JP4982413B2 - 脚車輪型移動ロボット - Google Patents

Description

本発明は脚先に車輪を備えた脚移動ロボットの起立動作に関するものである。

様々なロボットにおいて転倒を判断する方法としてＺＭＰ（ZeRo Moment Point）と支持凸多角形を用いるものがある。ＺＭＰとは接地点の抗力中心であり、抗力によるモーメントが０になる床面上の点である。支持凸多角形とはロボットが接地しており、荷重をかけることができる部分を内包する最小の凸多角形を指す。この支持凸多角形の辺上を除いた内部にＺＭＰが収まっている場合にはロボットは転倒せず、ＺＭＰを支持凸多角形に収まるようにしつつ脚や車輪を駆動することによって移動を行うことが出来る。

ＺＭＰによる２足動作を行っているものとして特許文献１，２，非特許文献１が知られている。

これら特許文献１，２及び非特許文献１に示されるような多リンク機構により自重を支えるロボットでは移動する場合に脚の自由度を利用することで、路面の凹凸，段差，溝を踏破する性能が高い。しかし、多リンク機構のリンク間角度を常に制御していなければＺＭＰが支持凸多角形の辺上に達し転倒するために姿勢維持に常にエネルギーを費やさねばならないという問題がある。そのため各リンク間角度を制御していない間は移動時とは異なる姿勢をとるか、補助具を用いることで脚の自由度を制限し姿勢を維持しなければならない。

特開平５−３０５５７９号公報 特開２００１−１３８２７２号公報 オーム社「ヒューマノイドロボット」ＩＳＢＮ４−２７４−２００５８−２

２脚を備えたロボットが転倒した後に復帰する途中の姿勢として、または待機時に各関節の制御を行わずともＺＭＰを支持凸多角形に収めることのできる姿勢として脚を屈曲させ、起立姿勢より接地部分を増やした待機姿勢を取るとする。この待機姿勢から脚を伸展し起立した姿勢を取るためには従来のロボットでは上半身を傾斜させ、ＺＭＰを起立姿勢と待機姿勢で共通な支持凸多角形に移動させ、その後ＺＭＰが支持凸多角形から外れないように脚を伸展させ起立姿勢をとる手法がある。また、ロボットを左右のいずれかに傾斜させ一方の脚のみで成す支持凸多角形にＺＭＰを収め、他方の脚を動かし、ロボットの傾斜を取り除きＺＭＰを左右の中央に戻した時にＺＭＰが待機姿勢と待機姿勢から脚を伸展させた姿勢で共通な支持凸多角形内に収まるようにし、その後ＺＭＰが支持凸多角形から外れないように脚を伸展させ、脚をそろえることで起立姿勢を取る方法がある。

しかし前者の方法では脚の上部リンクと下部リンクの長さが大きく異なる場合、上半身の重量が十分でない場合、上半身の重心が荷物を持つことなどで大きく支持凸多角形から離れている場合などでは上半身の前後方向の傾斜によりＺＭＰを支持凸多角形内に収めるためには上半身を大きく傾斜させる必要があり、これはロボットの可動範囲による制約や、大きく傾斜させることで周囲との衝突が起きる可能性が生じるなどの問題がある。後者の方法ではＺＭＰを片側の脚のみが成す支持凸多角形内に収める必要があるため、支持凸多角形の面積大きくとることができず外乱により転倒の危険があった。また、ロボットの上半身を水平に保つ必要がある場合では、上半身の傾斜を打ち消すために回転関節を追加する必要があり、機構が複雑になるという問題点がある。

本発明の目的は足を屈曲させ、車輪と脚とを接地させ支持凸多角形を大きくとった待機姿勢から、脚を伸展し移動に関し大きな自由度を持つ起立姿勢に安定して遷移することのできるロボット装置を提供することにある。

上記目的は、複数のリンクと前記リンクを屈曲駆動するように接続する複数の関節とを備えた２本の脚と、前記２本の脚の一端に前記関節を介して接続される胴体部と、前記脚の各々の他端に回転駆動するように設けられた車輪と、前記脚と前記車輪の動作を制御する制御手段とを備えた脚車輪型移動ロボットにおいて、前記制御手段は、前記脚に備えられた関節を屈曲して前記車輪と、前記脚をそれぞれ接地させた姿勢から前記２本の脚の一方を前記車輪の接地を保ったまま前記車輪の進行方向に動かし、前記２本の脚の前記車輪のみが接地する姿勢を取るように制御する制御手段を備え、前記脚車輪型移動ロボットにおいて前記脚車輪型移動ロボットの重心が２つの前記車輪の間にない場合、３点以上接地させるものであって、前記制御手段は、前記車輪が全て接地する工程と、前記脚の片方をＺＭＰが支持凸多角形の内部にあるようにしながら前方に送り出す工程と、ＺＭＰが、車輪接地点が作る線分上に十分近づくように制御する工程と、倒立状態に移行する工程とを有する制御を行うことにより達成される。

また上記目的は、前記制御手段は前記２本の脚に備えられた前記複数の関節を屈曲し、前記車輪と前記２本の脚とを接地させた姿勢から前記脚の一方を前記車輪の接地を保ったまま前記車輪の進行方向に動かし、前記２本の脚の前記車輪のみが接地する姿勢を取り、その後前記２本の脚に備えられた前記複数の関節を前記２本の脚を伸展するように制御する制御手段を備えていることにより達成される。

本発明によれば、車輪と脚の一部を接地させ支持凸多角形を大きくとった待機姿勢から、上半身の重量バランスや上半身の傾斜角度制限にかかわらず、移動に関する高い自由度を持つ起立姿勢への安定した姿勢変化を行うことのできる脚車輪型移動ロボットを提供できる。

以下、本発明の実施例を図で説明する。

図１は本発明の一実施例を備えた脚車輪型移動ロボットの概略構成図である。
図２は本発明の一実施例を備えた脚車輪型移動ロボットの関節配置を示す図である。
図１，図２において、ロボット正面方向をＸ軸、側面方向をＹ軸、垂直方向をＺ軸とおいた。ロボット１は大きく脚部１０と胴部１００とから構成される。脚部１０は左右の脚１１Ｒ，１１Ｌからなり、それぞれは大腿部１２Ｒ，１２Ｌと、下肢部１３Ｒ，１３Ｌと、車輪１４Ｒ，１４Ｌからなっている。胴部１００は左右の脚１１Ｒ，１１Ｌの上部に位置する胴１０１と、後述する全ての関節と車輪の動作を制御する制御装置１１０と、胴の重力方向に対する傾斜角度Ψ、角速度ｄΨ／ｄｔを検出する傾斜角度検知装置１１１と、左右の腕１２０Ｒ，１２０Ｌとからなり、腕（左右）１２０Ｒ，１２０Ｌは上腕１２１Ｒ，１２１Ｌと、下腕１２２Ｒ，１２２Ｌと、ハンド１２３Ｒ，１２３Ｌとからなる。

これら脚または腕を区別する必要がある場合はＹ軸正方向のものを表す場合は「Ｒ」を、Ｙ軸負方向のものを表わす場合は「Ｌ」を末尾に付した。大腿部１２Ｒ，１２Ｌと胴部１００の間にはＹ軸方向を中心軸とする回転関節２０Ｒ，２０Ｌが、大腿部１２Ｒ，１２Ｌと下肢部１３Ｒ，１３Ｌとの間にはＹ軸方向を中心軸とする回転関節２１Ｒ，２１Ｌが設けられている。下肢部１３Ｒ，１３Ｌの下にはＹ軸方向を中心軸とする車輪回転関節２２Ｒ，２２Ｌに車輪１４Ｒ，１４Ｌが設けられている。胴１０１と上腕１２１Ｒ，１２１Ｌの間にはＸ軸方向を中心軸とする回転関節３０Ｒ，３０ＬとＹ軸方向を中心軸とする回転関節３１Ｒ，３１Ｌが設けられている。上腕１２１Ｒ，１２１Ｌと下腕１２２Ｒ，１２２Ｌの間にはＹ軸方向を中心軸とする回転関節３２Ｒ，３２Ｌが設けられている。また、全ての関節と車輪には角度検出機能を持つモータが取り付けられており制御装置１１０から指定されたトルクτを発生することが出来る。

本実施例のロボット１は移動時に車輪１４Ｒ，１４Ｌのみを接地させた姿勢である起立姿勢をとる。この姿勢では同軸二輪倒立振子制御を行う。倒立振子制御では、制御装置１１０が傾斜角度検知装置１１１より胴体の重力方向に対する傾斜角度Ψ，角速度ｄΨ／ｄｔ，車輪１４Ｒ，１４Ｌより車輪回転角度と車輪回転角速度の情報を取得しフィードバックによって倒立を維持したまま移動させる。移動を行わない場合は安定性を高めるためにロボット１は待機時に大腿部１２Ｒ，１２Ｌと下肢部１３Ｒ，１３Ｌを屈曲させ、車輪１４Ｒ，１４Ｌと下肢部１３Ｒ，１３Ｌの一部を接地させた姿勢をとる。この姿勢では支持凸多角形を大きくとることができる。以後これを待機姿勢と呼ぶ。

次に制御装置１１０中でのＺＭＰの算出方法について述べる。制御装置１１０はロボット１の備える全ての関節の角度，角速度情報と、傾斜角度検知装置１１１より得られる胴１０１の重力方向に対しる傾斜角度，角速度を入力として受け取る。これらを用いることで全身の重心位置を算出することができ、その手法は様々あるが例えば非特許文献１記載の方法などがある。求められたＸ−Ｙ面上での全身の重心位置ベクトルをＧ_xy、Ｚ軸方向をＧ_h、ロボット１の質量をＭ、とおくと床面上にあるＺＭＰ位置Ｚ_xyとの関係は重力定数ｇを用いて次式で表わされる。

図３は本発明の一実施例を備えた脚車輪型移動ロボットが待機姿勢（Ｓ１）から起立姿勢（Ｓ４，Ｓ５）への姿勢変化を示す図である。

図３において、ここでＳ１は大腿部１２Ｒ，１２Ｌと下肢部１３Ｒ，１３Ｌを屈曲させ、車輪１４Ｒ，１４Ｌと下肢部１３Ｒ，１３Ｌの一部を接地させた待機姿勢であり、Ｓ２は脚の一方を車輪進行方向に送り出すことのできる姿勢であり、Ｓ３はＺＭＰが車輪１４Ｒ，１４Ｌの接地点を両端とする線分上に位置する姿勢であり、Ｓ４は車輪１４Ｒ，１４Ｌのみが接地している起立姿勢であり、Ｓ５は２本の脚が進展し、左右が揃っている起立姿勢である。以上の手順で本実施例のロボット１は起立する。

最初に、ＺＭＰの算出方法について述べる。車輪１４Ｒ，１４Ｌの半径をｗ、待機姿勢時の地面と関節２０Ｒとの距離をＲ１、大腿部１２Ｒの長さをｕ、下肢部１３Ｒの長さをｄ、関節２０，２１の角度θ₂₀，θ₂₁とおく。関節角度θ₂₀，θ₂₁は胴１０１と大腿部１２，下肢部１３が一直線になっているときを基準にＹ軸方向に右ねじの関係で定義する。

まず、姿勢は車輪１４Ｒ，１４Ｌと下肢部１３Ｒ，１３Ｌの一部が接地した待機状態（Ｓ１）とする。この状態から右脚１１Ｒを車輪進行方向に前後させ、ＺＭＰを車輪１４Ｒと１４Ｌの接地点を両端とする線分上に持ってきた姿勢（Ｓ３）への手順を説明する。待機状態から一方の脚を車輪進行方向に送り出すためには幾何的条件より数式２が成立しなければならない

数式２では関節の左右を区別しないのでＲ，Ｌの添え字を省略している。待機状態（Ｓ１）にて数式２を満たしていない場合は関節２１Ｒ，２１Ｌを等しく伸展させ、数式２の条件を満たすようにする。また同時に制御装置１１０はＺＭＰを両脚の作る支持凸多角形に収まるように制御を行う。本実施例ではＲ１を最小にするように関節２１Ｒ，２１Ｌを伸展する（Ｓ２）。

数式２が成立するように関節２１を伸展した姿勢（Ｓ２）時の関節２１Ｒから車輪１４ＲまでのＸ方向距離をＡとする。制御装置１１０は右脚１１Ｒを車輪１４Ｒの設置を保ったまま前後方向にＡだけ動かしＺＭＰが車輪１４Ｒ，１４Ｌの接地点を両端とする線分上に位置する姿勢（Ｓ３）になるように制御する。このとき関節角度θ₂₀Ｒ，θ₂₁Ｒは車輪前後方向移動量Ａを用いると数式３の関係にある。車輪前後方向移動量Ａを連続して変化させ、数式３を数値的に解くことにより関節角度θ₂₀Ｒとθ₂₁Ｒの動作パターンが得られ、この動作パターンに従って制御装置１１０は関節２０Ｒ，２１Ｌを制御する。この時関節２０Ｒ，２０Ｌの地上からの高さは一定であるので胴部１００の左右傾斜は維持される。

以上のように常に３点以上接地させ支持凸多角形を大きくとることで姿勢変化中でも転倒の危険性を下げることができる。

車輪１４Ｒ，１４Ｌと下肢部１４Ｌが接地しており、ＺＭＰが車輪１４Ｒ，１４Ｌの接地点を両端とする線分上に位置する姿勢（Ｓ３）から車輪１４Ｒ，１４Ｌのみが接地している起立姿勢（Ｓ４）への姿勢変化は、制御装置１１０が車輪１４Ｒ，１４Ｌに対して数式４で表わされるトルクτを与えることにより倒立振子制御を行うことによって変化する。

ここでΨは車輪１４Ｒ，１４Ｌの回転角度の平均であり、ｄΨ／ｄｔはその時間微分であり、τは車輪回転関節２２Ｒ，２２Ｌが発生させる車輪駆動トルクである。車輪１４Ｒ，１４Ｌの平均回転角度Ψは倒立振子制御を行う直前の値を０としている。またＫはベクトルで表わされる制御ゲインでありこれは公知である手法、例えば特開昭６３−３０５０８２号公報などにより求めることができる。

車輪１４Ｒ，１４Ｌのみが接地する姿勢（Ｓ４）から車輪１４Ｒ，１４Ｌのみが接地し、脚を伸展し同軸二輪倒立振子制御を行う姿勢（Ｓ５）への姿勢変化について述べる。関節２１Ｒ，２１Ｌを伸展し、次に間接２０Ｒ，２０Ｌを動かし、車輪１４Ｒ，１４Ｌの左右を揃える。この時、前後方向の安定性は倒立振子制御で保障されるので脚の関節角度の動作パターンはトルク，回転角度，回転角速度制限の中で任意にとって良く、脚の進展と左右揃えを同時にやってもよい。

以上の手順に沿って動作することにより脚を折りたたみ支持凸多角形を大きくとった待機姿勢から脚を伸展している起立姿勢に安定して姿勢を変化させることができる。

以上の説明は右脚１１Ｒを主に用いているが、左脚を用いる場合も同様である。また、本実施例ではＸ軸を中心軸とする方向の回転関節を含んでいないために胴１０１の左右傾斜は一定としているが、Ｘ軸を中心軸とする方向回転関節を追加しＺＭＰが支持凸多角形にとどまる範囲内において胴１０１を任意に傾斜させてもよい。さらに腕（左右）１２０Ｒ，１２０Ｌなどに荷物を持った場合でも待機姿勢でＺＭＰが支持凸多角形内に留めることができているならばＺＭＰに荷物の影響を含めたうえで同様の手順を取ることにより安定して待機姿勢から起立姿勢への姿勢変化を行うことができる。

本発明の一実施例のロボットについての概略図である。 本発明の一実施例のロボットにおける関節構成を示す図である。 本発明の一実施例のロボットにおける待機姿勢から起立姿勢への姿勢変化を表す図である。

符号の説明

１ ロボット
１０ 脚部
１１Ｒ，１１Ｌ 脚（左右）
１２Ｒ，１２Ｌ 大腿部
１３Ｒ，１３Ｌ 下肢部
１４Ｒ，１４Ｌ 車輪
１００ 胴部
１０１ 胴
１１０ 制御装置
１１１ 傾斜角度検知装置
１２０Ｒ，１２０Ｌ 腕（左右）
１２１Ｒ，１２１Ｌ 上腕
１２２Ｒ，１２２Ｌ 下腕
１２３Ｒ，１２３Ｌ ハンド

Claims (2)

1. 複数のリンクと前記リンクを屈曲駆動するように接続する複数の関節とを備えた２本の
   脚と、前記２本の脚の一端に前記関節を介して接続される胴体部と、前記脚の各々の他端
   に回転駆動するように設けられた車輪と、前記脚と前記車輪の動作を制御する制御手段と
   を備えた脚車輪型移動ロボットにおいて、
   前記制御手段は、前記脚に備えられた関節を屈曲して前記車輪と、前記脚をそれぞれ接
   地させた姿勢から前記２本の脚の一方を前記車輪の接地を保ったまま前記車輪の進行方向
   に動かし、前記２本の脚の前記車輪のみが接地する姿勢を取るように制御する制御手段を
   備え、
   前記脚車輪型移動ロボットにおいて前記脚車輪型移動ロボットの重心が２つの前記車輪の間にない場合、３点以上接地させるものであって、
   前記制御手段は、
   前記車輪が全て接地する工程と、
   前記脚の片方をＺＭＰが支持凸多角形の内部にあるようにしながら前方に送り出す工程と、
   ＺＭＰが、車輪接地点が作る線分上に十分近づくように制御する工程と、
   倒立状態に移行する工程とを有する制御を行うことを特徴とする脚車輪型移動ロボット。
2. 請求項１記載の脚車輪型移動ロボットにおいて、
   前記制御手段は前記２本の脚に備えられた前記複数の関節を屈曲し、前記車輪と前記２
   本の脚とを接地させた姿勢から前記脚の一方を前記車輪の接地を保ったまま前記車輪の進
   行方向に動かし、前記２本の脚の前記車輪のみが接地する姿勢を取り、その後前記２本の
   脚に備えられた前記複数の関節を前記２本の脚を伸展するように制御する制御手段を備え
   ていることを特徴とする脚車輪型移動ロボット。

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