JPH05285868A

JPH05285868A - 脚式移動ロボットの歩行制御装置

Info

Publication number: JPH05285868A
Application number: JP4121432A
Authority: JP
Inventors: Yuji Haikawa; 有二配川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1992-04-15
Filing date: 1992-04-15
Publication date: 1993-11-02

Abstract

(57)【要約】【構成】歩行様式を、停止→直進→停止などの５種の
基本歩行機能に分類し、その組み合わせで移動経路を記
述すると共に、その基本歩行機能となる様に関節駆動制
御値を決定する。【効果】経路の記述が容易となって安定した歩行制御
を実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は脚式移動ロボットの歩
行制御装置に関し、より具体的には所定の環境内を移動
する脚式移動ロボットにおいてその歩行制御を容易とし
たものに関する。

【０００２】

【従来の技術】近時、脚式の移動型ロボットとしては特
開昭６２−９７００５号公報に記載のものなどが提案さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そのような脚式移動ロ
ボットが現実に歩行するときは、障害物が多数存在する
環境内を障害物を回避しつつ移動できる様に歩行制御し
なければならず、その様な環境でも安定した歩行制御を
実現することは、実際には容易ではない。

【０００４】従って、この発明の目的は、障害物が多数
存在する様な環境においても安定に歩行制御できる様に
した脚式移動ロボットの歩行制御装置を提供することに
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ためにこの発明は例えば請求項１項に示す如く、複数本
の脚部リンクを備えてなる脚式移動ロボットの歩行制御
装置において、歩行態様を複数個の歩行様式に分類し、
該複数個の歩行様式の組み合わせで目標値を記述し、該
目標値となるべく前記脚部リンクの駆動制御値を決定す
る様に構成した。

【０００６】

【作用】歩行態様を複数個の歩行様式に分類し、その組
み合わせで目標値を記述し、その目標値となる様に脚部
リンクの駆動制御値を決定することから、複雑な環境を
移動するとき、目標とする経路の記述が明確となって制
御が容易となり、安定した歩行制御を実現することがで
きる。

【０００７】

【実施例】以下、この発明の実施例を説明する。図１は
この発明に係わる脚式移動ロボットの歩行制御装置を全
体的に示す説明スケルトン図であり、左右それぞれの脚
部リンク２に６個の関節（軸）を備える（理解の便宜の
ために各関節（軸）をそれを駆動する電動モータで例示
する）。該６個の関節（軸）は上から順に、腰の脚部回
旋用の関節（軸）１０Ｒ，１０Ｌ（右側をＲ、左側をＬ
とする。以下同じ）、腰のピッチ方向（ｙ軸まわり）の
関節（軸）１２Ｒ，１２Ｌ、同ロール方向（ｘ軸まわ
り）の関節（軸）１４Ｒ，１４Ｌ、膝部のピッチ方向の
関節（軸）１６Ｒ，１６Ｌ、足首部のピッチ方向の関節
（軸）１８Ｒ，１８Ｌ、同ロール方向の関節（軸）２０
Ｒ，２０Ｌとなっており、その下部には足平（足部）２
２Ｒ，２２Ｌが取着されると共に、最上位には基体（胴
体部２４）が設けられ、その内部には後で述べる様にマ
イクロ・コンピュータを備えた制御ユニット２６が格納
される。上記において腰関節は関節（軸）１０Ｒ
（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）から構成され、ま
た足関節は、関節（軸）１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）か
ら構成される。また、腰関節と膝関節との間は大腿リン
ク２８Ｒ，２８Ｌで、膝関節と足関節との間は下腿リン
ク３０Ｒ，３０Ｌで連結される。

【０００８】脚部リンク２は左右の足についてそれぞれ
６つの自由度を与えられ、歩行中にこれらの６×２＝１
２個の関節（軸）をそれぞれ適宜な角度に駆動すること
で、足全体に所望の動きを与えることができ、任意に３
次元空間を歩行することができる様に構成される。先に
述べた様に、上記した関節は電動モータからなり、更に
はその出力を倍力する減速機などを備えるが、その詳細
は先に本出願人が提案した出願（特願平１−３２４２１
８号、特開平３−１８４７８２号）などに述べられてお
り、それ自体はこの発明の要旨とするところではないの
で、これ以上の説明は省略する。

【０００９】ここで、図１に示すロボット１の基体２４
には、公知のＣＣＤ（固体映像素子）カメラからなる視
覚センサ３２が１個（単眼）配置され、その出力はマイ
クロ・コンピュータからなる画像処理ユニット３４に送
られる。また、足首部には公知の６軸力センサ３６が設
けられ、足平を介してロボットに伝達されるｘ，ｙ，ｚ
方向の力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚとその方向まわりのモー
メント成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとを測定し、足部の着地の
有無と支持脚に加わる力の大きさと方向とを検出する。
また、基体２４の上部には一対の傾斜センサ４０，４２
が設置され、ｘ−ｚ平面内のｚ軸に対する傾きとその角
速度および角加速度と、同様にｙ−ｚ平面内のｚ軸に対
する傾きとその角速度および角加速度とを検出する。ま
た、各関節の電動モータには、その回転量を検出するロ
ータリエンコーダが設けられる（図１において足関節の
電動モータ用のもののみを示す）。これらの出力は前記
した制御ユニット２６に送られる。

【００１０】図２は制御ユニット２６の詳細を示すブロ
ック図であり、マイクロ・コンピュータから構成され
る。そこにおいて傾斜センサ４０，４２などの出力はＡ
／Ｄ変換器５０でデジタル値に変換され、その出力はバ
ス５２を介してＲＡＭ５４に送られる。また各電動モー
タに隣接して配置されるエンコーダの出力は可逆カウン
タ５６を介してＲＡＭ５４内に入力される。またユーザ
が目標位置などを入力するためにキーボードとマウス５
８が設けられ（図１で図示省略）、その出力はマイクロ
・コンピュータからなるユーザインタフェース６０を通
じてマイクロ・コンピュータ内に送出される。更に、前
記した画像処理ユニット３４の出力も通信インタフェー
ス６２を通じて同様にマイクロ・コンピュータ内に取り
込まれる。制御ユニット内には演算装置６４が設けられ
ており、ＲＯＭ６６に格納されている環境地図に基づい
て後で詳細に述べる様に現在位置の認識処理を行って歩
行制御値を決定し、可逆カウンタ５６から送出される実
測値との偏差から電動モータの速度指令値を算出し、Ｄ
／Ａ変換器６８を介してサーボアンプに送出する。

【００１１】続いて、この制御ユニットの動作を説明す
る。

【００１２】図３はその動作を環境認識処理に焦点をお
いて示す機能ブロック図である。図示の如く、前記した
ＲＯＭ６６に格納した環境地図に基づいて視覚センサ３
２を通じて得た画像情報から現在位置を認識しつつ移動
制御を行うものである。

【００１３】以下、図４のフロー・チャート（ＰＡＤ図
（構造化フロー・チャート））を参照してその詳細を説
明する。

【００１４】先ず、Ｓ１０において移動環境における初
期現在位置の概略値、即ち、最初にロボット１が立って
いる位置と方向とを入力し、次いでＳ１２において移動
目標、即ち、目標点の位置とロボットの方向とを入力す
る。この入力は図２に示したキーボード、マウス５８と
ユーザインタフェース６０とを通じて行う。

【００１５】ここで、この実施例においては、移動環境
として図５に示す様な室内環境を想定する。即ち、ロボ
ットは与えられた命令に従って階段を昇降し、２本の柱
の間を通過して目標点に辿りつくための経路を選んで、
その経路を参考にして移動動作を実行する。環境地図は
図６に良く示す如く、最上位レベルから第２レベルを経
て第３レベルに至る様に階層的に記述する。最上位レベ
ルは建物内の結合関係を示すものでエリアの結合として
記述される。エリアはルームとリンクで構成される。こ
こでルームとは部屋や廊下の様に領域的に一固まりに考
えられる空間を、リンクとはルームの間を移動するため
に通過しなければいけない階段、ドアなどの場所を意味
する。最上位レベルの下には、物体配置情報が第２レベ
ルとして記述され、更にその下に、各物体について後で
述べる接近禁止領域の情報、形状特徴の情報などが記述
される。図７と図８にその詳細を示す。この様な情報が
環境地図としてＲＯＭ６６内に格納される。尚、以下で
は図５に示した部屋１内の移動に限って説明する。

【００１６】図４フロー・チャートにおいては次いでＳ
１４に進んで経路計画処理を行う。脚式移動ロボット、
特に２足歩行のものにおいては、指定された距離を進ん
だり、指定された経路上を移動するなど、進行方向を自
由に制御することは簡単ではない。しかしながら、移動
制御では、その様な移動の実現が不可欠である。そこ
で、この実施例では、移動動作を「停止」を挟んで幾つ
かの基本歩行機能に分割して実行する様にした。これに
よって拘束条件式の算出が容易となると共に、基本歩行
機能を実行する制御処理のみで移動制御を実現すること
ができる。基本歩行機能は図９に示す様に、（ａ）直
進、（ｂ）階段昇降、（ｃ）方向転換、（ｄ）歩幅合わ
せ（前後）、（ｅ）歩幅合わせ（左右）の５種とした。
Ｓ１４の経路計画処理の時点ではこの様に基本歩行機能
の結合として表現し、軌道としての直接表現はしない。

【００１７】このＳ１４での経路計画処理は具体的に
は、図１０に示す様な必須通過点を生成し（Ｓ１６）、
図１１に示す様な障害物との干渉を検討しつつ図１２に
示す様な障害物回避経路を生成する（Ｓ１８）ことであ
る。ここで、必須通過点としては、階段下目標点Ａ、階
段降り始め点Ｂ、階段領域脱出点Ｃでの位置と方向とす
る。これを詳細に示すと、図１３の様になる。

【００１８】図４フロー・チャートにおいては続いてＳ
２０に進み、階段下目標点（Ａ点）への移動制御を行
う。

【００１９】そのサブルーチンを示す図１４フロー・チ
ャートを参照して説明すると、先ずＳ１００において現
在位置の認識を行う。具体的には、先ずＳ１０２におい
て選択処理の準備を行う。図１５はそのサブルーチンを
示すフロー・チャートであり、選択処理の準備はＳ１０
２０，Ｓ１０２１に記載する様に、推定現在位置におけ
るカメラ（視覚センサ３２）の視野計算の準備を行うこ
とである。図１６にそれを示す。

【００２０】図１４フロー・チャートにおいて、続いて
Ｓ１０４に進んで形状特徴点の絞り込みを行う。図１７
はそのサブルーチンを示すフロー・チャートである。形
状特徴点の絞り込み処理は、環境情報に記載された形状
特徴点の中から、形状特徴点の候補を算出するために、
階層的に記述されている環境知識情報の全物体の全形状
特徴点（図８に示す）に対して絞り込みのための第１の
評価関数による評価を行い、その評価結果の順に特徴点
候補のリストを作り出す。第１の評価関数としては、遠
くの点ほど認識精度が悪く、他の形状との誤認識の可能
性が大きいという一般的な性質から、ロボットからの距
離を認識誤差の大きさに関する評価関数として採用し
た。特徴点候補の数は、次の最適特徴形状点選出処理に
必要な数だけ用意すれば良いので、その数を予め設定し
て不要の分は捨てている。原理的には捨てずに全ての形
状特徴点の順番のリストを求めても良い。

【００２１】具体的には図１７フロー・チャートのＳ１
０４０からＳ１０４８に示す如く、環境情報に記述され
ている対象物体のノードデータ（図８に示す）から形状
特徴点を選び出し、その形状特徴点がそのときのカメラ
の視野の中に入っているかを調べる。次にロボットから
形状特徴点までの距離を計算する。単眼による視覚処理
なので、図１８に示す様に、カメラから形状特徴点まで
の視線が環境情報に記載されている形状特徴点の高さを
横切る点までの距離により、ロボットから形状特徴点ま
での距離を求める。

【００２２】この手法では形状特徴点までの距離しか測
定できないので、ロボットの現在位置を求めるために
は、少なくとも２点以上の形状特徴点までの距離を求め
る必要がある。この実施例ではその必要最小限の２点の
距離から位置を決定している。他方、この手法では２点
が挟む角度が小さいと、方向の測定誤差が大きくなる。
そのため、図１４フロー・チャートにおいて次のＳ１０
６の最適形状特徴点の選択処理において、測定誤差が大
きくならない様にした。

【００２３】即ち、図１９サブルーチン・フロー・チャ
ートに示す最適形状特徴点の選択処理では、形状特徴点
候補の上位２点の挟む角度が、誤差の許容量から決めら
れる角度（許容角度）よりも大きかったら、そのまま２
点を最適形状特徴点として決定し、その２点からロボッ
トの現在位置を計算する（Ｓ１０６０〜Ｓ１０６２）。
また、許容角度より小さければ、視野の中にある他の形
状特徴点候補を含めた２点によって挟む角度を大きくで
きるか否か判断する（Ｓ１０６３）。このとき、全ての
組み合わせを調べる様にすると、候補の数が多くなった
場合に処理時間が急速に長くなるので、この実施例では
上位２点のうち、１点を交換することとして、その組み
合わせの中で挟み角が最大となる２点の組を最適形状特
徴点と決定している。例えば、図２０に示す如く、候補
１，２による挟み角αが許容角度より小さいときは、候
補１，２の一方、この場合は１を４に代え、新たな挟み
角βを求めて許容角度と比較する様にした。

【００２４】尚、評価関数としては更に、近くに誤認識
しやすい形状がある場合に、その様な形状の特徴点の使
用を避ける様に、視覚認識のアルゴリズムの認識確率に
関する関数を使用しても良い。また、複雑な環境の中を
移動する場合には、複数の視覚認識やソナーなどの他の
環境認識手段を併用して現在位置を認識することが考え
られるが、その場合には、それらの処理の容易さや、認
識精度なども考慮した評価関数を設定して形状特徴点を
決定しても良い。

【００２５】図１４フロー・チャートに戻ると、Ｓ１０
７において選択した特徴点の位置測定を通じて現在位置
を認識した後、続いてＳ１０８に進んで歩行計画処理を
行う。これは図２１に示す様に指定された移動目標とな
る様に基本歩行機能へ展開する作業を意味する。具体的
にはそのサブルーチンを示す図２２フロー・チャートに
従って説明すると、Ｓ１０８０において転換角度などを
決定し、Ｓ１０８１において歩数と余りを決定する。よ
り具体的には図２２の下部に注記した様に、最初にα度
転換し（モードＰ１とする）、ｎ歩前進し（モードＰ
２）、余りｌ′ｍを歩幅合わせで前進し（モードＰ
３）、最後にβ度転換する（モードＰ４）歩行を計画す
る（尚、各モードの後に付した（ａ）などは、図９に示
す該当する基本歩行機能を示す）。

【００２６】図１４フロー・チャートにおいては続い
て、Ｓ１１０に進んで歩行制御処理を行う。これはＳ１
１２に示す様に歩行計画による基本歩行モードの順次実
行を意味しており、具体的には図２３のサブルーチン・
フロー・チャートにおいてＳ１１２０〜Ｓ１１２３に示
す如く、モードＰ１からＰ４を順次実行すべく、制御値
を決定することを意味する。但し、ここで留意すべきこ
とは、この段階において制御は、該当する基本歩行機能
を実現する様に、図１に示した１２個の関節についての
角度指令値で決定されることであり、より具体的には角
度指令値とエンコーダを通して得た実際値との偏差を解
消する様にサーボアンプを介して各モータを駆動する様
に行われる。但し、その詳細はこの発明の目的とすると
ころではないので、これ以上の説明は省略する。

【００２７】図１４フロー・チャートにおいては、続い
てＳ１１４において移動誤差の認識処理、即ち、移動目
標（階段下）への指令値に基づく移動後の現在位置の推
定値に対してＳ１００と同様の現在位置の認識を行って
指令値との移動誤差を認識する処理を行い、Ｓ１１６〜
Ｓ１２０で誤差が所定値を超えると判断されるときは、
誤差がその所定値以下になるまで修正移動を反復する。
図２４に移動指令から推定した現在位置と視覚センサを
通じて求めた現在位置とから、移動誤差を求める状態を
示す。尚、図２５は画像処理による形状特徴点の確認作
業の説明図である。

【００２８】図４フロー・チャートに戻ると、続いてＳ
２２〜Ｓ２８に進んで階段登り動作などが行われるが、
これはＳ２０の階段下目標点への移動で述べたと同様
に、現在位置を認識して歩行（移動）制御を行い、移動
誤差を認識して修正移動を行うことであるので、その詳
細は省略する。

【００２９】この実施例は、上記の如く、歩行計画を実
現するに際して歩行様式を「停止」を挟んで５種の基本
歩行機能に分類し、その組み合わせで記述すると共に、
歩行制御処理において記述された基本歩行機能となる様
に、各関節の駆動制御値を決定する様にした。従って、
拘束条件式の算出が容易となると共に、複雑な環境を移
動するときも経路の記述が容易となり、障害物を確実に
回避させることができて安定した歩行制御を実現するこ
とができる。

【００３０】尚、図２１で述べた基本歩行機能への展開
はさまざまなバリエーションが可能であり、例えば図２
６の場合などは左右の歩幅合わせを行ってから直進して
も良く、或いは図２１のときと同様に方向転換して直進
した後再度方向転換しても良い。

【００３１】更には、この発明を２足歩行の脚式移動ロ
ボットについて説明したが、それに限られるものではな
く、１足ないしは３足以上の脚式移動ロボットにも妥当
するものである。

【００３２】

【発明の効果】請求項１項にあっては、複数本の脚部リ
ンクを備えてなる脚式移動ロボットの歩行制御装置にお
いて、歩行態様を複数個の歩行様式に分類し、該複数個
の歩行様式の組み合わせで目標値を記述し、該目標値と
なるべく前記脚部リンクの駆動制御値を決定する如く構
成したので、複雑な環境を移動するときも経路の記述が
容易となり、障害物を確実に回避させることができて安
定した歩行制御を実現することができる。

【００３３】請求項２項の装置にあっては、前記複数個
の歩行様式の組み合わせは少なくとも、停止→直進→停
止、停止→登り→停止、停止→降り→停止、停止→方向
転換→停止、停止→歩幅合わせ→停止、のいずれかであ
る如く構成したので、拘束条件式の算出が容易となると
共に、複雑な環境を移動するときも経路の記述が一層容
易となり、障害物を確実に回避させることができて一層
安定した歩行制御を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る移動体の脚式移動ロボットの歩
行制御装置を全体的に示す概略図である。

【図２】図１に示す制御ユニットの説明ブロック図であ
る。

【図３】図２に示す制御ユニットの動作を示す機能ブロ
ック図である。

【図４】図２に示す制御ユニットの動作を示すフロー・
チャートである。

【図５】図４フロー・チャートで予定する移動環境の説
明図である。

【図６】図５の環境地図の記述例を具体的に示す説明図
である。

【図７】図６の記述例の第３レベルをより詳細に示す説
明図である。

【図８】図６の記述例の第３レベルをより詳細に示す説
明図で、特に特徴点の記述を詳細に示す説明図である。

【図９】図４フロー・チャートで予定する基本歩行機能
を示す説明図である。

【図１０】図４フロー・チャートの中の必須通過点の生
成を示す説明図である。

【図１１】図４フロー・チャートの中の中間目標点の生
成を示す説明図である。

【図１２】図４フロー・チャートの中の中間目標点の生
成を示す同様の説明図である。

【図１３】図４フロー・チャートの中の中間目標点の生
成で設定された経路を示す説明図である。

【図１４】図４フロー・チャートの中の階段下目標点へ
の移動のサブルーチンを示すフロー・チャートである。

【図１５】図１４フロー・チャートの中の現在位置の認
識のうち、選択処理の準備のサブルーチンを示すフロー
・チャートである。

【図１６】図１５フロー・チャートの動作を示す説明図
である。

【図１７】図１４フロー・チャートの中の形状特徴点の
絞り込みのサブルーチンを示すフロー・チャートであ
る。

【図１８】図１７フロー・チャートの動作を示す説明図
である。

【図１９】図１４フロー・チャートの中の最適形状特徴
点の選択のサブルーチンを示すフロー・チャートであ
る。

【図２０】図１９フロー・チャートの動作を示す説明図
である。

【図２１】移動目標の指定と基本歩行機能への展開を示
す説明図である。

【図２２】図１４フロー・チャートの中の歩行計画処理
のサブルーチンを示すフロー・チャートである。

【図２３】図１４フロー・チャートの中の歩行計画によ
る基本歩行モードの順次実行のサブルーチンを示すフロ
ー・チャートである。

【図２４】移動指令から推定した現在位置とロボットの
現在位置の認識結果との誤差を示す説明図である。

【図２５】画像処理による形状特徴点の認識を示す説明
図である。

【図２６】図２１と同様な基本歩行機能への展開の他の
バリエーションを示す説明図である。

【符号の説明】

１脚式移動ロボット（２足歩行ロボ
ット）２４基体２６制御ユニット３２視覚センサ３４画像処理ユニット５８キーボード、マウス６０ユーザインタフェース

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数本の脚部リンクを備えてなる脚式移
動ロボットの歩行制御装置において、歩行態様を複数個
の歩行様式に分類し、該複数個の歩行様式の組み合わせ
で目標値を記述し、該目標値となるべく前記脚部リンク
の駆動制御値を決定することを特徴とする脚式移動ロボ
ットの歩行制御装置。
【請求項２】前記複数個の歩行様式の組み合わせは少
なくとも、停止→直進→停止、停止→登り→停止、停止
→降り→停止、停止→方向転換→停止、停止→歩幅合わ
せ→停止、のいずれかであることを特徴とする請求項１
項に記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置。