(57)【要約】【課題】歩行ロボットの足つきを正確に検知することのできる歩行状態の評価方法を提供し、さらに、安定した歩行動作を実現できる歩行制御方法を提供すること。【解決手段】本発明にかかる歩行状態の評価方法では、二脚歩行式ロボット１の歩行状態を評価する。まず、歩行動作中の足裏の接地点分布を床反力分布計２，３により計測する。次に、計測された接地点分布に基づいて接地点分散値を算出する。さらに、算出された接地点分散値に基づいて歩行状態を評価する。また、床反力中心と、複数の計測点で計測された床反力に基づいて最大旋回力を算出して、これに基づき歩行状態を評価してもよい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二脚歩行式ロボットの歩行状態を評価する方法であって、
歩行動作中の足裏の接地点分布を計測するステップと、
計測された接地点分布に基づいて接地点分散値を算出するステップと、
算出された接地点分散値に基づいて歩行状態を評価するステップとを備えた歩行状態の評価方法。
【請求項２】
二脚歩行式ロボットの歩行状態を評価する方法であって、
歩行動作中に、足裏における複数の計測点の床反力を計測するステップと、
床反力中心と、各計測点で計測された床反力に基づいて最大旋回力を算出するステップと、
算出された最大旋回力に基づいて歩行状態を評価するステップとを備えた歩行状態の評価方法。
【請求項３】
前記足裏の接地点分布を計測するステップは、床面又は足裏に設置された床反力分布計によって計測することを特徴とする請求項１記載の歩行状態の評価方法。
【請求項４】
前記足裏の床反力を計測するステップは、床面又は足裏に設置された床反力分布計によって計測することを特徴とする請求項２記載の歩行状態の評価方法。
【請求項５】
前記歩行状態を評価するステップは、足裏全体が接地したときの分散値を表す基準分散値によって前記接地点分散値を割ることによって接地度を算出することを特徴とする請求項１に記載の歩行状態の評価方法。
【請求項６】
前記最大旋回力を算出するステップは、前記各計測点と床反力中心との距離に対して計測された床反力をかけた値の総和に対して、足裏と床面の間の静摩擦係数をかけることにより最大旋回力を算出することを特徴とする請求項２記載の歩行状態の評価方法。
【請求項７】
二脚歩行式ロボットの歩行制御方法であって、
歩行動作中の足裏の接地点分布を計測するステップと、
計測された接地点分布に基づいて接地点分散値を算出するステップと、
前記接地点分散値に基づいてロボットの駆動を制御するステップとを備えた歩行制御方法。
【請求項８】
前記駆動制御ステップは、
前記接地点分散値と予め定めた閾値と比較するステップと、
前記比較結果に基づいて駆動を制御するステップとを有することを特徴とする請求項７記載の歩行制御方法。
【請求項９】
二脚歩行式ロボットの歩行状態を評価する方法であって、
歩行動作中に、足裏における複数の計測点の床反力を計測するステップと、
床反力中心と、各計測点で計測された床反力に基づいて最大旋回力を算出するステップと、
算出された最大旋回力に基づいてロボットの駆動を制御するステップとを備えた歩行制御方法。
【請求項１０】
前記駆動制御ステップは、
前記最大旋回力と予め定めた閾値と比較するステップと、
前記比較結果に基づいて駆動を制御するステップとを有することを特徴とする請求項９記載の歩行制御方法。
【請求項１１】
前記足裏の接地点分布を計測するステップは、床面又は足裏に設置された床反力分布計によって計測することを特徴とする請求項７記載の歩行制御方法。
【請求項１２】
前記足裏の床反力を計測するステップは、床面又は足裏に設置された床反力分布計によって計測することを特徴とする請求項９記載の歩行制御方法。
【請求項１３】
前記最大旋回力を算出するステップは、前記各計測点と床反力中心との距離に対して計測された床反力をかけた値の総和に対して、足裏と床面の間の静摩擦係数をかけることにより最大旋回力を算出することを特徴とする請求項９記載の歩行制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行状態の評価方法及び歩行制御方法に関し、特に足つきや最大旋回力を検知し、制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二脚歩行式ロボットは、歩容データに従って歩行動作を実行するが、路面状況等の要因により転倒してしまう場合がある。そのため、通常は、ロボットの足裏における床反力と重力の合成モーメントがゼロとなる点（以下、ＺＭＰ（Zero Moment Point））を目標値に収束させる歩行制御を行うことにより、安定した歩行動作を実現しようとしている。かかるＺＭＰを検出するために、足裏に複数の圧力センサを設ける技術が提案されている（特許文献１参照）
【０００３】
さらに、足裏の滑り情報を検出し、歩容データを修正する技術も提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−３４５０２４号公報
【特許文献２】特開２００４−１８８５３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の歩行状態の評価方法は、ＺＭＰを検出し、検出されたＺＭＰが安定領域内にあるか否かに基づいて転倒するか否かを判断するものである。しかしながら、ＺＭＰが安定領域内にある場合であっても、安定領域の端に位置するような場合には、転倒可能性が高いにもかかわらず、転倒しないものと判断される。また、この手法によれば、足つきを定量的に評価することはできない。
【０００５】
さらに、足裏と床面の間の距離を距離センサを用いて検出して歩行状態を評価する手法もあるが、この手法によれば、足裏が剥がれ始めてからしか検知することができないため、足つきを定量的に評価することは難しく、さらには検知したタイミングでは既に足裏の接地状態が悪くなっており、歩行制御に対するフィードバックが間に合わずに転倒してしまう可能性がある。
【０００６】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、歩行ロボットの足つきを正確に検知することのできる歩行状態の評価方法を提供し、さらに、安定した歩行動作を実現できる歩行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】
【０００７】
本発明にかかる、二脚歩行式ロボットの歩行状態を評価する方法は、歩行動作中の足裏の接地点分布を計測するステップと、計測された接地点分布に基づいて接地点分散値を算出するステップと、算出された接地点分散値に基づいて歩行状態を評価するステップとを備えたものである。
【０００８】
本発明にかかる他の評価方法は、二脚歩行式ロボットの歩行状態を評価する方法であって、歩行動作中に、足裏における複数の計測点の床反力を計測するステップと、床反力中心と、各計測点で計測された床反力に基づいて最大旋回力を算出するステップと、算出された最大旋回力に基づいて歩行状態を評価するステップとを備えたものである。
【０００９】
ここで、前記足裏の接地点分布は、床面又は足裏に設置された床反力分布計によって計測することができる
【００１０】
また、前記足裏の床反力も、床面又は足裏に設置された床反力分布計によって計測することが可能である。
【００１１】
歩行状態を評価するステップは、足裏全体が接地したときの分散値を表す基準分散値によって前記接地点分散値を割ることによって接地度を算出するようにしてもよい。
【００１２】
また、前記最大旋回力を算出するステップでは、前記各計測点と床反力中心との距離に対して計測された床反力をかけた値の総和に対して、足裏と床面の間の静摩擦係数をかけることにより最大旋回力を算出するようにしてもよい。
【００１３】
本発明にかかる、二脚歩行式ロボットの歩行制御方法は、歩行動作中の足裏の接地点分布を計測するステップと、計測された接地点分布に基づいて接地点分散値を算出するステップと、前記接地点分散値に基づいてロボットの駆動を制御するステップとを備えたものである。
【００１４】
ここで、前記駆動制御ステップは、前記接地点分散値と予め定めた閾値と比較するステップと、前記比較結果に基づいて駆動を制御するステップとを有する。
【００１５】
本発明にかかる他の歩行制御方法は、二脚歩行式ロボットの歩行状態を評価する方法であって、歩行動作中に、足裏における複数の計測点の床反力を計測するステップと、床反力中心と、各計測点で計測された床反力に基づいて最大旋回力を算出するステップと、算出された最大旋回力に基づいてロボットの駆動を制御するステップとを備えたものである。
【００１６】
ここで、前記駆動制御ステップは、前記最大旋回力と予め定めた閾値と比較するステップと、前記比較結果に基づいて駆動を制御するステップとを有する。
【００１７】
ここで、前記足裏の接地点分布は、床面又は足裏に設置された床反力分布計によって計測することができる
【００１８】
また、前記足裏の床反力も、床面又は足裏に設置された床反力分布計によって計測することが可能である。
【００１９】
また、前記最大旋回力を算出するステップでは、前記各計測点と床反力中心との距離に対して計測された床反力をかけた値の総和に対して、足裏と床面の間の静摩擦係数をかけることにより最大旋回力を算出するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、歩行ロボットの足つきを正確に検知することのできる歩行状態の評価方法を提供し、さらに、安定した歩行動作を実現できる歩行制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１のフローチャートを用いて本実施の形態にかかる歩行制御方法について説明する。この歩行制御方法においては、歩行状態を評価し、さらにその評価結果に基づいて歩行制御を行う。また、歩行制御方法の制御対象は、二脚歩行式ロボットである。二脚歩行式ロボットは、基本的に歩容データを生成する歩容生成部と、歩容データに基づいて関節部に設けられたアクチュエータを制御する制御装置を備えている。
【００２２】
最初に、ロボットを制御し、歩行を開始させる（Ｓ１０１）。具体的には、歩容生成部が生成した歩容データに基づいて、制御装置がアクチュエータを制御することにより、歩行動作を実行する。このとき、周知のＺＭＰ制御も実行している。
【００２３】
次に、床反力分布の計測を行う（Ｓ１０２）。床反力分布の計測手段として、図２に示されるようにロボット以外の床反力分布計を用いる手段と、図３に示されるようにロボットの足裏に設けられた床反力分布計を用いる手段とがある。
【００２４】
図２に示す例では、床面の一定領域に床反力分布計２を敷き詰めておき、その上をロボットが歩行することによって床反力分布の計測を行う。かかる床反力分布計２は、垂直荷重を計測できる１軸（ここでは上下方向）のセンサを所定間隔をあけて多数配置することによって実現可能であり、また感圧シートによっても実現可能である。床反力を検出するにあたっては、上下方向（鉛直方向）に作用する力の値を検出できることが好ましいが、ロボットの足裏が床面に接触しているかどうかを検出するオンオフスイッチを用いてもよい。
【００２５】
床反力分布計２によって計測された床反力分布データは、コンピュータ等の記憶手段に格納される。さらに、歩行制御を行う場合には、図示しない無線通信手段や有線通信手段によって当該床反力分布データ又はこれを処理したデータがロボット１に対して送信される。
【００２６】
図３に示す例では、ロボット１の足裏１１ａ，１１ｂに床反力分布計３ａ，３ｂが設けられている。この床反力分布計３ａ，３ｂは、図２に示す床反力分布計２と同様に１軸センサ、感圧シート、オンオフスイッチ等により構成することができる。具体的には、図４（ａ）に示されるように、足裏１１の全体に亘って互いに同一間隔で配置された複数（多数）の力センサ３１を設けることによって構成可能である。力センサ３１の数は、少なくとも２つ以上、より好ましくは４つ以上であるが、さらに精確に床反力分布を測定するためには、１０〜１００個であることが好ましい。このとき、図４（ｂ）に示されるように、中央領域には設けずに、足つきを検出する上で重要な周辺領域のみに力センサを設けるようにしてもよい。
【００２７】
床反力分布計３ａ，３ｂによって計測された床反力分布データは、ロボット１に設けられた記憶手段に格納され、制御装置によって読み出され、処理される。
【００２８】
次に、接地点分散値の計算を行う（Ｓ１０３）。この計算は、コンピュータやロボットの制御装置において行う。図５（ａ）に示されるように足裏１１のＸＹ座標系を定め、接地点座標を（ｘｉ，ｙｉ）とする。そして、図５（ｂ）に示されるように、時刻ｔ[ｓ]での接地点分布中心（ｘ０，ｙ０）を、次式から算出する。
【数１】
2008264882.tif 000003
【００２９】
さらに、時刻ｔ[ｓ]での接地点分散σｘｘ（ｔ），σｙｙ（ｔ）を、次式から算出する。
【数２】
2008264882.tif 000004
ここで、σｘｘ（ｔ）はＸ軸方向の分散値であり、σｙｙ（ｔ）はＹ軸方向の分散値である。
【００３０】
さらに、図６に示されるように、足裏全体が完全に接地したときの分散値を基準分散値（σｘｘ０，σｙｙ０）とし、時刻ｔにおける分散値を基準分散値で割った値を接地度として算出するようにしてもよい。
【００３１】
図７に理想的な足つき、即ち足つきが良い場合の接地度の変化例を示し、図８に足つきが悪い場合の接地度の変化例を示す。図７に示されるように、足つきが良い場合には、立脚時に足裏全体が完全に接地するので、接地度が１となる。他方、図８に示されるように、足つきが悪い場合には、立脚時でも足裏の一部しか接地しないため分散値が小さくなり、接地度は１未満の小さな値となる。このようにして算出された分散値や接地度は、ディスプレイ等の表示手段に数値又はグラフによって表示するようにしてもよい。
【００３２】
次に、最大旋回力の計算を行う（Ｓ１０４）。この計算は、コンピュータやロボットの制御装置において行う。まず、床反力中心位置（ｘｃｏｐ，ｙｃｏｐ）を次式に従って算出する。
【数３】
2008264882.tif 000005
この式において、Ｆｉ（ｔ）は、図９に示されるように、時刻ｔ[ｓ]における、接地点ｉの反力である。ここで、床反力中心位置は、このように実際に求めるようにしてもよいが、別途求めた目標ＺＭＰを床反力中心位置として使用してもよく、さらには、計算量の削減の観点から足裏の所定位置（固定値）を床反力中心位置として使用してもよい。
【００３３】
さらに、次式に従って、時刻ｔ[ｓ]における最大旋回力Ｍ（ｔ）を算出する。
【数４】
2008264882.tif 000006
この式において、μは静摩擦係数であり、ここでは簡略化の観点から一定値としている。μの値は、足裏と地面の材質から決定した理論値を用いるか、或いは実測値を用いる。また、Ｌｉは任意の接地点ｉと床反力中心位置（ｘｃｏｐ，ｙｃｏｐ）の間の距離である。このようにして算出された最大旋回力は、ディスプレイ等の表示手段に数値又はグラフによって表示するようにしてもよい。
【００３４】
本発明では、各接地点（即ち、計測点）と床反力中心との距離に対して計測された床反力をかけた値の総和に対して、足裏と床面の間の静摩擦係数をかけることにより最大旋回力を算出している。
【００３５】
歩行動作中に、最大旋回力Ｍが小さくなると、重心や遊脚の運動で生じた床反力中心点回りのモーメント（即ち、ヨーモーメント）に耐え切れなくなり、地面に垂直な軸回りで回転運動が生じる。逆に、最大旋回力Ｍが大きいと、このようなモーメントが発生したとしても安定して歩行動作を継続できる。
【００３６】
次に、駆動修正制御を行う（Ｓ１０５）。かかる駆動修正制御は、ロボットの制御部において実行される。駆動修正制御は、足つき制御と、旋回力制御とがある。
まず、足つき制御について説明する。この足つき制御を実行するためには、予め閾値を設定する必要がある。閾値は、実現したい足つきに対応する分散値の下限（σｃ）である。例えば、完全に接地したときの５０％であれば、下限値σｃは、基準分散値σ０の２分の１の値となる。かかる閾値は、Ｘ方向、Ｙ方向それぞれに設定する。
【００３７】
ここで、図１０に示されるように、Ｘ方向の分散値σｘｘがＸ方向の下限値σｘｘｃを下回ったとする。この場合には、ｘ方向に対応した関節の駆動トルクを、分散値σｘｘが増加する方向に修正する。
【００３８】
図１１は、駆動トルクの修正について説明するための図である。図１１（ａ）は、ロール方向の関節制御を、図１１（ｂ）はピッチ方向の関節制御をそれぞれ示している。修正トルクＴｍの値は、関節位置と床反力中心位置の関係から決定する。より具体的には、床反力中心位置が関節位置に近づくように、修正トルクＴｍを決定する。
【００３９】
次に、旋回力制御について説明する。この旋回力制御を実行するためには、予め閾値を設定する必要がある。閾値は、実現したい旋回力の下限値（Ｍｃ）である。この下限値Ｍｃと、時刻ｔにおける最大旋回力Ｍ（ｔ）を比較し、Ｍ（ｔ）がＭｃを下回った場合にＭ（ｔ）がＭｃ以上になるように、駆動トルク制御する。下限値Ｍｃは、運動を実現するために必要となるヨーモーメントとしてもよい。
【００４０】
なお、６軸力センサが行っているモーメントの計算は、接地点ｉでのせん断力（地面に水平な力）にＬｉをかけたものである。本発明において求めた最大旋回力Ｍは、実際に足裏と床面との間で発生しているモーメントではなく、その瞬間に足裏と床面の間に生じることができる最大旋回力である。
【００４１】
上述のように、本発明にかかる歩行状態の評価方法によれば、歩行中（運動中）の接地点分布を計測し、接地点の分散を計算することによって足つきを評価することとしたので、足つきを定量的に正確に評価できる。ここで、足つきの評価は片脚ずつでなくても両脚でも可能である。そして、算出した足つきの評価値と目標値（下限値）とを比較し、評価値が目標値以上となるように足首関節や爪先関節等の駆動力を修正することによって、足つきを制御することができる。これにより、関節の駆動力を無駄なく地面に伝えることができて制御性を向上させることができ、安定した歩行動作を実現できる。
【００４２】
仮に接地点の面積で足つきを評価したとすると、足裏の一部が集中して接地している場合も足裏全体に亘って分散して接地している場合も同じ面積であれば、同等の足つきであると評価されるが、この場合には後者の方が遥かに足つきが良いため妥当でないが、本発明による手法によれば、これらの区別が容易にできる。
【００４３】
また、本発明にかかる歩行状態の評価方法によれば、各足の床反力中心（ＣＯＰ）と各接地点での垂直荷重値から、接地点の足裏と地面間に働く最大旋回力を算出することとしたので、重心や遊脚の運動で生じた床反力中心点回りのモーメント（即ち、ヨーモーメント）に対する耐性を定量的に評価することができる。ここで、この耐性に関する評価は片脚ずつでなくても両脚でも可能である。そして、算出した最大旋回力の値と目標値（下限値）とを比較し、最大旋回力値が評価値が目標値以上となるように、足首関節や爪先関節等の駆動力を修正することによって、地面に垂直な軸回りで発生する回転運動を未然に防止することができる。これにより、関節の駆動力を無駄なく地面に伝えることができて制御性を向上させることもできる。逆に、算出した最大旋回力の値を利用し、回転運動を積極的に発生させるという制御も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明にかかる歩行制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図２】本発明にかかる歩行評価方法において、接地点分布を計測する様子を示す図である。
【図３】本発明にかかる歩行評価方法において、接地点分布を計測する様子を示す図である。
【図４】本発明にかかる床反力分布計の構成例を示す図である。
【図５】本発明にかかる歩行評価方法において、接地点分散値の計算を説明するための図である。
【図６】本発明にかかる歩行評価方法において、接地点分散値の計算を説明するための図である。
【図７】本発明にかかる歩行評価方法に関し、接地度の変化を示す図である。
【図８】本発明にかかる歩行評価方法に関し、接地度の変化を示す図である。
【図９】本発明にかかる歩行評価方法に関し、最大旋回力の計算を説明するための図である。
【図１０】本発明にかかる歩行制御方法に関し、足つきの変化を示す図である。
【図１１】本発明にかかる歩行制御方法において、駆動トルクの補正すべき方向を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  ロボット
２  床反力分布計
３  床反力分布計
１１  足裏部
３１  力センサ
【図１】
2008264882.tif 000007
【図２】
2008264882.tif 000008
【図３】
2008264882.tif 000009
【図４】
2008264882.tif 000010
【図５】
2008264882.tif 000011
【図６】
2008264882.tif 000012
【図７】
2008264882.tif 000013
【図８】
2008264882.tif 000014
【図９】
2008264882.tif 000015
【図１０】
2008264882.tif 000016
【図１１】
2008264882.tif 000017