(57)【要約】【課題】従来の脚式移動ロボットにおいては、例えばロボットの手先が対象物と接した状態で、床に置かれた対象物を押す作業を行うとき、ロボットの手先が作業対象に加える手先力の目標値を適切に指定する手法がなかった。【解決手段】脚式移動ロボットにおいて、ＺＭＰと一般化ＺＭＰとの関係を利用して、数式【数１４】2004209614.tif 000018但し、ｆＨｊ：手先力ベクトル、ｚＨ１：手先位置の鉛直方向成分、ｚＺ  ：床面高さ、Ｍｇ：ロボットに加わる重力、ｐＥ  ：一般化ＺＭＰの位置ベクトル、ｐＺ  ：ＺＭＰの位置ベクトル、Ｒｓｔ：一般化ＺＭＰの安定領域、が求められ、この式を用いた制御手段により、ロボットが転倒せずに作業を遂行できる手先力の範囲を決定し、上記のような作業を行う。【選択図】    図１
2004209614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハンド及びアームを搭載した脚式移動ロボットにおいて、数式
【数１】
2004209614.tif 000016
但し、ｆＨｊ：手先力ベクトル
ｚＨ１：手先位置の鉛直方向成分
ｚＺ  ：床面高さ
Ｍｇ  ：ロボットに加わる重力
ｐＥ  ：一般化ＺＭＰの位置ベクトル
ｐＺ  ：ＺＭＰの位置ベクトル
Ｒｓｔ：一般化ＺＭＰの安定領域
を用いてロボットが転倒せずに作業を遂行できる手先力の範囲を決定する制御手段を備えたことを特徴とする脚式移動ロボット。
【請求項２】
ハンド及びアームを搭載した脚式移動ロボットの制御方法において、数式
【数２】
2004209614.tif 000017
但し、ｆＨｊ：手先力ベクトル
ｚＨ１：手先位置の鉛直方向成分
ｚＺ  ：床面高さ
Ｍｇ    ：ロボットに加わる重力
ｐＥ  ：一般化ＺＭＰの位置ベクトル
ｐＺ  ：ＺＭＰの位置ベクトル
Ｒｓｔ：一般化ＺＭＰの安定領域
を用いてロボットが転倒せずに作業を遂行できる手先力の範囲を決定することを特徴とする脚式移動ロボットの制御方法。
【請求項３】
ロボットの慣性力、重力、並びに手先反力の合力が、床面上の点を作用点とする力とモーメントで表現されたとき、Ｘ軸まわりのモーメントとＹ軸まわりのモーメントが０となる点であるＺＭＰと、ロボットの慣性力と重力の合力が、床面上の点を作用点とする力とモーメントで表現されたとき、Ｘ軸まわりのモーメントとＹ軸まわりのモーメントが０となる点である一般化ＺＭＰとの２種類床反力中心点の範囲を求めることにより得られる前記数式に基づいてロボットが転倒せずに作業を遂行できる手先力の範囲を決定することを特徴とする請求項２記載の脚式移動ロボットの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はホームロボットや各種サービスロボット等に用いる脚式移動型の２足歩行ロボットにおいて、脚と腕を協調して作業を行う際に、手先力の範囲を決定することができるようにした脚式移動ロボットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の上記のような脚式移動ロボットは、例えば特許文献１に記載されているように、図５に示すような目標手先力と実際の手先力が異なっている場合に、目標床反力中心点（目標ＺＭＰ）まわりのモーメント偏差を算出し、それを補償するように胴体の位置を変更する手法が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２３０４８５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
例えば脚式移動ロボットの手先が対象物と接した状態で、図１に示すように床に置かれた対象物を押す作業を考えると、このとき、対象物に望みの運動をさせるためには、ロボットの手先が作業対象に加える手先力の目標値（目標手先力）を適切に指定しなくてはならない。しかし、従来の手法ではどのような目標手先力を与えると、ロボットが転倒せずに作業が遂行できるかに関しては、何ら指針が与えられていなかった。
【０００５】
したがって本発明は、脚式移動ロボットにおいて、ロボットが対象物に望みの運動をさせる際、転倒せずに作業を行うことができる指針を容易に得て制御を行うことができる脚式移動ロボットを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
脚式移動ロボットの脚と腕が協調する作業において、まず、２種類の床反力中心点（ＺＭＰ）を床面上で定義する。この床反力中心点を用いることで、ロボットが転倒することなしに作業を行うことを可能にする手先力の範囲を求めることが可能となる。
【０００７】
この考え方に基づき、本発明による脚式移動ロボットは、脚式移動ロボットにおいて、数式
【数３】
2004209614.tif 000003
但し、ｆＨｊ：手先力ベクトル
ｚＨ１：手先位置の鉛直方向成分
ｚＺ  ：床面高さ
Ｍｇ  ：ロボットに加わる重力
ｐＥ  ：一般化ＺＭＰの位置ベクトル
ｐＺ  ：ＺＭＰの位置ベクトル
Ｒｓｔ：一般化ＺＭＰの安定領域
を用いてロボットが転倒せずに作業を遂行できる手先力の範囲を決定する制御手段を備えたものである。
【０００８】
また、本発明による脚式移動ロボットの制御方法は、脚式移動ロボットの制御方法において、数式
【数４】
2004209614.tif 000004
但し、ｆＨｊ：手先力ベクトル
ｚＨ１：手先位置の鉛直方向成分
ｚＺ  ：床面高さ
Ｍｇ  ：ロボットに加わる重力
ｐＥ  ：一般化ＺＭＰの位置ベクトル
ｐＺ  ：ＺＭＰの位置ベクトル
Ｒｓｔ：一般化ＺＭＰの安定領域
を用いてロボットが転倒せずに作業を遂行できる手先力の範囲を決定するようにしたものである。
【０００９】
また上記脚式移動ロボットの制御方法において、ロボットの慣性力、重力、並びに手先反力の合力が、床面上の点を作用点とする力とモーメントで表現されたとき、Ｘ軸まわりのモーメントとＹ軸まわりのモーメントが０となる点であるＺＭＰと、ロボットの慣性力と重力の合力が、床面上の点を作用点とする力とモーメントで表現されたとき、Ｘ軸まわりのモーメントとＹ軸まわりのモーメントが０となる点である一般化ＺＭＰとの２種類床反力中心点の範囲を求めることにより得られる前記数式に基づいてロボットが転倒せずに作業を遂行できる手先力の範囲を決定するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図２には脚式移動ロボットが腕と脚を協調して作業をするモデルを示している。ここで、図に示す変数の説明は以下の通りである。
【数５】
2004209614.tif 000005
ｍｉ：第ｉリンクの質量
Ｉｉ：第ｉリンクの慣性モーメント
ωｉ：第ｉリンクの回転角速度ベクトル
【数６】
2004209614.tif 000006
また、
【数７】
2004209614.tif 000007
である。
【００１１】
次に、下記のように２種類のＺＭＰを定義する。
定義１：ＺＭＰ
ＺＭＰとは、ロボットの慣性力、重力、並びに手先反力（手先力の反力）の合力が、床面上の点を作用点とする力とモーメントで表現されたとき、Ｘ軸まわりのモーメントとＹ軸まわりのモーメントが０となる点である。
【００１２】
脚と床との接触領域に働く全ての作用力を考えているため、ＺＭＰは従来の床反力中心点（ＺＭＰ）を再定義したものと考えることができる。図１に示すように、ＺＭＰが脚と床の支持領域の内部に含まれる限り、足裏面と床が接触を保つことが保証される。
【００１３】
更に、以下のＺＭＰを定義する。
定義２：一般化ＺＭＰ
一般化ＺＭＰとは、ロボットの慣性力と重力の合力が、床面上の点を作用点とする力とモーメントで表現されたとき、Ｘ軸まわりのモーメントとＹ軸まわりのモーメントが０となる点である。
【００１４】
ＺＭＰが脚と床の支持領域の内部から外れても、ロボットは必ずしも転倒するとはいえないが、一般化ＺＭＰが後述する領域を外れると、ロボットは転倒することになる。
【００１５】
そこで、ロボットが転倒しないための一般化ＺＭＰの範囲を導出する。まず、次式で定義される点をロボット重心の近傍に定義する。
【数８】
2004209614.tif 000008
2004209614.tif 000009
点
【数９】
2004209614.tif 000010
を用いることで、一般化ＺＭＰの範囲は次のアルゴリズムで導出できる。
【００１６】
定理１：一般化ＺＭＰの安定領域
点
【数１０】
2004209614.tif 000011
と、手先や足先の接触点により形成される支持領域の境界との両方を含む直線を描く。この直線が床面と交わる点の集合により、図３に示すような一般化ＺＭＰの領域が描かれる。
この領域を
【数１１】
2004209614.tif 000012
と表すことにする。
【００１７】
次に、これらの二つのＺＭＰの差をとることにより、次のような式が導かれる。
【数１２】
2004209614.tif 000013
2004209614.tif 000014
ここで、式（２）の意味を図４により考えると、図４において、ＺＭＰは脚と床の支持領域の内部に存在するように制御されている。
【００１８】
次に、一般化ＺＭＰ  の位置をその範囲の境界上で動かすことを考えると、前記式（２）より、一般化ＺＭＰとＺＭＰの差の
【数１３】
2004209614.tif 000015
倍が手先力の合計となるため、図４（ｂ）に示されるような領域で手先力範囲が導出される。
但し、上記式において
ｆＨｊ：手先力ベクトル
ｚＨ１：手先位置の鉛直方向成分
ｚＺ  ：床面高さ
Ｍｇ  ：ロボットに加わる重力
ｐＥ  ：一般化ＺＭＰの位置ベクトル
ｐＺ  ：ＺＭＰの位置ベクトル
Ｒｓｔ：一般化ＺＭＰの安定領域
である。
【００１９】
この導出された範囲の中に手先力が含まれる限り、ロボットは転倒せずに脚腕協調作業を安定に遂行できる。
【００２０】
したがって、脚式移動ロボットには腕の先端に力を計測するセンサが搭載されている場合が多いので、ロボットが脚腕協調作業を行う場合に、このセンサの値をモニターすることで、ロボットが安定に作業を行っているか、或いは転倒の危険性がないかどうかを判断することができる。
【００２１】
また、ロボットの動作計画を行う場合に、導出された手先力の範囲の境界から遠い位置に手先力を発生するように計画することで、脚式移動ロボットの脚腕協調作業の安定性を増すことができる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したので、脚式移動ロボットにおいて、ロボットが対象物に望みの運動をさせる際、転倒せずに作業を行うことができる指針を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】脚式移動ロボットが床に置かれた対象物を押す作業を行う例を示す図である。
【図２】同作業時における各種変数を示す図である。
【図３】同作業時における一般化ＺＭＰの領域を示す図である。
【図４】同作業時の手先力の範囲を示す図である。
【図５】従来例におけるモーメント偏差に基づいて胴体の位置を変更する手法を示す図である。
【図１】
2004209614.tif 000019
【図２】
2004209614.tif 000020
【図３】
2004209614.tif 000021
【図４】
2004209614.tif 000022
【図５】
2004209614.tif 000023