脚式移動ロボットの制御装置

【課題】脚式移動ロボットの運動中に、複数の必要条件を満足させることが可能となる各脚体の先端部の運動軌道を効率よく決定しつつ、前記複数の必要条件を満足させる目標歩容を生成する。
【解決手段】脚式移動ロボット１の脚体２のうちの遊脚の先端部（足平２２）の目標着地位置の第１着地許容領域と第２着地許容領域とを決定し、これらの着地許容領域が重なり合う領域に目標着地位置を決定し、ロボットの目標歩容を生成する。第１着地許容領域は、幾何学的脚体運動必要条件を満足するように決定される。第２着地許容領域は、床反力の構成要素である所定の床反力要素に係わる運動系属性必要条件と床反力要素許容範囲条件とを満足させ得るように決定される。

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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体から延設された複数の脚体を備える脚式移動ロボットの運動中に、複数種類の必要条件を満足するように、各脚体の先端部の運動軌道を規定する脚体運動パラメータと前記ロボットに作用させるべき床反力の所定の構成要素である床反力要素の目標軌道を規定する床反力要素パラメータとを決定しつつ、該脚体運動パラメータと床反力要素パラメータとを用いて該ロボットの目標運動を少なくとも含む目標歩容を生成し、その目標歩容に該ロボットの実際の歩容を追従させるように該ロボットの動作制御を行う制御装置であって、
前記複数種類の必要条件は、前記脚体運動パラメータにより規定される各脚体の先端部の運動軌道が、該脚体の幾何学的な可動範囲内での運動軌道となるという幾何学的脚体運動必要条件と、前記床反力要素パラメータにより規定される前記床反力要素の目標軌道が、前記ロボットの動力学を表現する動力学モデル上での該ロボットの継続的な運動を実現し得る目標軌道となるという運動継続性必要条件と、前記床反力要素パラメータにより規定される前記床反力要素の目標軌道における該床反力要素の目標値が所定の許容範囲内に収まるという床反力要素許容範囲必要条件とを少なくとも含んでおり、
前記ロボットの脚体のうち、現在時刻以後に着地させようとする遊脚の先端部の目標着地位置の第１の許容領域である第１着地許容領域を前記幾何学的脚体運動必要条件を満足するように決定する第１着地許容領域決定手段と、
前記運動継続性必要条件と前記床反力要素許容範囲必要条件とを満足する前記床反力要素の目標軌道を決定し得る前記目標着地位置の第２の許容領域である第２着地許容領域を、少なくとも前記遊脚の先端部の目標着地位置の変化と前記運動継続性必要条件を満足する前記床反力要素の変化との間の関係と、前記床反力要素の目標値に関する前記許容範囲とに基づいて決定する第２着地許容領域決定手段と、
少なくとも前記第１着地許容領域と第２着地許容領域とが重なり合う領域内に前記遊脚の先端部の目標着地位置が存するように前記脚体運動パラメータを決定する脚体運動パラメータ決定手段と、
該脚体運動パラメータを用いて、前記床反力要素の目標軌道を規定する前記床反力要素パラメータを決定する床反力要素パラメータ決定手段とを備えることを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の脚式移動ロボットの制御装置において、
前記ロボットの外界の環境情報に基づいて、前記遊脚の先端部の目標着地位置の第３の許容領域である第３着地許容領域を決定する第３着地許容領域決定手段をさらに備え、
前記脚体運動パラメータ決定手段は、少なくとも前記第１着地許容領域と第２着地許容領域と第３着地許容領域とが重なり合う領域内に前記遊脚の先端部の目標着地位置が存するように前記脚体運動パラメータを決定することを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の脚式移動ロボットの制御装置において、
前記運動継続性必要条件は、前記床反力要素パラメータにより規定される床反力要素の目標軌道を前記動力学モデルに入力して前記ロボットの運動を生成した場合に、該生成される運動軌道が、前記ロボットの同一パターンの運動を周期的に繰り返す歩容である周期歩容における運動軌道に収束するという条件であることを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の脚式移動ロボットの制御装置において、
前記脚体運動パラメータ決定手段は、前記遊脚の目標着地時刻を所定の許容範囲内で調整可能に前記脚体運動パラメータを決定する手段であり、
前記第２着地許容領域決定手段は、前記第２着地許容領域を、前記遊脚の先端部の目標着地位置の変化と該遊脚の先端部の目標着地時刻の変化と前記運動継続性必要条件を満足する前記床反力要素の変化との間の関係と、該床反力要素の目標値に関する前記許容範囲と、前記遊脚の目標着地時刻に関する前記許容範囲とに基づいて決定することを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の脚式移動ロボットの制御装置において、
前記床反力要素は、前記ロボットに作用する全床反力の作用点としてのＺＭＰの位置であり、前記床反力要素の目標値に関する前記許容範囲は、前記ロボットと床面との接触面に応じて定まる支持多角形内に設定される前記ＺＭＰの存在許容領域であることを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の脚式移動ロボットの制御装置において、
前記床反力要素は、前記ロボットに作用する全床反力の作用点としてのＺＭＰの位置であると共に、前記床反力要素の目標値に関する前記許容範囲は、前記ロボットと床面との接触面に応じて定まる支持多角形内に設定される前記ＺＭＰの存在許容領域であり、
前記遊脚の目標着地位置が前記第１着地許容領域内に存するように前記脚体運動パラメータの暫定値を決定する脚体運動パラメータ暫定決定手段と、
前記決定された脚体運動パラメータの暫定値を用いて、少なくとも前記床反力要素許容範囲必要条件を満足するように、前記床反力要素としての前記ＺＭＰの位置の目標軌道を規定する前記床反力要素パラメータの暫定値を決定する床反力要素パラメータ暫定決定手段と、
前記決定された床反力要素パラメータの暫定値により規定される前記ＺＭＰの位置の目標軌道である暫定ＺＭＰ軌道と前記動力学モデルとを用いて、前記運動継続性必要条件を満足するように前記暫定ＺＭＰ軌道を修正するためのＺＭＰ修正量を決定するＺＭＰ修正量決定手段と、
前記決定されたＺＭＰ修正量によって前記暫定ＺＭＰ軌道を修正してなるＺＭＰの位置が前記存在許容領域内に存するか否かを判断する判断手段とをさらに備えており、
前記第２着地許容領域決定手段は、前記判断手段の判断結果が否定的である場合に、前記遊脚の目標着地位置を前記決定された脚体運動パラメータの暫定値により規定される目標着地位置から所定量だけ変化させた場合における前記ＺＭＰ修正量の変化量を算出することによって、前記遊脚の先端部の目標着地位置の変化と前記運動継続性必要条件を満足する前記床反力要素の変化との間の関係を規定する着地位置・床反力要素間関係パラメータを決定し、該着地位置・床反力要素間関係パラメータにより規定される関係に従って、前記床反力要素の目標値に関する前記許容範囲を前記遊脚の先端部の目標着地位置の許容領域に変換することにより、前記第２着地許容領域を決定することを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。
【請求項７】
請求項４記載の脚式移動ロボットの制御装置において、
前記床反力要素は、前記ロボットに作用する全床反力の作用点としてのＺＭＰの位置であると共に、前記床反力要素の目標値に関する前記許容範囲は、前記ロボットと床面との接触面に応じて定まる支持多角形内に設定される前記ＺＭＰの存在許容領域であり、
前記遊脚の目標着地位置が前記第１着地許容領域内に存するように前記脚体運動パラメータの暫定値を決定する脚体運動パラメータ暫定決定手段と、
前記決定された脚体運動パラメータの暫定値を用いて、少なくとも前記床反力要素許容範囲必要条件を満足するように、前記床反力要素としての前記ＺＭＰの位置の目標軌道を規定する前記床反力要素パラメータの暫定値を決定する床反力要素パラメータ暫定決定手段と、
前記決定された床反力要素パラメータの暫定値により規定される前記ＺＭＰの位置の目標軌道である暫定ＺＭＰ軌道と前記動力学モデルとを用いて、前記運動継続性必要条件を満足するように前記暫定ＺＭＰ軌道を修正するためのＺＭＰ修正量を決定するＺＭＰ修正量決定手段と、
前記決定されたＺＭＰ修正量によって前記暫定ＺＭＰ軌道を修正してなるＺＭＰの位置が前記存在許容領域内に存するか否かを判断する判断手段とをさらに備えており、
前記第２着地許容領域決定手段は、前記判断手段の判断結果が否定的である場合に、前記遊脚の目標着地位置を前記決定された脚体運動パラメータの暫定値により規定される目標着地位置から所定量だけ変化させた場合における前記ＺＭＰ修正量の変化量と、前記遊脚の目標着地時刻を前記決定された脚体運動パラメータの暫定値により規定される目標着地時刻から所定量だけ変化させた場合における前記ＺＭＰ修正量の変化量とを算出することによって、前記遊脚の先端部の目標着地位置の変化と該遊脚の先端部の目標着地時刻の変化と前記運動継続性必要条件を満足する前記床反力要素の変化との間の関係を規定する着地位置・着地時刻・床反力要素間関係パラメータを決定し、該着地位置・着地時刻・床反力要素間関係パラメータにより規定される関係に従って、前記床反力要素の目標値に関する前記許容範囲と前記遊脚の先端部の目標着地時刻に関する前記許容範囲とを前記遊脚の先端部の目標着地位置の許容領域に変換することにより、前記第２着地許容領域を決定することを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。

【図１】