JP4899165B2 - 脚式移動ロボットの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、腕体の先端部のハンドにより台車などの対象物を把持し、該対象物の位置および姿勢を目標軌道に追従させるように該対象物を移動させる作業を行う脚式移動ロボットの制御装置に関する。

例えば特許文献１に見られるように、移動ロボットの腕体の先端部を台車などの対象物の一端部の所定部位に接触させた状態で、該対象物を移動させる作業を該移動ロボットに行なわせる技術が本願出願人により提案されている。この技術では、対象物の代表点の位置と該対象物の姿勢とを、それぞれ対象物の移動計画を基づく目標位置軌道、目標姿勢軌道に追従させるように、移動ロボットとしての２足移動ロボットの動作を制御する。
特開２００７−１６０４２８号公報

しかしながら、従来のこの種の技術では、対象物の目標位置軌道に追従させるべき対象物の代表点は、該対象物に対して固定的に設定されているため、次のような不都合があった。

例えば、図５（ａ），（ｂ）に示すように、ロボット１０１がその腕体１０２，１０２の先端部（ハンド）によって、対象物としての台車２００の一端部の取っ手２０１を把持した状態で、該ロボット１０１により台車２００を押して移動させる場合を想定する。なお、図５（ａ），（ｂ）は、ロボット１０１および台車２００の移動途中のある時刻でのロボット１０１および台車２００を上方から見た平面図である。

ここで、台車２００の代表点２０２の目標位置軌道により規定される空間的な目標経路２０３が、現在のロボット１０１および台車２００の進行方向前方において、比較的大きな曲がり度合いで曲がっているとする。また、目標経路２０３上での台車２００の目標姿勢（ヨー軸方向で見た台車２００の目標姿勢）は、該台車２００の前後方向が目標経路２０３の接線方向（目標経路２０３上での台車２００の代表点２０２の移動速度ベクトルの向きと同方向）となるような姿勢であるとする。なお、「ヨー軸」は、ロボット１０１および台車２００の移動環境の床面に垂直な方向の軸、または鉛直方向の軸を意味する。

このような場合において、ロボット１０１は、台車２００の代表点２０２を目標経路２０３上の目標位置に追従させつつ、該代表点２０２を支点として、ヨー軸まわりに台車２００を回転させることで、台車２００の姿勢を目標姿勢（図５（ａ），（ｂ）に二点鎖線で示す台車２００の姿勢）に追従させようとする。

この場合、台車２００の代表点２０２が、図５（ａ）に示すように、ロボット１０１寄りの端部に設定されている場合には、台車２００の代表点２０２から離れた部位（ロボット１０１寄りの端部と反対側の端部）のヨー軸まわりの移動量が大きくなる。このため、台車２００を比較的狭い通路で移動させるような場合のように目標経路の側方に障害物が存在するような場合に、該台車２００と該障害物との衝突が生じる恐れがある。また、代表点２０２を通るヨー軸まわりの台車２００の慣性モーメントが比較的大きい。このため、移動ロボット１から台車２００に作用する力の変動に対する台車２００の姿勢の安定性は高いものの、該台車２００の目標姿勢の急変に対して、台車２００の姿勢を短時間で目標姿勢に追従させることが難しい。そして、このような場合には、ロボット１０１と台車２００との位置・姿勢関係の制約などの影響で、台車２００の実際の移動経路と目標経路とのずれが生じやすい。

一方、台車２００の代表点２０２が、図５（ｂ）に示すように、ロボット１０１側の端部と反対側の端部側に該ロボット１０１から離れた位置（図示例では、概ね台車２００の中心位置）に設定されている場合には、台車２００の姿勢を目標姿勢に向かって変化させるときの、台車２００の代表点２０２から離れた部位の移動量は図５（ａ）の場合よりも小さくなり、また、該代表点２０２を通るヨー軸まわりの台車２００の慣性モーメントも図５（ａ）の場合よりも小さくなる。

しかるに、この場合には、台車２００の慣性モーメントが小さくなることから、対象物の目標姿勢を一定にして、該対象物を直線的に移動させようとする場合であっても、ロボット１０１から台車２００に作用する力のわずかな変動によって台車２００の姿勢変化が生じやすい。また、ロボット１０１から台車２００に作用する力の変動や外乱などの影響で台車２００の姿勢が目標姿勢に対してずれを生じた場合に、ロボット１０１と台車２００との間の適切な位置・姿勢関係を保ちつつ、該台車２００の姿勢のずれを解消するために、ロボット１０１が目標経路２０３に対して横方向（目標経路２０３とほぼ直交する方向）に動かなければならない場合が多い。そのため、目標経路２０３がほぼ直線状の経路であっても、ロボット１０１が横方向に動かなければならない機会が多くなる。ひいては、ロボット１０１および台車２００の移動速度を高めることが困難となる。

このように、対象物の代表点を固定的に設定する従来の技術では、対象物の目標姿勢軌道の変化パターンによって、対象物の姿勢の目標姿勢への追従性が低下したり、対象物の移動速度を高めることが困難となるような状況が発生するというような不都合があった。

そこで、本発明は、対象物の目標姿勢の変化パターンに適した該対象物の移動を行なうことを可能とする移動ロボットの制御装置を提供することを目的とする。

本発明の移動ロボットの制御装置は、かかる目的を達成するために、腕体の先端部を対象物の一端寄りの所定の部位に接触させた状態で、該対象物の代表点（該対象物の空間的位置を代表する点）の位置と該対象物の姿勢とをそれぞれ目標位置軌道、目標姿勢軌道に追従させるように該対象物を移動させる作業を行う移動ロボットの制御装置であって、前記対象物をヨー軸方向で見たときの該対象物の代表点の、該対象物に対して固定された対象物座標系での位置を、少なくとも前記目標姿勢軌道におけるヨー軸まわりの目標姿勢の変化に応じて可変的に設定する対象物代表点設定手段を備えたことを特徴とする（第１発明）。

なお、本発明において、対象物の代表点の「目標位置軌道」は、該代表点の空間的な目標位置の時系列を意味する。また、対象物の「目標姿勢軌道」は、対象物の空間的な向きの目標の時系列を意味する。また、「ヨー軸」は、移動ロボットおよび対象物の移動環境における床面に垂直な方向の軸、または、鉛直方向の軸を意味する。この場合、「垂直な方向」または「鉛直方向」は厳密な意味での垂直な方向または鉛直方向である必要はなく、当該厳密な意味での垂直な方向、または鉛直方向に対して若干のずれを生じていてもよい。

かかる第１発明によれば、前記対象物をヨー軸方向で見たときの該対象物の代表点の、該対象物に対して固定された対象物座標系での位置が、少なくとも前記目標姿勢軌道におけるヨー軸まわりの目標姿勢の変化に応じて可変的に設定される。これにより、対象物の代表点の位置を、該対象物の目標姿勢の変化パターンに適した位置に可変的に設定することができる。そして、このように可変的に設定される対象物の代表点の位置と、該対象物の姿勢とがそれぞれ目標位置軌道および目標姿勢軌道に追従するように移動ロボットの動作が制御される。

これにより、対象物の目標姿勢の変化パターンに適した該対象物の移動を行なうことができる。

かかる第１発明では、より具体的には、前記対象物代表点設定手段は、前記目標位置軌道により規定される前記対象物の代表点の空間的な目標経路のうち、前記目標姿勢軌道におけるヨー軸まわりの目標姿勢の変化量が所定量以下となる第１の区間では、該対象物の一端寄りの位置に該対象物の代表点を設定することが好ましい（第２発明）。

この第２発明によれば、前記目標姿勢軌道におけるヨー軸まわりの目標姿勢の変化量（例えば所定期間当たりの変化量）が所定量以下となる第１の区間、すなわち、対象物の目標姿勢が一定もしくはほぼ一定に保たれる区間では、前記対象物の所定の部位の近く、すなわち、前記移動ロボットに比較的近い位置に前記対象物の代表点が設定される。このため、該第１区間において、該代表点を通るヨー軸まわりの対象物の慣性モーメントが比較的大きくなり、該対象物の姿勢の安定性が高まる。また、移動ロボットが、対象物の姿勢を目標姿勢軌道に追従させるために、前記目標位置軌道により規定される対象物の代表点の空間的な目標経路に対して横方向に比較的大きく移動しなければならないような機会を少なくすることができる。ひいては、該移動ロボットおよび対象物の移動速度を高めることができる。

この第２発明では、前記対象物代表点設定手段は、前記目標経路のうち、前記目標姿勢軌道におけるヨー軸まわりの目標姿勢の変化量が所定量を超える第２の区間では、前記目標姿勢軌道におけるヨー軸まわりの目標姿勢の変化量が所定量を超える第２の区間では、前記第１の区間で設定する前記対象物の代表点の位置と該対象物の他端との間で、前記第１の区間で設定する前記対象物の代表点の位置よりも前記移動ロボットから遠ざかる位置に該対象物の代表点の位置を設定することが好ましい（第３発明）。

この第３発明によれば、前記第２の区間で設定される対象物の代表点を通るヨー軸まわりの該対象物の慣性モーメントを第１の区間よりも小さくできる。また、第２の区間での該代表点を中心にして前記移動ロボットおよび対象物の全体をヨー軸まわりに回転させた場合における該移動ロボットおよび対象物の全体の外郭の最大回転半径を、前記第１の区間での該代表点を中心にして前記移動ロボットおよび対象物の全体をヨー軸まわりに回転させた場合における該移動ロボットおよび対象物の全体の外郭の最大回転半径よりも小さくすることができる。

このため、前記第２の区間での対象物のヨー軸回りの姿勢を目標姿勢に追従させるための該対象物の姿勢の変化を容易に行なうことができると共に、第２の区間における対象物と移動ロボットとの全体の移動領域の幅を小さくできる。ひいては、狭い通路で対象物を旋回させるような場合であっても、対象物や移動ロボットと目標経路の側方の障害物との衝突を避けつつ、対象物を移動させることができる。

この第３発明では、前記対象物代表点設定手段は、前記対象物の一端寄りの位置にあらかじめ設定された第１の点と、該第１の点と該対象物の他端との間で該第１の点よりも前記移動ロボットから遠ざかる位置にあらかじめ設定された第２の点とを結ぶ線分上で、前記対象物の代表点の位置を設定すると共に、前記第１の区間では、該対象物の代表点の位置を前記第１の点の位置に設定し、前記第２の区間では、該対象物の代表点の位置が前記ヨー軸まわりの目標姿勢の変化量が大きいほど、前記第２の点の位置に近くなるように、該目標姿勢の変化量に応じて該対象物の代表点の位置を設定する手段であり、前記第２の点は、前記線分上の点のうち、その点を中心として、前記移動ロボットおよび対象物の全体をヨー軸まわりに回転させた場合における該移動ロボットおよび対象物の外郭の最大回転半径が最小となる点であることが好ましい（第４発明）。

この第４発明によれば、前記第２の区間での対象物のヨー軸まわりの目標姿勢の変化量が比較的大きい場合には、対象物の代表点が前記第２の点またはそれに近い点に設定されるので、対象物と移動ロボットとの全体の移動領域の幅をできるだけ小さくしつつ、該対象物のヨー軸まわりの姿勢を変化させることができる。また、第２の区間での対象物のヨー軸まわりの目標姿勢の変化量が比較的小さい場合には、対象物の代表点が前記第１の点に近い点に設定されるので、目標姿勢の変化量が比較的大きい場合よりも、対象物の姿勢の安定性や移動速度を高めることができる。

前記第１〜第４発明では、前記対象物代表点設定手段は、前記対象物の代表点の位置を変化させるとき、該代表点の位置を徐々に変化させることが好ましい（第５発明）。

この第５発明によれば、移動ロボットの動作が急激に変化するのを防止できる。

本発明の一実施形態を図１〜図４を参照して説明する。図１は本実施形態の移動ロボットと対象物との外観斜視図、図２は本実施形態の移動ロボットの動作制御に関するシステム構成を示すブロック図、図３は本実施形態の移動ロボットに備えた制御装置の処理を示すフローチャート、図４は本実施形態の作動を説明するための図である。

図１を参照して、本実施形態の移動ロボット１は、２足移動ロボット（人型ロボット）である。この２足移動ロボット１は、その基体としての上体３と、該上体３の下端部から延設された左右一対の脚体５，５と、該上体３の上部の両側部から延設された左右一対の腕体７，７と、該上体３の上端部に搭載された頭部９とを有する。

各脚体５は、第１脚リンク１１、第２脚リンク１３、および足平１５を上体３側から順に連接した構造のものであり、各脚体５の先端部が接地部としての足平１５により構成されている。この場合、各脚体５の第１脚リンク１１は３軸まわりの回転自由度を有する股関節１７を介して上体３に連結され、第２脚リンク１３は、１軸まわりの回転自由度を有する膝関節１９を介して第１脚リンク１１に連結され、足平１５は、２軸まわりの回転自由度を有する足首関節２１を介して第２脚リンク１３に連結されている。そして、各脚体５は、各関節１７，１９，２１の回転動作によって、人間の脚と同様の運動が可能となっている。この場合、例えば、脚体５，５の一方の脚体５（支持脚側の脚体５）を移動ロボット１の移動環境の床に接地させた状態で、他方の脚体５（遊脚側の脚体５）を空中に持上げて動かし、さらに着地させるという運動を両脚体５，５について交互に行なうことにより、移動ロボット１の移動を行なうことが可能である。

各腕体７は、第１腕リンク２３、第２腕リンク２５、およびハンド２７を上体３側から順に連接した構造のものであり、各腕体７の先端部がハンド２７により構成されている。この場合、各腕体７の第１腕リンク２３は３軸まわりの回転自由度を有する肩関節２９を介して上体３の連結され、第２腕リンク２５は、１軸まわりの回転自由度を有する肘関節３１を介して第１腕リンク２３に連結され、ハンド２７は、３軸まわりの回転自由度を有する手首関節３３を介して第２腕リンク２５に連結されている。そして、各腕体７は、各関節２９，３１，３３の回転動作によって、ハンド２７を物体に接触させるなど、人間の腕と同様の運動が可能となっている。また、ハンド２７は、複数の指を備え、その各指の関節の動作（各指の屈伸動作など）によって、物体を把持するなどの作業を行なうことが可能となっている。

図１では図示を省略しているが、移動ロボット１には、その動作制御のためのシステム構成として、図２に示すように、脚体３および腕体４の各関節（ハンド２７の指の関節を含む）をそれぞれ駆動する電動モータなどの複数の関節アクチュエータ３５，３５，…と、移動ロボット１の動作状態や周辺の環境情報を検出するための種々のセンサ３７，３７，…と、外部のサーバなどとの通信を行なうための通信装置３９と、制御装置４１とが搭載されている。

センサ３７は、例えば、各脚体３の足平１５の接地時に該足平１５に作用する床反力を検出する力センサ、各腕体４のハンド２７を物体に接触させたときに該ハンド２７に作用する反力を検出する力センサ、上体３の加速度を検出する加速度センサ、上体３の角速度を検出するレートセンサ、上体３の傾斜角度を検出する傾斜センサ、各関節の変位量（回転角度）を検出する関節変位センサ、移動ロボット１の前方などの周辺環境の映像を撮像する撮像カメラなどである。

制御装置４１は、マイクロコンピュータ、インターフェース回路、アクチュエータ駆動回路を含む電子回路ユニットである。この制御装置４１は、各センサ３７の検出データや、通信装置３９を介して与えられる指令データを使用して、あらかじめ実装され、もしくは必要に応じてダウンロードされたプログラムにより規定される演算処理を実行することによって、各関節アクチュエータ３５の操作量（例えば電動モータの指令電流）を逐次決定する。そして、そして、制御装置４１は、その操作量に応じて各関節アクチュエータ３５を制御することによって、移動ロボット１の動作を制御する。なお、制御装置４１は、その演算処理により実現される機能として、本発明における対象物代表点設定手段としての機能を含んでいる。

次に、以上説明した移動ロボット１によって、対象物を移動させる作業を行わせる場合の作動を説明する。なお、この作動説明では、対象物として、例えば図１に示す台車Ｗを移動させる場合を例に採って説明する。図１に示す対象物（台車）Ｗは、該対象物Ｗおよび移動ロボット１の移動環境の床面に接地する複数の車輪ＷＲを備え、その車輪ＷＲの転動によって、床面上を移動し得るようになっている。また、対象物Ｗの各車輪ＷＲは、上下方向の軸まわりに回転し得るようになっており、その回転によって、対象物Ｗの方向転換が可能となっている。

移動ロボット１により上記対象物（台車）Ｗを移動させる場合には、制御装置４１は、まず、外部のサーバなどから通信装置３９を介して入力される指令データに基づいて、移動ロボット１の腕体７などの関節アクチュエータ３５を制御して、移動ロボット１の両腕体７，７のハンド２７，２７を対象物Ｗの長手方向の一端寄りの所定の部位に接触させる。

例えば、図１に示すように、移動ロボット１を対象物Ｗの長手方向（前後方向）の一端側（後端側）に対向させて起立させた状態で、該対象物Ｗの後端部の上部に設けられたバーＷｂの両側部を左右のハンド２７，２７により把持させる。なお、この場合、移動ロボット１は、各腕体７，７が伸び切らず、また、上体３などが対象物Ｗと干渉しないような位置および姿勢で、対象物Ｗに対向して起立する。

補足すると、移動ロボット１のハンド２７，２７により把持させる部位は、バーＷｂである必要はない。例えば、図１に示す台車Ｗの上部の載架板の両側部の後端部寄りの箇所をハンド２７，２７により把持するようにしてもよい。

次いで、制御装置４１は、図３のフローチャートに示す処理を所定の演算処理周期で逐次実行し、移動ロボット１に対象物Ｗを移動させる作業を行なわせる。

この処理では、制御装置４１は、外部のサーバなどから通信装置３９を介して対象物Ｗの移動計画を取得する（ＳＴＥＰ１）。該移動計画は、対象物Ｗをどのタイミングでどのように動かすべきかの要求指針である。そして、ＳＴＥＰ１で取得する移動計画には、少なくとも現在時刻から将来の所定期間における対象物Ｗの移動計画が含まれる。該所定期間は、例えば、移動ロボット１の所定の複数歩数分の期間（３歩分の期間など）である。ただし、該所定期間は、例えば現在時刻から所定時間が経過するまでの期間、あるいは、対象物Ｗを現在位置から移動計画に従って移動させたときの該対象物Ｗの移動距離が所定距離に達するまでの期間などであってもよい。

なお、ＳＴＥＰ１の処理は、制御装置４１の演算処理周期毎に行なう必要はなく、上記所定期間が経過する毎に行なうようにしてもよい。また、対象物Ｗの移動の出発地点から到着地点までの全行程にわたる対象物Ｗの移動計画を対象物Ｗの移動開始時もしくはその直前に取得したり、あるいは、対象物Ｗの全行程にわたる移動計画を制御装置４１の記憶装置にあらかじめ記憶保持してもよい。

次いで、制御装置４１は、ＳＴＥＰ１で取得した移動計画を基に、現在時刻から将来の対象物Ｗの目標位置軌道及び目標姿勢軌道を生成する（ＳＴＥＰ２）。ここで、対象物Ｗの目標位置軌道は、該対象物Ｗの代表点（対象物Ｗの空間的位置を代表する点）の目標位置の時系列である。該代表点は、本実施形態では、後述するように可変的に設定される。また、対象物Ｗの目標姿勢軌道は、対象物Ｗの目標姿勢の時系列を意味する。なお、「姿勢」は空間的な向きを意味する。

これらの目標位置軌道および目標姿勢軌道は、基本的には、対象物Ｗの移動計画に従うように生成される。ただし、本実施形態の移動ロボット１は二足移動ロボットであるので、移動計画通りに対象物Ｗを移動させようとすると、移動ロボット１の姿勢の安定性が損なわれる場合もある。このため、本実施形態では、ＳＴＥＰ２の処理において、制御装置４１は、移動計画通りに対象物Ｗの目標位置軌道および目標姿勢軌道を仮生成した後に、その仮生成した目標位置軌道および目標姿勢軌道に従って対象物Ｗを移動させたとした場合の移動ロボット１の将来の動作を予測演算する。そして、制御装置４１は、その予測演算した移動ロボット１の将来の動作が、移動ロボット１の姿勢の安定性を適切に保ち得る動作になるか否かを判断し、その判断結果が肯定的である場合には、仮生成した対象物Ｗの目標位置軌道および目標姿勢軌道をそれぞれ、そのまま、対象物Ｗの実際の目標位置軌道、目標姿勢軌道として得る。また、上記判断結果が否定的である場合には、仮生成した対象物Ｗの目標位置軌道および目標姿勢軌道のうちの一方または両者を修正し、その修正後の目標位置軌道および目標姿勢軌道をそれぞれ対象物Ｗの実際の目標位置軌道、目標姿勢軌道として得る。この場合、対象物Ｗの修正後の目標位置軌道および目標姿勢軌道が可能な限り、対象物Ｗの移動計画から乖離せず、且つ、その修正後の目標位置軌道および目標姿勢軌道に対応して予測される移動ロボット１の将来の動作が、該移動ロボット１の姿勢の安定性を適切に確保し得る動作となるように、目標位置軌道および目標姿勢軌道のうちの一方または両者の修正が行なわれる。

例えば、対象物Ｗの移動計画が、移動ロボット１の直進時の最大移動速度もしくはこれに近い移動速度で該対象物Ｗを移動させるような移動計画である場合において、対象物Ｗの移動計画に基づく目標位置軌道に規定される対象物Ｗの目標経路が、その途中に比較的急激に曲がるような区間を有する場合には、その区間で、該対象物Ｗおよび移動ロボット１をその最大移動速度もしくはこれに近い速度で移動させながら、移動ロボット１の姿勢の安定性を確保することが困難となる場合が多い。このような場合には、例えば当該区間並びに、その直前および直後の区間において、対象物Ｗの移動速度が、移動計画に基づく移動速度よりも小さい速度となるように、対象物Ｗの目標位置軌道が修正される。

このような対象物Ｗの目標位置軌道および目標姿勢軌道の生成は、例えば前記特許文献１に提案されている手法と同様の手法で行なうことができる。この場合、対象物Ｗの目標位置軌道および目標姿勢軌道は、移動ロボット１の両脚体５，５のうちの支持脚側の脚体５の足平１５の接地面上の点を原点として設定される支持脚座標系で記述される。ただし、対象物Ｗの目標位置軌道および目標姿勢軌道を記述する座標系は、上記支持脚座標系に限られるものではなく、例えば、対象物Ｗおよび移動ロボット１を移動させる床に対して固定的に設定された座標系（絶対座標系）であってもよい。

なお、本実施形態では、対象物Ｗの目標姿勢軌道の目標姿勢は、該対象物Ｗの長手方向（台車Ｗの前後方向）が、目標位置軌道における対象物Ｗの代表点の目標位置の単位時間当たりのの変化ベクトルとしての該代表点の移動速度ベクトルと同方向になるような姿勢とされる。換言すれば、対象物Ｗの目標姿勢は、対象物Ｗをヨー軸方向で見たときに、対象物Ｗの長手方向が、目標位置軌道により規定される対象物Ｗの代表点の空間的な目標経路の接線方向に向くような姿勢とされる。なお、ヨー軸方向は、鉛直方向または床面に垂直な方向を意味する。ただし、必ずしも対象物Ｗの長手方向と対象物Ｗの代表点の移動速度ベクトルの方向とを同方向にする必要はない。例えば、対象物Ｗの目標姿勢における該対象物Ｗの長手方向と対象物Ｗの代表点の移動速度ベクトルのとの間にヨー軸まわりに角度差を持たせるようにしてもよい。

また、対象物Ｗの目標位置軌道および目標姿勢軌道を決定するときに、目標位置軌道により規定される対象物Ｗの代表点の目標経路の周辺の障害物（設置物、壁など）と、対象物Ｗもしくは移動ロボット１との干渉の有無を考慮してもよい。

上記のように対象物Ｗの代表点の目標位置軌道と該対象物Ｗの目標姿勢軌道とを生成した後、制御装置４１は、次に、現在時刻から将来の所定期間における対象物Ｗのヨー軸まわりの目標姿勢の変化量を算出する（ＳＴＥＰ３）。該所定期間は、例えば移動ロボット１の所定の複数歩数分の期間（３歩分の期間など）である。ただし、該所定期間は、例えば現在時刻から所定時間が経過するまでの期間、あるいは、対象物Ｗを現在位置から目標位置軌道に従って移動させたときの該対象物Ｗの移動距離が所定距離に達するまでの期間などであってもよい。また、ＳＴＥＰ３で算出するヨー軸まわりの目標姿勢の変化量は、具体的には、現在時刻での対象物Ｗの目標姿勢により規定される該対象物Ｗの長手方向（前後方向）と、上記所定期間の終了時における対象物Ｗの目標姿勢より規定される該対象物Ｗの長手方向との間のヨー軸まわりの角度差である。

次いで、制御装置４１は、ＳＴＥＰ３で算出した目標姿勢の変化量に応じて、対象物Ｗの代表点の位置を可変的に設定する（ＳＴＥＰ４）。この場合、可変的に設定する代表点の位置は、ヨー軸方向で見たときの対象物Ｗの代表点の、該対象物Ｗに固定された対象物座標系での位置である。

例えば、図４を参照して、対象物（台車）Ｗに対して、ヨー軸方向をＺ軸方向（図４の紙面に垂直な方向）、対象物Ｗの長手方向（前後方向）をＸ軸方向、対象物Ｗの幅方向をＹ軸方向とする３軸直交座標系を対象物座標系として設定した場合を想定する。なお、図４は、ヨー軸方向で見たときの対象物Ｗの目標位置軌道により規定される目標経路が、同図の破線で示すような経路である場合における対象物Ｗおよび移動ロボット１の移動途中の瞬時的な動作状態（３種類の動作状態）を例示している。この図４では、対象物Ｗおよび移動ロボット１は模式的に図示している。

この場合、制御装置４１は、上記対象物座標系のＸＹ平面上での代表点の位置を、図４に示すようにあらかじめ設定された点Ｐ１と点Ｐ２とを結ぶ線分上で可変的に設定する。点Ｐ１は、対象物Ｗの後端寄り（台車Ｗの移動ロボット１側の一端寄り）の点である。図示例では、点Ｐ１は、対象物Ｗの前記バーＷｂの両側部（移動ロボット１のハンド２７，２７により把持させる部位）の間の中央点、すなわち、対象物Ｗの後端部の幅方向における中央点である。

また、点Ｐ２は、点Ｐ１と対象物Ｗの前端（他端）との間の点であって、点Ｐ１よりも移動ロボット１から対象物Ｗの前端側に遠ざかる点である。図示例では、点Ｐ２は、点Ｐ１から、対象物座標系のＸ軸方向で対象物Ｗの前端側に（移動ロボット１から遠ざかる方向に）所定距離だけ移動した点である。この場合、点Ｐ１，Ｐ２を結ぶ線分上の任意の点を中心にして、対象物Ｗおよび移動ロボット１の全体をヨー軸まわり（Ｚ軸まわり）に回転させた場合を想定すると、該対象物Ｗおよび移動ロボット１の全体の外郭の最大回転半径（対象物Ｗおよび移動ロボット１の全体のうち、当該回転中心から最も離れた部分の回転半径）は、当該回転中心が、点Ｐ２に近いほど、小さくなる。従って、点Ｐ２は、点Ｐ１，Ｐ２を結ぶ線分上の点のうち、その点を中心にして、対象物Ｗおよび移動ロボット１の全体をヨー軸まわり（Ｚ軸まわり）に回転させた場合に、該対象物Ｗおよび移動ロボット１の全体の外郭の最大回転半径が最も小さくなるような点である。本実施形態では、点Ｐ２は、上記線分上の点を含めたあらゆる点のなかで、当該最大回転半径が最小（最小に近い場合を含む）となるような点に設定されている。

そして、ＳＴＥＰ５の処理では、制御装置４１は、ＳＴＥＰ３で算出した対象物Ｗの目標姿勢の変化量が所定量以下である場合、すなわち、該変化量に係わる前記所定期間における目標位置軌道により規定される対象物Ｗの目標経路が直線もしくはそれに近い経路であって、該所定期間内での目標姿勢の変化量が微小である場合には、対象物Ｗの代表点の位置を前記点Ｐ１の位置に設定する。また、対象物Ｗの目標姿勢の変化量が、所定量を超える場合には、該変化量が大きいほど、対象物Ｗの代表点の位置を、前記点Ｐ２に近づけるように（移動ロボット１からＸ軸方向で遠ざけるように）、該目標姿勢の変化量に応じて対象物Ｗの代表点の位置を設定する。

ただし、制御装置４１は、対象物Ｗの代表点の位置を変化させる場合には、現在の代表点の位置から目標姿勢の変化量に応じた代表点の位置まで徐々に変化させるように該代表点の位置を設定する。

このように対象物Ｗの代表点の位置を可変的に設定することにより、例えば図４に示す区間Ｄ１、Ｄ５のように、目標位置軌道により規定される対象物Ｗの目標経路が直線もしくはほぼ直線となる区間（目標姿勢の変化量が所定量以下となる区間）では、対象物Ｗの代表点の位置が、点Ｐ１の位置に設定される。また、図４に示す区間Ｄ３のように、目標経路が比較的急激に曲がる区間（目標姿勢の変化量が所定量を超える区間）では、対象物Ｗの代表点の位置が、点Ｐ１よりも、対象物Ｗの前端側に移動ロボット１から遠ざかる位置（ただし、前記点Ｐ１とＰ２とを結ぶ線分上の位置）に設定される。さらに、図４に示す区間Ｄ１とＤ３との間の区間Ｄ２において、対象物Ｗの代表点の位置が、点Ｐ１の位置（区間Ｄ１での位置）から区間Ｄ３での位置に向かって徐々に変化するように設定される。同様に、図４に示す区間Ｄ３とＤ５との間の区間Ｄ４において、対象物Ｗの代表点の位置が、区間Ｄ３での位置から区間Ｄ５での位置（点Ｐ１の位置）に向かって徐々に変化するように設定される。

補足すると、以上説明したＳＴＥＰ４の処理によって、本発明における対象物代表点設定手段が構成される。また、前記点Ｐ１，Ｐ２はそれぞれ、本発明における第１の点、第２の点に相当する。また、図４における区間Ｄ１，Ｄ５は、本発明における第１の区間に相当し、区間Ｄ３は、本発明における第２の区間に相当する。

なお、図４では、対象物Ｗの目標経路がその途中で比較的大きく曲がる場合の例を示したが、目標経路の全体が直線もしくはそれに近い経路となる場合には、対象物Ｗの代表点の位置は、定常的に点Ｐ１の位置に設定される。また、対象物Ｗの目標経路がその途中に、対象物Ｗの代表点の目標位置がほぼ一定となり、且つ、目標姿勢が比較的大きく変化するような区間を有する場合、すなわち、対象物Ｗの位置をあまり動かさずに姿勢を変化させるような箇所を有する場合にはその箇所での対象物Ｗの代表点の位置は、点Ｐ２寄りの位置に設定される。

このように対象物Ｗの代表点の位置を設定した後、制御装置４１は、移動ロボット１の目標歩容を生成する（ＳＴＥＰ５）。この場合、ＳＴＥＰ４で設定した対象物Ｗの代表点の位置と、該対象物Ｗの姿勢とを、それぞれＳＴＥＰ２で生成した目標位置軌道、目標姿勢軌道に追従させ、且つ、移動ロボット１の姿勢の安定性が保たれるように、移動ロボット１の目標歩容が生成される。このような目標歩容は、前記特許文献１に提案されている手法と同様の手法で生成することができる。この場合、該目標歩容は、各脚体５の足平１５の目標位置姿勢軌道（足平１５の目標位置および目標姿勢の時系列）、上体３の目標位置姿勢軌道（上体３の目標位置および目標姿勢の時系列）、目標ＺＭＰ軌道（いわゆるＺＭＰの目標位置の時系列）、目標全床反力軌道（ロボット１に作用する全床反力の目標値の時系列）、各腕体７のハンド２７の目標位置姿勢軌道（ハンド２７の目標位置および目標姿勢の時系列）などから構成される。なお、ここでのＺＭＰは、移動ロボット１に作用する重力と、該移動ロボット１の運動によって発生する慣性力と、該移動ロボット１が対象物Ｗから受ける反力との合力のモーメントが、その鉛直軸まわり成分を除いて０となるような床面上の点を意味する。

次いで、制御装置４１は、このように生成した移動ロボット１の目標歩容に応じて、移動ロボット１の脚体５，５および腕体７，７の各関節アクチュエータ３５を制御する（ＳＴＥＰ６）。具体的には、目標歩容に応じて脚体５，５および腕体７，７の各関節の目標変位量を決定し、その目標変位量に応じて、各関節アクチュエータ３５の操作量を決定する。そして、その操作量に応じて各関節アクチュエータ３５を制御する。

以上説明したＳＴＥＰ１〜６の処理が所定の演算処理周期で逐次実行される。これにより、対象物Ｗの代表点の位置と、対象物Ｗの姿勢とをそれぞれ目標位置軌道、目標姿勢軌道に追従させるように、移動ロボット１の動作が制御され、該移動ロボット１による対象物Ｗの移動作業が行われる。

かかる本実施形態によれば、図４の区間Ｄ１，Ｄ５のように、対象物Ｗのヨー軸まわりの目標姿勢が一定もしくはほぼ一定に保たれる区間（所定期間あたりのヨー軸まわりの目標姿勢の変化量が所定量以下となる区間）では、対象物Ｗの代表点の位置が対象物Ｗの移動ロボット１側の一端寄り（後端寄り）の点Ｐ１の位置に設定される。このため、該代表点を通るヨー軸まわりにおける対象物Ｗの慣性モーメントが比較的大きなものとなる。ひいては、対象物Ｗの姿勢の安定性が高まる。また、対象物Ｗのヨー軸まわりの姿勢が目標姿勢に対してずれを生じた場合に、そのずれを解消するための、移動ロボット１の横方向（対象物Ｗの目標経路にほぼ直交する方向）への移動量が微小で済む。

このため、対象物Ｗの移動速度を高めつつ、対象物Ｗの姿勢を安定に目標姿勢軌道に追従させることができる。

また、図４の区間Ｄ３のように、対象物Ｗのヨー軸まわりの目標姿勢が比較的大きく変化する区間（所定期間あたりのヨー軸まわりの目標姿勢の変化量が所定量を超える区間）では、対象物Ｗの代表点の位置が、前記点Ｐ１から点Ｐ２側にずれた位置に設定される。このため、対象物Ｗの代表点を通るヨー軸まわりに対象物Ｗを回転させて、該対象物Ｗの姿勢を変化させる際に、対象物Ｗおよび移動ロボット１の全体の外郭の最大回転半径を小さくできる。ひいては、対象物Ｗおよび移動ロボット１の全体の移動領域の幅（対象物Ｗの目標経路に対して横方向の幅）を小さくすることができる。この結果、比較的狭い通路で、対象物Ｗを旋回させるような場合でも、該対象物Ｗや、移動ロボット１が対象物Ｗの目標経路の側方の障害物に衝突するのを回避することができる。さらに、対象物Ｗの代表点を通るヨー軸まわりの慣性モーメントを、該代表点が点Ｐ１の位置に設定される場合よりも小さくなるので、対象物Ｗの姿勢の変化を容易に行なうことができる。また、当該区間での対象物Ｗの代表点の位置は、対象物Ｗの目標姿勢の変化量が小さいほど、前記点Ｐ１に近い位置に設定されるので、目標姿勢の変化量がさほど大きくない区間では、対象物Ｗの姿勢が目標姿勢からずれた場合における移動ロボット１の横方向の移動量が比較的小さなもので済む。このため、対象物Ｗの移動速度の低下を必要最小限に留めることができる。

また、対象物Ｗの代表点の位置を変化させるときには、その変化を徐々に行なうので、移動ロボットの動作が急激に変化するのを抑制できる。

なお、本発明の実施形態は、以上説明した実施形態に限られるものではなく、種々の変形態様が可能である。以下にその変形態様の例をいくつか説明する。

移動ロボットは二足移動ロボット以外の形態の移動ロボットであってもよい。例えば、３つ以上の脚体を有する脚式移動ロボットや、複数の回転自在な球体を床に接地させて、該球体の回転によって移動するような移動ロボットについても本発明を適用できる。移動ロボットは、その進行方向をヨー軸まわりに変更し得るものであればよい。

また、移動ロボットは、３つ以上の腕体を有する移動ロボットや、１つの腕体だけを有する移動ロボットであってもよい。さらに、腕体は、その先端部だけが移動ロボットの基体に対して動き得るような腕体であってもよい。

また、対象物の一端寄りの部位に接触させる移動ロボットの腕体の先端部は、必ずしも、該部位を把持するように構成されている必要はない。例えば、腕体の先端部が、対象物の一端寄りの面部に単に接触するように構成されていたり、あるいは、対象物の一端寄りの部位に嵌合するように構成されていてもよい。

また、移動ロボットに移動させる対象物は、車輪を備えるものでなくてもよい。該対象物は、例えば、底面の平坦部分が床面に直接的に接触するような物体（例えば、単なる箱状の物体）であってもよい。さらに、対象物を床面に接触させずに、移動させるようにしてもよい。例えば、長尺な板などの物体の一端寄りの部位を移動ロボットの腕体により保持し、該物体の全体を床から持上げた状態で、該物体を移動させるような場合にも本発明を適用できる。本発明は、特に、移動ロボットの腕体の先端部を接触させる一端寄りの部位と、他端との間の長さが比較的長いものとなるような物体を移動させる場合に好適である。

また、３つ以上の脚体を有する移動ロボットや、複数の回転自在な球体を床に接地させて移動する移動ロボットのように、安定性の高い移動ロボットにより対象物を移動させる場合には、該対象物の移動を開始する前に、その移動の全行程における対象物の目標位置軌道および目標姿勢軌道を作成しておいてもよい。その作成は、移動ロボットの外部のサーバなどで行なうようにしてよい。さらに、このように、対象物の移動の全行程における対象物の目標位置軌道および目標姿勢軌道を対象物の移動開始前に作成する場合、対象物の移動開始前に、その移動の全行程における対象物の代表点の位置をあらかじめ設定しておいてもよい。

本発明の一実施形態の移動ロボットと対象物との外観斜視図。 実施形態の移動ロボットの動作制御に関するシステム構成を示すブロック図。 実施形態の移動ロボットに備えた制御装置の処理を示すフローチャート。 実施形態の作動を説明するための図。 図５（ａ），（ｂ）は従来の課題を説明するための図。

符号の説明

１…移動ロボット、７…腕体、２７…ハンド（腕体の先端部）、Ｗ…対象物、Ｗｂ…バー（対象物の所定の部位）、４１…制御装置、ＳＴＥＰ４…対象物対象点設定手段。

Claims (5)

1. 腕体の先端部を対象物の一端寄りの所定の部位に接触させた状態で、該対象物の代表点の位置と該対象物の姿勢とをそれぞれ目標位置軌道、目標姿勢軌道に追従させるように該対象物を移動させる作業を行う移動ロボットの制御装置であって、
   前記対象物をヨー軸方向で見たときの該対象物の代表点の、該対象物に対して固定された対象物座標系での位置を、少なくとも前記目標姿勢軌道におけるヨー軸まわりの目標姿勢の変化に応じて可変的に設定する対象物代表点設定手段を備えたことを特徴とする移動ロボットの制御装置。
2. 請求項１記載の移動ロボットの制御装置において、前記対象物代表点設定手段は、前記目標位置軌道により規定される前記対象物の代表点の空間的な目標経路のうち、前記目標姿勢軌道におけるヨー軸まわりの目標姿勢の変化量が所定量以下となる第１の区間では、該対象物の一端寄りの位置に該対象物の代表点を設定することを特徴とする移動ロボットの制御装置。
3. 請求項２記載の移動ロボットの制御装置において、前記対象物代表点設定手段は、前記目標経路のうち、前記目標姿勢軌道におけるヨー軸まわりの目標姿勢の変化量が所定量を超える第２の区間では、前記第１の区間で設定する前記対象物の代表点の位置と該対象物の他端との間で、前記第１の区間で設定する前記対象物の代表点の位置よりも前記移動ロボットから遠ざかる位置に該対象物の代表点の位置を設定することを特徴とする移動ロボットの制御装置。
4. 請求項３記載の移動ロボットの制御装置において、前記対象物代表点設定手段は、前記対象物の一端寄りの位置にあらかじめ設定された第１の点と、該第１の点と該対象物の他端との間で該第１の点よりも前記移動ロボットから遠ざかる位置にあらかじめ設定された第２の点とを結ぶ線分上で、前記対象物の代表点の位置を設定すると共に、前記第１の区間では、該対象物の代表点の位置を前記第１の点の位置に設定し、前記第２の区間では、該対象物の代表点の位置が前記ヨー軸まわりの目標姿勢の変化量が大きいほど、前記第２の点の位置に近くなるように、該目標姿勢の変化量に応じて該対象物の代表点の位置を設定する手段であり、前記第２の点は、前記線分上の点のうち、その点を中心として、前記移動ロボットおよび対象物の全体をヨー軸まわりに回転させた場合における該移動ロボットおよび対象物の外郭の最大回転半径が最小となる点であることを特徴とする移動ロボットの制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の移動ロボットの制御装置において、前記対象物代表点設定手段は、前記対象物の代表点の位置を変化させるとき、該代表点の位置を徐々に変化させることを特徴とする移動ロボットの制御装置。
   

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