(57)【要約】【課題】多脚ロボットにおけるロバストかつリアルタイムな登攀動作を実現する技術を提供する。【解決手段】登攀動作制御方法は、ポテンシャル場に基づいて多脚ロボット１がホールドするホールドの評価値であるホールド評価値を算出する工程（Ｓ１３０）と、目標登攀速度と多脚ロボットの各脚の先端の登攀方向における速度との差分を多脚ロボットの登攀動作開始時刻から現在時刻まで積分して得られる可変重みに、各脚の先端の登攀方向における速度を掛け合わせることで各脚の先端の登攀方向における速度の評価値である速度評価値を算出する工程（Ｓ１４０）と、少なくともホールド評価値と速度評価値を加算して得られる評価関数に基づいて非線形モデル予測制御を実行する（Ｓ１６０）ことにより、多脚ロボット１の登攀動作を制御する工程（Ｓ１７０）と、を含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
壁面に設けられた複数のホールドの座標情報と、各ホールドをホールドした際にそのホールドにおいて発生し得る力及びトルクを示す安定性情報と、に基づいて算出された前記複数のホールドのポテンシャル場と、予め設定された登攀速度の目標値である目標登攀速度と、に基づいて前記壁面を登攀する多脚ロボットの登攀動作制御方法であって、
前記ポテンシャル場に基づいて前記多脚ロボットがホールドするホールドの評価値であるホールド評価値を算出する工程と、
前記目標登攀速度と前記多脚ロボットの各脚の先端の登攀方向における速度との差分を前記多脚ロボットの登攀動作開始時刻から現在時刻まで積分して得られる可変重みに、各脚の先端の登攀方向における速度を掛け合わせることで各脚の先端の登攀方向における速度の評価値である速度評価値を算出する工程と、
少なくとも前記ホールド評価値と前記速度評価値を加算して得られる評価関数に基づいて非線形モデル予測制御を実行することにより、前記多脚ロボットの登攀動作を制御する工程と、
を含む、多脚ロボットの登攀動作制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多脚ロボットの登攀動作制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、ヤモリの足を模擬した接着部材を足先に取り付けることで、壁面や木を登れるようにしたヤモリロボットを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−３５７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、人を模擬したロボットであって人間と同程度の運動能力を有するヒューマノイドロボットは、人間の生活環境や人間の活動できない過酷な環境下で人間に代わって活動することで人間の活動を助けることが期待されている。
【０００５】
しかしながら、ヒューマノイドロボットは現状未だ研究段階にあり、人間の生活環境下ですら満足に活動することが難しいとされている。ヒューマノイドロボットが多様な環境下で活動するためにも、ヒューマノイドロボットの移動能力を拡張することが大きな課題となっている。
【０００６】
そこで、本願発明の発明者らは、ヒューマノイドロボットの移動能力を拡張すべく、特に、ヒューマノイドロボットの登攀（とうはん）動作を研究している。登攀動作とは、ヒューマノイドロボットがホールドと呼ばれる突起や窪みに手足の先端をかけて支持点とし、壁面を登る動作を意味する。端的に言えば、登攀動作とは、ヒューマノイドロボットがホールドと呼ばれる突起や窪みをホールドして支持点とし、壁面を登る動作を意味する。具体的に言えば、登攀動作とは、ヒューマノイドロボットがホールドと呼ばれる突起や窪みに手足の先端をかけるか又は手足の先端で掴むなどして支持点とし、壁面を登る動作を意味する。この登攀動作は、単に壁面の登攀のみならず、屋内の急な階段や梯子の昇り降り、山岳地や災害現場などに代表される二足歩行が困難な場所での移動などへの応用が期待されている。
【０００７】
ヒューマノイドロボットに代表される多脚ロボットの登攀動作の技術分野においては、複数のホールドをどのように選択して登攀するかという点が大きな課題となっている。この技術分野においては、準静的（平衡状態を維持したままある状態から別の状態へ移行すること）なモデルでロボットの脚軌道を生成し、実際に四脚ロボットに壁面を登らせている先行研究（T.Bretl, “Motion Planning of Multi-Limbed Robots Subject to Equilibrium Constraints: The Free-Climbing Robot Problem”, The International Journal of Robotics Research, Vol. 25, No. 4, pp.317-342(2006)）がある。しかしながら、この研究では、実際に四脚ロボットに壁面を登らせる前に、登攀時に使用するホールドの経路設計や動作設計が必要とされる。また、実際に四脚ロボットに登攀動作を実行させた際に、事前に作成された経路設計や動作設計が実態とうまく整合せず、四脚ロボットの登攀動作が失敗することがある。
【０００８】
また、別の論文（Ruixiang Zhang, Jean-Claude Latombe : Capuchin: A Free-Climbing Robot, 
International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 10, No. 194, pp. 1-18(2013)）は、ホールドの選択と順番を計画するプランナーの技術を開示している。この論文では、オンラインでプランニングを行うため、支持点が滑るなどした場合にも登攀動作の継続が可能であり、上記研究よりも頑健性が高い。しかしながら、サンプリングベースのプランニングを行うため、リアルタイム性はなく、一歩登るたびに一旦停止して次の支持点を算出する、というように間欠的な動作しか行えず、登攀速度を全く無視した制御となり、登攀完了までに長い時間がかかってしまう。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、多脚ロボットにおけるロバストかつリアルタイムな登攀動作を実現する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の観点によれば、壁面に設けられた複数のホールドの座標情報と、各ホールドをホールドした際にそのホールドにおいて発生し得る力及びトルクを示す安定性情報と、に基づいて算出された前記複数のホールドのポテンシャル場と、予め設定された登攀速度の目標値である目標登攀速度と、に基づいて前記壁面を登攀する多脚ロボットの登攀動作制御方法であって、前記ポテンシャル場に基づいて前記多脚ロボットがホールドするホールドの評価値であるホールド評価値を算出する工程と、前記目標登攀速度と前記多脚ロボットの各脚の先端の登攀方向における速度との差分を前記多脚ロボットの登攀動作開始時刻から現在時刻まで積分して得られる可変重みに、各脚の先端の登攀方向における速度を掛け合わせることで各脚の先端の登攀方向における速度の評価値である速度評価値を算出する工程と、少なくとも前記ホールド評価値と前記速度評価値を加算して得られる評価関数に基づいて非線形モデル予測制御を実行することにより、前記多脚ロボットの登攀動作を制御する工程と、を含む、多脚ロボットの登攀動作制御方法が提供される。以上の方法によれば、多脚ロボットにおけるロバストかつリアルタイムな登攀動作が実現される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、多脚ロボットにおけるロバストかつリアルタイムな登攀動作が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】多脚ロボットの模式図である。
【図２】多脚ロボットの制御装置のブロック図である。
【図３】ポテンシャル場を示す図である。
【図４】多脚ロボットの制御フローである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図１から図４を参照して、本発明の一実施形態に係る多脚ロボット１について説明する。図１に示すように、多脚ロボット１は、ｘ−ｙ平面上の１０自由度１０リンクを有するロボットである。即ち、多脚ロボット１は、腰関節から見て上方にリンクＬ１、リンクＬ２、リンクＬ３、リンクＬ４、リンクＬ５を有している。リンクＬ１は腰関節に接続し、上方に延びている。リンクＬ２及びリンクＬ４はリンクＬ１の上端に接続している。リンクＬ３はリンクＬ２の上端に、リンクＬ５はリンクＬ４の上端に、それぞれ接続している。同様に、多脚ロボット１は、腰関節から見て下方にリンクＬ６、リンクＬ７、リンクＬ８、リンクＬ９、リンクＬ１０を有している。リンクＬ６は腰関節に接続し、下方に延びている。リンクＬ７及びリンクＬ９はリンクＬ６の下端に接続している。リンクＬ８はリンクＬ７の下端に、リンクＬ１０はリンクＬ９の下端に、それぞれ接続している。
【００１４】
図２に示すように、多脚ロボット１は、入力インターフェース２、制御装置３、複数の駆動モータ４を備えている。
【００１５】
入力インターフェース２は、壁面に設けられた複数のホールドの座標情報と、各ホールドをホールドした際にそのホールドにおいて発生し得る力及びトルクを示す安定性情報と、多脚ロボット１の登攀速度の目標値である目標登攀速度と、を制御装置３に入力するためのインターフェースである。
【００１６】
複数の駆動モータ４は、多脚ロボット１の各関節に設けられ、各関節を回転駆動する。
【００１７】
制御装置３は、複数の駆動モータ４を制御することで、多脚ロボット１の登攀動作を制御する。制御装置３は、中央演算処理器としてのCPU１０（Central Processing Unit）と、読み書き自由のRAM１１（Random Access Memory）、読み出し専用のROM１２（Read Only Memory）を備えている。そして、CPU１０がROM１２に記憶されている制御プログラムを読み出して実行することで、制御プログラムは、CPU１０などのハードウェアを、ポテンシャル場生成部１３、ポテンシャル場記憶部１４、目標登攀速度記憶部１５、評価値算出部１６、モデル予測制御部１７、登攀動作制御部１８として機能させる。
【００１８】
ポテンシャル場生成部１３は、壁面に設けられた複数のホールドの座標情報と、各ホールドをホールドした際にそのホールドにおいて発生し得る力及びトルクを示す安定性情報と、に基づいて算出された複数のホールドのポテンシャル場を生成する。
【００１９】
ポテンシャル場記憶部１４は、ポテンシャル場生成部１３が生成したポテンシャル場を記憶する。
【００２０】
目標登攀速度記憶部１５は、入力された目標登攀速度を記憶する。
【００２１】
評価値算出部１６は、後述する評価関数を構成する各評価値を算出する。
【００２２】
モデル予測制御部１７は、非線形モデル予測制御を実行し、評価区間における制御入力ベクトルを算出する。
【００２３】
登攀動作制御部１８は、モデル予測制御部１７が算出した制御入力ベクトルの初期値に基づいて複数の駆動モータ４を制御する。
【００２４】
以下、制御装置３の詳細な動作について、具体的な数式と共に説明する。
【００２５】
2019136817.tif 000003
【００２６】
壁面上に設置された複数のホールドを使って多脚ロボット１が壁面を登攀させることが本実施形態の目的である。本来であれば、多脚ロボット１の手足の先端や各ホールドの形状及び材質などによって掴んだときに発生できる力やトルクが決まる。しかしながら、本実施形態では簡単のためにそれらをホールドの「安定性」という既知の観測値として扱うものとする。即ち、壁面に設けられた複数のホールドの座標情報と、各ホールドをホールドした際にそのホールドにおいて発生し得る力及びトルクを示す安定性情報と、は多脚ロボット１のオペレータにより入力インターフェース２を介して制御装置３に入力される。また、多脚ロボット１の登攀速度の目標値である目標登攀速度も多脚ロボット１のオペレータにより入力インターフェース２を介して制御装置３に入力され、目標登攀速度記憶部１５に記憶される。これらの情報に基づいて非線形モデル予測制御により多脚ロボット１が自律的に経路選択と動作生成を行うように登攀動作の問題を以下のように最適制御問題として定式化する。
【００２７】
2019136817.tif 000004
【００２８】
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【００２９】
上記式（３）のスカラー値関数Lは、３つの項で構成される。
【００３０】
2019136817.tif 000006
2019136817.tif 000007
【００３１】
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【００３２】
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【００３３】
（２．制御手法）
次に、モデル予測制御部１７は、上記１．で定式化した最適制御問題を、非線形モデル予測制御（NMPC）で制御する。非線形モデル予測制御の概要については以下の通りである。
【００３４】
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【００３５】
以上により、壁面に設けられた複数のホールドを用いて多脚ロボット１が壁面を登攀するに際し、多脚ロボット１がポテンシャル場に基づいて自律的に経路選択を行うと共に姿勢移動や各手足（各脚）の置き替えの動作生成を行う汎用的な登攀動作制御方法が実現される。具体的には、上記経路選択及び動作生成を含めた登攀動作全体を１つの最適制御問題として取り扱い、非線形モデル予測制御による単一の制御則で登攀動作を制御するものとした。従って、多脚ロボット１が登攀中に一歩ずつ停止するようなことがなく、高速な登攀動作が可能となる。また、多脚ロボット１の現在の状態ベクトルに基づいて動作生成が行われるため、高いロバスト性も期待できる。
【００３６】
以下、図４を参照して、多脚ロボット１の制御フローを説明する。
【００３７】
ステップＳ１００：
先ず、多脚ロボット１のオペレータが、壁面に設けられた複数のホールドの座標情報と、各ホールドをホールドした際にそのホールドにおいて発生し得る力及びトルクを示す安定性情報を入力インターフェース２を介して制御装置３に入力する。
【００３８】
ステップＳ１１０：
次に、多脚ロボット１のオペレータが、多脚ロボット１の登攀速度の目標値である目標登攀速度を入力インターフェース２を介して制御装置３に入力する。目標登攀速度は目標登攀速度記憶部１５に記憶される。
【００３９】
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【００４０】
2019136817.tif 000013
【００４１】
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【００４２】
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【００４３】
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【００４４】
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【００４５】
ステップＳ１８０：
次に、制御装置３は、登攀が完了したか判定する。登攀が完了したら（Ｓ１８０：ＹＥＳ）、制御装置３は処理を終了する。登攀が完了していなかったら（Ｓ１８０：ＮＯ）、制御装置３は処理をステップＳ１３０に戻す。
【００４６】
以上に、本実施形態における多脚ロボット１の登攀動作制御方法を説明した。上記実施形態は以下の特徴を有している。
【００４７】
即ち、多脚ロボット１の登攀動作制御方法は、壁面に設けられた複数のホールドの座標情報と、各ホールドをホールドした際にそのホールドにおいて発生し得る力及びトルクを示す安定性情報と、に基づいて算出された複数のホールドのポテンシャル場と、予め設定された登攀速度の目標値である目標登攀速度と、に基づいて壁面を登攀する多脚ロボットの登攀動作を制御するものである。登攀動作制御方法は、ポテンシャル場に基づいて多脚ロボット１がホールドするホールドの評価値であるホールド評価値を算出する工程（Ｓ１３０）と、目標登攀速度と多脚ロボットの各脚の先端の登攀方向における速度との差分を多脚ロボットの登攀動作開始時刻から現在時刻まで積分して得られる可変重みに、各脚の先端の登攀方向における速度を掛け合わせることで各脚の先端の登攀方向における速度の評価値である速度評価値を算出する工程（Ｓ１４０）と、少なくともホールド評価値と速度評価値を加算して得られる評価関数に基づいて非線形モデル予測制御を実行する（Ｓ１６０）ことにより、多脚ロボット１の登攀動作を制御する工程（Ｓ１７０）と、を含む。以上の方法によれば、多脚ロボット１におけるロバストかつリアルタイムな登攀動作が実現される。
【００４８】
上述の例において、プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
【符号の説明】
【００４９】
１  多脚ロボット
３  制御装置
１３  ポテンシャル場生成部
１６  評価値算出部
１７  モデル予測制御部
１８  登攀動作制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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