JP7690938B2

JP7690938B2 - ロボット制御方法、ロボット制御システム、及びプログラム

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Publication number: JP7690938B2
Application number: JP2022160704A
Authority: JP
Inventors: 一哉山本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2022-10-05
Filing date: 2022-10-05
Publication date: 2025-06-11
Anticipated expiration: 2042-10-05
Also published as: JP2024054474A; US12594669B2; CN117840984A; US20240123613A1

Description

本開示は、ロボット制御方法、ロボット制御システム、及びプログラムに関する。

特許文献１には、被操作体の起立姿勢を維持する自律制御のみでは得られ難い臨機応変で安定した高速動作を被操作体にさせることを目的とした遠隔操作システムが記載されている。

特許文献１に記載の遠隔操作システムは、操作者の遠隔操作により所定の部位が動作可能となる機構を有する被操作体と、操作者の身体の動作状況を検出する動作検出装置と、操作者に刺激を提示するように動作する刺激提示装置と、被操作体及び刺激提示装置の動作制御を行う制御装置とを備える。ここで、被操作体は、人体の腕部、体幹部、及び脚部に対応する部位を含む人体模擬形状をなし、脚部に対応する部位には、起立状態で所定の接地面に接地する足部が設けられる。また、刺激提示装置は、足部の接地により足部が受ける反力となる接地圧の作用部位に対応する操作者の足裏の部位に、接地圧の大きさに応じた足裏力覚情報として圧力刺激を付与するように動作制御される。そして、被操作体は、圧力刺激の提示後に、動作検出装置の検出結果から、操作者の腕部や体幹部の動作に追従するように、これら腕部や体幹部に対応する部位が動作制御される。

特開２０２１－１６００６１号公報

このように、特許文献１に記載の技術では、操作者に圧力刺激を提示して操作者自身に転倒を回避させている。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、操作者が常に脚も含めた被操作体の全身姿勢を指示するためリアルタイムに腰位置の操縦と歩行が両立するように見えるものの、実際には操作者がフィードバックとして圧力刺激を受けながら歩行を行うことは困難であり、歩行安定性に欠ける。よって、二足歩行ロボットにおいて、歩行安定性を向上させることが望まれる。特に、二足歩行ロボットでは、歩行時から両足立脚時に移行した場合に転倒し易いため、この場合の歩行安定性を向上させるような制御が望まれる。

本開示は、このような問題を解決するためになされたもので、その目的は、操縦者の姿勢に合わせて二足歩行ロボットを制御するに際し、歩行時から両足立脚時に移行した場合における歩行安定性を向上させることが可能なロボット制御方法、ロボット制御システム、及びプログラムを提供することにある。

本開示の一態様に係るロボット制御方法は、操縦者の姿勢を示す操縦者姿勢情報を入力し、歩行モードと立脚モードとの間でモード切り替えが可能な二足歩行のロボットの動作制御を、前記操縦者姿勢情報に基づき実行し、前記動作制御は、前記歩行モードから前記立脚モードに切り替えられた場合に、前記操縦者の初期姿勢に対応した前記ロボットの初期姿勢を示す初期姿勢情報と現在の前記ロボットの足の位置を示す足位置情報とに基づいて、前記ロボットの基準姿勢を示す基準姿勢情報を算出し、前記操縦者姿勢情報と算出した前記基準姿勢情報とに基づいて、前記ロボットの姿勢を制御する立脚移行時制御を含む、ものである。

本開示の一態様に係るロボット制御システムは、操縦者の姿勢を示す操縦者姿勢情報を入力する入力部と、歩行モードと立脚モードとの間でモード切り替えが可能な二足歩行のロボットの動作制御を、前記操縦者姿勢情報に基づき実行する制御部と、備え、前記制御部は、前記歩行モードから前記立脚モードに切り替えられた場合に、前記操縦者の初期姿勢に対応した前記ロボットの初期姿勢を示す初期姿勢情報と現在の前記ロボットの足の位置を示す足位置情報とに基づいて、前記ロボットの基準姿勢を示す基準姿勢情報を算出し、前記操縦者姿勢情報と算出した前記基準姿勢情報とに基づいて、前記ロボットの姿勢を制御する、ものである。

本開示の一態様に係るプログラムは、コンピュータに、操縦者の姿勢を示す操縦者姿勢情報を入力し、歩行モードと立脚モードとの間でモード切り替えが可能な二足歩行のロボットの動作制御を、前記操縦者姿勢情報に基づき実行するロボット制御であって、前記動作制御は、前記歩行モードから前記立脚モードに切り替えられた場合に、前記操縦者の初期姿勢に対応した前記ロボットの初期姿勢を示す初期姿勢情報と現在の前記ロボットの足の位置を示す足位置情報とに基づいて、前記ロボットの基準姿勢を示す基準姿勢情報を算出し、前記操縦者姿勢情報と算出した前記基準姿勢情報とに基づいて、前記ロボットの姿勢を制御する立脚移行時制御を含む、ロボット制御を実行させるプログラムである。

上記のロボット制御方法、上記のロボット制御システム、上記のプログラムのいずれかによれば、操縦者の姿勢に合わせて二足歩行ロボットを制御するに際し、歩行時から両足立脚時に移行した場合における歩行安定性を向上させることができる。

本開示により、操縦者の姿勢に合わせて二足歩行ロボットを制御するに際し、歩行時から両足立脚時に移行した場合における歩行安定性を向上させることが可能なロボット制御方法、ロボット制御システム、及びプログラムを提供することができる。

実施の形態に係るロボット制御システムの一構成例を示すブロック図である。図１のロボット制御システムの外観を示す模式図である。図１のロボット制御システムにおけるロボット制御方法の一例を説明するためのフロー図である。図３に続くフロー図である。図３及び図４のロボット制御方法で用いることが可能な姿勢情報を説明するための模式図である。図３及び図４のロボット制御方法における補間処理の一例を説明するための模式図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施の形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。

（実施の形態）
図１は、本実施の形態に係るロボット制御システムの一構成例を示すブロック図で、図２は、図１のロボット制御システムの外観を示す模式図である。図１及び図２に示すように、本実施の形態に係るロボット制御システム１は、二足歩行ロボット（以下、単にロボットと称す）１０及び操縦装置２０を備えることができる。

ロボット１０は、二足歩行が可能で、且つ歩行モードと立脚モードとの間でモード切り替えが可能なロボットであり、操縦装置２０から操縦者Ｕの動作を再現するように操縦可能なロボットであればよい。ロボット１０は、例えば図２に示すように、脚の上に腰があり、腕や頭など人の身体に近い構成をもつ人型のロボットとすることができるがこれに限らず、例えば腕や頭は必ずしも全て具備しておく必要はない。立脚モードとは両足で立脚したモード、つまり両足立脚モードを指す。立脚モードと歩行モードとは、例えば、主に目標とする重心姿勢及び腰角度を互いに異ならせたモードとすることができる。

ロボット１０は、制御部１１、センサ群１２、入力部１３、及び駆動部１４を備えることができる。操縦装置２０は、ロボット１０の腰姿勢等の動作を操縦者Ｕが操縦（操作）するための装置であり、制御部２１、センサ群２２、及び出力部２３を備えることができる。

制御部１１は、ロボット１０の動作制御を行う部位であり、ロボット１０の全体を制御する部位とすることもできる。制御部１１は、例えば、集積回路（Integrated Circuit）によって実現されることができ、例えば、ＭＰＵ（Micro Processor Unit）やＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ、作業用メモリ、及び不揮発性の記憶装置などによって実現されることができる。この記憶装置にプロセッサによって実行される制御用のプログラムを格納しておき、プロセッサがそのプログラムを作業用メモリに読み出して実行することで、ロボット１０の機能を果たすことができる。

センサ群１２は、ロボット１０の各所における位置や角度等を検知し、制御部１１に渡す複数のセンサで構成され、各センサの種類などは問わず、センサ群１２によりロボット１０の姿勢が直接又は演算により検知できるものであればよい。センサ群１２に含まれるセンサは、図２では例示を省略するが、センサ群２２のセンサと一対一に対応する位置に配設されることができる。但し、センサ群１２に含まれるセンサは、一部のみ対応する位置に配設されることも、一つも対応する位置に配設されないこともでき、後述するような動作のための各種情報が演算により得ることができればよい。

入力部１３は、操縦装置２０からの操縦に関する情報を入力し、制御部１１に渡す。入力部１３で入力される情報は、操縦者Ｕの姿勢を示す操縦者姿勢情報を含む。操縦者姿勢情報は、操縦者Ｕの姿勢そのものを示す情報とすることができるが、操縦者Ｕの足や腰等の各所の変位を示す情報とすることもできる。制御部１１は、操縦者姿勢情報に基づき、センサ群１２で検知されたロボット１０の姿勢に関する情報も参照しながらロボット１０の動作制御を実行することができる。この動作制御にはロボット１０の姿勢の制御を含むことになる。なお、図２で示す制御部１１、入力部１３の位置は例示に過ぎない。

駆動部１４は、ロボット１０の各所に配設された可動部を駆動する部位であり、各所に設けられたモータ等を含むことができる。駆動部１４は制御部１１からの制御に従い、各所に配設された可動部を可動させて、ロボット１０の姿勢を変更することができる。制御部２１は、操縦装置２０の全体を制御する部位で、例えば制御部１１と同様の構成を採用できるが、制御用のプログラムは操縦装置２０の機能を果たすためのものとなる。

センサ群２２は、操縦者Ｕの各所における位置や角度等を検知し、制御部２１に渡す複数のセンサで構成され、各センサの種類などは問わず、センサ群２２により操縦者Ｕの姿勢が直接又は演算により検知でき、操縦者Ｕの動きがトラッキングできるものであればよい。センサ群２２の各センサが取り付けられる位置は、操縦者Ｕの腰、足平を含むことができるが、より多くの関節に配置させることもできる。例えば、操縦装置２０は、センサ群２２として、例えば、図２に示すように、操縦者Ｕが足平、膝、腰などの各所に装着したセンサ２２ａ～２２ｅを備えることができる。各センサが取り付けられる位置は、ロボット１０に動作を反映させたい範囲や精度により異なることになる。

また、詳細な説明は省略するが、センサ群２２又はセンサ群２２に含まれる一部のセンサは、操縦者Ｕが装着しないものとすることもでき、例えば、操縦者Ｕを動画像又は所定間隔の静止画像として撮像するカメラと撮像した画像データを解析してモーショントラッキングを行う解析装置とで構成することもできる。このように、操縦装置２０には、操縦者Ｕの各所の位置及び角度を取得できるモーションキャプチャ装置を含むことができる。モーションキャプチャ装置は、ここで例示するように操縦者Ｕがセンサ群２２を装着する方式に限らず、カメラ画像から推定する方式など、操縦者Ｕの動きが取得できる方式であればよい。操縦者Ｕの各所とは、操縦者Ｕの各関節を指すことができる。また、各関節の位置のみを取得し、逆運動学計算により角度を取得することもできる。

制御部２１は、センサ群２２で検知された操縦者Ｕの姿勢に関する情報から、ロボット１０側に送信する情報である操作者姿勢情報を生成するなどして得て、出力部２３に渡す。出力部２３は、制御部２１から受け取った操縦者姿勢情報をロボット１０へ出力、つまり入力部１３へ出力することで、歩行の指令を行う。なお、図２では、制御部２１、出力部２３を腰のセンサ２２ａを取り付けたベルトに設けた例を挙げているが、これらの配置は例示したものに限らない。

このように、操縦装置２０は、ロボット１０に操縦者姿勢情報が示す歩行指令を出力するためのコントローラとすることができ、例えば靴型のコントローラ、フットペダルや手で操作するコントローラなどであってもよい。歩行指令は、歩行の踏み出す足、踏み出し幅、向きなどの指令を含むことができる。

なお、入力部１３及び出力部２３はいずれも有線又は無線の通信部とすることができる。また、操縦装置２０は、制御部２１を省き、センサ群２２での検知結果をそのまま出力部２３がロボット１０に出力する構成とすることもできる。

本実施の形態に係るロボット制御システム１は、次のような特徴を備える。即ち、制御部１１は、歩行モードから立脚モードに切り替えられた場合に、ロボット１０の初期姿勢情報と現在のロボット１０の足位置情報とに基づいて、ロボット１０の基準姿勢を示す基準姿勢情報を算出する。上記のロボット１０の初期姿勢情報とは、操縦者Ｕの初期姿勢に対応したロボット１０の初期姿勢を示す情報である。上記の現在のロボット１０の足位置情報は、現在のロボット１０の足の位置を示す情報であり、センサ群１２で取得されることができるが、直前の制御値から得ることもできる。

そして、制御部１１は、算出した基準姿勢情報と入力された操縦者姿勢情報とに基づいて、ロボット１０の姿勢を制御する。無論、ここで用いられる操縦者姿勢情報は現在の情報、つまり最新の情報とすることができる。なお、ロボット１０や操縦者Ｕについての足や腰等の位置や角度等に関する情報は、ある基準からの相対的な位置や角度等を示す情報とすることができる。また、歩行モードから立脚モードに切り替えられた場合の制御は、立脚移行時制御と称することができる。

次に、ロボット制御システム１におけるロボット制御方法の一例について、図３～図６を参照しながら説明する。図３はロボット制御システム１におけるロボット制御方法の一例を説明するためのフロー図で、図４は図３に続くフロー図である。図５は図３及び図４のロボット制御方法で用いることが可能な姿勢情報を説明するための模式図で、図６はそのロボット制御方法における補間処理の一例を説明するための模式図である。

ロボット制御システム１では、まず、ロボット１０の初期姿勢を決定する（ステップＳ１）。この決定は、例えば次のように行うことができる。操縦開始時に、あるいは操縦開始前に、操縦装置２０が操縦者Ｕの腰の位置（Ｘ_ｄｗ，Ｙ_ｄｗ，Ｚ_ｄｗ）及び角度（Α_ｄｗ，Β_ｄｗ，Γ_ｄｗ）を計測する。このとき、後述のロボット１０の初期姿勢の設定のために、操縦者Ｕがリラックスして腰の位置に縛られずに余裕をもって足を動かせるように、膝を曲げた状態で腰の位置（Ｘ_ｄｗ，Ｙ_ｄｗ，Ｚ_ｄｗ）及び角度（Α_ｄｗ，Β_ｄｗ，Γ_ｄｗ）を計測しておくとよい。操縦装置２０は、計測した結果を、初期姿勢を示す操縦者初期姿勢情報として、ロボット１０に出力する。

ロボット１０では、この操縦者初期姿勢情報を入力し、この操縦者初期姿勢情報に対応するロボット１０の初期姿勢を示す初期姿勢情報を設定する。設定される初期姿勢情報は、図５のＩＮＩで例示されるように、初期足平位置（左足平ＳＬの位置（ｘ_ｄｌ，ｙ_ｄｌ，ｚ_ｄｌ），右足平ＳＲの位置（ｘ_ｄｒ，ｙ_ｄｒ，ｚ_ｄｒ））及び初期の重心Ｇの高さｚ_ｄｗとすることができる。ステップＳ１では、このようにしてロボット１０の初期姿勢を動作制御の前に予め決めておくことができる。なお、操縦者初期姿勢情報に含まれる情報（パラメータ）と、その操縦者姿勢情報に対応するロボット１０の初期姿勢情報に含まれる情報（パラメータ）とは、それぞれ腰の姿勢を示す情報と、重心の位置及び向きを示す情報とであり、同じ位置の情報ではないが、腰と重心との関係は既知であるため両者は互いに対応している情報であると言える。

初期姿勢情報について図５のＩＮＩを参照しながら説明する。まず、右足平ＳＲの基準位置と左足平ＳＬの基準位置を予め決め、ゼロモーメントポイント（ｚｍｐ）の基準位置のｘｙ座標をそのｘｙ平面上の中間点に来るものと定義する。初期姿勢での重心Ｇの高さＺ_ｄｗは、右足平ＳＲから重心Ｇまでの距離ｌ_ｆや左足平ＳＬから重心Ｇまでの距離（所置姿勢では左右対称とするため距離ｌ_ｆ）が本来の脚の長さより短めになるように設定される。右足平ＳＲで例示すると、ロボット１０の脚そのものの長さは脚を伸ばした場合の右足平ＳＲから腰までの距離として定義されることができ、本来の脚の長さより短めとは、この距離より右足平ＳＲから腰までの距離が短めであること、つまり脚における膝又は膝に相当する部位を少し曲げた状態であることを指す。左足平ＳＬについても同様である。

このようにして初期姿勢情報を設定することができる。上述のように、ロボット１０が膝や膝に相当する部位を曲げた状態で重心Ｇの高さＺ_ｄｗが設定されるため、ロボット１０に外力が働いても腰の動きでならい制御を行うことができるような余裕のある姿勢を、初期姿勢とすることができる。

ステップＳ１に次いで、制御部１１はモードの切り替え判定を行う。切り替え判定はいくつかの例が考えられるが、一例としては、モードの切り替えを自動で行う場合、その切り替えがなされたか否かで判定することができる。また、立脚モードの場合に操縦者Ｕが新たに歩行を指示することで、歩行モードへ移行させることもでき、この場合、歩行の指示を受け付けたことで立脚モードから歩行モードへ切り替わったことを判定することができる。また、歩行モードの場合に歩行終了後一定時間次の歩行指示がないといった条件を満たした場合、立脚モードに移行させることができ、この場合には上記条件を満たした場合に歩行モードから立脚モードへ切り替わったことを判定することができる。これ以外にも、操縦装置２０に設けた手動スイッチ等の操作に基づき、歩行モード、立脚モードの切り替えを行うようにしてもよい。

このように、モード切り替えは、操縦者姿勢情報が示す歩行又は立脚の指示及び操縦者Ｕによる切り替え操作に基づく指示の少なくとも一方である切り替え指示に従い実行されることができる。そして、歩行モードから立脚モードへの切り替えは、歩行モード時において、歩行終了後、所定期間、歩行を示す切り替え指示がなかった場合にも実行されることができる。立脚モードから歩行モードへの切り替えは、立脚モード時において、操縦者姿勢情報が示す立脚の指示及び操縦者Ｕによる切り替え操作の少なくとも一方に基づき実行されることができる。

図３及び図４の例では、ステップＳ１に次いで、制御部１１がまずモード判別を行い（ステップＳ２）、判別結果が立脚モードである場合（ステップ３でＹＥＳの場合）、前回からモードが変化したか否かを判定する（ステップＳ４）。一方で判定結果が歩行モードである場合（ステップＳ３でＮＯの場合）にも、前回からモードが変化したか否かを判定する（ステップＳ１０）。前回からモードが変化したか否かは、前回のモード判別の結果を記憶しておき、それを参照することで判定することができる。

歩行モードであり且つ前回からモード変化した場合（ステップＳ１０でＹＥＳの場合）、指示された歩行を安定して達成するための目標値である重心位置及び腰角度の指令値を歩行計算器側でリアルタイムに生成し（ステップＳ１１）、ロボット１０の現在姿勢と目標値とを補間する指令値を生成する（ステップＳ１２）。歩行モードであり且つ前回からモード変化しなかった場合（ステップＳ１０でＮＯの場合）、指示された歩行を安定して達成するための目標値である重心位置及び腰角度の指令値を歩行計算器側でリアルタイムに生成する（ステップＳ１３）。ステップＳ１１，Ｓ１３の処理は既存の技術を用いることができる。ステップＳ１２の処理はステップＳ７について後述する処理と同様である。

立脚モードであり且つ前回からモード変化した場合（ステップＳ４でＹＥＳの場合）、制御部１１がロボット１０の基準姿勢を計算する（ステップＳ５）。なお、ステップＳ４の判定からも分かるように、ステップＳ５の処理は立脚モードへの移行後初回のみ実行されることになる。ステップＳ５において、基準姿勢は、ロボットの基準ｚｍｐ（ｘ_ｎｚ，ｙ_ｎｚ，ｚ_ｎｚ）、重心高さｚ_ｎｗを含む重心位置（ｘ _ｎｗ，ｙ _ｎｗ，ｚ _ｎｗ）及び腰角度（α _ｎｗ，β _ｎｗ，γ_ｎｗ）を、現在足平姿勢（左足平位置（ｘ_ｎｌ，ｙ_ｎｌ，ｚ_ｎｌ）、左足ヨー角度θ_ｎｌ、右足平位置（ｘ_ｎｒ，ｙ_ｎｒ，ｚ_ｎｒ）、右足ヨー角度θ_ｎｒ）から計算することで決定されることができる。基準姿勢のこれらの値は下記の式（１）～（５）で求められる。なお、α _ｎｗ，β _ｎｗはいずれも０としておくことができ、また、図５から分かるように重心位置ｘ _ｎｗ，ｙ _ｎｗ，はそれぞれｘ _ｎｚ，ｙ _ｎｚの値をそのまま利用できる。

図５のＲＥＦを参照して、上記式（１）～（５）で表される基準位置の設定について説明する。目標ｚｍｐのｘｙ座標は両足のｘｙ座標の中間点に、重心Ｇの高さ（ｚ座標）はｌ_ｆが変化しない高さにそれぞれ設定され、腰Ｗの角度は両足向きの中間に変化する。例えば、左足平ＳＬを図５の右下方向に踏み出した場合には、図５のＲＥＦで例示するように、目標ｚｍｐのｘｙ座標が足が開くのに合わせて図５の右下方向へ移動する。重心Ｇのｘｙ座標は目標ｚｍｐと全身姿勢から計算され、重心Ｇのｚ座標は足幅が開いた分腰を落として脚を曲げた姿勢を維持する値となり、腰Ｗの角度は両足の向きが開いたため、その中間方向を向くように設定されることになる。

次いで、制御部１１は、ステップＳ５で算出された基準姿勢の値に、現在の操縦者Ｕの腰姿勢（位置（Ｘ _ｎｗ，Ｙ _ｎｗ，Ｚ _ｎｗ）、角度（Α_ｎｗ，Β_ｎｗ，Γ_ｎｗ））のそれらの基準値からの変位に操縦者Ｕとロボット１０との体格差を考慮した変換定数Ｄをかけ合わせた値を印加（加算）して、指令値を生成する（ステップＳ６）。上記の基準値とはステップＳ１で説明した操縦者Ｕの初期の腰姿勢を指す。立脚モードで且つ前回からモード変化がなかった場合（ステップＳ４でＮＯの場合）にも、ステップＳ６と同様の処理がなされる（ステップＳ９）。ステップＳ９では、基準姿勢の値として立脚モードへ移行した際に算出された値を記憶しておけば参照して得ることができる。このように、立脚モードでのロボット１０の目標ｚｍｐの位置（ｘ_ｚ，ｙ_ｚ，０）、重心Ｇの高さｚ及び腰角度（α，β，γ）は以下の式で算出されることができる。
ｘ_ｚ＝ｘ_ｎｗ＋Ｄ（Ｘ_ｎｗ－Ｘ_ｄｗ）、α＝α_ｎｗ＋Ｄ（Α_ｎｗ－Α_ｄｗ）、
ｙ_ｚ＝ｙ_ｎｗ＋Ｄ（Ｙ_ｎｗ－Ｙ_ｄｗ）、β＝β_ｎｗ＋Ｄ（Β_ｎｗ－Β_ｄｗ）、
ｚ＝ｚ_ｎｗ＋Ｄ（Ｚ_ｎｗ－Ｚ_ｄｗ）、γ＝γ_ｎｗ＋Ｄ（Γ_ｎｗ－Γ_ｄｗ）

そして、この目標ｚｍｐの位置を元に、上半身姿勢及び重心Ｇの高さｚを拘束条件として、重心Ｇの位置のｘ，ｙ座標を求めることができる。また、この重心Ｇの位置（ｘ，ｙ，ｚ）を含む情報から自動的に腰位置を決定することができる。

また、立脚モードへの移行の直後は、前回モードでのロボット１０の目標ｚｍｐ及び腰姿勢とロボット１０の前回値には差異があるため、この間を一気に変位させると転倒してしまう可能性がある。したがって、ステップＳ６の処理後、現在姿勢と目標姿勢間は、予め定めた任意の遷移時間について補間値を生成し、緩やかに指令値を遷移させるようにする（ステップＳ７）。歩行モードへの移行の直後においても、同様の理由から転倒の可能性があるため、同様に補間する指令値を生成し、緩やかに指令値を遷移させるようにする（ステップＳ１２）。

モード切り替え時の遷移時期を含む姿勢を制御する指令値の生成に関して、図６を参照しながら説明する。なお、図６では、立脚モードで動作される両足立脚期、歩行モードで動作される歩行期（１歩分）、及び立脚モードで動作される両足立脚期でなる区間を抽出して図示している。また、図６では、操縦者Ｕの腰の姿勢Ｙ_ｎｗを上段の破線で示し、歩行計算により生成されるロボット１０の目標ｚｍｐのｙ_ｎｚを中段の実線で示し、制御に使用されるロボット１０の目標ｚｍｐのｙ_ｚを下段で示している。なお、図６では、ｚｍｐのｙ方向のみを示しているが、ｚｍｐのｘ方向及び腰姿勢α，β，γにおいても同様である。

図６の下段で示すように、両足立脚期では操縦者Ｕの腰の姿勢をロボット１１のサイズにスケーリングして反映した姿勢になるように制御され、続く歩行期では歩行計算で生成された目標ｚｍｐが示す安定な腰姿勢の軌道になるように制御され、続く両足立脚期では最初の両足立脚期と同様に制御される。但し、モード切り替え直後には目標ｚｍｐが安定な姿勢を保てないため、図６の点５１，５２間及び点５３，５４間では、一点鎖線で示すような補間された指令値を用いて制御がなされる。このような補間のため、立脚モードへの遷移の場合は、遷移中も常に目標姿勢として最新の操縦者Ｕの腰姿勢を取得し、更新し続ける。これにより、安定且つ見た目で違和感のない状態遷移を達成することができる。

ステップＳ７，Ｓ９，Ｓ１２，Ｓ１３の処理後はいずれも、制御部１１が指令値をロボット１１に反映することで、その指令値を達成するように全身の姿勢を制御し（ステップＳ８）、処理を終了する。ステップＳ８において、上半身の姿勢は、固定しておくか、あるいは、モーショントラッカーなどで取得した操縦者Ｕの各関節角度に基づき制御を行うこともできる。

このように、本実施の形態では、歩行モードから立脚モードに切り替えられた場合（ステップＳ４でＹＥＳの場合）に、操縦者Ｕの初期姿勢に対応したロボット１０の初期姿勢を示す初期姿勢情報と現在のロボット１０の足（足平等）の位置を示す足位置情報とに基づいて、ロボット１０の基準姿勢を示す基準姿勢情報を算出する（ステップＳ５）。そして、本実施の形態では、操縦者姿勢情報と基準姿勢情報とに基づいて、ロボット１０の姿勢を制御する（ステップＳ６～Ｓ８）。無論、ここで用いられる操縦者姿勢情報は現在の情報、つまり最新の情報とすることができる。また、上述のように、操縦者姿勢情報は操縦者Ｕの腰の位置及び角度を含むことができ、この場合、ロボット１０の姿勢を制御する際には、操縦者姿勢情報が示す操縦者Ｕの現在の腰の姿勢（位置及び角度）に基づく制御がなされることになる。また、上述のように、ロボット１０の姿勢情報（基準姿勢情報、立脚移行時制御でのロボット１０の姿勢を示す情報などの、姿勢を示す情報）は、ロボット１０のｚｍｐの位置、重心Ｇの高さ、及び腰の角度を含むことができる。

以上に説明したように、本実施の形態によれば、操縦者Ｕの姿勢に合わせて二足歩行のロボット１０を制御するに際し、歩行モードから立脚モードへの切り替えをシームレスに行うことができ、歩行により両足姿勢が変化しても転倒の危険なく操縦者Ｕの腰姿勢を反映させることができる。よって、本実施の形態によれば、歩行時から両足立脚時に移行した場合における歩行安定性を向上させることができる。

このような効果について補足する。本実施の形態に限らず、２足歩行のロボットを操縦する方法として、操縦者がモーショントラッカーなどを装着し、全身の動きを反映する方法が挙げられる。この際、脚の動きに関しては、フットペダルや靴型のセンサにより歩行指示を行い、ロボットはその指令値を用いて脚動作、及び転倒せずに歩行を達成する腰姿勢を計算して追従する方法が一般的である。一方で、両足立脚時には、操縦者の腰姿勢を反映することにより、人の動きに近い表現力の高い動作を行う手法も考えられる。以上を両立するためには、歩行時の安定性の高い腰姿勢及び両足立脚時の表現力の高い腰姿勢を、リアルタイムに切り替える必要がある。本実施の形態では、歩行モードと立脚モードをシームレスに切り替えるとともに、特に立脚移行時において、歩行により両足姿勢が変化しても転倒の危険なく操縦者Ｕの腰姿勢を反映することができる。例えば、足幅が開いた場合、開く前の腰高さを基準姿勢にしてしまうと、足が伸びきってしまい腰の前後左右の動きが反映できないことがあるが、本実施の形態では、このような問題を解決することができ、モードの切り替えをダイナミックかつ安全に行うことができる。

また、本実施の形態における制御部１１は、ロボット１０について予め定められた最大値を超える目標ｚｍｐ変位値を、ロボット１０の制御に反映させないようにすることもできる。これにより、操縦者Ｕの腰位置の動きがロボット１１の安定範囲を超えることを防ぐことができる。また、このような処理を実行するか否かを決めるモードを設けておき、操縦者Ｕに選択されたモードに従いこのような処理を実行するか否かを決定してもよい。

また、上述のステップＳ７では、モード変化時の腰姿勢変位について遷移時間を設定した例を挙げたが、代替例として、速度基準で遷移を実行してもよい。この場合、目標速度、目標加速度を設定しておき、その値を満たしながら遷移先の指令値へと移行する。これにより現在腰姿勢と目標腰姿勢が近い場合は、より短時間で遷移することができる。

また、本実施の形態における制御部１１は、操縦者姿勢情報が、初期姿勢と所定値以上の乖離があることを示している場合、操縦者姿勢情報をロボット１０の制御に反映させないようにすることもできる。あるいは、制御部２１が出力部２３からこのような条件を満たす操縦者姿勢情報をロボット１０に出力しないようにすることもできる。

例えば、センサ群２２の計測エラーなどにより、腰姿勢の入力に異常値が入る場合がある。これを指令として採用してしまうとロボット１０が転倒する可能性が高いため、一定以上の初期姿勢との乖離がある（既定範囲外の）指令値が入力された場合にそれを検出し、値が一定範囲内に復帰するまで待つようにする。また、このような処理を実行するか否かを決めるモードを設けておき、操縦者Ｕに選択されたモードに従いこのような処理を実行するか否かを決定してもよい。選択対象のモードには、次の固定モードと遷移モードとを含むことができる。固定モードでは、既定範囲外の値が入力された場合、ロボット１０がそれを検出し、その指令値を破棄し、既定範囲外になる直前の指令値に固定する。遷移モードでは、規定範囲内に復活した場合それを検出し、その指令値から目標姿勢を算出し、現在姿勢と目標姿勢間で任意時間での補間値を作り、緩やかに遷移させる。これにより、復帰後の指令値が既定範囲外になる直前の指令値から乖離していた場合でも安定且つ見た目に違和感なく復帰させることができる。

また、ロボット１０側の制御部１１で、ロボット１０の姿勢を制御する制御値（指令値）の算出が行われることを前提として説明したが、これに限ったものではない。例えば、操縦者Ｕが装着する操縦装置２０が上記制御値を算出してもよいし、別途、中継用の操縦装置を設け、その操縦装置が上記制御値を算出してもよい。つまり、制御部１１の特徴として説明した制御のうちの基準姿勢情報の算出、あるいは全部の制御は、操縦装置２０側の制御部２１により出力部２３及び入力部１３を介して実行されることや、中継用の操縦装置で実行されることもできる。

また、上述したロボット１０、操縦装置２０はいずれも、例えば、プロセッサ、メモリ、及び通信インターフェース等を備えるようなハードウェア構成とすることができる。これらの装置は、プロセッサがメモリに記憶されたプログラムを読み込んで実行することにより実現される。このようなプログラムは、コンピュータに読み込まれた場合に、実施形態で説明された１又はそれ以上の機能をコンピュータに行わせるための命令群（又はソフトウェアコード）を含む。プログラムは、非一時的なコンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体に格納されてもよい。限定ではなく例として、コンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体は、random-access memory（RAM）、read-only memory（ROM）、フラッシュメモリ、solid-state drive（SSD）又はその他のメモリ技術、CD-ROM、digital versatile disc（DVD）、Blu-ray（登録商標）ディスク又はその他の光ディスクストレージ、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスクストレージ又はその他の磁気ストレージデバイスを含む。プログラムは、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体上で送信されてもよい。限定ではなく例として、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体は、電気的、光学的、音響的、またはその他の形式の伝搬信号を含む。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、ロボット制御システムは、図１の構成に限ったものではなく、機能を適宜分散又は集約したようなシステムとして構築することができる。また、二足歩行のロボット１０や、操縦装置２０のセンサ群などは、図２で例示したような外観に限ったものではない。例えば、二足歩行ロボットは、頭部又は上半身がなく下半身だけで構成されるロボットであってもよい。

Ｕ…操縦者、１…ロボット制御システム、１０…二足歩行ロボット（ロボット）、１１…制御部、１２…センサ群、１３…入力部、１４…駆動部、２０…操縦装置、２１…制御部、２２…センサ群、２３…出力部。

Claims

操縦者の姿勢を示す操縦者姿勢情報を入力し、
遊脚期に対応する歩行モードと立脚期に対応する立脚モードとの間でモード切り替えが可能な二足歩行のロボットの動作制御を、現在の前記操縦者姿勢情報に基づき実行し、
前記動作制御は、前記歩行モードから前記立脚モードに切り替えられた場合に、前記操縦者の操縦開始時の初期姿勢に対応した前記ロボットの初期姿勢を示す初期姿勢情報と現在の前記ロボットの足の位置を示す足位置情報とに基づいて、前記ロボットの現在の基準姿勢を示す基準姿勢情報を算出し、現在の前記操縦者姿勢情報と算出した前記基準姿勢情報とに基づいて、前記ロボットの姿勢を制御する立脚移行時制御を含み、
前記操縦者姿勢情報は、前記操縦者の腰の位置及び角度を含み、
前記基準姿勢情報、及び、前記立脚移行時制御での前記ロボットの姿勢を示す情報は、前記ロボットのゼロモーメントポイントの位置、重心の高さ、及び腰の角度を含む、
ロボット制御方法。
操縦者の姿勢を示す操縦者姿勢情報を入力する入力部と、
遊脚期に対応する歩行モードと立脚期に対応する立脚モードとの間でモード切り替えが可能な二足歩行のロボットの動作制御を、現在の前記操縦者姿勢情報に基づき実行する制御部と、
備え、
前記制御部は、前記歩行モードから前記立脚モードに切り替えられた場合に、前記操縦者の操縦開始時の初期姿勢に対応した前記ロボットの初期姿勢を示す初期姿勢情報と現在の前記ロボットの足の位置を示す足位置情報とに基づいて、前記ロボットの現在の基準姿勢を示す基準姿勢情報を算出し、現在の前記操縦者姿勢情報と算出した前記基準姿勢情報とに基づいて、前記ロボットの姿勢を制御する立脚移行時制御を実行し、
前記操縦者姿勢情報は、前記操縦者の腰の位置及び角度を含み、
前記基準姿勢情報、及び、前記立脚移行時制御での前記ロボットの姿勢を示す情報は、前記ロボットのゼロモーメントポイントの位置、重心の高さ、及び腰の角度を含む、
ロボット制御システム。
コンピュータに、
操縦者の姿勢を示す操縦者姿勢情報を入力し、
遊脚期に対応する歩行モードと立脚期に対応する立脚モードとの間でモード切り替えが可能な二足歩行のロボットの動作制御を、現在の前記操縦者姿勢情報に基づき実行するロボット制御であって、
前記動作制御は、前記歩行モードから前記立脚モードに切り替えられた場合に、前記操縦者の操縦開始時の初期姿勢に対応した前記ロボットの初期姿勢を示す初期姿勢情報と現在の前記ロボットの足の位置を示す足位置情報とに基づいて、前記ロボットの現在の基準姿勢を示す基準姿勢情報を算出し、現在の前記操縦者姿勢情報と算出した前記基準姿勢情報とに基づいて、前記ロボットの姿勢を制御する立脚移行時制御を含む、
ロボット制御を実行させるプログラムであって、
前記操縦者姿勢情報は、前記操縦者の腰の位置及び角度を含み、
前記基準姿勢情報、及び、前記立脚移行時制御での前記ロボットの姿勢を示す情報は、前記ロボットのゼロモーメントポイントの位置、重心の高さ、及び腰の角度を含む、
プログラム。