(57)【要約】【課題】  様々な地形の不整地を安定して移動できる脚車輪分離型ロボットを提供する。【解決手段】  一対の車輪３６、３９と、一対の前脚１１、２２及び後脚３４、３５と、胴体２のロール角を調整する段軸機構５５と、各車輪３６、３９、各前脚１１、２２、及び各後脚３４、３５を駆動させるアクチュエータＡ１〜Ａ１４と、段軸機構５５を駆動させるアクチュエータＡ１５と、各アクチュエータＡ１〜Ａ１５の回転角度を検出する角度センサＳ１〜Ｓ１５と、胴体２のロール・ピッチ角を検出する姿勢角センサＳ１６と、各センサＳ１〜Ｓ１６からの信号に応じて各アクチュエータＡ１〜Ａ１５の駆動を制御するコントローラとを備える。コントローラは、各センサＡ１〜Ａ１５からの角度情報により求められた各脚先の位置情報、胴体２のピッチ・ロール角情報、及び各脚先の速度・加速度情報と、それらの情報に必要に応じて付加される車輪角度偏差情報、推定段差高さ情報、及び脚荷重分担率情報とに応じて、各アクチュエータＡ１〜Ａ１５の駆動を制御する。【選択図】      図１
2006326739.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴体と、該胴体の両側に回転可能に設けられる一対の車輪と、該胴体の前後にそれぞれ旋回可能に設けられる一対の前脚及び一対の後脚と、前記胴体のロール角を調整する段軸機構と、前記各車輪を駆動させるアクチュエータと、前記各前脚及び各後脚を駆動させるアクチュエータと、前記段軸機構を駆動させるアクチュエータと、前記各アクチュエータの回転角度を検出する角度センサと、前記胴体のロール角及びピッチ角を検出する姿勢角センサと、前記各センサからの信号に応じて前記各アクチュエータの駆動を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記各センサからの角度情報により求められた各脚先の位置情報、胴体のピッチ・ロール角情報、及び各脚先の速度・加速度情報の基本情報と、該基本情報に必要に応じて付加される車輪角度偏差情報、推定段差高さ情報、及び脚荷重分担率情報の付加情報とに応じて、前記各アクチュエータの駆動を制御することを特徴とする脚車輪分離型ロボット。
【請求項２】
前脚接地点に向かって胴体を上げる際には、前記基本情報と、前記車輪角度偏差情報、推定段差高さ情報、及び脚荷重分担率情報の付加情報とを使用して、前記各アクチュエータの駆動を制御することを特徴とする請求項１に記載の脚車輪分離型ロボット。
【請求項３】
前脚接地点に向かって胴体を下げる際には、前記基本情報と、推定段差高さ情報、及び脚荷重分担率情報の付加情報とを使用して、前記各アクチュエータの駆動を制御することを特徴とする請求項１に記載の脚車輪分離型ロボット。
【請求項４】
前脚接地位置と車輪接地位置の間にある凸地形を乗り越える際には、前記基本情報と、前記車輪角度偏差情報、推定段差高さ情報、及び脚荷重分担率情報の付加情報とを使用して、前記各アクチュエータの駆動を制御することを特徴とする請求項１に記載の脚車輪分離型ロボット。
【請求項５】
前記車輪角度偏差情報は、前記車輪の目標角度と実際角度との偏差から得られる情報であり、前記推定段差高さ情報は、脚先位置と姿勢角情報から推定される路面高さの情報であり、前記脚荷重分担率情報は、脚と車輪による機体荷重の分担力のうち、脚による分担率の情報であることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の脚車輪分離型ロボット。
【請求項６】
前記胴体のピッチ角は、脚と車輪との支持点から導かれる仮想面に平行になるように制御され、前記胴体のロール角は、重力に対して垂直になるように制御されていることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の脚車輪分離型ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脚車輪分離型ロボットに関し、特に、高速走行と高い不整地適応性とを備えた脚車輪分離型ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、林業、建設業等の各種の産業界において、不整地移動能力を備えたロボットの実現が強く望まれ、そのため、多くの研究者により不整地移動ロボットの研究が鋭意行われ、各種の不整地移動ロボットが開発されている。現在までに研究、開発されている不整地移動ロボットは、機構の面から大きく４つのグループ（脚型、車輪・クローラ型、節体幹型、複合機構型）に分けることができる。
【０００３】
脚型のロボットは、脚機構を用いて不整地を移動するロボットであって、４脚、６脚、８脚等のロボットが開発されている。このようなタイプのロボットは、離散的に脚接地地点を選択できるため、地割れ等にも対応することが可能であり、不整地対応の潜在能力が高い（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
また、車輪・クローラ型のロボットは、車輪やクローラ機構を用いて不整地を移動するロボットであって、脚型のロボットに比べて機構が比較的簡単であり、高速走行が可能、サスペンションにより車体荷重を支持するためエネルギ効率が高い等の利点がある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
さらに、節体幹型のロボットとしては、蛇と同じ移動原理で推進する蛇型のロボット等があり、倒壊家屋下等の狭隘不整地内を探索移動可能な利点がある（例えば、特許文献３参照。）。
【０００６】
さらに、複合機構型のロボットは、脚機構と車輪またはクローラ機構とを複合利用することにより、不整地移動を実現するようにしたものであって、それぞれの機構の利点を複合できるために、単体の機構以上に不整地及び整地移動能力が高いという利点がある（例えば、特許文献４参照。）。
【特許文献１】Ｓ．Ｍ．Ｓｏｎｇ  ａｎｄ  Ｋ．Ｊ．Ｗａｌｄｒｏｎ：“Ｍａｃｈｉｎｅｓ  Ｔｈａｔ  Ｗａｌｋ：Ｔｈｅ  Ａｄａｐｔｉｖｅ  Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ  Ｖｅｈｉｃｌｅ，”ＭＩＴ  Ｐｒｅｓｓ，１９８９．
【特許文献２】Ｙ．Ｋｕｒｏｄａ，Ｋ．Ｋｏｎｄｏ，Ｔ．Ｍｉｙａｔａ  ａｎｄ  Ｍ．Ｍａｋｉｎｏ：“Ａ  Ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  Ｍｉｃｒｏ  Ｐｌａｎｅｔａｒｙ  Ｒｏｖｅｒ，”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  １６ｔｈ  Ａｎｎｕａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｊａｐａｎ，３Ｍ３４，ｖｏｌ．３，ｐｐ．１４６１−１４６２，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，１９９８．
【特許文献３】広瀬、森島、堀越、妻木、物部、“節体除型ロボットＫＲIIの開発”日本ロボット学会誌、ｖｏｌ．９，ｐｐ．１１−１９
【特許文献４】広瀬、竹内：“ローラウォーカ：新しい脚車輪ハイブリッド移動体の提案”，日本機械学会誌（Ｃ編），ｖｏｌ．６２，ｎｏ．５９９，ｐｐ．２４２−２４８，１９９６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記のような各種の不整地移動ロボットのうち、特許文献１に記載されている脚型のロボットは、車輪機構を用いているロボットに比べて移動速度が低速となり、また、体重を脚で支持するエネルギが必要になるためにエネルギ効率が悪い等の問題がある。また、特許文献２に記載されている車輪・クローラ型のロボットは、脚機構のロボットと比べると、不整地移動能力が低く、また車輪の連続接地による地形追従移動となるため、地割れ等を乗り越えることが困難である等の問題がある。さらに、特許文献３に記載されている節体幹型のロボットは、その形態、駆動方式により、低速走行となり、また運搬作業等には適さないという問題がある。さらに、特許文献４に記載されている複合機構型のロボットは、機構が複雑になるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、高速走行と高い不整地適応性とを同時に実現することができるとともに、機構を簡単にすることができる脚車輪分離型ロボットの移動制御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】
【０００９】
上記のような課題を解決するために、本発明は、以下のような手段を採用している。
すなわち、請求項１に係る発明は、胴体と、該胴体の両側に回転可能に設けられる一対の車輪と、該胴体の前後にそれぞれ旋回可能に設けられる一対の前脚及び一対の後脚と、前記胴体のロール角を調整する段軸機構と、前記各車輪を駆動させるアクチュエータと、前記各前脚及び各後脚を駆動させるアクチュエータと、前記段軸機構を駆動させるアクチュエータと、前記各アクチュエータの回転角度を検出する角度センサと、前記胴体のロール角及びピッチ角を検出する姿勢角センサと、前記各センサからの信号に応じて前記各アクチュエータの駆動を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記各センサからの角度情報により求められた各脚先の位置情報、胴体のピッチ・ロール角情報、及び各脚先の速度・加速度情報の基本情報と、該基本情報に必要に応じて付加される車輪角度偏差情報、推定段差高さ情報、及び脚荷重分担率情報の付加情報とに応じて、前記各アクチュエータの駆動を制御することを特徴とする。
【００１０】
本発明による脚車輪分離型ロボットによれば、各センサからの角度情報により求められた各脚先の位置情報、胴体のピッチ・ロール角情報、及び各脚先の速度・加速度情報の基本情報と、この基本情報に必要に応じて付加される車輪角度偏差情報、推定段差高さ情報、及び脚荷重分担率情報の付加情報とに応じて、各アクチュエータの駆動を制御することにより、不整地の各種の地形を移動することができる。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の脚車輪分離型ロボットであって、前脚接地点に向かって胴体を上げる際には、前記基本情報と、前記車輪角度偏差情報、推定段差高さ情報、及び脚荷重分担率情報の付加情報とを使用して、前記各アクチュエータの駆動を制御することを特徴とする。
【００１２】
本発明による脚車輪分離型ロボットによれば、前脚接地点に向かって胴体を上げる際には、基本情報と、車輪角度偏差情報、推定段差高さ情報、及び脚荷重分担率情報の付加情報とを使用し、各アクチュエータの駆動を制御することにより、各脚と車輪との協働によって上り段差を移動することが可能となる。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の脚車輪分離型ロボットであって、前脚接地点に向かって胴体を下げる際には、前記基本情報と、推定段差高さ情報、及び脚荷重分担率情報の付加情報とを使用して、前記各アクチュエータの駆動を制御することを特徴とする。
【００１４】
本発明による脚車輪分離型ロボットによれば、前脚接地点に向かって胴体を下げる際には、基本情報と、推定段差高さ情報、及び脚荷重分担率情報の付加情報とを使用し、各アクチュエータの駆動を制御することにより、各脚と車輪との協働によって下り段差を移動することが可能となる。
【００１５】
請求項４に係る発明は、請求項１に記載の脚車輪分離型ロボットであって、前脚接地位置と車輪接地位置の間にある凸地形を乗り越える際には、前記基本情報と、前記車輪角度偏差情報、推定段差高さ情報、及び脚荷重分担率情報の付加情報とを使用して、前記各アクチュエータの駆動を制御することを特徴とする。
【００１６】
本発明による脚車輪分離型ロボットによれば、前脚接地位置と車輪接地位置の間にある凸地形を乗り越える際には、基本情報と、車輪角度偏差情報、推定段差高さ情報、及び脚荷重分担率情報の付加情報とを使用し、各アクチュエータの駆動を制御することにより、各脚と車輪との協働によって下り段差を移動することが可能となる。
【００１７】
請求項５に係る発明は、請求項１から４の何れかに記載の脚車輪分離型ロボットであって、前記車輪角度偏差情報は、前記車輪の目標角度と実際角度との偏差から得られる情報であり、前記推定段差高さ情報は、脚先位置と姿勢角情報から推定される路面高さの情報であり、前記脚荷重分担率情報は、脚と車輪による機体荷重の分担力のうち、脚による分担率の情報であることを特徴とする。
【００１８】
本発明による脚車輪分離型ロボットによれば、車輪の目標角度と実際角度との偏差から得られる車輪角度偏差情報と、脚先位置と姿勢角情報から推定される路面高さの推定段差高さ情報と、脚と車輪による機体荷重の分担力のうち、脚による分担率の情報である脚荷重分担率情報とを付加情報とにより、各アクチュエータの駆動を制御することにより、不整地を移動することができる。
【００１９】
請求項６に係る発明は、請求項１から５の何れかに記載の脚車輪分離型ロボットであって、前記胴体のピッチ角は、脚と車輪との支持点から導かれる仮想面に平行になるように制御され、前記胴体のロール角は、重力に対して垂直になるように制御されていることを特徴とする。
【００２０】
本発明による脚車輪分離型ロボットによれば、不整地を移動する際の安定性を高めることができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上、説明したように、本発明による脚車輪分離型ロボットによれば、各種の地形の不整地を移動する際に、不整地の地形の種類に応じて、各脚、各車輪及び段軸機構のアクチュエータの駆動を制御することができるので、地形の種類に関わらず、各種の地形を移動することができる。また、内界センサ（角度センサ及び姿勢角センサ）のみによって脚、車輪及び段軸機構を制御しているので、制御系を簡素化することができるとともに、安定した性能が得られる。さらに、仮想斜面を基準として胴体のピッチ角を制御し、さらに、重力を基準として胴体のロール角を制御しているので、不整地を移動する際の安定性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１〜図５には、本発明による脚車輪分離型ロボットの一実施の形態が示されていて、図１は脚車輪分離ロボットの全体を示す平面図、図２は図１の正面図、図３は図１の左側面図、図４は図１の部分拡大平面図、図５は制御系のブロック図である。
【００２３】
すなわち、この脚車輪分離型ロボット１は、胴体２と、胴体２の前端部に設けられる一対の前脚１１、２２と、胴体２の後端部に設けられる一対の後脚３４、３５と、胴体２の両側部に設けられる一対の車輪３６、３９と、各前脚１１、２２を駆動させるアクチュエータＡ１〜Ａ６と、各後脚３４、３５を駆動させるアクチュエータＡ７〜Ａ１２と、各車輪３６、３９を駆動させるアクチュエータＡ１３、Ａ１４と、各車輪３６、３９の鉛直方向の位置を調整する段軸機構５５と、段軸機構５５を駆動させるアクチュエータＡ１５と、各アクチュエータＡ１〜Ａ１５の駆動を制御するコントローラ６０とを備えている。
【００２４】
胴体２の各部には、胴体２の姿勢を検出するための姿勢センサ（ジャイロ等）Ｓ１６が設けられ、この姿勢センサＳ１６からの入力信号（検出信号）や脚先接地位置情報等に基づいて、ドライバＤ１〜Ｄ１５を介して各アクチュエータＡ１〜Ａ１５に駆動電流（駆動電圧）を出力し、各アクチュエータＡ１〜Ａ１５の駆動を制御することにより、胴体２の姿勢を所定の角度に保つことができる。
【００２５】
前脚１１、２２は、胴体２の前左端部に設けられる前左脚１１と、前右端部に設けられる前右脚２２とから構成されている。前左脚１１は、胴体２の前左端部に水平方向に旋回可能に連結される左大腿部１２と、左大腿部１２に鉛直方向に旋回可能に連結される左脛部１９と、左脛部１９の先端部に連結される左足部２１と、左大腿部１２を胴体２に旋回可能に連結する左股関節部１５と、左脛部１９を左大腿部１２に旋回可能に連結する左膝関節部２０とから構成されている。
【００２６】
左大腿部１２は、胴体２の前左端部に水平方向に旋回可能に連結される第１左大腿部１３と、第１大左腿部１３に鉛直方向に旋回可能に連結される第２左大腿部１４と、第１左大腿部１３を胴体２に旋回可能に連結する第１左股関節部１６と、第２左大腿部１４を第１左大腿部１３に旋回可能に連結する第２左股関節部１７とから構成され、第１左股関節部１６と第２左股関節部１７とによって左股関節部１５が構成されている。
【００２７】
第１左股関節部１６は、胴体２の前左端部に取り付けられるアクチュエータＡ１と、アクチュエータＡ１の回転角度を検出する角度センサＳ１とから構成され、第１左股関節部１６のアクチュエータＡ１の作動により、第１左大腿部１３が水平方向に所定の範囲内を旋回するように構成されている。
【００２８】
角度センサＳ１としては、例えば、エンコーダ、ポテンショメータ等が挙げられる（後述する角度センサＳ２〜Ｓ１５についても同様。）。アクチュエータＡ１としては、例えば、減速機付のＤＣサーボモータが挙げられる（後述するアクチュエータＡ２〜Ａ１５についても同様。）。
【００２９】
第２左股関節部１７は、第１左大腿部１３の他端部に取り付けられるアクチュエータＡ２と、アクチュエータＡ２の回転角度を検出する角度センサＳ２とから構成され、このアクチュエータＡ２の作動により、第２左大腿部１４が鉛直方向に所定の範囲内を旋回するように構成されている。
【００３０】
左膝関節部２０は、第２左大腿部１４の他端部に取り付けられるアクチュエータＡ３と、アクチュエータＡ３の回転角度を検出する角度センサＳ３から構成され、このアクチュエータＡ３の作動により左脛部１９が鉛直方向に所定の範囲内を旋回可能に構成されている。
【００３１】
左脛部１９の先端部には左足部２１が着脱自在に取り付けられ、前脚１１、２２及び後脚３４、３５による走行（歩行）時に、この左足部２１と後述する前右脚２２の右足部３２と後左脚３４の左足部２１と後右脚３５の右足部３２とが接地するように構成されている。
【００３２】
右前脚２２は、左前脚１１と同様に、胴体２の前右端部に水平方向に旋回可能に連結される右大腿部２３と、右大腿部２３に鉛直方向に旋回可能に連結される右脛部３０と、右脛部３０の先端部に連結される右足部３２と、右大腿部２３を胴体２の前右端部に旋回可能に連結する右股関節部２６と、右脛部３０を右大腿部２３に旋回可能に連結する右膝関節部３１とから構成されている。
【００３３】
右大腿部２３は、左大腿部１２と同様の構成を有するものであって、胴体２の前左端部に水平方向に旋回可能に連結される第１右大腿部２４と、第１右左腿部２４に鉛直方向に旋回可能に連結される第２右大腿部２５と、第１右大腿部２４を胴体２に旋回可能に連結する第１右股関節部２７と、第２右大腿部２５を第１右大腿部２４に旋回可能に連結する第２右股関節部２８とから構成され、第１右股関節部２７と第２右股関節部２８とによって右股関節部２６が構成されている。
【００３４】
第１右股関節部２７は、第１左股関節部１６と同様の構成を有するものであって、胴体２の前右端部に取り付けられるアクチュエータＡ４と、アクチュエータＡ４の回転角度を検出する角度センサＳ４とから構成され、このアクチュエータア４の作動により、第１右大腿部２４が水平方向に所定の範囲内を旋回するように構成されている。
【００３５】
第２右股関節部２８は、第２左股関節部１７と同様の構成を有するものであって、第１右大腿部２４に取り付けられるアクチュエータＡ５と、アクチュエータＡ５の回転角度を検出する角度センサＳ５とから構成され、このアクチュエータＡ５の作動により、第２右大腿部２５が鉛直方向に所定の範囲内を旋回するように構成されている。
【００３６】
右膝関節部３１は、左膝関節部２０と同様の構成を有するものであって、第２右大腿部３５の他端部に取り付けられるアクチュエータＡ６と、アクチュエータＡ６の回転角度を検出する角度センサＳ６とから構成され、このアクチュエータＡ６の作動により、右脛部３０が鉛直方向に所定の範囲内を旋回可能に構成されている。
【００３７】
右脛部３０の先端部には、左脛部１９と同様の構成の右足部３２が着脱自在に取り付けられ、前脚１１、２２及び後脚３４、３５による走行（歩行）時に、この右足部３２と前左脚１１の左足部２１と後左脚３４の左足部２１と後右脚３５の右足部３２とが接地するように構成されている。
【００３８】
後脚３４、３５は、胴体２の後左端部に設けられる後左脚３４と、後右端部に設けられる後右脚３５とから構成されている。後左脚３４は、前左脚１１と同様に、胴体２の後左端部に水平方向に旋回可能に連結される左大腿部１２と、左大腿部１２に鉛直方向に旋回可能に連結される左脛部１９と、左脛部１９の先端部に連結される左足部２１と、左大腿部１２を胴体２に旋回可能に連結する左股関節部１５と、左脛部１９を左大腿部１２に旋回可能に連結する左膝関節部２０とから構成される。左大腿部１２、左脛部１９、左足部２１、左股関節部１５、及び左膝関節部２０は、前左脚１１のそれらと同一の構成を有しているので、同一の番号を付してその詳細な説明は省略するものとする。
【００３９】
また、第１左股関節部１６のアクチュエータＡ７、その回転角度を検出する角度センサＳ７、第２左股関節部１７のアクチュエータＡ８、その回転角度を検出する角度センサＳ８、左膝関節部２０のアクチュエータＡ９、その回転角度を検出する角度センサＳ９も、前左脚１１のそれらと同一構成を有しているので、その詳細な説明は省略するものとする。
【００４０】
後右脚３５は、前右脚２２と同様に、胴体２の後右端部に水平方向に旋回可能に連結される右大腿部２３と、右大腿部２３に鉛直方向に旋回可能に連結される右脛部３０と、右脛部３０の先端部に連結される右足部３２と、右大腿部２３を胴体２に旋回可能に連結する右股関節部２６と、右脛部３０を右大腿部２３に旋回可能に連結する右膝関節部３１とから構成され、右大腿部２３、右脛部３０、右足部３２、右股関節部２６、及び右膝関節部３１は、前右脚２２のそれらと同一の構成を有しているので、同一の番号を付してその詳細な説明は省略するものとする。
【００４１】
また、第１右股関節部２７のアクチュエータＡ１０、その回転角度を検出する角度センサＳ１０、第２右股関節部２８のアクチュエータＡ１１、その回転角度を検出する角度センサＳ１１、右膝関節部２６のアクチュエータＡ１２、その回転角度を検出する角度センサＳ１２も、前右脚２２のそれらと同一構成を有しているので、その詳細な説明は省略するものとする。
【００４２】
車輪３６、３９は、胴体２の本体部３の左側部に鉛直方向に回転可能に設けられる左車輪３６と、胴体２の本体部３の右側部に鉛直方向に回転可能に設けられる右車輪３９とを備え、両車輪３６、３９は後述する段軸機構５５のアクチュエータＡ１５にサスペンション４２を介して取り付けられている。
【００４３】
サスペンション４２は、胴体２の前後方向に所定の間隔をおいて平行に設けられる一対の平行リンク機構４３を有し、両平行リンク機構４３の両端部に左車輪３６及び右車輪３９がそれぞれ回転可能に取り付けられている。
【００４４】
両平行リンク機構４３は、後述する段軸機構５５のアクチュエータＡ１５に取り付けられ、アクチュエータＡ１５の作動により、胴体２を中心として両端部が鉛直方向に旋回するように構成される。この両平行リンク機構４３の旋回運動により、両平行リンク機構４３の両端部の左車輪３６及び右車輪３９が鉛直方向の所定の位置に位置決めされる。
【００４５】
左車輪３６及び右車輪３９は、アクチュエータＡ１３、Ａ１４を介して両平行リンク機構の両端部に回転自在に取り付けられている。アクチュエータＡ１３、Ａ１４は、第１左股関節部１６のアクチュエータＡ１と同様の構成を有するものであって、回転角度を検出するための角度センサＳ１３、Ｓ１４が取り付けられている。
【００４６】
段軸機構５５は、胴体２に取り付けられるアクチュエータＡ１５と、アクチュエータＡ１５の回転角度を検出する角度センサＳ１５とを備えている。アクチュエータＡ１５は、第１左股関節部１６のアクチュエータＡ１と同様の構成を有するものであって、このアクチュエータＡ１５に両平行リンク機構４３が連結されている。
【００４７】
段軸機構５５のアクチュエータＡ１５を作動させることにより、サスペンション４２の両平行リンク機構４３が鉛直方向に旋回し、両平行リンク機構４３の両端部に設けられている左車輪３６及び右車輪３９が鉛直方向に移動し、左車輪３６及び右車輪３９が鉛直方向の所定の位置に位置決めされる。
【００４８】
コントローラ６０は、図５に示すように、前左脚１１の第１左股関節部１６、第２左股関節部１７、及び左膝関節部２０の各アクチュエータＡ１〜Ａ３、前右脚２２の第１右股関節部２７、第２右股関節部２８、及び右膝関節部３１の各アクチュエータＡ４〜Ａ６、後左脚３４の第１左股関節部１６、第２左股関節部１７、及び左膝関節部２０の各アクチュエータＡ７〜Ａ９、後右脚３５の第１右股関節部２７、第２右股関節部２８、右膝関節部３１の各アクチュエータＡ１０〜Ａ１２、左車輪３６及び右車輪３９のアクチュエータＡ１３、Ａ１４、段軸機構５５のアクチュエータＡ１５の駆動を制御するものであって、ＣＰＵと、各アクチュエータＡ１〜Ａ１５の制御動作を実行するためのプログラム等の各種のプログラム及び各種のデータを記憶する記憶部とを有している。
【００４９】
コントローラ６０は、各アクチュエータＡ１〜Ａ１５に設けられている角度センサＳ１〜Ｓ１５からの入力信号（検出信号）及び胴体２の各部に設けられている姿勢センサ（ジャイロ等）Ｓ１６からの入力信号に基づいて、各ドライバＤ１〜Ｄ１５を介して各アクチュエータＡ１〜Ａ１５に駆動電流（駆動電圧）を出力し、各アクチュエータＡ１〜Ａ１５の駆動を制御するＰＤ制御を行うように構成されている。
【００５０】
上記のように構成した脚車輪分離型ロボット１は、脚モードと、車輪モードと、脚車輪モードとを備えおり、走行（歩行）する地形の状態に応じて、それらの中から何れかのモードを選択可能に構成されている。以下、各モードについて説明する。
【００５１】
脚モードは、図６に示すように、前脚１１、１２及び後脚３４、３５のみを使用して走行するモードであって、コントローラ６０により両前脚１１、１２及び両後脚３４、３５の各アクチュエータＡ１〜Ａ１２の駆動を制御することにより、両前脚１１、１２と両後脚３４、３５とを使用した走行（歩行）が可能となる。
【００５２】
具体的に、前左脚１１を例にとって説明すると、コントローラ６０からドライバＤ１を介して左股関節部１５の第１左股関節部１６のアクチュエータＡ１に駆動電流が出力されると、アクチュエータＡ１の回転力が第１左大腿部１３に伝達され、第１左大腿部１３及び第２左大腿部１４が胴体２に対して水平方向に所定の範囲内を旋回する。
【００５３】
また、コントローラ６０からドライバＤ２を介して左股関節部１５の第２左股関節部１７のアクチュエータＡ２に駆動電流が出力されると、アクチュエータＡ２の回転力が第２左大腿部１４に伝達され、第２左大腿部１４が鉛直方向に旋回する。
【００５４】
さらに、コントローラ６０からドライバＤ３を介して左膝関節部２０のアクチュエータＡ３に駆動電流が出力されると、アクチュエータＡ３の回転力が左脛部１９に伝達され、左脛部１９が鉛直方向に旋回する。
【００５５】
このように、コントローラ６０によって第１左股関節部１６のアクチュエータＡ１、第２左股関節部１７のアクチュエータＡ２、左膝関節部２０のアクチュエータＡ３の駆動を制御することにより、左前脚１１が所定の走行（歩行）動作を行うことになる。なお、前右脚２２、後左脚３４、後右脚３５の動作については、前左脚１１と同様であるので、その詳細な説明は省略するものとする。
【００５６】
そして、上記のように、両前脚１１、２２及び両後脚３４、３５に所定の動作を行わせることにより、両前脚１１、２２と両後脚３４、３５との協働による走行（歩行）が可能となり、不整地の穴を越えたり、相当荒れた凹凸の不整地での移動が可能になる。
【００５７】
車輪モードは、図７に示すように、一対の車輪３６、３９のみを使用して走行するモードであって、コントローラ６０により一対の車輪３６、３９の各々のアクチュエータＡ１３、Ａ１４の駆動を制御し、両車輪３６、３９を回転駆動させることにより、一対の車輪３６、３９を使用した高速走行が可能となり、整地での高速移動が可能になる。
【００５８】
具体的には、コントローラ６０からドライバＤ１３、Ｄ１４を介して左車輪３６のアクチュエータＡ１３及び右車輪３９のアクチュエータＡ１４に駆動電流が出力されると、各アクチュエータＡ１３、Ａ１４の回転力が左車輪３６及び右車輪３９に伝達され、左車輪３６及び右車輪３９が鉛直方向に回転駆動する。この場合、両前脚１１、２２及び両後脚３４、３５の各脛部１９、３０を地面と平行になる位置まで上昇させることにより、前後のバランスをとることができる。なお、バランスがくずれた場合には、脚の位置をずらし（長さを調整し）、全体の重心の位置を調整することにより、安定した走行が可能となる。
【００５９】
車輪モードでは、左車輪３６又は右車輪３９の一方を回転させ、他方を逆回転させることによりその場での旋回が可能となる。また、小スペースでの移動も可能になる。さらに、両車輪３６、３９は、常時接地したままの状態であり、かつ両車輪３６、３９への荷重が一番大きくかかるため、駆動力伝達が最大となる。
【００６０】
脚車輪モードは、図８に示すように、断続接地する両前脚１１、２２及び両後脚３４、３５と常時接地する両車輪３６、３９とを協調させて使用するモードであって、両車輪３６、３９を支持するサスペンション４２によって荷重の多くを支持することができるので、省エネによる移動が可能となる。さらに、多点で接地することができるので、安定性を高めることもできる。
【００６１】
次に、上記のような構成の本実施の形態による脚車輪分離型ロボットの運転モードの遷移条件について説明する。
まず、脚車輪分離型ロボットの脚先位置、又は脚先接地位置の機体座標系ｚ方向の高さｈｒの一定時間における分散の度合いを「荒れ地度」と定義し、分散の度合いが「小」のとき荒れ地度を「小」とし、分散の度合いが「中」のとき荒れ地度を「中」とし、分散の度合いが「大」のとき荒れ地度を「大」とする。
【００６２】
すなわち、「荒れ地度」は、脚モード及び脚車輪モード時において、仮想斜度を有する仮想面からの脚先位置の機体座標系ｚ方向の高さｈｒの一定時間における分散の度合いを意味する。
【００６３】
ここで、機体座標系は、機体上に設定された座標系であり、図９に示すように、機体中心にとる。なお、水平面上では、水平面に平行な機体の進行方向がｘ方向、水平面に平行な機体の進行方向と直交する方向がｙ方向、水平面に直交する鉛直方向がｚ方向となる。
【００６４】
さらに、脚車輪分離型ロボットの鉛直方向に対する胴体の姿勢角（ピッチ、ロール）が計測可能な場合、図１０に示すように、車輪の接地点と前脚の接地点を結ぶ仮想面の進行方向の斜度αｆとし、車輪の接地点と後脚の接地点とを結ぶ仮想面の進行方向の斜度をαｒとし、斜度αｆと斜度αｒとの平均値に対して、一定周期において脚車輪分離型ロボットが移動したときの平均をとったものを「仮想斜度αｉｍｇ」とする。なお、この仮想斜度αｉｍｇは、平らな斜面の場合には斜面の傾斜角と一致することになる。さらに、脚モードでは、図１１に示すように、前脚と後脚との接地点を結ぶ仮想面の進行方向の斜度αの一定周期平均をとったものを「仮想斜度αｉｍｇ」とする。
【００６５】
なお、車輪偏差の一定時間における分散の度合いを検知し、この検知した車輪偏差の分散の度合いを荒れ地度に対応させ、車輪偏差が「大」のときに荒れ地度を「大」、車輪偏差が「小」のときに荒れ地度を「小」としてもよい。車輪偏差は、駆動輪の目標角度と実際角度とのずれΔＷ（ΔＷ＝（実際角度）−（目標角度））をいい、例えば、脚車輪分離型ロボットが前に進めないときには、目標角度に対して実際角度が小さいのでΔＷを負とし、下り斜面等で前に押されるような場合にはΔＷを正とする。
【００６６】
＜脚モードから脚車輪モードへの遷移＞
脚車輪分離型ロボットが脚モードで歩行中に、各脚先の荒れ地度が一定時間、ある割合で「中」と判断したときに、脚車輪分離型ロボットは脚モードから脚車輪モードに自動遷移する。なお、オペレータの遷移指示により、手動で脚モードから脚車輪モードに遷移させることも可能である。
【００６７】
＜脚車輪モードから脚モードへの遷移＞
脚車輪分離型ロボットが脚車輪モードで歩行（走行）中に、荒れ地度が一定時間、ある割合で「大」と判断としたときに、脚車輪分離型ロボットは脚車輪モードから脚モードに自動遷移する。また、脚車輪分離型ロボットが大不整地の歩行に頻繁に入るときに、脚車輪モードから脚モードに自動遷移する。
【００６８】
＜脚モード又は脚車輪モードから車輪モードへの遷移＞
脚車輪分離型ロボットが脚モード又は脚車輪モードで歩行（走行）中に、機体の前後左右に配置した障害物センサにより移動路面の周囲の状況を検知し、移動路面の周囲が所定の範囲よりも狭いと判断した場合に、脚モード又は脚車輪モードから車輪モードに自動遷移する。また、脚車輪分離型ロボットの移動経路が予め定められており、その移動経路の途中に所定の範囲よりも狭い場所があることが予想される場合、その狭い場所を障害物センサにより検知したときに、脚モード又は脚車輪モードから車輪モードに自動遷移する。なお、脚モード又は脚車輪モードから車輪モードに自動遷移する場合は、荒れ地度が「小」であることが前提である。また、一定時間、荒れ地度が「小」と判断したときにも、脚モード又は脚車輪モードから車輪モードに自動遷移する。
【００６９】
＜車輪モードから他のモードへの遷移＞
脚車輪分離型ロボットが車輪モードで歩行（走行）中に、脚によるバランス制御の程度の大小により、車輪モードから他のモードへ自動遷移する。ここで、バランス制御の程度とは、前脚及び後脚の伸縮程度、及び伸縮の頻度をいい、車輪モードのときのバランス制御の程度を「小」とし、脚車輪モード、脚モードの順にバランス制御の程度を「大」とする。
【００７０】
なお、路面の仮想斜度に応じて、モード遷移条件の荒れ地度の程度は変化する。すなわち、同じ荒れ地度でも平面ベースの場合は、脚車輪モードで、斜面ベースのときは脚モードとなり、平らな場合は斜面でも車輪モードとなる。
【００７１】
次に、上記のような３つの運転モードを備えた脚車輪分離型ロボットの通常不整地（例えば、高さ又は深さが０．１m程度までの凹凸不整地）及び大不整地（例えば、高さ又は深さが０．１〜０．２ｍ程度までの凹凸不整地）における移動制御方法について説明する。なお、通常不整地及び大不整地の高さ又は深さの数値は、脚車輪分離型ロボットの寸法と相対的な関係にあり、ロボットの寸法が大きくなるにつれて大きくなる。
【００７２】
１．通常不整地
通常不整地の路面上を脚車輪分離型ロボットが移動する場合、コントローラは、各関節部の各角度センサからの角度情報、各角度情報から求められる各脚先の位置情報、胴体のピッチ・ロール角情報、各関節部の各角度センサからの角度情報を加工した各脚先の速度・脚先加速度情報等を用い、これらの情報により、各関節部のアクチュエータ、段軸機構のアクチュエータの駆動を制御し、各脚先に路面の凹凸に応じたコンプライアンスを設定し、胴体のピッチ角、ロール角を制御する。
【００７３】
ここで、胴体のピッチ角は、図１２に示すように、脚と車輪の支持点から導かれる仮想面に平行になるように制御する。前後脚の可動範囲を最大とするためである。また、胴体ロール角は、目標角度が鉛直方向に垂直（水平）になるように制御する。静的安定性を確保するためである。
【００７４】
脚車輪分離型ロボットで不整地を移動する場合、ハード的な高安定性の実現と、脚のアクチュエータで支える機体荷重を減らすことによる省エネルギ性の実現のため、脚と車輪の両機構で機体を支持する脚車輪モードでの移動を主として使用し、車輪の回転制御を脚と協調して行う。
【００７５】
胴体のロール角は、段軸機構により制御する。段軸機構は、スライダ機構と車輪機構を回転軸で連結し、アクチュエータ（モータ）により回転角を制御するように構成した機構であり、この段軸機構により１つのアクチュエータ（モータ）で胴体のロール角を制御している。この場合、段軸のトルクと脚先力が干渉して車輪が浮くことを避けるために、段軸にトルクリミットをかけている。許容最大トルクは、機体座標ｚ方向の機体支持力のうち、車輪負担分を全て片輪で発生させるときに段軸アクチュエータ（モータ）にかかるトルクである。
【００７６】
脚車輪分離型ロボットは、脚と車輪で安定した機体支持を行い、脚と車輪サスペンションにコンプライアンス特性を設定することにより、路面の外乱を吸収し、不整地を移動することができる。具体的には、関節サーボ剛性を調節することで脚のコンプライアンスを制御している。
脚先ｚ方向の基本コンプライアンスを次式に示す。
Ｃｉ＝Δｓ／Ｆｌｅｇｚｉ                  ……（１）
ここで、Ｃｉ：脚ｉのｚ方向の基本コンプライアンス、Ｆｌｅｇｚｉ：脚ｉの接地点におけるｚ方向力、Δｓ：脚先のｚ方向の目標位置と実際位置の偏差の基本設定値（全脚一定）である（偏差＝実際位置−目標位置）。
【００７７】
脚車輪分離型ロボットにより図１３に示すような段差を上る場合、脚先の目標位置とコンプライアンスを整地移動時と同様に設定した場合、上位置の脚先に余分な力が発生し、胴体が大きく傾いてしまい、段差を上ることができなくなることがある。このため、段差移動時には、次式２により、脚先目標位置若しくはコンプライアンスを適切に調整している。
Ｃｓｔｅｐｉ＝Ｃｉ（Δｓｔｅｐｉ／Δｓ）  ……（２）
ここで、Ｃｓｔｅｐｉ：脚ｉの調整後のｚ方向コンプライアンス、Ｃｉ：脚ｉのｚ方向基本コンプライアンス、Δｓ：脚先目標位置と実際位置の偏差の基本設定値、Δｓｔｅｐｉ：脚ｉが段差に接地したときの目標位置と実際位置の偏差である。
なお、後述する下り段差の場合は、脚先目標位置は脚先接地位置に対してΔｓだけ低い位置に設定するため、コンプライアンスの調整はない。
【００７８】
２．大不整地
大不整地（高さ又は深さが０．１〜０．２ｍ程度までの凹凸不整地）を脚車輪分離型ロボットが移動する場合、主として脚車輪モードを使用する。脚車輪モードにおける支持点は、図１４に示すように、前脚と地面との接触点、車輪と地面との接触点、及び後脚と地面との接触点であるが、後脚の接触点は機体が通過した地形であるので、機体がこれから進む地形である前脚の接触点と車輪の接触点との幾何学的関係から大不整地の地形を分類する。
【００７９】
大不整地の地形は、車輪の支持点の位置に対して前脚の支持点の位置が高い、低い、同じ程度の３種類に分けることができる。さらに、前脚の支持点と車輪の支持点との間を３つの区間に分けることにより、図１４に示すように、前脚支持点が車輪支持点に対して高い地形（タイプＡ）、前脚支持点が車輪支持点に対して低い地形（タイプＢ）、前脚支持点と車輪支持点が同程度の高さの地形（タイプＣ）に分けることができる。
【００８０】
タイプＡは、３つの区間に分けた中間地点の高さが前脚支持点高さと車輪支持点高さの間にある場合（タイプＡ２）、中間地点の高さが前脚支持点より高い場合（タイプＡ３）、中間地点の高さが車輪支持点高さより低い場合（タイプＡ４、タイプＡ５）に分けることができる。タイプＡ４は、中間地形の長さが車輪半径に対して小さくて、車輪が中間地形にほとんど入らない場合、タイプＡ５は、それ以上の場合である。
【００８１】
タイプＢについても、タイプＡと同様に分けることができる（Ｂ２〜Ｂ５）。
【００８２】
タイプＣは、前脚支持点高さと車輪支持点高さよりも中間地点が高い場合（タイプＣ１）と、低い場合（タイプＣ２、タイプＣ３）に分けられる。
【００８３】
上記のような各種の地形（タイプＡ〜タイプＣ）の不整地路面を脚車輪分離型ロボットが移動する場合、前脚接地点が車輪接地点よりも高い位置にあり、それに向かって機体を上げる歩容（段差上り歩容）、前脚接地点が車輪接地点よりも低い位置にあり、それに向かって機体を下げる歩容（段差下り歩容）、前脚接地点が車輪接地点よりも高い位置にはないが、機体を上げる場合（乗り越え歩容）の３つの歩容パターンを用いる。ここで、「歩容」とは、脚車輪分離型ロボットの移動時の形態を含む概念である（以下、同じ。）。
【００８４】
段差上り歩容、段差下り歩容、乗り越え歩容においては、通常歩容で必要な情報（各アクチュエータの各軸の角度情報、各関節部の角度情報から求められる各脚先の位置情報、胴体のピッチ・ロール角情報、脚の接地の際に用いる脚先速度・脚先加速度情報）の基本情報の他に、車輪角度偏差情報、推定段差高さ情報、脚荷重分担率情報を付加情報として用いる。これらの情報は、各軸の角度センサと姿勢角センサから得られる。車輪角度偏差情報、推定段差高さ情報、脚荷重分担率情報について以下に説明する。
【００８５】
＜車輪角度偏差情報＞
大不整地適応歩容では、路面の凹凸に応じて機体を積極的に上下させるため、例えば、上り段差に応じて機体を上げる場合には、機体を上げるタイミングを検出する必要がある。脚先位置情報で段差の高さは把握できるが、上り段差の始点位置は把握することが困難である。実際には、車輪が上り段差に接地した場合、段差上り歩容が必要な地形では、機体が段差に当たり進みにくくなる。このとき、車輪が滑らないとすると、車輪の目標角度と実際の角度の偏差が大きくなる。一方、脚も進行方向に偏差がたまるが、遊脚相で偏差がクリアされて不連続になるため、車輪の角度偏差情報を上り段差の始点検出等に用いている。
【００８６】
＜推定段差高さ＞
大不整地適応歩容では、路面の凹凸に応じて機体を上下させるためには、路面高さを推定する必要がある。このため、脚先位置と姿勢角情報から推定する推定段差高さを用いている。
【００８７】
＜脚荷重分担率＞
大不整地適応歩容では、地形に応じて機体を上下させるが、例えば、下げ終わり時期を判定するためには、機体（車輪）が接地したか否かを検知する必要がある。あるいは、誤った高さ推定値のために機体を上げ過ぎたり、下げ過ぎたりしていないかを判断する必要もある。このような判定のために、脚機構と車輪機構による機体荷重の分担力のうち、脚機構（全ての支持脚）による分担率（以下、「脚荷重分担率」という。）が、機体の接地状態により増加・減少する特性を利用している。
【００８８】
脚荷重分担率は、各脚の脚先剛性と脚先位置偏差を用いて求められ、内界センサのみで算出できる。大不整地適応歩容では、脚荷重分担率を監視する機能が必要になる。
脚の荷重分担率ｋｌｅｇを次式で定義する。
2006326739.tif 000003
ここで、ｎ：支持脚数、δｚｉ：支持脚ｉのｚ方向脚先位置の目標位置との偏差（実際位置−目標位置）、Ｃｚｉ：支持脚ｉのｚ方向コンプライアンス、Ｗ：機体重量である。
【００８９】
脚荷重分担率ｋｌｅｇがその目標値ｋｄｌｅｇよりも大きい場合には、脚が突っ張り、その結果車輪が浮き、機体が不安定な状態となる可能性がある。それを防ぐために、必要以上にｋｌｅｇが大きくなった場合には脚の目標位置を上げて、機体座標ｚ方向の脚先発生力を緩める必要がある。すなわち、脚荷重分担率を監視することにより得られたｋｌｅｇが式４の場合には、式５により脚先位置を調節し、脚先発生力を弱める（脚先力弛緩動作）。
ｋｌｅｇ＞ｋｄｌｅｇ＋δｋ                ……（４）
Ｐｚｄｉ＝Ｐｚｄｉｏｌｄ＋ｄＰｚｄ        ……（５）
ここで、δｋ：判定余裕、Ｐｚｄｉ：脚ｉのｚ方向目標位置、Ｐｚｄｉｏｌｄ：１処理周期前のｚ方向目標位置、ｄＰｚｄ：各脚のｚ方向調整量である。
このとき、機体が不安定になっている可能性があるため、不安定な状態が解消されるまで上記の脚先力弛緩動作の終了時まで機体を停止させる。
【００９０】
＜障害物対策機能＞
遊脚軌道中に障害物が存在した場合には、脚が障害物に衝突し、適切な接地点に到達できない。これを防ぐために、遊脚中に障害物に衝突したことを検知した場合には、遊脚軌道を調節し、障害物を越えて所望の位置に脚を接地させている。
【００９１】
＜脚浮き対策機能＞
支持脚の脚先に設定したコンプライアンスで吸収できない不整地を移動する場合には、脚先の目標位置が移動路面より高くなり、脚が浮く可能性がある。脚が浮き、支持ができない場合にはそれだけ機体が不安定となるため、これを防ぐ対策を採っている。
【００９２】
（１）段差上り歩容
段差上り歩容は、前脚接地点に向かって機体を上げる歩容であり、段差上り歩容では、４脚全てと車輪で機体を支持して、機体を段差に上げる形態をとるものとする。
【００９３】
１）タイプＡ１路面
この路面では、機体を路面に応じて上昇させるために、上り段差の始点を検出する必要がある。車輪が上り段差に接して進むことができなくなると、車輪角度の目標角度からの偏差が大きくなる。上り段差の始点を検出するために、この車輪角度偏差情報が必要になる。始点を検出した後は、前脚接地点高さを目標高さとして機体を上昇させる。その際に必要な情報は、推定段差高さ情報（Ｈｅ）である。
【００９４】
２）タイプＡ２路面
機体が１段目の段差を上がる際には、前脚は２段目上に接地している。前脚接地点高さまで機体を上昇させると上げ過ぎの状態となる。そのため、機体上昇動作終了時には機体を上げ過ぎていない状態とする必要がある。機体を上昇させ過ぎた場合には脚に負担がかかり、脚荷重分担率も上昇するため、脚荷重分担率情報を用いて機体の上昇高さを調節する。
【００９５】
３）タイプＡ４、Ａ５路面
段差を上がる段階では、タイプＡ１路面と同様、前脚接点高さまで機体を上昇させる。
【００９６】
段差上り歩容では、前脚接地点高さと機体を上昇させる路面の高さがコンプライアンスで吸収できる範囲内の場合には、前述した通常不整地の移動制御方法でよい。前脚接地点高さよりも機体の必要上昇高さが高い場合には、後述する乗り越え歩容に遷移することで対応できる。前脚接地点高さよりも機体の必要上昇高さが低い場合には、上記の脚荷重分担率情報を利用して、機体上昇高さを調整すればよい。
【００９７】
＜歩容形態＞
大不整地を移動する際の歩容形態は、４脚全てと車輪で機体を支持して、機体を段差に上げる形態をとる。段差に応じて機体を持ち上げる際には、安定性、省エネルギ性、推進力の分散などの観点から、このときにも車輪は常時接地して機体を支持している方が望ましい。しかし、地形形状を正確に把握することは困難であり、想定地形と実地形が異なる場合も多い。そのため、車輪の常時接地は前提とはできず、脚のみでも静的安定性を確保しておく必要がある。さらに、前後および左右の不整地など外乱への対応力を均等にするため、４脚支持の形態を選択する。
【００９８】
＜歩容形態の切換＞
大不整地は通常不整地に比べると出現する頻度は相対的に低い。そのため、大不整地を移動する場合には、通常歩容から、段差上り歩容への切換を行う必要がある。具体的には、通常歩容では、支持脚が２脚であり、全脚支持歩容では支持脚が４脚であるため、支持脚を２脚から４脚、４脚から２脚へとするための脚の踏み換えが必要となる。全脚支持歩容での移動距離を最大限確保するためには、全脚支持歩容開始時に全ての脚が可動範囲の始点にあればよい。そのため、通常歩容から全脚支持歩容への切換は、全ての脚を可動範囲の始点に踏みかえることで行う。
【００９９】
＜通常歩容から全脚支持歩容への切換時期＞
通常歩容から全脚支持歩容への切換時期は、機体が段差に接し移動できなくなり、車輪角度の目標位置からのずれ（車輪角度偏差）が大きくなることで判別する。
【０１００】
＜全脚支持歩容から通常歩容への切換時期＞
正確な段差地形情報を取得できない状況下で、段差を上り終わったことを確実に判断することは困難である。そのため、既に段差上に機体が上がったとしても、全脚支持での移動を最大限確保することとし、脚の可動限界への到達をもって全脚支持歩容から通常歩容への切換を行う。
【０１０１】
＜上り段差開始位置の検知＞
脚車輪分離型ロボットが上り段差に到達すると、通常歩容では段差を上がることができないために機体が進めなくなる。このとき、車輪角度に目標位置からのずれ（車輪角度偏差δｗｉ）が生じるため、車輪角度偏差を用いて上り段差開始位置の検知を行う。
車輪ｉの車輪角度偏差δｗｉは、次式で表される。
δｗｉ＝Ａｎｇｗｄｉ−Ａｎｇｗｉ          ……（６）
ここで、Ａｎｇｗｄｉ：車輪ｉの目標角度、Ａｎｇｗｉ：車輪ｉの現在角度である。
上記の式を用いて、左右車輪の車輪角度偏差の小さい方が、次式のように閾値Δｗｍｉｎを越えた時点で上り段差開始位置だと検知する。
ｍｉｎ（δｗｉ）＞Δｗｉｎ（ｉ＝１、２）  ……（７）
車輪角度偏差の小さい方を用いる理由は、ロボットが通常歩容を行っている場合の左右車輪の角度偏差は、不整地路面形状により変化する。車輪角度偏差の大きい方を用いた場合、機体が進んでいても、閾値を超過する場合が考えられる一方で、車輪角度偏差の小さい方が閾値を超過した場合には、機体は必ず進めない状態となっているからである。
【０１０２】
なお、この時点では、上り段差が存在するために機体が動かなくなったのか、凸地形があるために機体が動かなくなったのかは判断できない。そのため、この検知が働いた場合には、全脚支持歩容開始時の各脚のＨｅｉの値により、段差上り歩容又は後述する乗り越え歩容の何れかを選択する。
【０１０３】
具体的には、次式のように、どちらか一方の脚のＨｅｉが閾値Δｇｅｔｏｖｅｒより大きい場合には、段差上り歩容を選択し、それ以外の場合には乗り越え歩容を選択する。
Ｈｅｆｏｒｅｌｅｆｔ＞Δｇｅｔｏｖｅｒ  or
Ｈｅｆｏｒｅｒｉｇｈｔ＞Δｇｅｔｏｖｅｒ      ……（８）
【０１０４】
＜段差高さの推定＞
通常歩容では、仮想面に対して胴体ピッチ角を平行にする。通常歩容との歩容制御の連続性を考えて、大不整地適応歩容においても、胴体ピッチ角は仮想面に平行にする。その場合、段差の高さは、仮想面に対する垂直方向の高さで表す必要がある。これを図１５に示す。
【０１０５】
図１５に示すように、脚ｉの推定段差高さＨｅｉは、仮想面からの凹凸成分に基づくｈｄｉｆｆと仮想斜度に基づくｈｉｍｇに分けて考えられる。なお、段差表面が斜面になっている地形は対象外とし、段差は脚接地点から水平に延びていると仮定する。また、段差高さの推定は、前脚のみについて行う。
【０１０６】
脚先の接地高さと仮想面との差ｈｄｉｆｆは、Ｌｘｉを前脚ｉのｘ方向の脚先位置とし、αｉを前脚ｉによる仮想斜度、αｉｍｇを脚車輪分離型ロボットの仮想斜度とすると、
ｈｄｉｆｆ＝−Ｌｘｉｔａｎ（αｉ−αｉｍｇｎｏｗ）……（９）
と表せる。ここで、αｉはある瞬間の値であり、それに対応させるためその時点での仮想斜度をαｉｍｇｎｏｗとしている。通常のαｉｍｇは、αｉｍｇｎｏｗの一周期平均である。また、−は、上り段差の場合を正、下り段差の場合を負とするためのものである。
【０１０７】
また、脚車輪分離型ロボットの仮想斜度に基づく推定高さ分ｈｉｍｇは、脚先から車輪までの距離をＬｓｉとすると、
ｈｉｍｇ＝−Ｌｓｉｓｉｎαｉｍｇ          ……（１０）
と表せる。
【０１０８】
以上を用いて、脚ｉによる推定段差高さＨｅｉは次式となる。前脚ｉによる段差高さの推定は、前脚ｉが遊脚相から支持相に切り換わる時点で行う。
Ｈｅｉ＝ｈｄｉｆｆ＋ｈｉｍｇ              ……（１１）
【０１０９】
＜左右段違い段差への対応＞
左右で高さの異なる段差を上がる場合、図１６に示すように、機体が上がる高さは左右高さの平均値となる。そこで、全脚支持歩容の直前に、左右前脚の推定段差高さの平均を、全脚支持歩容で上る機体の推定段差高さＨｅとして取得する。それを表したものが次式である。
Ｈｅ＝（Ｈｅｆｌ＋Ｈｅｆｒ）／２          ……（１２）
ここで、Ｈｅｆｌ：左前脚の推定段差高さ、Ｈｅｆｒ：右前脚の推定段差高さである。
なお、全脚支持歩容で下る際の推定段差高さＨｅも同様に左右の平均値をとり、左右段差違いに対応する（下り段差歩容）。
【０１１０】
＜全脚支持歩容＞
全脚支持歩容は、４脚全てを支持脚として機体が段差を上がるための歩容であり、脚の踏み換え動作により全脚が可動範囲の始点に接地した状態から始まり、全脚と車輪で機体を持ち上げ、脚が可動限界に到達した時点で終了する。つまり、１回の全脚支持歩容により１歩進むことになる。なお、全脚支持歩容時も車輪サスペンションで荷重を分担することを基本とするが、推定段差高さの誤差や段差地形の形状により、車輪が接地しない場合もあり得る。
【０１１１】
＜車輪の制御＞
図１７に全脚支持歩容時の車輪の動きを示す。全脚支持歩容開始時における１歩幅分の仮想面は、図中のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを結んだ路面となる。ここで、脚車輪分離型ロボットのピッチ角は、仮想面に平行になるように制御され、機体は仮想面と平行に進行すると仮定する。このとき、車輪ｉの微小時間当たりの回転角度ｄＷｄｉは、ｄＰｘｄを全脚支持歩容開始時の機体の機体座標系ｘ方向の微小移動量、車輪半径をｒとすると、θを図のようにとり、式１３で表される。この車輪目標角に対してＰＤ制御を行う。
ｄＷｄｉ＝ｄＰｘｄ／（ｒｃｏｓθ）（(ａ)ｗｈｉｌｅ  ｇｏｉｎｇ  ｕｐ  ａ  ｓｔｅｐ）
ｄＷｄｉ＝ｄＰｘｄ／ｒ（(ｂ)ａｆｔｅｒ  ｇｏｉｎｇ  ｕｐ  ｔｈｅ  ｓｔｅｐ）
……（１３）
【０１１２】
なお、θは、「全脚支持歩容開始時の機体（車輪）中心と段差の角を結ぶ直線」と「段差の角を通る仮想面に垂直な直線」とのなす角度をθｓ、全脚支持歩容開始からのｘ方向の機体の移動量をＰｘｄとした場合に、図１７に示したように、幾何学的に求められる。
【０１１３】
また、仮想面と平行に進行すると仮定して制御するため、Ｄ地点に向かうにつれて路面高さに誤差が生じるが、この誤差は脚のコンプライアンスと車輪サスペンションにて十分に吸収できる範囲であるため、許容する。
【０１１４】
＜脚の制御＞
脚軌道についても、車輪の目標回転角度の設定と同様に、機体中心の位置（Ｐｘｄ、Ｐｚｄ）との幾何学的な関係から設定する。機体を持ち上げるためには脚を下げる必要があるため、脚軌道次式で表される。
ｄＰｚｄｉ＝−ｄＰｚｄ（（ａ）ｗｈｉｌｅ  ｇｏｉｎｇ  ｕｐ  ｓｔｅｐ）
ｄＰｚｄｉ＝０（（ｂ）ａｆｔｅｒ  ｇｏｉｎｇ  ｕｐ  ｔｈｅ  ｓｔｅｐ）
……（１４）
ここで、ｄＰｚｄ：機体のｚ方向の微小時間移動量の目標値、ｄＰｚｄｉ：脚ｉのｚ方向の微小時間移動量の目標値である。
【０１１５】
なお、車輪の場合と同様に、Ｄ地点に向かうにつれて生じる路面高さの誤差と方向転換に伴うｚ方向の脚位置の誤差は、脚先のコンプライアンスで吸収する。
【０１１６】
全脚支持歩容の場合には、遊脚相から支持相に切り換わるときの脚先目標位置は、通常歩容と同様に、脚先の実際位置から基本設定値Δｓだけ低い位置に設定する。脚先コンプライアンスの設定は、式（１）により求める。全脚支持歩容中にも仮想面に胴体のピッチ角が平行になるように脚先軌道調整を行う。
【０１１７】
＜段軸の制御＞
胴体目標ロール角θｄｒを０とするため、スカイフックダンパ理論に基づく式１５のフィードバック制御を行う。
2006326739.tif 000004
ここで、Ｔθｒ：段軸機構モータのトルク、θｒ：胴体ロール角、θｄｒ：胴体目標ロール角、Ｋｒ、Ｄｒ：角度ゲインおよび角速度ゲインである。
これにより、上り段差の斜め進入時に対しても、胴体ロール角を水平に保ったまま左右車輪を時間差で上げることができ、また、左右段差違い路面に対しても胴体ロール角を水平に保ったまま移動できる。
【０１１８】
＜段差高さ過大推定への対応＞
前脚の接地位置と機体とが離れているために地形形状によっては、推定段差高さＨｅは正確なものとはならない。推定段差高さの誤差が小さい場合には、脚先コンプライアンスと車輪サスペンションにて吸収できる一方で、大きい場合には、脚先コンプライアンスとサスペンションでは吸収することができない。そこで、全脚支持歩容終了前に車輪による支持がされているかどうかを脚荷重分担率監視機能により判別し、車輪が浮くなどにより車輪による支持負担分が少ない場合には、脚先力弛緩動作により機体を下げて車輪を接地させ、終了踏換中に安定性を確保することで、これに対応する。
【０１１９】
＜推定段差高さ不足への対応＞
上り段差の始点検知と同様に、全脚支持期間の車輪角度の目標位置からの偏差を監視することにより、機体が段差を上れないか否かを判断する。この場合、全脚支持歩容で段差を上っている最中であり、機体が持ち上がって比較的不安定な状態となるため、上れない段差は比較的早期に検知する必要がある。そこで、左右車輪角度偏差の合計値δｗｈｅｅｌｓで評価することにより、上り段差の始点検知で用いている左右車輪角度の小さい方で評価する手法よりも検知条件を緩める。
【０１２０】
（２）段差下り歩容
段差下り歩容は、前脚接地点に向かって機体を下げる歩容であり、各軸の角度センサと姿勢角センサを用い、通常歩容に必要な情報と、推定段差高さ情報と脚荷重分担率情報とを用いる。
【０１２１】
１）タイプＢ１，Ｂ４路面
下り段差の存在を検知するため、前脚の推定段差深さ情報（Ｈｅ）が必要である。また、機体が落ちるのを防止するため、下り段差の始点位置を把握する。後述する下り段差始点探索動作によって下り段差の開始位置を検出する。この際には、機体が段差を下り始めると、脚に負担がかかるため、脚荷重分担率が増加するという性質を利用する。下り段差の始点位置検出後は、前脚接地点深さを目標深さとして、機体を下降させる必要がある。その際に必要な情報は、推定段差高さ情報（Ｈｅ）である。なお、タイプＢ４路面は、段差下に穴が存在するが、車輪半径程度であるため、機体が穴に入ることはなく、基本的にはタイプＢ１路面と同様である。
【０１２２】
２）タイプＢ２路面
機体が１段目の段差を下る際には、前脚は２段下の段差に接触している。前脚接地点深さまで機体を降下させると、下げすぎの状態となる。そのため、機体下降動作終了時には、機体を下げすぎてない状態とする必要がある。脚先位置を上げることで機体を下降させるため、機体を下降させ過ぎる場合は脚が浮き上る。その際には脚荷重分担率が減少するという特徴があるため、脚荷重分担率情報を用いて機体の下降量を調節する。
【０１２３】
３）タイプＢ５路面
機体が段差を下がるときには、前脚接地点は穴の外となるため、脚接地点深さを目標とした場合には、機体下降量が不足する。最悪の場合、機体が浮いた状態で脚の踏み換えを行うこととなり、姿勢を大きく崩す可能性がある。そこで、機体下降動作終了時に、機体が浮いていないかを確認する必要がある。機体が浮いている場合には、脚荷重分担率が増加しているため、脚荷重分担率情報を用いて、機体（車輪）が接地するまで機体下降量を調節する。
【０１２４】
４）タイプＣ２路面
穴の奥行きが小さい場合には、車輪が穴に入らないため、通常不整地と変わらず、特に必要な移動方法は必要ない。
【０１２５】
５）タイプＣ３路面
穴の奥行きが大きい場合には、機体が穴に入ってしまう。そのため、段差下り歩容を用いるが、機体が穴に下りる場面では、前脚は穴から出た位置に接地している。そのため、前脚接地位置に向かって機体を下げた場合には、タイプＢ５の路面と同様に、機体下降量が不足する。よって、脚荷重分担率情報を用いて、機体（車輪）が接地するまで機体下降量を調節する。
【０１２６】
段差下り歩容では、前脚接地点深さと機体を下降させる深さが、コンプライアンスで吸収できる範囲内の場合には、前脚接地点に向かって機体を下げるという基本の移動方法のままでよく、前脚接地点深さよりも機体の必要下降深さが小さい場合、前脚接地点深さよりも機体の必要下降深さが大きい場合には、脚荷重分担率情報を用いて、機体が車輪により適切に荷重分担されている状態に調整することで対応する。
【０１２７】
＜歩容形態＞
大不整地を移動する際の歩容形態は、４脚全てと車輪で機体を支持して、機体を段差に下ろす形態をとる。段差に応じて機体を下降させる際には、安定性、省エネルギ性、荷重の分散などの観点から、このときにも車輪は常時接地して機体を支持している方が望ましい。しかし、地形形状を正確に把握することは困難であり、想定地形と実地形が異なる場合も多い。そのため、車輪の常時接地は前提とはできず、脚のみでも静的安定性を確保しておく必要がある。さらに、前後および左右の不整地など外乱への対応力を均等にするため、４脚支持の形態を選択する。
【０１２８】
＜下り段差始点探索動作＞
大不整地の下り段差を全脚支持歩容を用いて移動するためには、下り段差の始点の位置を把握して、全脚支持歩容に切り換える必要がある。下り段差の始点位置を把握せずに通常歩容で下り段差を移動した場合には、機体が段差の下に落下する可能性があるためである。
【０１２９】
＜下り段差始点探索動作の開始時期＞
前脚の接地深さ情報を用いると、機体の移動する先の路面の状況を把握することができる。そこで、前脚の接地深さ情報により、下り段差の存在を予測する。下り段差は、前脚接地位置と車輪接地位置の間のどこにその始点が存在するかわらかない。そのため、下り段差の存在を予想した時点から下り段差始点探索動作に移行する。
【０１３０】
下り段差始点探索動作時の歩容形態は、どこに下り段差があるかわからないため、全脚支持による支持として安定性を最大限確保する。また、不必要な脚の踏み換えを避けるため、１回の下り段差始点探索動作では、脚の可動範囲の始点から限界点まで最大限使用する。
【０１３１】
次に、下り段差を機体が下り始めようとするにつれて、脚に負担がかかり、脚荷重分担率は定性的に増加する。この特徴を活用し、下り段差始点探索動作中の脚荷重分担率の変化を監視することで、下り段差の始点位置を検出する。なお、１回の探索動作にて下り段差の始点位置が検出できなくとも、その後の踏み換えで再度下り段差を検出し、探索動作を繰り返すことになる。
【０１３２】
＜機体位置合わせ動作＞
下り段差始点探索動作による始点検出時点では、機体中心は始点位置を多少超えている。そのため、機体を少し後退させて、機体中心を段差の始点位置に合わせる動作「機体位置合わせ動作」が必要となる。下り段差の始点への機体の位置合わせ動作を行う理由は、全脚支持歩容に移行するための脚の踏み換えを行う際に、段差から機体が落ちかかっていると、姿勢が不安定になるからである。なお、下り段差始点探索動作は全ての脚で支持しているため、安定して機体を後退させることが可能である。
【０１３３】
段差の始点位置に機体をセットした後には、全脚支持歩容での機体下降動作に移行する。全脚支持歩容への切換も、全脚支持歩容での移動距離を最大限確保するために、全ての脚を可動範囲の始点に踏み換えることで行う。
【０１３４】
＜全脚支持歩容終了後の通常歩容への切換時期＞
正確な段差地形情報が取得できない状況下で、段差を下り終わったことを確実に判断することは困難である。そのため、全脚支持歩容による移動距離を最大限確保することとし、脚の可動限界への到達をもって全脚支持から通常歩容への切換を行う。
【０１３５】
＜下り段差の検知＞
下り段差の存在の予測は、前脚の接地深さ情報を用いて行う。すなわち、前述した推定段差高さ（深さ）を用いることで、下り段差を検知する。
具体的には、Ｈｅｉとｈｄｉｆｆの値を用いる。Ｈｅｉは、仮想斜度成分をもっており、平らな下り斜面でも深く（負）に算出され、下り段差の検知に至るからである。そのため、ｈｄｉｆｆを併せて使用することで誤検知を少なくする。
【０１３６】
＜下り段差始点探索動作＞
下り段差を検知すると、全脚が可動範囲の始点になるように脚を踏み換え、下り段差の始点を探索する「下り段差始点探索動作」に移行する。下り段差始点探索動作では、全脚と車輪で支持しながら脚の可動範囲の始点から終点まで、脚荷重分担率を監視しながら進む。
【０１３７】
下り段差の始点を機体が過ぎると、機体が段差の下に落ちようとして脚の荷重分担率が増加するという定性的な特徴を用いて、始点の検出を行う。具体的には、脚荷重分担率が当該探索動作中の最小値と比較して閾値Ｄｒａｔｉｏより大きくなった場合に、下り段差の始点と認識する。ただし、下り段差の始点を検知した時点では、機体は下り段差の始点を多少超えているため、機体を下り段差の始点まで後退させる「機体位置合わせ動作」が必要となる。なお、下り段差始点探索動作開始直後に始点を検知した場合には、位置合わせをせずともほぼ最大限の全脚支持歩容における歩幅を確保することができるため、そのまま段差を下るための全脚支持歩容に移行させている。
【０１３８】
＜機体位置あわせ動作＞
下り段差の始点を検知した時点では、機体は段差の始点より多少進んだ状態にある。この状態で全脚支持歩容のために脚の踏み換えを行った場合には、機体が下に落ちようとして不安定となる可能性がある。そこで、機体を段差の始点まで後退させ、機体の位置を段差の始点に合わせるのが機体位置あわせ動作である。
このときも、脚荷重分担率が段差の始点に戻るまでは下がり、その後は上がるという定性的な特徴を用いて位置を合わせる。
【０１３９】
＜全脚支持歩容＞
全脚支持歩容は、４脚全てを支持脚とし、脚車輪分離型ロボット本体が段差を下るための歩容である。全脚支持歩容時にも、高安定性および省エネルギ、荷重の分散などの観点から、車輪サスペンションで荷重を分担することを基本とするが、段差高さ推定値の誤差や段差地形の形状により車輪が接地しない場合もありうる。そのため、最大限安定性を確保するために全ての脚での支持とする。
脚の踏み換え動作により全ての可動範囲の始点に接地した状態から始まり、全ての脚と車輪により機体を支持した状態で段差を下り、脚が可動限界に到達した時点で終了する。つまり、１回の全脚支持歩容により１歩進むことになる。
【０１４０】
全脚支持歩容時の車輪の動きを図１８に示す。全脚支持歩容の１歩幅中の前半で段差を下り、その後は水平に移動する。全脚支持歩容開始時における１歩幅分の仮想面は、図中のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを結んだ路面となる。ここで、脚車輪分離型ロボットのピッチ角は、仮想面に平行に制御し、仮想面と平行に進行すると仮定すると、車輪ｉの微少時間当たりの回転角度ｄＷｄｉは、ｄＰｘｄを段差下り開始時の機体座標系における機体中心のｘ方向の微少移動量、車輪半径をｒとすると、図のようにθをとり、式（１６）で表される。この車輪目標角に対してＰＤ制御を行う。
ｄＷｄｉ＝ｄＰｘｄ／（ｒｃｏｓθ）（(ａ）ｗｈｉｌｅ  ｇｏｉｎｇ  ｄｏｗｎ  ｓｔｅｐ）
ｄＷｄｉ＝ｄＰｘｄ／ｒ（(ｂ)ａｆｔｅｒ  ｇｏｉｎｇ  ｄｏｗｎ  ｔｈｅ  ｓｔｅｐ）
……（１６）
なお、段差を下り始める時点からの回転角θは、「段差を下りた時点での機体（車輪）中心と図中のＡ点を結んだ直線」と「点Ａを通り、仮想面に垂直な直線」とのなす角度θｅ，全脚支持歩容開始からの開始時の機体座標系におけるｘ方向の機体の移動量をＰｘｄとした場合に、図に示すように幾何学的に求められる。
【０１４１】
＜脚の制御＞
脚軌道についても、車輪の目標回転角度の設定と同様に、機体中心の位置（Ｐｘｄ，Ｐｚｄ）との幾何学的な関係から設定する。機体を下げるには脚を上げる必要があるため、脚軌道は次式で表される。
ｄＰｚｄｉ＝−ｄＰｚｄ（(ａ)ｗｈｉｌｅ  ｇｏｉｎｇ  ｄｏｗｎ  ａｓｔｅｐ）
ｄＰｚｄｉ＝０（(ｂ)ａｆｔｅｒ  ｇｏｉｎｇ  ｄｏｗｎ  ｔｈｅ  ｓｔｅｐ）
……（１７）
ここで、ｄＰｚｄ：機体の機体座標系ｚ方向の微少時間移動量、ｄＰｚｄｉ：脚ｉの機体座標系ｚ方向の微少時間移動量である。
なお、車輪の場合と同様、Ｄ地点に向かうにつれて生じる路面高さの誤差と方向転換に伴うｚ方向の脚位置の誤差は、脚先のコンプライアンスで吸収する。
【０１４２】
脚は離散的に接地するため、接地時の脚先目標位置（すなわち初期値）を設定する必要がある。前述したように、遊脚相から支持相に切り換わるときの脚先目標位置の初期位置は、脚先の実際位置から前述した基本設定値Δｓだけ低い位置に接地する。脚先コンプライアンスの設定は、式（１）により求める。また、全脚支持歩容中にも仮想面に胴体ピッチ角が平行になるように脚軌道調整を行う。
【０１４３】
＜段軸の制御＞
段差上り歩容における全脚支持歩容時の段軸制御と同様に、式（１５）にて制御を行う。これにより、下り段差への斜め進入時に対しても、胴体ロール角を水平に保ったまま左右車輪を時間差で下ろすことができるため、移動可能となる。また、左右段違い路面に対しても、胴体ロール角を水平に保ったまま移動できる。
【０１４４】
（３）乗り越え歩容
乗り越え歩容は、前脚接地位置と車輪接地位置の間にある凸地形を乗り越えるための歩容であり、図１４のタイプＣ１、Ａ３、Ｂ３に示した路面の移動を実現するための歩容である。
乗り越え歩容においても、各軸の角度センサと姿勢角センサのみを用い、通常歩容の際に用いる情報の他に、車輪角度偏差情報、推定段差高さ情報、及び脚荷重分担率情報を用いる。
【０１４５】
１）タイプＣ１路面
凸路面に車輪が接地すると、機体が進むことができなくなり、段差上り歩容と同様に、車輪角偏差情報により凸路面の始点を検出する。推定段差高さ情報（Ｈｅ）が低いにもかかわらず、機体が推進できない場合には、凸地形である。但し、凸地形の上に脚が接地するとは限らないため、その高さを把握できない場合もある。よって、機体を最大限上昇させ、その状態で機体を推進し、下ろすことで凸地形に対応する。機体が接地し、車輪による荷重分担が増加すれば、脚荷重分担率が減少するため、脚荷重分担率情報を用いて機体の路面への接地を検出する。
【０１４６】
２）タイプＡ３路面
車輪が段差に接地し、段差上り歩容を行うときの推定段差高さ（Ｈｃ）は、凸路面の凸部分より低いため、凸部分を上がることができない。上がれないことの判断は、段差上り歩容の全脚支持歩容期間中に、車輪角度の目標角度からの偏差が大きくなることを利用する。上れないことを検出した時点では、すでに可動範囲は狭くなっており、移動距離が少ないため、一度機体を下ろし脚を踏みかえる。凸地形の高さはタイプＣ１路面と同様、把握することができるとは限らないため、踏み換えた後に最大限機体を上昇させた状態で機体を推進し、下ろすことで凸地形に対応する。
【０１４７】
３）タイプＢ３路面
前脚は段差の下に接地するため、段差下り歩容となり、下り段差始点探索動作をする。このときに凸地形があると、機体が進むことができなくなり、車輪角度の目標角度からの偏差が大きくなる。よって、始点探索動作中に車輪角度偏差情報を用いて、凸地形を検出した際には、機体を上昇させる必要がある。ただし、検出した時点で可動範囲が狭くなっているため、脚の踏み換えを行い、可動範囲の始点に全ての脚を配置する。また、凸地形の高さは必ずしも把握できないため、機体の上昇量は最大限とし、その状態で機体を推進し、下ろすことで対応する。
【０１４８】
乗り越え歩容で対象とする路面の特徴は、前脚接地点の路面高さより高い路面が、前脚接地点と車輪接地点の間に存在することである。前脚と車輪間に凸地形がある場合には、その路面高さを必ずしも把握することができないため、脚車輪分離型ロボットが取りうる最大限の高さで凸地形を乗り越える。具体的には、凸地形を検知した場合には機体を停止させ（図１９（ａ））、脚を踏み換えた（図１９（ｂ））後に、最大限機体を持ち上げる（図１９（ｃ））。その後、機体を一歩幅分だけ進め（図１９（ｄ））、機体を接地するまで下げ（図１９（ｅ））、脚を踏み換えて通常歩容に遷移する。
【０１４９】
乗り越え歩容は、凸地形の高さにかかわらず最大限機体を持ち上げる。そのため、必要以上に時間を要し、また、エネルギ的な負担も大きい。一方で乗り越え歩容で超えることのできない凸地形は、その脚車輪分離型ロボットの寸法では物理的に移動が相当困難な地形であるということになる。また、タイプＡ３、タイプＢ３路面に対する乗り越え歩容の移動能力は、それぞれ段差上り歩容、段差下り歩容で行けない地形に対する歯止め的な位置づけに乗り越え歩容があることを示している。
【０１５０】
以上から、乗り越え歩容は、高い不整地対応能力はもつが、時間やエネルギーロスが多い歩容であり、凸路面のように路面高さなどの把握が困難な場合や、段差上り歩容および段差下り歩容で行けない場合といった高い不整地能力が強く求められるところで用いられる。なお、斜めに進入する場合および左右で路面高さが異なる場合には、段差上り歩容及び段差下り歩容と同様に段軸を制御すること、および、機体を持ち上げる際の左右脚の接地高さのずれをそのまま保持した上で、機体を持ち上げることで対応することができる。
【０１５１】
＜誤判定による歩容遷移＞
図２０に、実際の路面地形に対して間違った歩容選択をした場合の動作と最終的な歩容の遷移先（ただし、存在する場合）を示し、移動の可否を示したものである。
例えば、一番上段は、実際の路面が通常不整地であるのに誤って段差上り歩容に誤遷移した場合である。この場合には、実際の路面が通常不整地であるため、段差上り歩容に遷移しても、脚の踏み換えや全脚支持歩容のために時間は余分にはかかるが、移動可能（○）である。また、上から５段目を説明すると、実際の路面が上り段差路面である場合に、間違って段差下り歩容に誤遷移した場合は、下り段差始点探索動作中に当該上り段差により移動できなくなり、結果として最終的には乗り越え歩容に遷移するため、その路面を移動することは可能であることを示している。
ただし、１１段目のように、実際の路面が下がり段差の場合に、誤って段差上り歩容に遷移した場合には、図２１の右側に示すように、段差の途中での終了踏み換えの可能性があり、このときには機体が不安定となり、移動可能であるとはいえない。同様の理由から、実際の路面が下り段差の場合には、他の歩容に誤って遷移することは防ぐ必要がある（１０〜１２段目）。
ただし、前脚を触覚のようにして用いる脚車輪分離型ロボットでは、前脚が穴に接地してから胴体が穴を下るから、数歩分余裕があるため、数回の検知チャンスが存在し、１回の誤判定で即問題にはならないという特徴がある。
【図面の簡単な説明】
【０１５２】
【図１】本発明による脚車輪分離型ロボットの一実施の形態の全体を示した平面図である。
【図２】図１の正面図である。
【図３】図１の左側面図である。
【図４】図１の部分拡大平面図である。
【図５】図１の脚車輪分離型ロボットの制御系のブロック図である。
【図６】脚モードを示した説明図である。
【図７】車輪モードを示した説明図である。
【図８】脚車輪モードを示した説明図である。
【図９】機体座標系の説明図である。
【図１０】仮想斜度の説明図である。
【図１１】脚モードにおける仮想斜度の説明図である。
【図１２】胴体のピッチ角及びロール角の説明図である。
【図１３】脚のコンプライアンス調整の説明図である。
【図１４】不整地の地形を分類した説明図である。
【図１５】段差高さの推定を示した説明図である。
【図１６】左右段違い段差への対応を示した説明図である。
【図１７】全脚支持歩容時の車輪の動きを示した説明図である。
【図１８】全脚支持歩容時の車輪の動きを示した説明図である。
【図１９】乗り越え歩容の説明図である。
【図２０】誤判定による歩容遷移の説明図である。
【図２１】下り段差の場合の誤判定による動作を示した説明図である。
【符号の説明】
【０１５３】
１  脚車輪分離型ロボット          ２  胴体
１１  前左脚                      １２  左大腿部
１３  第１左大腿部                １４  第２左大腿部
１５  左股関節部                  １６  第１左股関節部
１７  第２左股関節部              １９  左脛部
２０  左膝関節部                  ２１  左足部
２２  前右脚                      ２３  右大腿部
２４  第１右大腿部                ２５  第２右大腿部
２６  右股関節部                  ２７  第１右股関節部
２８  第２右股関節部              ３０  右脛部
３１  右膝関節部                  ３２  右足部
３４  後左脚                      ３５  後右脚
３６  左車輪                      ３９  右車輪
４２  サスペンション              ４３  平行リンク機構
５５  段軸機構                    ６０  コントローラ
Ａ１〜Ａ１５  アクチュエータ      Ｓ１〜Ｓ１５  角度センサ
Ｓ１６  姿勢角センサ              Ｄ１〜Ｄ１５  ドライバ
【図１】
2006326739.tif 000005
【図２】
2006326739.tif 000006
【図３】
2006326739.tif 000007
【図４】
2006326739.tif 000008
【図５】
2006326739.tif 000009
【図６】
2006326739.tif 000010
【図７】
2006326739.tif 000011
【図８】
2006326739.tif 000012
【図９】
2006326739.tif 000013
【図１０】
2006326739.tif 000014
【図１１】
2006326739.tif 000015
【図１２】
2006326739.tif 000016
【図１３】
2006326739.tif 000017
【図１４】
2006326739.tif 000018
【図１５】
2006326739.tif 000019
【図１６】
2006326739.tif 000020
【図１７】
2006326739.tif 000021
【図１８】
2006326739.tif 000022
【図１９】
2006326739.tif 000023
【図２０】
2006326739.tif 000024
【図２１】
2006326739.tif 000025