(57)【要約】【課題】歩行ロボットの関節に発生させる補助トルクの最大値を歩行中の任意の時点で変化させること。【解決手段】バネスイッチのシリンダ５１内をスライドするスライド部５２にバネの一端を連結し、シリンダ５１内表面に窪み６１を設けるとともにシリンダ５１の中心軸６８に垂直な断面でのスライド部５２の断面積を変えることによって、バネをバネスイッチでロックする。スライド部５２は、Ｓ極部６２と、Ｎ極部６３と、コイル６４とを有し、コイル６４が発生する磁界によりＳ極部６２とＮ極部６３をくっ付けたり離したりすることによってシリンダ５１の中心軸６８に垂直な断面でのスライド部５２の断面積を変える。【選択図】        図５
2010076011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットの関節に発生する補助トルクの最大値をロボットの動作中の任意の時点で変更可能な可変トルク発生手段を備えたことを特徴とする補助トルク発生装置。
【請求項２】
前記可変トルク発生手段は、
関節に連結された第１の部位に連結するシリンダと、
関節に連結された第２の部位にバネ機構を介して連結し、前記シリンダ内をスライドするスライド部とを備え、
前記スライド部を前記シリンダ内の任意の位置でロックすることにより、補助トルクの最大値を変更することを特徴とする請求項１に記載の補助トルク発生装置。
【請求項３】
前記シリンダの内面には窪みが形成され、
前記スライド部は、前記シリンダの軸に垂直な断面の面積を拡大することによって前記窪みで支持されることにより、シリンダにロックされることを特徴とする請求項２に記載の補助トルク発生装置。
【請求項４】
前記シリンダとスライド部の対を複数備え、ロックするスライド部の個数を変更することにより補助トルクの最大値を変更することを特徴とする請求項２または３に記載の補助トルク発生装置。
【請求項５】
前記可変トルク発生手段は、関節を動かすモータの回転軸に一端が取り付けられたバネ機構の他端をロックすることにより補助トルクの最大値を変更することを特徴とする請求項１に記載の補助トルク発生装置。
【請求項６】
動作中のロボットの関節に作用するトルクの大きさを検出するトルク変化検出ステップと、
前記トルク変化検出ステップにより検出されたトルクの大きさが所定の閾値以上である場合に、前記ロボットの関節に発生する補助トルクの最大値を検出トルクの大きさに基づいて変化させる発生トルク変化ステップと
を含んだことを特徴とする補助トルク制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、歩行ロボットの関節に補助トルクを発生する技術に関し、特に、関節に作用するトルクの変化に対応して発生トルクの最大値を変化させることができる補助トルク発生装置および補助トルク制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
歩行ロボットでは、歩行中に膝などの関節に大きなトルクが作用するため、関節を動かすためのモータに対して、作用するトルクに抗する大きなトルクを発生させる必要がある。しかし、モータだけで大きなトルクを発生しようとするとモータが大きくなるため、モータトルクを補助する補助トルクを発生する補助トルク発生機構が設けられている。
【０００３】
図１０は、補助トルク発生機構を説明するための説明図である。図１０（ａ）は空気バネを用いた補助トルク発生機構を示し、図１０（ｂ）は固体バネを用いた補助トルク発生機構を示す。図１０（ａ）に示す補助トルク発生機構では、シリンダ１１内をスライドするピストン１２によってシリンダ１１内の空気１３を圧縮することにより、関節１０に作用するトルクに抗するトルクを発生する。図１０（ｂ）に示す補助トルク発生機構では、固体バネ２１を伸縮することにより、関節２０に作用するトルクに抗するトルクを発生する。このような補助トルク発生機構は、図１１に示す２脚歩行ロボットの膝関節、股関節などに設けられている。
【０００４】
しかし、膝関節に補助トルク発生機構を設けると、ロボットの歩行中に、発生させるべきトルクと逆向きのトルクを発生する場合がある。そこで、発生させるべきトルクと逆向きのトルクを発生する場合には、補助トルク発生機構を機能させないようにする技術が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１０３４８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、歩行中のロボットに荷物を手渡すような場合、手渡された荷物により膝関節に作用するトルクが変わり、補助トルク発生機構が発生する最大トルクを変化させる必要があるという課題がある。
【０００７】
この発明は、上述した従来技術による課題を解決するためになされたものであり、関節に作用するトルクの変化に対応して発生トルクの最大値を変化させることができる補助トルク発生装置および補助トルク制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明の一つの態様では、補助トルク発生が、ロボットの関節に発生する補助トルクの最大値をロボットの動作中の任意の時点で変更可能な可変トルク発生手段を備える。
【０００９】
また、本発明の他の態様では、補助トルク制御方法が、動作中のロボットの関節に作用するトルクの大きさを検出するトルク変化検出ステップと、前記トルク変化検出ステップにより検出されたトルクの大きさが所定の閾値以上である場合に、前記ロボットの関節に発生する補助トルクの最大値を検出トルクの大きさに基づいて変化させる発生トルク変化ステップとを含む。
【００１０】
これらの態様によれば、ロボットの関節に発生する補助トルクの最大値をロボットの動作中の任意の時点で変更することができる。
【００１１】
なお、本発明の構成要素、表現または構成要素の任意の組合せを、方法、装置、システム、コンピュータプログラム、記録媒体、データ構造などに適用したものも上述した課題を解決するために有効である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の一つの態様によれば、荷物を受け取ったときなどの負荷の変化にロボットを対応させることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る補助トルク発生装置および補助トルク制御方法の好適な実施例を詳細に説明する。なお、本実施例では、本発明を２脚歩行ロボットの膝関節に適用した場合を中心に説明する。
【実施例】
【００１４】
まず、本実施例に係るロボットについて説明する。図１は、本実施例に係るロボットの模式図である。図１に示すように、本実施例に係るロボット３０は、胴体部３１と脚部３２とを有する。なお、図１では、１本の脚部３２だけが示されているが、ロボット３０は２本の脚部を有する２脚歩行ロボットである。
【００１５】
脚部３２は、大腿部３３と、下腿部３４と、膝関節３５と、足裏３６とを有する。また、膝関節３５に作用するトルクに抗するトルクを発生する補助トルク発生機構３７を有し、図示しない股関節、足首関節に作用するトルクに抗するトルクをそれぞれ発生する補助トルク発生機構３８および３９を有する。
【００１６】
補助トルク発生機構３７は、複数のバネ４３と、バネスイッチ４０と、連結部４１とを有し、各バネ４３の一端はバネスイッチ４０によって下腿部３４に固定され、各バネ４３の他端は連結部４１によって大腿部３３に固定される。足裏３６には力センサ４２が取り付けられており、歩行面から脚に作用する力、すなわちロボット３０にかかる負荷を検出する。
【００１７】
胴体部３１は、ロボット３０の歩行を制御する制御部１００を備える。制御部１００は、力センサ４２を用いてロボット３０に加えられる負荷を検出し、負荷に基づいてバネスイッチ４０を制御することによって負荷変化に対応するトルクを補助トルク発生機構３７に発生させる。
【００１８】
次に、バネスイッチ４０の詳細について説明する。図２は、バネスイッチ４０の機能を説明するための説明図である。バネスイッチ４０は、バネ４３の一端のロックと解放を行う。バネ４３が解放された状態では、バネ４３の一端は伸縮方向に自由に移動することができ、バネ４３は補助トルクを発生しない。一方、バネ４３がバネスイッチ４０によりロックされると、バネ４３は膝関節３５に作用するトルクに抗するトルクを発生する。
【００１９】
図３は、バネスイッチ４０の構造を示す図である。図３に示すように、バネスイッチ４０は、シリンダ５１とシリンダ５１内をスライドするスライド部５２の組が複数個集まって形成される。スライド部５２はバネ４３の一端と連結され、スライド部５２がシリンダ５１にロックされることによって、バネ４３がバネスイッチ４０にロックされる。
【００２０】
なお、図３では、１組のバネ４３、スライド部５２を示すが、補助トルク発生機構３７の１つのバネ４３が１つのスライド部５２に連結される。また、図３では、５つのシリンダ５１を示すが、シリンダ５１の数は任意とすることができる。
【００２１】
図４は、バネスイッチ４０によるバネトルクの最大値の変化を説明するための説明図である。図４に示すように、各バネ４３が伸縮することによって膝関節３５に対してトルクを発生する。したがって、バネ４３の個数に比例して発生するトルクの最大値を増やすことができる。すなわち、バネスイッチ４０にロックするバネ４３の数を変化させることによって、補助トルク発生機構３７が発生するトルクの最大値を変化させることができる。
【００２２】
図５は、バネスイッチ４０のロック機構を説明するための説明図である。図５に示すように、シリンダ５１の内面には多数の窪み６１が刻まれている。一方、スライド部５２は、Ｓ極部６２とＮ極部６３とコイル６４とを有し、Ｓ極部６２とＮ極部６３の形状は、図５に示すように略馬蹄形である。
【００２３】
Ｓ極部６２とＮ極部６３の端部同士を組み合わせた場合に形成される内部空間にコイル６４が配置される。したがって、コイル６４に流す電流の方向を変えることによってコイル６４の周りに発生する磁界を変えることができ、Ｓ極部６２とＮ極部６３をくっ付けたり離したりすることができる。
【００２４】
その結果、シリンダ５１の中心軸６８に垂直な断面でのスライド部５２の断面積を変えることができ、スライド部５２をシリンダ５１内の任意の位置でロックすることができる。すなわち、Ｓ極部６２とＮ極部６３をくっ付けた場合には、シリンダ５１の中心軸６８に垂直な断面でのスライド部５２の断面積が小さくなり、スライド部５２はシリンダ５１内を自由に動くことができる。一方、Ｓ極部６２とＮ極部６３を離した場合には、シリンダ５１の中心軸６８に垂直な断面でのスライド部５２の断面積が大きくなり、スライド部５２はシリンダ５１内の窪み６１によってロックされる。
【００２５】
図６は、スライド部５２の構造を示す図である。図６に示すように、Ｓ極部６２とＮ極部６３を２つの部材６５、６６の間にボルト６７を用いて挟みこむことによって、コイル６４の周りに発生する磁界によってＳ極部６２とＮ極部６３が可動な構造を実現することができる。
【００２６】
次に、制御部１００によるバネスイッチ制御の処理手順について説明する。図７は、制御部１００によるバネスイッチ制御の処理手順を示すフローチャートである。なお、ここでは、ロボット３０が歩行中に右脚で支持されているときに荷物を受け取るなど負荷がかかった場合の処理手順を示す。
【００２７】
図７に示すように、このバネスイッチ制御では、制御部１００は、右足裏の力センサ４２によってロボット３０にかかる負荷を測定し（ステップＳ１）、負荷が所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２）。
【００２８】
その結果、負荷が所定の閾値以上でない場合には、引き続き負荷の測定を繰り返す。一方、負荷が所定の閾値以上である場合には、負荷の大きさに基づいて、両脚のバネスイッチ４０でロックするバネ４３の個数を増加する（ステップＳ３）。すなわち、増加するバネ４３の個数を負荷の大きさに基づいて算出し、算出した個数のバネ４３に対して、スライド部５２のＳ極部６２とＮ極部６３が離れるようにコイル６４に電流を流す。
【００２９】
なお、左脚については、歩行距離を最大にできるように、バネスイッチ４０でロックするバネ４３の個数をスイングフェーズで元に戻す（ステップＳ４）。
【００３０】
このように、バネスイッチ４０でロックするバネ４３の個数を増加することによって、歩行中の負荷の増加に対応して、膝関節３５の補助トルクの最大値を増加させることができる。
【００３１】
図８は、支持脚の膝関節３５に働くトルクの変動例を示す図である。図８（ａ）は、支持脚の膝関節３５に働くトルクＣMを示し、図８（ｂ）は、補助トルク発生機構３７が発生するバネトルクＣSを示し、図８（ｃ）は、膝関節３５を動作させるモータのトルクＣTを示し、図８（ｄ）は、バネスイッチ４０でロックするバネ４３の個数を示す。図８（ｄ）に示すように、支持脚の膝関節３５に働くトルクＣMが一定の値になると、バネスイッチ４０でロックするバネ４３の個数をＮ0からＮ1に増加させることによって、バネトルクＣSを増加させている。
【００３２】
上述してきたように、本実施例では、バネスイッチ４０のシリンダ５１内をスライドするスライド部５２にバネ４３の一端を連結し、シリンダ５１内表面に窪み６１を設けるとともにシリンダ５１の中心軸６８に垂直な断面でのスライド部５２の断面積を変えることによって、バネ４３をバネスイッチ４０でロックすることとしたので、補助トルク発生機構３７が発生するトルクの最大値を任意の時点で変えることができ、膝関節３５に働くトルクの大きな変化にロボット３０を対応させることができる。
【００３３】
ところで、上記実施例では、大腿部３３および下腿部３４に連結された補助トルク発生機構３７が発生するトルクの最大値を変化させる場合について説明した。しかしながら、大腿部３３および下腿部３４に補助トルク発生機構を連結する代わりに、膝関節３５を動作させるモータに補助トルク発生機構を連結するようにすることもできる。
【００３４】
図９は、関節を動作させるモータに連結する補助トルク発生機構の模式図である。図９では、ねじりバネまたは渦巻きバネ７１の一端をモータ７２の回転軸に固定し、他端をバネスイッチ７３を用いてモータにロックまたは解放することによって、発生するトルクを変化させることができる。
【００３５】
このように、関節を動作させるモータに補助トルク発生機構を連結することによって、ロボットをコンパクトにすることができる。
【００３６】
なお、本実施例では、膝関節３５に用いられる補助トルク発生機構を中心に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の関節に用いられる補助トルク発生機構にも同様に適用することができる。
【００３７】
なお、本実施例では、２脚歩行ロボットに用いられる補助トルク発生機構を中心に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、４脚歩行ロボットなど他のロボットの関節に用いられる補助トルク発生機構にも同様に適用することができる。  
【００３８】
また、以上の実施例を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
【００３９】
（付記１）ロボットの関節に発生する補助トルクの最大値をロボットの動作中の任意の時点で変更可能な可変トルク発生手段を備えたことを特徴とする補助トルク発生装置。
【００４０】
（付記２）前記可変トルク発生手段は、
関節に連結された第１の部位に連結するシリンダと、
関節に連結された第２の部位にバネ機構を介して連結し、前記シリンダ内をスライドするスライド部とを備え、
前記スライド部を前記シリンダ内の任意の位置でロックすることにより、補助トルクの最大値を変更することを特徴とする付記１に記載の補助トルク発生装置。
【００４１】
（付記３）前記シリンダの内面には窪みが形成され、
前記スライド部は、前記シリンダの軸に垂直な断面の面積を拡大することによって前記窪みで支持されることにより、シリンダにロックされることを特徴とする付記２に記載の補助トルク発生装置。
【００４２】
（付記４）前記スライド部は、コイルに発生する磁界により相互に離反する２つの磁石を用いて前記面積を拡大することを特徴とする付記３に記載の補助トルク発生装置。
【００４３】
（付記５）前記シリンダとスライド部の対を複数備え、ロックするスライド部の個数を変更することにより補助トルクの最大値を変更することを特徴とする付記２、３または４に記載の補助トルク発生装置。
【００４４】
（付記６）前記可変トルク発生手段は、関節を動かすモータの回転軸に一端が取り付けられたバネ機構の他端をロックすることにより補助トルクの最大値を変更することを特徴とする付記１に記載の補助トルク発生装置。
【００４５】
（付記７）動作中のロボットの関節に作用するトルクの大きさを検出するトルク変化検出ステップと、
前記トルク変化検出ステップにより検出されたトルクの大きさが所定の閾値以上である場合に、前記ロボットの関節に発生する補助トルクの最大値を検出トルクの大きさに基づいて変化させる発生トルク変化ステップと
を含んだことを特徴とする補助トルク制御方法。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本実施例に係るロボットの模式図である。
【図２】バネスイッチの機能を説明するための説明図である。
【図３】バネスイッチの構造を示す図である。
【図４】バネスイッチによるバネトルクの最大値の変化を説明するための説明図である。
【図５】バネスイッチのロック機構を説明するための説明図である。
【図６】スライド部の構造を示す図である。
【図７】制御部によるバネスイッチ制御の処理手順を示すフローチャートである。
【図８】支持脚の膝関節に働くトルクの変動例を示す図である。
【図９】他の補助トルク発生機構の模式図である。
【図１０】補助トルク発生機構を説明するための説明図である。
【図１１】２脚歩行ロボットを示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０，２０    関節
１１    シリンダ
１２    ピストン
１３    空気
２１    固体バネ
３０    ロボット
３１    胴体部
３２    脚部
３３    大腿部
３４    下腿部
３５    膝関節
３６    足裏
３７，３８，３９    補助トルク発生機構
４０    バネスイッチ
４１    連結部
４２    力センサ
４３    バネ
５１    シリンダ
５２    スライド部
６１    窪み
６２    Ｓ極部
６３    Ｎ極部
６４    コイル
６５、６６    部材
６７    ボルト
６８    シリンダの中心軸
７１    ねじりバネまたは渦巻きバネ
７２    モータ
７３    バネスイッチ
【図１】
2010076011.tif 000003
【図２】
2010076011.tif 000004
【図３】
2010076011.tif 000005
【図４】
2010076011.tif 000006
【図５】
2010076011.tif 000007
【図６】
2010076011.tif 000008
【図７】
2010076011.tif 000009
【図８】
2010076011.tif 000010
【図９】
2010076011.tif 000011
【図１０】
2010076011.tif 000012
【図１１】
2010076011.tif 000013