JP5286429B2 - 学習歩行ロボット装置及びその制御プログラム - Google Patents
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Description
本実施の形態の学習歩行ロボット装置(以下、ロボット装置という)は、主として人に毎日の生活を楽しんでもらいながら情報やサービスの提供を行うパーソナルホームコンシェルジュとしての働きを担っている。このために、ロボット装置には、「コミュニケーション知能」による自然なコミュニケーションと共に「移動知能」による生活空間内の自由な移動が求められる。従って、生活空間における様々な素材で構成される床面(歩行面)上を、ロボット装置を安定に歩行させる技術が必要かつ不可欠である。さらに、ホームユースであることに鑑みれば、その歩行技術を安価に構成することが必要である。
カメラ10は、ロボット装置1の周囲の環境を撮影する。赤外線測距センサ11は、ロボット装置1の現在位置から所定距離までの間の床面の凹凸状態を測定する。2軸ジャイロセンサ12は、ロボット装置1のXY軸周りの旋回角速度を測定する。3軸加速度センサ13は、ロボット装置1のXYZ軸方向の加速度を測定する。圧力センサ14は、左右の足裏に設けられてそれぞれの足にかかる荷重分布を測定する。
ロボット装置1の右膝部及び左膝部は、それぞれ右膝関節ピッチ軸111及び左膝関節ピッチ軸112の1自由度をもつ。右足首部は、右足首関節ピッチ軸113及び右足首関節ロール軸114の2自由度をもつ。左足首部は、左足首関節ピッチ軸115及び左足首関節ロール軸116の2自由度をもつ。
ロボット装置1は、導入された初期において行動範囲となる生活空間内の環境情報を自動で作成する。この環境情報は、後述するように、「位置座標」と「環境画像」と「床面の硬さ情報」と「サンプリングデータ」とを備えている。ロボット装置1は、生活空間内を隈なく歩行して、この情報を収集する。
ステップS04において、対応データ生成部34は、現在位置座標と撮影した環境画像とを対応付けて環境情報データベース42に格納する。図5は、座標位置と環境画像との対応を示す図である。図5では、カメラ10が1台設けられて画像が撮影されているが、環境画像は、カメラ10が複数段に設けられて撮影されたものであっても良いし、首関節ヨー軸102の回転に加えて首関節ピッチ軸101を回転させて上下方向にも撮影されたものであっても良い。なお、環境画像は、デジタルデータ化され、環境情報データベースに時系列順に保存され、予め設定したデータ量を超えた場合には、古い環境画像データから順に削除されて新たな環境画像データが保存されていく。
(2)上記制御を両足首同時に行い、所定の時間毎(例えば、20msec毎)に所定の回数だけ(例えば、10回)電流値の測定を行い、その所定の回数における電流値の平均値を算出する。両足首の電流値の平均値を加算した値を硬さを判定するときの電流値とする。
アクチュエータに流れる電流から、床面硬さを取得できる原理について説明する。例えば、床面がガラスである場合と絨毯である場合を想定する。床面が絨毯と柔らかい場合、足裏を傾けたときの支軸となる足側面側は床面が変形して凹むことにより、足裏と床面との接触面積が増加する。一方、床面がガラスの場合は、床面の変形がほとんどないため、足裏と床面との接触面積は絨毯の場合と比べると小さい。この結果、足裏を傾ける姿勢を保持するためにアクチュエータに必要とされる電流は、絨毯のほうがガラスのときよりも小さくなる。従って、アクチュエータの電流値が高ければ高いほど硬い床面であり、低ければ低いほど柔らかい床面であると判断することができる。
(2)基本歩行パターン算出部25は、図9に示す基本歩行パターン制御量データを抽出する。この基本歩行パターン制御量データは、床面の状態によらない制御量データであり、所定時間(歩行の1周期においてアクチュエータを制御する際の単位時刻)毎のアクチュエータの角度量で表される。ここで、基本歩行パターン制御量データはロボット装置1の各関節を動作させるアクチュエータ毎に設定されている。この基本歩行パターン制御量データは、歩行情報データベース41に格納されている。
つまり、基本歩行パターンは以下で表される式(線形倒立振子の運動関係を示す運動方程式の解)に基づいて生成される。
なお、ここではロボットの重心の高さは変化しないものと仮定している。
X’(t)=X(0)/{Tc・sinh(t/Tc)}+X’(0)・cosh(t/Tc)
Tc≡√(Z/G)
X(t):時刻tにおけるロボットのX軸方向の重心位置
X’(t):時刻tにおけるロボットのX軸方向の重心の速度
Z:ロボットの重心の高さ(定数)
G:重力加速度(定数)
Tc:ロボットの重心の高さと重力加速度によって決まる時定数
(3)歩行パターン生成部24は、選択した補正係数(図8)を対応する基本歩行パターンの制御量データ(図9)に掛けた値を新たな歩行パターンとする。これによって、床面の硬さに応じた歩行パターンを生成する。
ロボット装置に設けられた各センサ(ジャイロ、加速度、圧力)は、ロボットの歩行動作中の姿勢に関する時系列データを計測する。フィードバックゲイン生成部26は、歩行パターン生成部24が生成した現在の歩行パターンとこの測定データによる歩行状態とを比較して偏差を算出する。そして、この偏差がなくなるように制御用のフィードバックゲインを生成する。ここで生成されたフィードバックゲインは次の所定時間における歩行動作において使用される。
ステップS12においてNoの場合、即ち、まだ所定の繰返し数だけデータが収集されていない場合は、図3のステップS02に戻り、環境情報作成動作を繰り返して実行する。
図10は、このようにしてサンプリングデータ生成部29によって集められたサンプリングデータを示す図である。図10に示すように、床面の硬さの測定結果が同じであるとは限らない。また歩行結果も床面の硬さに対応して常に同じであるとは限らない。これは、床面の硬さの測定結果にばらつきが生じたり、たまたま床面が濡れているなどの理由により床面が実際に変化したりすることによる。
例えば、歩行結果が良(図10の「歩行結果」の欄が「○」)である回数が最も多い床面の硬さを測定結果として環境情報として登録する。また、異なる床面の硬さにおいて歩行結果が良である回数が同じ場合は、最初に歩行結果が最も多く量となった床面の硬さを測定結果として環境情報として登録する。
図4のステップS15において、環境情報作成領域内を隈なく探索して環境情報を作成したかどうかを調べる。ここで、環境情報作成領域とは、環境情報データベース42内に存在する全環境画像に対応した生活空間内の領域のことである。ステップS15でYesの場合、即ち環境情報作成領域内の環境情報作成を完了している場合は本処理を終了する。ステップS15でNoの場合、即ち環境情報作成領域内に未探索の領域が存在する場合は、ステップS16において、その領域に移動する。移動する領域は、本実施においては、赤外線測距センサ11の測定結果により凹凸が存在しない領域であればランダムでよい。そして、図3のステップS02からの処理を実行する。
上述の環境情報作成処理において、ロボット装置1が歩行する領域について環境情報が作成された。そのため、ロボット装置1は、環境情報が作成されている領域においては、この環境情報に従った歩行動作を実行する。上述のように環境情報は、ロボット装置1による学習の結果作成されたものである。従って、環境情報に従った歩行動作を学習歩行と呼ぶ。
ロボット装置1が歩行動作を開始する場合、ロボット装置1は目的地まで図12のフローに示す学習歩行動作を繰り返して実行する。
さらに、撮影した画像の一部分を用いて比較することで処理の効率化を図っても良い。この処理は、画像同士の厳密な比較を行うのではなく、同じ環境の画像を特定することが目的であるため、このような簡略化した処理であっても所要の目的を達成し、効率化を図ることができる。
そして、ステップS28において、所定の位置まで歩行したら次の学習歩行動作に備えるために歩行を停止する。
上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
Claims (6)
- 所定領域内を2足歩行する学習歩行ロボット装置において、
前記所定領域内のそれぞれの位置における床面の硬さを表す硬さ指標を測定する硬さ指標測定手段と、
前記床面の硬さ指標に基づいて歩行形態を選択して歩行動作を制御する制御手段とを有し、
前記硬さ指標測定手段は、前記学習歩行ロボット装置が直立した姿勢を保持したまま足首の関節ロール軸アクチュエータを駆動したときの前記アクチュエータに流れる電流値に基づいて、前記アクチュエータに流れる電流値が大きいほど前記床面が硬いとする硬さ指標を対応付けることを特徴とする学習歩行ロボット装置。 - 前記足首の関節ロール軸アクチュエータの駆動は、前記学習歩行ロボットの左右の足の床と接地している面の、前記学習歩行ロボットの中心を通る鉛直線と床面との交点から離れた側の辺を支軸として、前記交点に近い足の側面を持ち上げるよう前記関節ロール軸を駆動することを特徴とする請求項1記載の学習歩行ロボット装置。
- 前記足首の関節ロール軸アクチュエータの駆動は、前記学習歩行ロボットの左右の足の床と接地している面の、前記学習歩行ロボットの中心を通る鉛直線と床面との交点に近い側の辺を支軸として、前記交点に遠い足の側面を持ち上げるよう前記関節ロール軸を駆動することを特徴とする請求項1記載の学習歩行ロボット装置。
- 所定領域内を2足歩行する学習歩行ロボット装置を制御するプログラムにおいて、
前記所定領域内のそれぞれの位置における床面の硬さを表す硬さ指標を測定し、
前記床面の硬さ指標に基づいて歩行形態を選択して歩行動作を制御する動作を前記学習歩行ロボット装置に搭載されたコンピュータに実行させ、
前記硬さ指標の測定では、前記学習歩行ロボット装置が直立した姿勢を保持したまま足首の関節ロール軸アクチュエータを駆動したときの前記アクチュエータに流れる電流値に基づいて、前記アクチュエータに流れる電流値が大きいほど前記床面が硬いとする硬さ指標を対応付けることを特徴とする制御プログラム。 - 前記足首の関節ロール軸アクチュエータの駆動では、前記学習歩行ロボットの左右の足の床と接地している面の、前記学習歩行ロボットの中心を通る鉛直線と床面との交点から離れた側の辺を支軸として、前記交点に近い足の側面を持ち上げるよう前記関節ロール軸を駆動することを特徴とする請求項4記載の制御プログラム。
- 前記足首の関節ロール軸アクチュエータの駆動では、前記学習歩行ロボットの左右の足の床と接地している面の、前記学習歩行ロボットの中心を通る鉛直線と床面との交点に近い側の辺を支軸として、前記交点に遠い足の側面を持ち上げるよう前記関節ロール軸を駆動することを特徴とする請求項4記載の制御プログラム。
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