(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
立脚に対して遊脚を移動して接地することを繰り返すことで歩行する歩行型ロボットであって、
接地足の絶対位置を検出する絶対位置検出装置と、
検出された接地足の絶対位置を記憶する絶対位置記憶手段と、
ｋ歩目の接地足の絶対位置と、（ｋ−１）歩目の接地足の絶対位置と、（ｋ−１）歩目の接地足に対するｋ歩目の接地足の相対移動指令値（Δｘｋ，Δｙｋ）とを用いて、（ｋ−１）歩目の接地足の絶対方位を推定する絶対方位推定装置と、を備えており、
絶対方位推定装置は、ｋ歩目の接地足の絶対位置と（ｋ−１）歩目の接地足の絶対位置とを用いて、ｋ歩目の接地足に対する（ｋ−１）歩目の接地足の絶対角を算出する手段と、
（ｋ−１）歩目の接地足に対するｋ歩目の接地足の相対移動指令値（Δｘｋ，Δｙｋ）を用いて、（ｋ−１）歩目の接地足に対するｋ歩目の接地足の相対位置角を推定する手段と、
得られた絶対角と相対位置角から（ｋ−１）歩目の接地足の絶対方位を推定する手段と、を備える歩行型ロボット。
【請求項２】
絶対方位推定装置は、推定された（ｋ−１）歩目の接地足の絶対方位と、（ｋ−１）歩目の接地足に対するｋ歩目の接地足の相対角度指令値（Δθｋ）とを用いて、ｋ歩目の接地足の絶対方位を推定する手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の歩行型ロボット。
【請求項３】
立脚に対して遊脚を移動して接地することを繰り返すことで歩行する歩行型ロボットの接地足の絶対方位を推定する方法であって、
（ｋ−１）歩目の接地足の絶対位置を検出する工程と、
ｋ歩目の接地足の絶対位置を検出する工程と、
検出されたｋ歩目の接地足の絶対位置と（ｋ−１）歩目の接地足の絶対位置とを用いて、ｋ歩目の接地足に対する（ｋ−１）歩目の接地足の絶対角を算出する工程と、
（ｋ−１）歩目の接地足に対するｋ歩目の接地足の相対移動指令値（Δｘｋ，Δｙｋ）を用いて、（ｋ−１）歩目の接地足に対するｋ歩目の接地足の相対位置角を推定する工程と、
得られた絶対角と相対位置角から（ｋ−１）歩目の接地足の絶対方位を推定する工程と、を備える絶対方位推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、床を自由に移動することができる移動ロボット（例えば、歩行型ロボット、車輪型ロボット等）に関する。詳しくは、移動ロボットの絶対方位（例えば、移動ロボットが活動する空間の座標を定めるグローバル座標系（絶対座標系）における角度（以下、グローバル座標系における角度を絶対角度という））を推定するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
歩行型ロボットや車輪型ロボットのように床を自由に移動することができる移動ロボットが開発されている。この種の移動ロボットは、通常、オペレータによって予め移動軌跡が指定（教示）され、ロボットは指定された軌跡を移動するようアクチュエータを駆動する。例えば、歩行型ロボットの場合、オペレータは各足の接地位置を時系列順に指定し、ロボットはその指定された接地位置に各足の足先を移動させる。これによって、ロボットは指定された軌跡上を移動する。
ロボットの機械系に撓みがなく、あるいは、ロボット（詳細には、ロボットの足裏又はロボットの車輪）と床との間にすべりが生じなければ、ロボットは指定された移動軌跡に沿って移動する。しかしながら、実際にはロボットの機械系に撓みが生じ、あるいはロボットと床との間にすべりが発生するため、ロボットの実際の移動軌跡はオペレータによって指定された移動軌跡からずれてしまうことがある。
このため、ロボットの実際の位置（絶対位置）及び／又は実際の方位（絶対角度）を検出し、実際位置と教示位置との偏差及び／又は実際方位と教示方位との偏差に基づいてその後の教示位置及び／又は教示方位を修正することで、ロボットに指定した移動軌跡上を移動させる制御方法が開発されている。かかる制御方法を効果的に行うためには、ロボットの絶対位置と絶対方位（絶対角度）を精度よく検出することが重要となる。
【０００３】
ロボットの絶対位置を検出する方法としては、従来から種々の方法が開発されている。例えば、ロボットにカメラを搭載し、そのカメラで位置が既知のマーカを撮影し、その撮影結果からカメラ位置（すなわち、ロボットの位置）を検出する方法が開発されている。あるいは、電波や超音波を利用することによってロボットの位置を検出する方法も開発されている。例えば、ロボットの活動範囲に飛来する電波をロボットで受信し、受信した電波を分析することによって受信機の位置（すなわち、ロボットの位置）を検出する方法が開発されている（人工衛星から発振される電波を受信して位置を検出するＧＰＳと同様の技術）。これらの技術は、比較的安価に構成することができ、また、その検出精度も実用的に問題のないレベルとなっている。
【０００４】
一方、ロボットの絶対方位を検出する方法としては、ロボットに方位センサ（例えば、ジャイロセンサ）を搭載し、その方位センサの出力からロボットの絶対方位を検出することが行われている。例えば、歩行型ロボットの場合、ロボットの胴体に方位センサを搭載し、その方位センサによって胴体の絶対方位を検出する。そして、検出した胴体の絶対方位に胴体に対する足先の相対角を加算して、足先（接地足）の絶対方位を算出している。
上述した説明から明らかなように、従来のロボットの絶対方位を検出する方法では、その検出精度は方位センサの検出精度によって決まる。しかしながら、現在のところ安価で検出精度の高い方位センサはなく、検出精度を高くしようとすると高価な方位センサを用いなければならないという問題があった。
【特許文献１】特公平７−４７７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ロボットの移動軌跡を制御・修正するために必要となる「絶対方位（絶対角度」を、高価な方位センサを用いることなく精度よく推定することができる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書に開示する第１のロボットは、立脚に対して遊脚を移動して接地することを繰り返すことで歩行する歩行型ロボットであって、接地足の絶対位置を検出する絶対位置検出装置と、検出された接地足の絶対位置を記憶する絶対位置記憶手段と、ｋ歩目の接地足の絶対位置と、（ｋ−１）歩目の接地足の絶対位置と、（ｋ−１）歩目の接地足に対するｋ歩目の接地足の相対移動指令値（Δｘｋ，Δｙｋ）とを用いて、（ｋ−１）歩目の接地足の絶対方位を推定する絶対方位推定装置と、を備える。
このロボットでは、「絶対方位」を検出する方位センサを用いる代わりに、接地足の「絶対位置」を検出する検出装置を用い、その検出装置で検出された接地足の「絶対位置」を利用して接地足の「絶対方位」を推定する。既に説明したように、接地足の絶対位置を検出する検出装置は、方位センサと比較して、その検出精度が高い。このため、検出された接地足の「絶対位置」を利用して接地足の「絶対方位」を推定すると、その推定値は実際の接地足の「絶対方位」と略一致する。したがって、推定された接地足の「絶対方位」を用いてロボットの移動軌跡を修正すると、ロボットに指定した移動軌跡上を精度よく移動させることができる。
【０００７】
上記「ｋ歩目」は、絶対方位を推定したい時点の接地足に応じて適宜設定することができる。例えば、１歩前の接地足の絶対方位（すなわち、遊脚の足先（足平）が接地していた時のその足先の絶対方位）を推定したい場合は、「ｋ歩目の接地足」を現在の接地足とし、「（ｋ−１）歩目の接地足」を現在の接地足から１歩前の接地足とすればよい。
また、上記の絶対位置検出装置は、ロボットの足先の絶対位置を直接検出するものであってもよいし、あるいは、ロボットの頭部又は胴体の絶対位置を検出し、その検出した頭部又は胴体の絶対位置と、頭部又は胴体に対する足先の相対的位置関係（すなわち、ロボットの姿勢）に基づいて、演算によって算出するものであってもよい。
【０００８】
ここで、ｋ歩目の接地足の絶対位置と、（ｋ−１）歩目の接地足の絶対位置と、（ｋ−１）歩目の接地足に対するｋ歩目の接地足の相対移動指令値（Δｘｋ，Δｙｋ）と、（ｋ−１）歩目の接地足に対するｋ歩目の接地足の相対角度指令値（Δθｋ）を用いて、（ｋ−１）歩目及び／又はｋ歩目の接地足の絶対方位を推定できることを簡単に説明しておく。
図４は、（ｋ−１）歩目の接地足の絶対位置とｋ歩目の接地足の絶対位置との幾何学的関係を模式的に示している。図中、（ｘｋ−１，ｙｋ−１）は（ｋ−１）歩目の接地足の絶対位置を表し、（ｘｋ，ｙｋ）はｋ歩目の接地足の絶対位置を表している。また、（ｋ−１）歩目の接地足に対するｋ歩目の接地足の相対指令値を（Δｘｋ，Δｙｋ，Δθｋ）で表している。さらに、Φｋ−１はｋ歩目の接地足に対する（ｋ−１）歩目の接地足の絶対角を表し、τｋは（ｋ−１）歩目の接地足に対するｋ歩目の接地足の相対位置角を表している。
図４に示す幾何学的関係から明らかなように、（ｋ−１）歩目の絶対方位θｋ−１は、絶対角Φｋ−１と相対位置角τｋを加算したものである。また、ｋ歩目の絶対方位θｋは、（ｋ−１）歩目の絶対方位θｋ−１に、（ｋ−１）歩目の接地足に対するｋ歩目の接地足の相対角度指令値Δθｋを加算したものと推定することができる。相対角度指令値Δθｋは既知であることから、絶対角Φｋ−１と相対位置角τｋを算出することができれば、（ｋ−１）歩目の接地足の絶対方位θｋ−１とｋ歩目の接地足の絶対方位θｋを推定することができる。
絶対角Φｋ−１は、（ｋ−１）歩目の接地足の絶対位置（ｘｋ−１，ｙｋ−１）とｋ歩目の接地足の絶対位置（ｘｋ，ｙｋ）から算出することができる。すなわち、
Φｋ−１  ＝  ａｔａｎ２（ｙｋ−ｙｋ−１，ｘｋ−ｘｋ−１）
となる。
一方、相対位置角τｋは、相対移動指令値（Δｘｋ，Δｙｋ）は既知であることから、その相対移動指令値（Δｘｋ，Δｙｋ）を用いて推定することができる。すなわち、
τｋ  ＝ａｔａｎ２（Δｙｋ，Δｘｋ）
となる。
したがって、（ｋ−１）歩目の接地足の絶対位置（ｘｋ−１，ｙｋ−１）とｋ歩目の接地足の絶対位置（ｘｋ，ｙｋ）を絶対位置検出装置によって検出すれば、（ｋ−１）歩目の絶対方位θｋ−１とｋ歩目の絶対方位θｋを推定することができる。
【０００９】
上述の説明から明らかなように、絶対方位推定装置は、ｋ歩目の接地足の絶対位置と（ｋ−１）歩目の接地足の絶対位置とを用いて、ｋ歩目の接地足に対する（ｋ−１）歩目の接地足の絶対角を算出する手段と、（ｋ−１）歩目の接地足に対するｋ歩目の接地足の相対移動指令値（Δｘｋ，Δｙｋ）に基づいて、（ｋ−１）歩目の接地足に対するｋ歩目の接地足の相対位置角を推定する手段と、得られた絶対角と相対位置角から（ｋ−１）歩目の接地足の絶対方位を推定する手段と、を備えることができる。これによって、（ｋ−１）歩目の接地足の絶対方位θｋ−１を推定することができる。
また、絶対方位推定装置は、推定された（ｋ−１）歩目の接地足の絶対方位と、（ｋ−１）歩目の接地足に対するｋ歩目の接地足の相対角度指令値（Δθｋ）とに基づいて、ｋ歩目の接地足の絶対方位を推定する手段をさらに備えることが好ましい。これによって、ｋ歩目の接地足の絶対方位θｋを推定することができる。
【００１０】
また、本明細書は歩行型ロボットの接地足の絶対方位を算出する新規な方法を提供する。
すなわち、本明細書に開示する第１の絶対方位算出方法は、立脚に対して遊脚を移動して接地することを繰り返すことで歩行する歩行型ロボットの接地足の絶対方位を推定する方法であって、（ｋ−１）歩目の接地足の絶対位置を検出する工程と、ｋ歩目の接地足の絶対位置を検出する工程と、検出されたｋ歩目の接地足の絶対位置と（ｋ−１）歩目の接地足の絶対位置とを用いて、ｋ歩目の接地足に対する（ｋ−１）歩目の接地足の絶対角を算出する工程と、（ｋ−１）歩目の接地足に対するｋ歩目の接地足の相対移動指令値（Δｘｋ，Δｙｋ）に基づいて（ｋ−１）歩目の接地足に対するｋ歩目の接地足の相対位置角を推定する工程と、得られた絶対角と相対位置角から（ｋ−１）歩目の接地足の絶対方位を推定する工程と、を備える。
この方法によると、高価な方位センサを用いなくても、歩行ロボットの接地足の絶対方位を精度よく推定することができる。
【００１１】
本明細書に開示する第２のロボットは、車体と、車体に対し回転可能に取付けられた車輪と、車輪を駆動するアクチュエータと、を備え、アクチュエータで車輪を回転駆動することで走行する車輪型ロボットに関する。この車輪型ロボットは、車体の絶対位置を検出する絶対位置検出装置と、絶対位置検出装置で検出される車体の絶対位置を所定の時間間隔又は所定の移動間隔で順次記憶する絶対位置履歴記憶手段と、絶対位置履歴記憶手段に記憶されている絶対位置の履歴から車体の絶対方位を推定する絶対方位推定装置と、を備える。
車輪型ロボットでは、ロボットがその場で旋回する場合を除いて急激に向きを変えることはなく、その方位はロボットが床面上を走行するのに応じて徐々に変化する。このため、車体の絶対位置の履歴を記憶することで車体の走行軌跡が分かり、その走行軌跡（すなわち、走行軌跡の接線方向の角度）から車体（車輪型ロボット）の絶対方位（向き）を推定することができる。本発明の第２のロボットでは、車体の絶対位置を所定の時間間隔又は所定の移動間隔で検出し、その検出された車体の絶対位置の履歴から車体の絶対方位を推定する。車体の絶対位置は精度よく検出できることから、高価な方位センサを用いなくても、車体の絶対方位を精度よく推定することができる。精度よく推定された車体の絶対方位を用いてロボットの移動軌跡を制御・修正すると、ロボットに指定した移動軌跡上を精度よく移動させることができる。
【００１２】
上記の絶対方位推定装置は、絶対位置履歴記憶手段に記憶されている絶対位置の履歴から特定される２地点の車体の絶対位置に基づいて、車体の絶対方位を推定することができる。この場合に、前記の２地点の車体の絶対位置の少なくとも一方が、絶対位置履歴記憶手段に記憶されている複数地点の車体の絶対位置の移動平均であることが好ましい。複数地点の絶対位置の移動平均を用いることで、絶対方位の推定精度をより高めることができる。
【００１３】
また、本明細書は車輪型ロボットの絶対方位を推定する新規な方法を提供する。すなわち、本明細書に開示する第２の絶対方位推定方法は、車体と、車体に対し回転可能に取付けられた車輪と、車輪を駆動するアクチュエータとを備え、アクチュエータで車輪を回転駆動することで走行する車輪型ロボットの絶対方位を推定する方法であって、所定の時間間隔又は所定の移動間隔で車体の絶対位置を検出する工程と、検出された絶対位置の履歴から特定される２地点における車体の絶対位置から車体の絶対方位を推定する工程と、を備える。
この方法によると、高価な方位センサを用いなくても、ロボットの絶対方位を精度よく推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明を具現化した一実施形態に係る２足歩行ロボット１０について図面を参照して説明する。まず、２足歩行ロボット１０の機械的構成について図１を参照して説明する。図１に示すように、２足歩行ロボット１０は、左脚リンク１４７と腰１０１と右脚リンク１１７から構成されている。
左脚リンク１４７は、左上腿１４８と左膝関節１５０と左下腿１５２と左足首関節１５８と左足先１６２を備える。左膝関節１５０はピッチ軸ｙの回りの関節角が可変であり、左足首関節１５８はピッチ軸ｙの回りの関節角とロール軸ｘの回りの関節角が可変である。図１では、図示の明瞭化のために、関節角を変えるアクチュエータによって関節が代表されている。例えば参照番号１５０は、膝関節と膝関節の関節角を変えるアクチュエータに共通的に用いられる。参照番号１５４は、足首関節１５８のピッチ軸ｙの回りの関節角を変えるアクチュエータであり、参照番号１５６は、足首関節１５８のロール軸ｘの回りの関節角を変えるアクチュエータである。
左足先１６２には、左足先１６２の絶対位置を検出する絶対位置検出装置１６０が取付けられている。絶対位置検出装置１６０には、電波や超音波を利用して絶対位置を検出する装置を用いることができる。例えば、ロボットの活動範囲に飛来する電波を受信機で受信し、受信した電波を分析することによって受信機の位置を検出する技術を用いることができる（人工衛星から発振される電波を受信して位置を検出するＧＰＳと同様の技術が利用できる）。この技術を用いる場合、左足先１６２に電波を受信する受信機を取付ける。また、ロボットの活動範囲に向けて超音波を送信し、ロボットで受信した超音波の受信タイミングを分析することによって受信機の位置を検出する技術を用いることもできる。あるいは、電波レーダや超音波レーダを利用して位置を検出することもできる。
【００１５】
左右の脚リンク１１７，１４７は左右対称であり、右脚リンク１１７は、右上腿１１８と右膝関節１２０と右下腿１２２と右足首関節１２８と右足先１３２を備える。右膝関節１２０はピッチ軸ｙの回りの関節角が可変であり、右足首関節１２８はピッチ軸ｙの回りの関節角とロール軸ｘの回りの関節角が可変である。右足先１３２にも、絶対位置検出装置１３０が取付けられている。
【００１６】
腰１０１は、腰プレート１０８と腰柱１０４を備えており、両者の間には腰関節１０６が設けられている。腰柱１０４の頂点には頭部１０２が載置されている。腰柱１０４のピッチ軸ｙの回りの傾斜角とロール軸ｘの回りの傾斜角は、腰関節１０６が回転しても影響を受けない。
【００１７】
左脚リンク１４７と腰１０１は、左股関節１４６で接続されている。左股関節１４６は、重力線ｚ軸の回りの関節角を変えるアクチュエータ１４０と、ピッチ軸ｙの回りの関節角を変えるアクチュエータ１４２と、ロール軸ｘの回りの関節角を変えるアクチュエータ１４４を備えている。右脚リンク１１７と腰１０１は、右股関節１１６で接続されている。右股関節１１６は、重力線ｚ軸の回りの関節角を変えるアクチュエータ１１０と、ピッチ軸ｙの回りの関節角を変えるアクチュエータ１１２と、ロール軸ｘの回りの関節角を変えるアクチュエータ１１４を備えている。
【００１８】
上述した機械系を利用して歩行する場合、結果として歩行した結果が得られるように、左脚リンク１４７と腰１０１と右脚リンク１１７の相対的姿勢を変化させなければならない。このために、本実施形態では、左足先１６２と腰１０１と右足先１３２の位置と姿勢を指定する歩容データが利用される。歩容データは、２足歩行ロボット１０が活動する空間の座標を定めるグローバル座標系（絶対座標系）において、左足先１６２と腰１０１と右足先１３２の位置と姿勢を指定するデータである。
歩容データが作成されると、その歩容データは２足歩行ロボット１０に与えられる。２足歩行ロボット１０は、歩容データに従って各関節の関節角を調整し、左足先１６２と右足先１３２の位置を経時的に変化させる。これによって、左脚リンク１４７と右脚リンク１１７の相対的姿勢が経時的に変化し、２足歩行ロボット１０は歩行する。
なお、左足先１６２と右足先１３２が床に接地したときの絶対位置（以下、単に接地足の絶対位置という）は、絶対位置検出装置１６０，１３０でそれぞれ検出される。また、接地足の方位は、次に説明する絶対方位算出装置によって算出される。そして、絶対位置検出装置１６０，１３０で検出された接地足の絶対位置と歩容データによって指定される絶対位置（教示位置）との偏差が０となるように歩容データが補正される。同様に、絶対方位算出装置で算出された接地足の絶対方位と歩容データによって指定される絶対方位（教示方位）との偏差が０となるように歩容データが補正される。これによって、２足歩行ロボット１０は、歩容データで指定された歩行軌跡を忠実に歩行することができる。
【００１９】
次に、２足歩行ロボット１０の足先１３２，１６２が接地したときの絶対方位（接地足の絶対角）を算出する装置について図２を参照して説明する。この絶対方位算出装置は、２足歩行ロボット１０に搭載され、２足歩行ロボット１０の立脚となっている足平の絶対角と、遊脚となっている足平が接地していたときの足平の絶対角を算出する。図２に示すように、絶対方位算出装置は、既に説明した絶対位置検出装置１６０，１３０と、足平位置記憶手段１２と相対指令値入力手段２８と演算装置２０から構成されている。
【００２０】
足平位置記憶手段１２は、接地足の絶対位置（接地された足先（足平）の絶対位置）を記憶する。足平位置記憶手段１２には、左足先１６２が接地したときに絶対位置検出装置１６０で検出された左足先１６２の絶対位置と、右足先１３２が接地したときに絶対位置検出装置１３０で検出された右足先１３２の絶対位置が入力される。足平位置記憶手段１２は、絶対位置検出装置１３０から入力される接地足の絶対位置と、絶対位置検出装置１６０から入力される接地足の絶対位置を、時系列順に交互に記憶する。
なお、本実施形態の絶対方位算出装置は、立脚となっている足先（足平）の絶対角と、遊脚となっている足先が接地していたときの足先（足平）の絶対角を算出する。このため、足平位置記憶手段１２に記憶する絶対位置は、立脚の接地足の絶対位置と遊脚の接地足（１歩前の接地足）の絶対位置だけでよい。
【００２１】
相対指令値入力手段２６は、１歩前の接地足（現在の遊脚）に対する現在の接地足（現在の立脚）の相対指令値を演算装置２０に入力する。相対指令値は、前述した歩容データに基づいて算出される。すなわち、歩容データは、左足先１６２と右足先１３２の位置と姿勢を指定するデータである。このため、歩容データに基づいて、１歩前の接地足（現在の遊脚）に対する現在の接地足（立脚）の相対指令値（Δｘ，Δｙ，Δθ）を算出することができる。
なお、前述したように、歩容データは、補正装置によって、実際の接地足の位置と教示位置との偏差が０となり、かつ、実際の接地足の絶対角度と教示角度との偏差が０となるように補正される。このため、相対指令値入力手段２６から入力される相対指令値（Δｘ，Δｙ，Δθ）は、補正装置によって補正された歩容データに基づいて作成されている。
【００２２】
演算装置２０は、足平位置記憶手段１２に記憶されている立脚の接地足の絶対位置と、遊脚の接地足の絶対位置と、遊脚の接地足に対する立脚の接地足の相対指令値に基づいて、遊脚及び立脚の接地足の絶対角（絶対方位）を算出する。すなわち、既に説明した図４において（ｋ−１）歩目の接地足が遊脚の接地足となり、ｋ歩目の接地足が立脚の接地足となる場合である。したがって、演算装置２０は、立脚の接地足に対する遊脚の接地足の絶対角Φｋ−１を算出し、有脚の接地足に対する立脚の接地足の相対位置角τｋを算出し、算出された絶対角Φｋ−１と相対位置角τｋから遊脚の接地足の絶対角θｋ−１を算出する。次いで、遊脚の接地足の絶対角θｋ−１と、遊脚の接地足に対する立脚の接地足の相対角度指令値とに基づいて、立脚の接地足の絶対角θｋを算出する。このために、演算装置２０は、絶対角算出手段２２と相対位置角算出手段２４と遊脚足平絶対角算出手段２６と立脚足平絶対角算出手段３０を備える（図４参照）。
絶対角算出手段２２は、足平位置記憶手段１２に記憶されている立脚の接地足の絶対位置（ｘｋ，ｙｋ）と遊脚の接地足の絶対位置（ｘｋ−１，ｙｋ−１）から、立脚の接地足に対する遊脚の接地足の絶対角Φｋ−１を算出する。
相対位置角算出手段２４は、相対指令値入力手段２８から入力される相対指令値（Δｘｋ，Δｙｋ）を用いて、遊脚の接地足に対する立脚の接地足の相対位置角τｋを算出する。
遊脚足平絶対角算出手段２６は、絶対角算出手段２２で算出された絶対角Φｋ−１と相対位置角算出手段２４で算出された相対位置角τｋを加算して、遊脚の接地足の絶対角θｋ−１を算出する。
立脚足平絶対角算出手段３０は、有脚足平絶対角算出手段２６で算出された遊脚の接地足の絶対角θｋ−１に遊脚の接地足に対する立脚の接地足の相対角度指令値Δθｋを加算して、立脚の接地足の絶対角θｋを算出する。立脚足平絶対角算出手段３０で算出された立脚の接地足の絶対角θｋは補正装置に出力され、歩容データの補正に用いられる。
【００２３】
上述した絶対方位算出装置が立脚の接地足の絶対方位（絶対角）を算出する手順について図３及び図４を参照して説明する。なお、立脚の接地足の絶対方位（絶対角）を算出する処理は、一方の足先１６２又は１３２が床に接地し、その足先１６２又は１３２の位置が動かなくなるタイミングで行われる。
図３に示すように、絶対方位算出装置は、まず、立脚の接地足の絶対位置（ｘｋ，ｙｋ）を検出すると共に、その検出した絶対位置（ｘｋ，ｙｋ）を足平位置記憶手段１２に記憶する（Ｓ１０）。次に、足平位置記憶手段１２に記憶されている遊脚（１歩前）の接地足の絶対位置（ｘｋ−１，ｙｋ−１）を読み出す（Ｓ１２）。
次いで、ステップＳ１０で検出した立脚の接地足の絶対位置（ｘｋ，ｙｋ）とステップＳ１２で読み出した遊脚の接地足の絶対位置（ｘｋ−１，ｙｋ−１）に基づいて、立脚の接地足に対する遊脚の接地足の絶対角Φｋ−１を算出する（Ｓ１４）。立脚の接地足の絶対位置（ｘｋ，ｙｋ）と遊脚の接地足の絶対位置（ｘｋ−１，ｙｋ−１）から絶対角Φｋ−１を算出する計算式は、既に説明している。
次に、遊脚の接地足に対する立脚の接地足の相対指令値（（Δｘｋ，Δｙｋ，Δθｋ）を読み出す（Ｓ１６）。すなわち、相対指令値入力手段２８から演算装置２０に相対指令値（Δｘｋ，Δｙｋ，Δθｋ）を入力する。
演算装置２０に相対指令値（Δｘｋ，Δｙｋ，Δθｋ）が入力されると、演算装置２０は相対指令値Δｘｋ，Δｙｋに基づいて遊脚の接地足に対する立脚の接地足の相対位置角τｋを算出する（Ｓ１８）。相対指令値Δｘｋ，Δｙｋに基づいて相対位置角τｋを算出する計算式についても、既に説明している。
ステップＳ２０に進むと、演算装置２０は、ステップＳ１４で算出した絶対角Φｋ−１とステップＳ１８で算出した相対位置角τｋを加算して、遊脚の接地足の絶対角θｋ−１を算出する。
遊脚の接地足の絶対角θｋ−１を算出すると、その算出した絶対角θｋ−１とステップＳ１６で読み出した相対指令値Δθｋとを加算して、立脚の接地足の絶対角θｋを算出する（Ｓ２２）。算出された立脚の接地足の絶対角θｋは補正装置へ出力される（Ｓ２４）。補正装置は、入力された絶対角θｋを用いて歩容データを補正する処理を行う。
【００２４】
上述した説明から明らかなように２足歩行ロボット１０は、遊脚の接地足の絶対位置と、立脚の接地足の絶対位置と、遊脚の接地足に対する立脚の接地足の相対指令値に基づいて、遊脚の接地足及び立脚の接地足の絶対角（絶対方位）を演算する。各足先の絶対位置は精度よく検出することができるため、方位センサを用いなくても接地足の絶対角度（絶対方位）を精度よく算出（検出）することができる。
また、方位センサを用いなくてもよいため、コスト低減や、ロボットの重量低減、配置スペースの問題の解消、コントローラ（ＣＰＵ）の負荷低減、電力消費量の低減等を図ることができる。
【００２５】
なお、上述した２足歩行ロボット１０では、各足先１３２，１６２に絶対位置検出装置１３０，１６０を搭載していたが、本発明はこのような形態に限られない。例えば、２足歩行ロボットの頭部又は胴体に絶対位置検出装置を設け、その検出装置によって頭部又は胴体の絶対位置を検出し、その絶対位置をロボットの各関節の角度情報から足先１３２，１６２の位置に変換するようにしてもよい。
また、ロボットの絶対位置を検出する装置は、上述したものの他、カメラによって既知のマーカを撮影し、撮影されたマーカの画面内の位置とロボットの姿勢とに基づいて接地足の位置を計算するようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、２足歩行ロボット１０に方位センサが搭載されていなかったが、本発明はこのような形態に限られない。例えば、２足歩行ロボットに方位センサを搭載し、その方位センサで検出された絶対角と、本発明の絶対角算出装置で算出される絶対角とを用いて、接地足の絶対角を推定するようにしてもよい。
【００２６】
さらに、上述した実施形態では、立脚（ｋ歩目）の接地足の絶対角を算出し、その算出した立脚の接地足の絶対角を用いて歩容データの補正を行うようにした。しかしながら、本発明はこのような形態に限られず、例えば、遊脚（（ｋ−１）歩目）の接地足の絶対角を用いて歩容データを補正するようにしてもよい。上述した説明から明らかなように、（ｋ−１）歩目の接地足の絶対角は、（ｋ−１）歩目が立脚となっているときに算出され、また、（ｋ−１）歩目が遊脚となっているときに算出される。このため、算出された２つの絶対角の平均値を用いて歩容データを補正するようにしてもよい。２回にわたって算出された絶対角の平均値を用いることで、歩容データの補正の精度を向上することができる。
かかる構成を採用する場合の絶対方位算出装置の一例を図１０に示す。図１０に示すように、まず、（ｋ−１）歩目が立脚となっているときに算出手段３０で算出された立脚の接地足の絶対角は記憶手段３４に記憶される。次の周期（（ｋ−１）歩目が遊脚となっている周期）では、算出手段２６が遊脚の接地足の絶対角度を算出する。平均値算出手段３６は、算出手段２６で算出された接地足の絶対角と記憶手段３０に記憶されている接地足の絶対角の平均値を算出し、その平均値を補正装置に出力する。これによって、２回算出された接地足の絶対角を用いて歩容データを補正するため、その補正精度を高めることができる。
【００２７】
（第２実施形態）  本発明の第２実施形態に係る台車ロボット４０について図面を参照して説明する。まず、台車ロボット４０の機械的構成について説明する。図５は台車ロボット４０の機械的構成を示している。
図５に示すように、車体４４の下部には車輪５６，４６が配設されている。両車輪５６，４６の回転軸５４，４８は同一軸線上に配され、この軸線に対して直交する方向に車体４４が傾動可能となっている。右車輪５６にはモータ５２が接続されており、左車輪４６にはモータ５０が接続されている。モータ５２が回転すると右車輪５６が回転し、モータ５０が回転すると左車輪４６も回転する。モータ５０，５２は車体４４の下面に固定されている。
車体４４上には、車体４４の絶対位置を検出する絶対位置検出装置４２が取付けられている。絶対位置検出装置４２には、第１実施形態の２足歩行ロボット１０に用いることができる種々のものを使用することができる。すなわち、電波や超音波を利用して絶対位置を検出する装置や、カメラを利用して絶対位置を検出する装置を使用することができる。
【００２８】
台車ロボット４０が床面を走行（移動）するには、モータ５２によって右車輪５６を回転駆動し、モータ５０によって左車輪４６を回転駆動する。台車ロボット４０を真直ぐに走行させる場合は、両車輪４６，５６を同一回転速度で同一方向に回転させる。一方、台車ロボット４０を旋回させる場合は、右車輪５６と左車輪４６の回転速度を変えることで旋回することができる。すなわち、右車輪５６の回転速度を左車輪４６の回転速度より大きくすると車体４４は左側に旋回し、左車輪４６の回転速度を右車輪５６の回転速度より大きくすると車体４４は右側に旋回する。台車ロボット４０は、両車輪４６，５６の回転速度差によって車体４４の向きが変わり、台車ロボット４０の移動に伴って車体４４の向きが徐々に変化する。
また、台車ロボット４０は、倒立振子型の台車であるため、車体４４が倒立状態を維持するための倒立制御と、車体４４の位置及び向き（絶対角）が指定された位置及び向きとなるように制御する位置制御の両者が行われる。倒立制御については、従来公知の種々の制御手法（倒立振子制御等）を用いることができる。一方、車体４４の位置及び向きは、予め台車ロボット４０の走行軌跡を指示する走行軌跡データが与えられ、その走行軌跡データに従ってモータ５０，５２を駆動することで制御される。
ただし、車輪４６，５６と床面との間にすべりが生じると、台車ロボット４０の走行軌跡が走行軌跡データによって予め指定された走行軌跡からずれることとなる。このため、絶対位置検出装置４２で検出された車体４４の位置と走行軌跡データによって指定される車体３３の位置（教示位置）との偏差が０となるように走行軌跡データが補正され、また、次に説明する絶対方位算出装置によって算出される車体４４の絶対方位（絶対角）と走行軌跡データによって指定される車体３３の絶対方位（教示方位）との偏差が０となるように走行軌跡データが補正される。これによって、台車ロボット４０は、指定された走行軌跡からずれることなく、指定された走行軌跡上を走行することとなる。
【００２９】
なお、台車ロボット４０は、右車輪５６と左車輪４６を同一回転速度で、互いに異なる方向に回転させることで、その場で旋回することもできる。ただし、以下の説明では、台車ロボット４０がその場で旋回する場合については考慮せず、台車ロボット４０が床面を前方に走行しながら旋回を行う場合に限定して説明を行う。
【００３０】
次に、台車ロボット４０（車体４４）の絶対方位（絶対角）を算出する装置について図６を参照して説明する。図６に示すように、絶対方位算出装置は、既に説明した絶対位置検出装置４２と絶対位置履歴記憶手段６２と絶対角算出手段５８で構成されている。
絶対位置履歴記憶手段６２は、絶対位置検出装置４２で検出される台車ロボット４０（車体４４）の絶対位置を所定の時間間隔（Δｔ）で時系列順に記憶する。すなわち、絶対位置履歴記憶手段６２には、台車ロボット４０の実際の走行軌跡が所定の時間間隔（Δｔ）で記憶される。
【００３１】
絶対角算出手段５８は、絶対位置履歴記憶手段６２に記憶される台車ロボット４０（車体４４）の走行軌跡から車体４４の絶対方位（絶対角）を算出する。
既に説明したように、台車ロボット４０は、両車輪４６，５６の回転速度差によって旋回し、台車ロボット４０（車体４４）の絶対角は、台車ロボット４０が走行（移動）するのに伴って徐々に変化する。このため、台車ロボット４０のある時点の絶対角は、その時点における台車ロボット４０の走行軌跡の接線方向の角度と同一となる。したがって、図８に示すように、台車ロボット４０の時間ｔｋ−１における絶対位置（ｘｋ−１，ｙｋ−１）が検出され、時間ｔｋ（＝ｔｋ−１＋Δｔ）における絶対位置（ｘｋ，ｙｋ）が検出されたときに、時間間隔Δｔが充分に小さければ、時間ｔｋ−１における絶対角θｋ−１をａｔａｎ２（ｙｋ−ｙｋ−１，ｘｋ−ｘｋ−１）で求めることができることとなる。絶対角算出手段５８は、絶対位置履歴記憶手段６２に記憶されている車体４４の絶対位置の履歴から車体４４の２地点の絶対位置の座標を特定し、その２地点の座標から車体の絶対角θを算出する。
【００３２】
上述した絶対方位算出装置が台車ロボット４０の絶対方位（絶対角）を算出する処理手順について図７及び図８を参照して説明する。なお、台車ロボット４０（車体４４）の絶対角を算出する処理は、車体４４の絶対位置を検出する処理を行う毎に実施される。
図７に示すように、絶対角算出装置は、まず、絶対位置検出装置４２により車体４４の絶対位置（ｘｋ，ｙｋ）を検出し（Ｓ３０）、その検出した絶対位置（ｘｋ，ｙｋ）を絶対位置履歴記憶手段６２に記憶する（Ｓ３２）。
次いで、前回の処理において絶対位置履歴記憶手段６２に記憶した車体４４の絶対位置（ｘｋ−１，ｙｋ−１）の座標を読出す（Ｓ３４）。
ステップＳ３６に進むと、ステップＳ３０で検出した車体４４の絶対位置（すなわち、現在の台車ロボット４０の位置（ｘｋ，ｙｋ））とステップＳ３４で読出した車体４４の絶対位置（すなわち、現在よりΔｔ前の台車ロボット４０の位置（ｘｋ−１，ｙｋ−１））とに基づいて、現在よりΔｔ前の台車ロボット４０の絶対角θｋ−１を算出する。具体的には、絶対角θｋ−１をａｔａｎ２（ｙｋ−ｙｋ−１，ｘｋ−ｘｋ−１）で求める（図８参照）。
ステップＳ３６で絶対角θｋ−１が算出されると、その算出した台車ロボット４０の絶対角θｋ−１を補正装置に出力する（Ｓ３８）。補正装置は、絶対方位算出装置から入力する台車ロボット４０の絶対角θｋ−１に基づいて、走行軌跡データを補正することとなる。
【００３３】
上述した説明から明らかなように台車ロボット４０は、車体４４の絶対位置を所定の時間間隔（Δｔ）でを記憶し、その記憶した走行軌跡から台車ロボット４０（車体４４）の絶対角を算出する。車体４４の絶対位置を精度よく検出できることから、台車ロボット４０の絶対角を精度よく算出することができる。
【００３４】
なお、上述した説明は、台車ロボット４０が同一場所で旋回することがないとの前提で行った。台車ロボット４０が同一場所で旋回することがある場合は、与えられた走行軌跡データから台車ロボット４０が同一場所で旋回しているか否かを判断し、同一場所で旋回していないときに限り、上記絶対方位算出装置を用いて台車ロボット４０の絶対角を算出すればよい。一方、台車ロボット４０が同一場所で旋回している場合は、台車ロボット４０に別途搭載した方位センサ（例えば、ジャイロセンサ）によって、台車ロボット４０の絶対角を検出することができる。あるいは、方位センサ（ジャイロセンサ）を用いなくても、左右の車輪のエンコーダ値を積算することで台車ロボット４０の旋回角度を算出し、この旋回角度から台車ロボット４０の絶対角を求めることもできる。これによって、台車ロボット４０が同一場所で旋回している期間が含まれる場合にも対応することができる。
なお、上記の構成を採用する場合、台車ロボット４０には方位センサが搭載されることとなるが、台車ロボット４０が同一場所で旋回している期間だけ方位センサによって絶対角を検出することとなり、方位センサにより絶対角を算出する期間が限定されているため、方位センサに高価なものを用いなくても、台車ロボット４０の絶対角を精度よく算出することができる。
【００３５】
また、上述した台車ロボット４０では、所定の時間間隔で車体４４の絶対位置を検出するようにしたが、本発明はこのような形態に限られず、例えば、台車ロボット４０が所定の距離を移動する毎に車体４４の絶対位置を検出するようにしてもよい。
さらに、上述した台車ロボット４０は、現在の処理周期で検出された車体４４の絶対位置（ｘｋ，ｙｋ）と、一つ前の周期で検出された車体４４の絶対位置（ｘｋ−１，ｙｋ−１）とに基づいて、台車ロボット４０（車体４４）の絶対角を算出した（図８参照）。しかしながら、図９に示すように、絶対角の算出に必要となる２地点の絶対位置に、絶対位置検出装置４２で検出された複数の絶対位置の移動平均を用いることができる。これによって、絶対角の推定精度を向上することができる。
【００３６】
以上、本発明の好適ないくつかの実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。
なお、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施形態に係る２足歩行ロボットの機械構成を示す図。
【図２】２足歩行ロボットの接地足の絶対方位を算出する絶対方位算出装置の機能ブロック図。
【図３】図２に示す絶対方位算出装置の処理手順を示すフローチャート。
【図４】（ｋ−１）歩目の接地足の絶対位置とｋ歩目の接地足の絶対位置との幾何学的関係を模式的に示す図。
【図５】台車ロボットの機械構成を示す図。
【図６】台車ロボットの絶対方位を算出する絶対方位算出装置の機能ブロック図。
【図７】図６に示す絶対方位算出装置の処理手順を示すフローチャート。
【図８】台車ロボットの２地点の絶対位置と、台車ロボットの絶対方位（絶対角）との関係を模式的に示す図。
【図９】台車ロボットの絶対方位を算出する他の方法を説明するための図。
【図１０】図２に示す絶対方位算出装置の変形例に係る機能ブロック図。
【符号の説明】
【００３８】
１０：２足歩行ロボット
１２：足平位置記憶手段
２０：演算装置
２２：絶対角算出手段
２４：相対位置角算出手段
２６：遊脚足平絶対角算出手段
２８：相対指令値入力手段
３０：立脚足平絶対角算出手段
４０：台車ロボット
４２：絶対位置検出装置
４４：車体
４６，５６：車輪
５０，５２：モータ
【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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【図９】
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【図１０】
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