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発明の名称 歩行型ロボット及び車輪型ロボット並びにこれらの絶対方位推定方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−7800(P2007−7800A)
公開日 平成19年1月18日(2007.1.18)
出願番号 特願2005−193276(P2005−193276)
出願日 平成17年7月1日(2005.7.1)
代理人 【識別番号】110000110
【氏名又は名称】特許業務法人快友国際特許事務所
発明者 内原 誠文
要約 課題
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において、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取得する。

解決手段
この歩行ロボットは、接地足の絶対位置を検出する絶対位置検出装置と、接地足の絶対位置を記憶する絶対位置記憶手段と、接地足の絶対方位を演算する絶対方位演算装置とを備える。絶対方位演算装置は、k歩目の接地足の絶対位置(x,y)と、(k−1)歩目の接地足の絶対位置(xk−1,yk−1)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(Δx,Δy,Δθ)とに基づいて(k−1)歩目及び/又はk歩目の接地足の絶対方位θを推定する。
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とを用いて、(k−1)歩目及び/又はk歩目の接地足の絶対方位を推定する絶対方位推定装置と、を備えた歩行型ロボット。
【請求項2】
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】
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2に記載の歩行型ロボット。
【請求項4】
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。
【請求項5】
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であって、
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。
【請求項6】
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を用いて、車体の絶対方位を推定することを特徴とする請求項5に記載の車輪型ロボット。
【請求項7】
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を特徴とする請求項6に記載の車輪型ロボット。
【請求項8】
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、を備える絶対方位算出方法。
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】
本発明の第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とを用いて、(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、現在の接地足の絶対方位(すなわち、立脚の足先(足平)の絶対方位)又は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とを用いて、(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、(x,y)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(Δx,Δy,Δθ)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、τ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τを加算したものである。また、k歩目の絶対方位θ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Δθ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Δθは既知であることから、絶対角Φk−1と相対位置角τ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θ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(x,y)から算出することができる。すなわち、
Φk−1 = atan2(y−yk−1,x−xk−1
となる。
一方、相対位置角τは、相対移動指令値(Δx,Δy)は既知であることから、その相対移動指令値(Δx,Δy)を用いて推定することができる。すなわち、
τ =atan2(Δy,Δx
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(x,y)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θ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θを推定することができる。
【0010】
また、本発明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、本発明の第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】
本発明の第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、本発明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、本発明の第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τを算出し、算出された絶対角Φk−1と相対位置角τ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θ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(x,y)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(Δx,Δy)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τ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τ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Δθを加算して、立脚の接地足の絶対角θ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θ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(x,y)を検出すると共に、その検出した絶対位置(x,y)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(x,y)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(x,y)と遊脚の接地足の絶対位置(xk−1,yk−1)から絶対角Φ−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((Δx,Δy,Δθ)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(Δx,Δy,Δθ)を入力する。
演算装置20に相対指令値(Δx,Δy,Δθ)が入力されると、演算装置20は相対指令値Δx,Δy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τを算出する(S18)。相対指令値Δx,Δyに基づいて相対位置角τ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τ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Δθとを加算して、立脚の接地足の絶対角θを算出する(S22)。算出された立脚の接地足の絶対角θ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θ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−)が検出され、時間t(=tk−1+Δt)における絶対位置(x,y)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(y−yk−1,x−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(x,y)を検出し(S30)、その検出した絶対位置(x,y)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(x,y))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(y−yk−1,x−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(x,y)と、一つ前の周期で検出された車体44の絶対位置(xk−1,yk−)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




 

 


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