(57)【要約】【課題】多脚歩行ロボットが安定した状態で段差を歩行できること。【解決手段】複数の脚部１２を備え、これらの各脚部がリンク機構により構成されて膝関節１５を含む関節により屈曲可能に設けられた多脚歩行ロボット１０の段差歩行制御装置において、脚部１２の関節を駆動する駆動モータ１９と、駆動モータの駆動を制御する制御装置２０と、歩行路面１の段差２を検知する段差検知手段（撮像装置２２、距離画像センサ２３、姿勢センサ２４、距離センサ２５、接触センサ２６）とを有し、制御装置２０は、段差検知手段により段差２が検知されたときに、脚部１２と段差２との干渉を回避すべく膝関節１５の屈曲方向を変更するよう電動モータ１９の駆動を制御するものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の脚部を備え、これらの各脚部が、リンク機構により構成されて膝関節を含む関節により屈曲可能に設けられた多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置において、
前記脚部の前記関節を駆動する駆動手段と、前記駆動手段の駆動を制御する制御手段と、歩行路面の段差を検知する段差検知手段とを有し、
前記制御手段は、前記段差検知手段により前記段差が検知されたときに、前記脚部と前記段差との干渉を回避すべく前記膝関節の屈曲方向を変更するよう前記駆動手段の駆動を制御することを特徴とする多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置。
【請求項２】
前記制御手段は、多脚歩行ロボットが段差を昇り動作する場合に、前記多脚歩行ロボットの脚部における膝関節の屈曲方向を前記多脚歩行ロボットの進行方向に対する反対方向に曲げるべく変更し、前記多脚歩行ロボットが前記段差を降り動作する場合に、前記膝関節の屈曲方向を前記多脚歩行ロボットの進行方向に曲げるべく変更するよう駆動手段の駆動を制御することを特徴とする請求項１に記載の多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置。
【請求項３】
前記段差検知手段は、多脚歩行ロボットに取り付けられて前記多脚歩行ロボット周囲の画像データを取得する撮像装置、前記多脚歩行ロボットに取り付けられて前記多脚歩行ロボット周囲の３次元の距離データを取得する距離画像センサを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置。
【請求項４】
前記段差検知手段は、多脚歩行ロボットの脚部に取り付けられて前記脚部と段差との距離を計測する距離センサ、前記脚部に取り付けられて前記脚部と段差との接触状態を検知する接触センサを備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置。
【請求項５】
前記段差検知手段は、多脚歩行ロボットに取り付けられ、加速度センサ、角速度センサ、傾斜センサの単体もしくはその組み合わせにより前記多脚歩行ロボットの姿勢を検知する姿勢センサを備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置。
【請求項６】
複数の脚部を備え、これらの各脚部が、リンク機構により構成されて膝関節を含む関節により屈曲可能に設けられた多脚歩行ロボットの段差歩行制御方法において、
歩行路面の段差を検知する段差検知手段を用意し、この段差検知手段により前記段差が検知されたときに、前記脚部と前記段差との干渉を回避すべく前記膝関節の屈曲方向を変更することを特徴とする多脚歩行ロボットの段差歩行制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リンク機構で構成された多脚歩行ロボットが階段などの段差を歩行する場合、脚部と段差が干渉する恐れがある。例えば、進行方向後側の脚部の膝関節を進行方向前側に屈曲した状態で段差を昇る場合、段差上段面に着いた進行方向前側の脚部に重心を移動させるために進行方向前方に重心を移動させると、この動作に伴い、段差の下段面に接する支持脚としての前記後側の脚部が前方に傾斜して段差に干渉する恐れがある。脚部のリンクが短い小型の多脚歩行ロボットでは、実環境の階段を昇降する場合に段差との干渉リスクが特に大きくなる。
【０００３】
多脚歩行ロボットが安定した状態で階段などの段差を歩行するためには、脚部と段差との干渉を回避する必要がある。特許文献１では、２足歩行ロボットが階段を昇降する際に支持脚側の脚部が段差に干渉するのを避けるために、胴部を前方向に傾斜させることで重心を移動させ、脚部の移動量を減少させる技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３４０７６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術においては、歩行路面の段差に干渉するであろう脚部、または歩行路面の段差に接触した脚部のそれぞれの膝関節の位置をコントロールすることで、多脚歩行ロボットに段差を安定して歩行させる技術については開示されていない。
【０００６】
本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、多脚歩行ロボットが安定した状態で段差を歩行できる多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る実施形態の多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置は、複数の脚部を備え、これらの各脚部が、リンク機構により構成されて膝関節を含む関節により屈曲可能に設けられた多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置において、前記脚部の前記関節を駆動する駆動手段と、前記駆動手段の駆動を制御する制御手段と、歩行路面の段差を検知する段差検知手段とを有し、前記制御手段は、前記段差検知手段により前記段差が検知されたときに、前記脚部と前記段差との干渉を回避すべく前記膝関節の屈曲方向を変更するよう前記駆動手段の駆動を制御することを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明に係る実施形態の多脚歩行ロボットの段差歩行制御方法は、複数の脚部を備え、これらの各脚部が、リンク機構により構成されて膝関節を含む関節により屈曲可能に設けられた多脚歩行ロボットの段差歩行制御方法において、歩行路面の段差を検知する段差検知手段を用意し、この段差検知手段により前記段差が検知されたときに、、前記脚部と前記段差との干渉を回避すべく前記膝関節の屈曲方向を変更することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の実施形態によれば、多脚歩行ロボットが安定した状態で段差を歩行できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置における一実施形態が適用された多脚歩行ロボットを示す構成図。
【図２】図１の脚部における関節の配置状況を示す概略斜視図。
【図３】図１の多脚歩行ロボットの段差昇り歩行状況であり、（Ａ）が脚部が段差に干渉した状況を示す説明図、（Ｂ）が脚部の膝関節の屈曲方向を変更した状況を示す説明図。
【図４】図１の多脚歩行ロボットの段差降り歩行状況であり、（Ａ）が脚部が段差に干渉した状況を示す説明図、（Ｂ）が脚部の膝関節の屈曲方向を変更した状況を示す説明図。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、図１の多脚歩行ロボットの脚部における膝関節の屈曲方向を変更する変更手順その１を示す説明図。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、図１の多脚歩行ロボットの脚部における膝関節の屈曲方向を変更する変更手順その２を示す説明図。
【図７】図１の多脚歩行ロボットの脚部における膝関節の屈曲方向の変更パターン等を、段差昇り動作時について示す図表。
【図８】図１の多脚歩行ロボットの脚部における膝関節の屈曲方向の変更パターン等を、段差降り動作時について示す図表。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る多脚歩行ロボットの段差歩行制御装置における一実施形態が適用された多脚歩行ロボットを示す構成図である。また、図２は、図１の脚部における関節の配置状況を示す概略斜視図である。これらの図１及び図２に示す多脚歩行ロボット１０は、胴部１１の下部に複数本、例えば少なくとも２本（本実施形態では４本）の脚部１２を備え、各脚部１２がリンク機構により構成されている。
【００１２】
つまり、各脚部１２は、図２に示すように第１腰関節１３、第２腰関節１４及び膝関節１５を備え、第１腰関節１３がリンク１６により第２腰関節１４に連結され、この第２腰関節１４が大腿リンク１７により膝関節１５に連結され、この膝関節１５に下腿リンク１８が結合されている。各脚部１２の第１腰関節１３は、胴部１１の下部のコーナー部分にそれぞれ取り付けられる。また、第１腰関節１３の回転軸は、第２腰関節１４及び膝関節１５の両回転軸と直交して配置される。
【００１３】
第２腰関節１４及び膝関節１５の回転により、多脚歩行ロボット１０は矢印Ｘ（図２）方向に前進または後進歩行する。また、第１腰関節１３の回転により、多脚歩行ロボット１０は矢印Ｙ（図２）方向に左移動または右移動（横歩き）する。更に、第１腰関節１３、第２腰関節１４及び膝関節１５の回転を組み合わせることにより、多脚歩行ロボット１０は矢印Ｚ（図２）方向に旋回する。特に、上述の前進または後進歩行時には、第２腰関節１４及び膝関節１５が回転することで、脚部１２は屈曲する。
【００１４】
ここで、第１腰関節１３、第２腰関節１４及び膝関節１５は電動モータ１９（図１）及び減速ギア（不図示）を有してなり、電動モータ１９が各関節１３、１４、１５を駆動する駆動手段として機能する。また、この電動モータ１９には、その回転量を検出する図示しないロータリエンコーダが設けられている。
【００１５】
第１腰関節１３、第２腰関節１４及び膝関節１５におけるそれぞれの電動モータ１９の駆動は、胴部１１に搭載された制御手段としての制御装置２０（図１）により制御される。即ち、この制御装置２０は、各脚部１２の第１腰関節１３、第２腰関節１４及び膝関節１５に用いられた電動モータ１９の回転量を検出するロータリエンコーダからの信号や、各脚部１２の下端に設けられた接地反力センサ２１からの信号に基づいて、各脚部１２の第１腰関節１３、第２腰関節１４及び膝関節１５を適度な回転角度に駆動制御して、多脚歩行ロボット１０を歩行させる。
【００１６】
特に、歩行路面１に段差２が存在する場合に、制御装置２０は、歩行路面１の段差２を検知する段差検知手段としての撮像装置２２、距離画像センサ２３、姿勢センサ２４、距離センサ２５、接触センサ２６の少なくとも一つにより段差２が検知されたとき、多脚歩行ロボット１０の段差２に対する昇降の動作種に応じて、多脚歩行ロボット１０の脚部１２と段差２との干渉を回避すべく脚部１２の膝関節１５の屈曲方向を変更するように、電動モータ１９の駆動を制御する。
【００１７】
ここで、撮像装置２２は、多脚歩行ロボット１０の胴部１１における前部に設置された例えばカメラなどであり、多脚歩行ロボット１０の周囲の動画や静止画を画像データとして取得する。この撮像装置２２は、多脚歩行ロボット１０における胴部１１の前部及び後部に設置されてもよい。また、距離画像センサ２３は、多脚歩行ロボット１０の胴部１１における前部及び後部に設置され、多脚歩行ロボット１０の周囲の３次元距離データを取得する。これらの撮像装置２２、距離画像センサ２３により歩行路面１の形状、つまり段差２が検知される。
【００１８】
姿勢センサ２４は、多脚歩行ロボット１０における胴部１１の底面に設置され、加速度センサ、角速度センサ、傾斜センサの単体もしくは組み合わせにより多脚歩行ロボット１０の姿勢（例えば胴部１１の傾斜）を検知するものであり、多脚歩行ロボット１０の姿勢の変化により歩行路面１の段差２を検知する。
【００１９】
距離センサ２５は、多脚歩行ロボット１０における各脚部１２の下腿リンク１８に設置された例えば超音波センサやレーザ距離センサであり、脚部１２の下腿リンク１８と段差２の段差壁面３との距離を計測することで、歩行路面１の段差２を検知する。具体的には、距離センサ２５の角度や高さ位置は脚部１２の姿勢から分かり、この脚部１２の姿勢は、姿勢センサ２４の出力や各関節の回転角度から分かる。例えば、距離センサ２５の計測方向が略水平である場合、計測不能となるか、または多脚歩行ロボット１０から離れた壁との距離を出力する。この際、距離センサ２５の計測方向上で近い位置に段差２が存在する場合には、段差２が近くに存在しない場合に比べてかなり短い距離を出力する。また、距離センサ２５の計測方向が斜め下方である場合、距離センサ２５の角度と高さから、距離センサ２５から床までの距離が推測可能である。この推測される床までの距離より短い距離が出力された場合に、計測方向に段差２があるものと考えられる。
また、接触センサ２６は、多脚歩行ロボット１０における各脚部１２の下腿リンク１８に設置された例えば圧電センサであり、脚部１２の下腿リンク１８が段差２に接触したことを検知することで、歩行路面１の段差２を検知する。
【００２０】
撮像装置２２からの画像データ、距離画像センサ２３からの３次元距離データ、姿勢センサ２４からの姿勢データ、距離センサ２５からの距離データ、接触センサ２６からの接触検知データ等のアナログデータは、多脚歩行ロボット１０の胴部１１に搭載されたセンサ処理部２７にてデジタルデータに変換処理されて、制御装置２０へ出力される。
【００２１】
多脚歩行ロボット１０の段差２に対する昇降の動作種は、多脚ロボット１０の段差２に対する昇り動作と、段差２に対する降り動作である。図３に示すように多脚歩行ロボット１０が段差２を昇り動作する場合、制御装置２０は、多脚歩行ロボット１０の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向を、多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａに対する反対方向Ｂに曲げるべく、電動モータ１９の駆動を制御する。つまり、多脚歩行ロボット１０が段差２を昇り動作する場合、進行方向Ａに対して後側の脚部１２の膝関節１５を前方に曲げて歩行すると、後側の脚部１２の下腿リンク１８が段差２に接触、即ち干渉する（図３（Ａ））。そこで、制御装置２０は、図３（Ｂ）に示すように、この後側の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向を変更して、この膝関節１５を多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａに対する反対方向Ｂ（後方）に曲げるべく、この後側の脚部１２における第２腰関節１４及び膝関節１５の電動モータ１９の駆動を制御する。
【００２２】
また、図４に示すように多脚歩行ロボット１０が段差２を降り動作する場合、制御装置２０は、多脚歩行ロボット１０の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向を、多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａに曲げるべく、電動モータ１９の駆動を制御する。つまり、多脚歩行ロボット１０が段差２を降り動作する場合、進行方向Ａに対して前側の脚部１２の膝関節１５を後方に曲げて歩行すると、この前側の脚部１２が段差２を踏み外して、その下腿リンク１８が段差２に接触、即ち干渉する（図４（Ａ））。そこで、制御装置２０は、図４（Ｂ）に示すように、この前側の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向を変更して、この膝関節１５を多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａ（前方）へ曲げるべく、この前側の脚部１２における第２腰関節１４及び膝関節１５の電動モータ１９の駆動を制御する。
【００２３】
多脚歩行ロボット１０の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向の変更手順としては、脚部１２を歩行路面１に接地した支持脚の状態で変更する変更手順その１（図５）と、脚部１２を歩行路面１から離反させて遊脚として変更する変更手順その２（図６）とがある。
【００２４】
図５に示す変更手順その１では、制御装置２０は、多脚歩行ロボット１０の全ての脚部１２を支持脚とした状態で（図５（Ａ））、全ての脚部１２を一旦伸ばし（図５（Ｂ））、その後この伸ばした全ての脚部１２の膝関節１５の屈曲方向を同一方向に変更するよう（図５（Ｃ））、全ての脚部１２における第２腰関節１４及び膝関節１５の電動モータ１９の駆動を制御する。
【００２５】
尚、この変更手順その１では、多脚歩行ロボット１０の全ての脚部１２を支持脚とした状態で、段差２に接触する側の一部の脚部１２のみを一旦伸ばし、その後この伸ばした脚部１２の膝関節１５の屈曲方向を変更するよう、この脚部１２における第２腰関節１４及び膝関節１５の電動モータ１９の駆動を制御してもよい。この場合、一部の脚部１２のみを伸ばす一連の動作で胴部１１が傾くが、例えば階段の昇降途中等で胴部１１が元々水平でない場合などでは、膝関節１５の屈曲方向変更動作中のバランスを保つために一部の脚部１２のみ動作させるほうが好ましい場合がある。
【００２６】
図６に示す変更手順その２では、制御装置２０は、多脚歩行ロボット１０における段差２に接触する脚部１２のみを一旦上げて遊脚とし（図６（Ａ）及び（Ｂ））、その後この遊脚とした脚部１２の膝関節１５の屈曲方向を変更するよう（図６（Ｃ））、この脚部１２における第２腰関節１４及び膝関節１５の電動モータ１９の駆動を制御する。
【００２７】
前述の多脚歩行ロボット１０の段差２に対する昇り動作時における膝関節１５の屈曲方向変更の態様（パターン）は、図７に示すように第１パターン〜第４パターンがある。第１パターンは、図３に示す膝関節１５の屈曲方向変更パターンである。また、第２パターンは、膝関節１５の屈曲方向が適切なパターンである。つまり、この第２パターンは、多脚歩行ロボット１０の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向が、多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａの後側に曲げられた状態であり、膝関節１５の屈曲方向を変更する必要がない。
【００２８】
第３パターンは、多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａの前側及び後側の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向を、共に、進行方向Ａの前側曲げ状態から後側曲げ状態に変更するパターンである。また、第４パターンは、多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａの前側の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向を、進行方向Ａの前側曲げ状態から後側曲げ状態に変更するパターンである。
【００２９】
これらの第１、第３及び第４の膝関節１５の屈曲方向変更パターンにおいて、段差検知手段として撮像装置２２、距離画像センサ２３を備える場合には、膝関節１５の屈曲方向の変更は歩行路面１の段差２に到達する前に実行される。また、第１、第３及び第４の膝関節１５の屈曲方向変更パターンにおいて、段差検知手段として、撮像装置２２及び距離画像センサ２３がなく、姿勢センサ２４、距離センサ２５、接触センサ２６を備える場合には、これらの姿勢センサ２４、距離センサ２５、接触センサ２６により段差が検知されたときに、膝関節１５の屈曲方向が変更される。
【００３０】
前述の多脚歩行ロボット１０の段差２に対する降り動作時における膝関節１５の屈曲方向変更の態様（パターン）は、図８に示すように第５パターン〜第８パターンがある。第５パターンは、図４に示す膝関節１５の屈曲方向変更パターンである。また、第６パターンは、多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａの前側及び後側の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向を、共に、進行方向Ａの後側曲げ状態から前側曲げ状態に変更するパターンである。
【００３１】
第７パターンは、膝関節１５の屈曲方向が適切なパターンである。つまり、この第７パターンは、多脚歩行ロボット１０の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向が、多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａの前側に曲げられた状態であり、膝関節１５の屈曲方向を変更する必要がない。また、第８パターンは、多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａの後側の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向を、進行方向Ａの後側曲げ状態から前側曲げ状態に変更するパターンである。
【００３２】
これらの第５、第６及び第８の膝関節１５の屈曲方向変更パターンにおいて、段差検知手段として撮像装置２２、距離画像センサ２３を備える場合には、膝関節１５の屈曲方向の変更は歩行路面１の段差２に到達する前に実行される。また第５、第６及び第８の膝関節１５の屈曲方向変更パターンにおいて、段差検知手段として、撮像装置２２及び距離画像センサ２３がなく、姿勢センサ２４、距離センサ２５、接触センサ２６を備える場合には、これらの姿勢センサ２４、距離センサ２５、接触センサ２６により段差が検知されたときに、膝関節１５の屈曲方向が変更される。
【００３３】
以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果を奏する。
図１に示すように、段差検知手段である撮像装置２２、距離画像センサ２３、姿勢センサ２４、距離センサ２５、接触センサ２６の少なくとも１つにより歩行路面１の段差２が検知されたときに、制御装置２０は、多脚歩行ロボット１０の段差２に対する昇降の動作種に応じて、多脚歩行ロボット１０の脚部１２と段差２との干渉を回避すべく脚部１２の膝関節１５の屈曲方向を変更するように、脚部１２の第２腰関節１４及び膝関節１５における電動モータ１９の駆動を制御する。
【００３４】
つまり、制御装置２０は、多脚歩行ロボット１０による段差２の昇り動作時には、多脚歩行ロボット１０の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向を多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａに対する反対方向Ｂに曲げるべく変更し、多脚歩行ロボット１０による段差２の降り動作時には、多脚歩行ロボット１０の脚部１２における膝関節１５の屈曲方向を多脚歩行ロボット１０の進行方向Ａに曲げるべく変更するように、脚部１２の第２腰関節１４及び膝関節１５における電動モータ１９の駆動を制御する。この結果、多脚歩行ロボット１０が安定した状態で歩行路面１の段差２を歩行できる。
【００３５】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。例えば、実施形態で説明した段差を検出するための各センサを全て有する必要はなく、任意に選択されたものを有した装置であってもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１  歩行路面
２  段差
１０  多脚歩行ロボット
１２  脚部
１５  膝関節
１８  下腿リンク
１９  電動モータ（駆動手段）
２０  制御装置（制御手段）
２２  撮像装置（段差検知手段）
２３  距離画像センサ（段差検知手段）
２４  姿勢センサ（段差検知手段）
２５  距離センサ（段差検知手段）
２６  接触センサ（段差検知手段）
Ａ  進行方向
Ｂ  反対方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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