検出する少なくとも一つの加速度センサと、前記加速度センサの出力を含む情報に基づき前記可動脚の運動を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記足本体を前進方向へ移動する前進動作中に、前記加速度センサの出力に基づき該足本体が障害物に干渉したことを検出した場合に、前記足本体を後退方向へ移動する後退動作を行い、この後退動作中に前記足本体を鉛直方向へ移動する上昇動作を実施し、前記後退動作の終了後、前記前進動作を行い、この前進動作中に前記足本体を鉛直方向へ移動する上昇動作を実施するように制御することを特徴とする脚式移動ロボット。
2. 前記加速度センサの出力を演算処理し、演算結果を前記制御手段に供給する足部処理手段を、前記足本体に設けたことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボット。
3. 前記足本体は、該足本体の側部に離間して対面するように設けられた外枠部、及び該外枠部と該足本体の側部との間に介装された緩衝手段を有することを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボット。
4. 可動脚と、該可動脚の先端部に前記可動脚に対して遊動可能に設けられる足本体とを備えた脚式移動ロボットの移動制御方法であって、前記足本体を前進方向へ移動する第１動作中に、加速度センサの出力に基づき該足本体が障害物に干渉したことを検出した場合に、前記足本体を後退方向へ移動する後退動作を行い、この後退動作中に前記足本体を鉛直方向へ移動する上昇動作を実施するステップと、前記後退動作の終了後、前記前進動作を行い、この前進動作中に前記足本体を鉛直方向へ移動する上昇動作を実施するステップと、を含むことを特徴とする脚式移動ロボットの移動制御方法。
5. 可動脚と、該可動脚の先端部に前記可動脚に対して遊動可能に設けられる足本体と、該足本体の側部への外力の作用を検出する加速度センサとを備えた脚式移動ロボットの移動制御プログラムであって、前記足本体を前進方向へ移動する第１動作中に、前記加速度センサの出力に基づき該足本体が障害物に干渉したか否かを判断する手段と、前記足本体が前記障害物に干渉したと判断された場合に、前記足本体を後退方向へ移動する後退動作を行い、この後退動作中に前記足本体を鉛直方向へ移動する上昇動作を実施する手段と、前記後退動作の終了後、前記前進動作を行い、この前進動作中に前記足本体を鉛直方向へ移動する上昇動作を実施する手段と、を備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの移動制御プログラム。
6. 請求項５に記載の脚式移動ロボットの移動制御プログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な情報記録媒体。

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