(57)【要約】【課題】脚部を大型化することなく段差の昇降性能を向上させる。【解決手段】基体１０に複数の脚部２０が設けられた脚式ロボットであって、基体１０は、基体前後方向の前側基体１１と、基体前後方向の後側基体１２と、前側基体１１及び後側基体１２を、ロール軸回りに相対変位可能な状態で連結する腰関節１３と、を備える。前側基体１１及び後側基体１２には、夫々、複数の脚部２０を設けている。腰関節１３により、前側基体１１と後側基体１２との間には、ロール軸回りの自由度が与えられるので、一方に対して他方を捻ることが可能となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体に複数の脚部が設けられた脚式ロボットであって、
前記基体は、基体前後方向の前側基体と、基体前後方向の後側基体と、前記前側基体及び前記後側基体を、相対変位可能な状態で連結する基体関節と、を備えることを特徴とする脚式ロボット。
【請求項２】
前記基体関節は、前記前側基体及び前記後側基体を、前記基体のロール軸回りに相対変位可能な状態で連結することを特徴とする請求項１に記載の脚式ロボット。
【請求項３】
前記基体関節は、前記前側基体及び前記後側基体を、前記基体のピッチ軸回りに相対変位可能な状態で連結することを特徴とする請求項１又は２に記載の脚式ロボット。
【請求項４】
前記基体関節は、前記前側基体及び前記後側基体を、前記基体のヨー軸回りに相対変位可能な状態で連結することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の脚式ロボット。
【請求項５】
前記基体関節で前記前側基体及び前記後側基体を所定の軸回りに相対変位させる駆動機構を備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の脚式ロボット。
【請求項６】
前記基体関節は、一端側が前記前側基体及び前記後側基体の何れか一方に軸支され、他端側が前記前側基体及び前記後側基体の他方に固定された軸部材を備え、
前記駆動機構は、前記前側基体及び前記後側基体の一方に固定されたモータと、該モータの動力を前記軸部材に伝達する伝達機構と、を備えることを特徴とする請求項５に記載の脚式ロボット。
【請求項７】
前記脚部の先端に駆動可能な車輪を備えることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の脚式ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の脚部によって歩行可能な脚式ロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
四本の脚部を備え、夫々に回転可能な股関節及び膝関節を形成し、レーザ及びカメラによって前方の環境を認識しながら、各関節を電動モータで駆動することにより、階段を昇降したり障害物を乗り越えたりするものがある（特許文献１参照）。
また、複数の自由度を有する脚部の先端に車輪を形成し、脚部による歩行移動、車輪による走行移動、及び双方を併せたハイブリッド移動を実現することで、機動性や表現力を高めるものもある（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００７−１９０６５４号公報
【特許文献２】特開２００４−０３４１６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の特許文献１、２に記載された従来技術のように、脚部に複数の自由度があるとしても、昇降可能な段差の最大高さは、脚部の長さにも依存しているため、大きな段差を昇降可能にするためには、それだけ脚部を長くしなければならず、大型化が避けられない。また、脚部が長いとロボットの重心が高くなるので、脚部の先端に車輪を設け、この車輪によって旋回走行するときに、転倒しやすくなってしまう。
【０００４】
本発明の課題は、脚部を大型化することなく段差の昇降性能を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
〔発明１〕  この発明１に係る脚式ロボットは、基体に複数の脚部が設けられた脚式ロボットであって、前記基体は、基体前後方向の前側基体と、基体前後方向の後側基体と、前記前側基体及び前記後側基体を、相対変位可能な状態で連結する基体関節と、を備える。
このような構成であれば、前側基体と後側基体との間に、少なくとも一自由度が与えられるので、一方に対して他方を、捻ったり曲げたりすることが可能となる。
【０００６】
〔発明２〕  この発明２に係る脚式ロボットは、発明１において、前記基体関節は、前記前側基体及び前記後側基体を、前記基体のロール軸回りに相対変位可能な状態で連結する。
このような構成であれば、前側基体及び後側基体の一方に対して他方を、捻ることが可能となる。
【０００７】
〔発明３〕  この発明３に係る脚式ロボットは、発明１又は２において、前記基体関節は、前記前側基体及び前記後側基体を、前記基体のピッチ軸回りに相対変位可能な状態で連結する。
このような構成であれば、前側基体及び後側基体の一方に対して他方を、上下方向に傾けて、側面視で『く』の字型に曲げることが可能となる。
【０００８】
〔発明４〕  この発明４に係る脚式ロボットは、発明１〜３の何れか一つにおいて、前記基体関節は、前記前側基体及び前記後側基体を、前記基体のヨー軸回りに相対変位可能な状態で連結する。
このような構成であれば、前側基体及び後側基体の一方に対して他方を、左右方向に傾けて、平面視で『く』の字型に曲げることが可能となる。
【０００９】
〔発明５〕  この発明５に係る脚式ロボットは、発明１〜４の何れか一つにおいて、前記基体関節で前記前側基体及び前記後側基体を所定の軸回りに相対変位させる駆動機構を備える。
このような構成であれば、一方に対して他方を、任意に捻ったり曲げたりすることが可能となる。
【００１０】
〔発明６〕  この発明６に係る脚式ロボットは、発明１〜５の何れか一つにおいて、前記基体関節は、一端側が前記前側基体及び前記後側基体の何れか一方に軸支され、他端側が前記前側基体及び前記後側基体の他方に固定された軸部材を備え、前記駆動機構は、前記前側基体及び前記後側基体の一方に固定されたモータと、該モータの動力を前記軸部材に伝達する伝達機構と、を備える。
このような構成であれば、モータの回転角を制御することで、一方に対して他方を、任意に捻ったり曲げたりすることが可能となる。
【００１１】
〔発明７〕  この発明７に係る脚式ロボットは、発明１〜６の何れか一つにおいて、前記脚部の先端に駆動可能な車輪を備える。
このような構成であれば、脚部による歩行のみならず、車輪による走行が可能となる。
【００１２】
〔発明８〕  この発明８に係る脚式ロボットは、発明５〜７の何れか一つにおいて、距離を測定する距離測定手段と、該距離測定手段の測定方向と直交し且つ互いに直交する二軸で当該距離測定手段を回転させる回転機構と、該回転機構による前記距離測定手段の回転角及び当該距離測定手段の測定結果に基づいて測定範囲内に存在する物体の連続面を認識する認識手段と、該認識手段で認識した連続面に基づいて前記駆動機構を制御する制御手段と、を備える。
このような構成であれば、測定範囲内に存在する物体の連続面を認識し、これに応じて基体関節を駆動することが可能となる。
【００１３】
〔発明９〕  この発明９に係る脚式ロボットは、発明１〜８の何れか一つにおいて、前記基体に対して前記脚部を所定の軸回りに回動可能な状態で連結する股関節を備え、前記股関節で前記脚部が回動する際に、当該脚部と前記基体とが干渉し合う少なくとも一方の部位を、前記脚部の軌道に応じて除去する。
このような構成であれば、股関節の可動範囲が拡大する。
なおここで、基体とは、基体に支持された部材をも含む。また、脚部とは、脚部と一体的に形成された部材をも含む。
【００１４】
〔発明１０〕  この発明１０に係る脚式ロボットは、発明１〜９の何れか一つにおいて、前記脚部は、基体側の基体側脚部と、接地側の接地側脚部と、前記基体側脚部に対して前記接地側脚部を所定の軸回りに回動可能な状態で連結する脚部関節とを備え、前記脚部関節で前記接地側脚部が回動する際に、当該接地側脚部と前記基体側脚部とが干渉し合う少なくとも一方の部位を、前記接地側脚部の軌道に応じて除去する。
このような構成であれば、脚部関節の可動範囲が拡大する。
なおここで、接地側脚部とは、接地側脚部と一体的に形成された部材をも含む。また、基体側脚部とは、基体側脚部と一体的に形成された部材をも含む。
【発明の効果】
【００１５】
発明１に係る脚式ロボットによれば、前側基体と後側基体との間に、少なくとも一自由度が与えられるので、一方に対して他方を、捻ったり曲げたりすることが可能となる。したがって、脚部の長さが同一であっても、基体関節のない脚式ロボットと比べて、脚部の可動範囲を拡大させることができ、昇降性能を向上させることができる。
発明２に係る脚式ロボットによれば、前側基体及び後側基体の一方に対して他方を、捻ることが可能となる。したがって、脚部の長さが同一であっても、基体関節のない脚式ロボットと比べて、脚部の可動範囲を拡大させることができ、昇降性能を向上させることができる。
【００１６】
発明３に係る脚式ロボットによれば、前側基体及び後側基体の一方に対して他方を、上下方向に傾けて、側面視で『く』の字型に曲げることが可能となる。したがって、基体関節のない脚式ロボットよりも、昇降性能を向上させることができる。
発明４に係る脚式ロボットによれば、前側基体及び後側基体の一方に対して他方を、左右方向に傾けて、平面視で『く』の字型に曲げることが可能となる。したがって、基体関節のない脚式ロボットよりも、昇降性能を向上させることができる。
【００１７】
発明５に係る脚式ロボットによれば、駆動機構により、前側基体及び後側基体の一方に対して他方を、任意に捻ったり曲げたりすることが可能となる。したがって、昇降性能を向上させることができる。
発明６に係る脚式ロボットによれば、モータの回転角を制御することで、前側基体及び後側基体の一方に対して他方を、任意に捻ったり曲げたりすることが可能となる。したがって、捻ったり曲げたりする相対変位を容易に制御することができる。
【００１８】
発明７に係る脚式ロボットによれば、脚部の先端に駆動可能な車輪を備えることで、脚部による歩行のみならず、車輪による走行が可能となる。したがって、機動性能を向上させることができる。
発明８に係る脚式ロボットによれば、測定範囲内に存在する物体の連続面を認識し、これに応じて基体関節を駆動することが可能となる。したがって、昇降性能を向上させることができる。
【００１９】
発明９に係る脚式ロボットによれば、股関節の可動範囲が拡大する。したがって、昇降性能を向上させることができる。
発明１０に係る脚式ロボットによれば、脚部関節の可動範囲が拡大する。したがって、昇降性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔一実施形態〕
先ず、脚式ロボット１００の概略構成について説明する。
図１は、脚式ロボット１００の正面図であり、図２は、その側面図である。
脚式ロボット１００は、略直方体の基体１０と、この基体１０の四隅に連結された四本の脚部２０と、を備えている。
【００２１】
基体１０は、基体前後方向の前側基体１１と、基体前後方向の後側基体１２と、これら前側基体１１及び後側基体１２を、所定の軸回りに相対変位可能な状態で連結する腰関節１３とを備え、前側基体１１及び後側基体１２には、夫々、二本の脚部２０が連結されている。
基体１０と各脚部２０との間には、基体側から順に、第一股関節３０と、第二股関節４０と、が介装されている。第一股関節３０は、基体１０の上下軸回りに脚部２０を回動させる関節であり、第二股関節４０は、基体１０の上下軸と直行する軸回りに脚部２０を回動させる関節である。すなわち、第二股関節４０は、第一股関節３０の回動位置に応じて、基体１０の左右軸回りや前後軸回りに脚部２０を回動させる関節である。これら第一股関節３０と第二股関節４０とにより、脚部２０の立体的な枢動が可能となる。
【００２２】
各脚部２０は、基体側の基体側脚部２１と、接地側の接地側脚部２２と、基体側脚部２１に対して接地側脚部２２を、第二股関節４０と平行な軸回りに回動可能な状態で連結する膝関節５０と、を備える。したがって、膝関節５０は、第一股関節３０の回動位置に応じて、基体１０の左右軸回りや前後軸回りに脚部２０を回動させる関節である。これら第二股関節４０と膝関節５０とにより、脚部２０の屈伸が可能となる。
【００２３】
各脚部２０の先端には、膝関節５０と平行な軸回りに回転する駆動輪６０が軸支されている。
基体１０の正面には、三次元距離測定装置１４が取り付けられている。三次元距離測定装置１４は、距離センサの測定方向に対して直交する二つの軸回りに距離センサを回転させ、これにより得られた測定結果に基づいて、測定範囲内に存在する物体上の連続面を認識する。
【００２４】
三次元距離測定装置１４の座標系（以下、センサ座標系と称す）は、基体１０の前後方向をｘrs軸、基体１０の左右方向をｙrs軸、基体１０の高さ方向をｚrs軸とする。なお、距離センサの原点位置においては、距離センサの測定方向がｘrs軸と一致し、距離センサの第一の回転軸がｙrs軸と一致する。距離センサの第一の回転軸は、ｚ軸回りの走査角度によって向きが変化するが、原点位置においてｙrs軸と一致するため、説明の便宜上、距離センサの第一の回転軸をｙrs’軸と表記する。
各脚部２０の先端側には、前方物体までの距離を検出する脚先前方センサ２３と、接地面までの距離を検出する脚先下方センサ２４と、が設けられている。
【００２５】
次に、腰関節１３の構成について説明する。
図３は、腰関節１３の側面図である。
腰関節１３は、一般にハーモニックドライブ（登録商標）として知られる波動歯車装置７０を備え、この波動歯車装置７０を介して、前側基体１１及び後側基体１２を、基体１０のロール軸回りに相対変位可能な状態で連結している。
【００２６】
ここで、波動歯車装置７０について説明する。
図４は、波動歯車装置７０の断面図である。
波動歯車装置７０は、回転中心となる楕円状のカム及びこれに外嵌されたボールベアリングによって構成されるウェーブジェネレータ７１と、内周面がボールベアリングの外輪に摺接し外周面に歯が形成された薄肉カップ状のフレクスプライン７２と、内周面に形成されたフレクスプライン７２よりも多い歯を介してフレクスプライン７２に噛合するリング状のサーキュラスプライン７３と、で構成されている。ここで、フレクスプライン７２が前側基体１１に連結され、サーキュラスプライン７３が後側基体１２に連結されている。
【００２７】
一方、ウェーブジェネレータ７１のカムには、前側基体１１によって軸支された回転軸７４が連結され、この回転軸７４には、従動プーリ７５が固定されている。前側基体１１には、回転軸７４と略平行なモータ軸を有するモータＭ１が固定されており、そのモータ軸には、従動プーリ７５と周方向に対向する駆動プーリ７６が固定されている。これら従動プーリ７５と駆動プーリ７６とに、図示しないタイミングベルトやＶベルトを掛けることで、モータＭ１の動力をウェーブジェネレータ７１に伝達する。なお、動力伝達は、歯車やチェーンであってもよい。
【００２８】
上記の構成により、モータＭ１の回転は、プーリを介した所定の減速比でウェーブジェネレータ７１に伝達される。ウェーブジェネレータ７１の回転は、フレクスプライン７２とサーキュラスプライン７３との噛合位置を変化させ、これによって所定の減速比でサーキュラスプライン７３を回転させる。すなわち、モータＭ１の回転により、前側基体１１及び後側基体１２を、基体１０のロール軸回りに相対変位させる。
【００２９】
次に、脚部２０について説明する。
図５は、脚部２０の全体図である。
図６は、第一股関節３０及び第二股関節４０の概観図である。
図７は、膝関節５０の概観図である。
第一股関節３０は、基体１０に固定されるボックス状のハウジング３１と、基体１０の上下軸と略平行な状態でハウジング３１に軸支されハウジング３１の下方で第二股関節４０に連結される関節軸３２と、ハウジング３１の上面に固定され関節軸３２を駆動するモータＭ２と、を備えている。なお、ハウジング３１には、モータＭ２の回転を所定の減速比で関節軸３２に伝達する減速機（例えば波動歯車装置）が収容されている。また、ハウジング３１の側面には、関節軸３２で基体側脚部２１が回動する際に、この基体側脚部２１と干渉する部位を、基体側脚部２１の軌道に応じて除去した切欠部３３が形成されている。
【００３０】
第二股関節４０は、第一股関節３０の関節軸３２に固定されるハウジング４１と、基体１０の上下軸と直交する軸と略平行な状態でハウジング４１に軸支され基体側脚部２１に連結される関節軸４２と、ハウジング４１に収容され関節軸４２を駆動するモータＭ２（図示省略）と、を備えている。なお、ハウジング４１には、モータＭ２の回転を所定の減速比で関節軸４２に伝達する減速機（例えば波動歯車装置）も収容されている。
【００３１】
基体側脚部２１は、上端側が第二股関節４０のハウジング４１を挟むように対向し且つ関節軸４２に固定される一対のフレームで構成される。
膝関節５０は、基体側脚部２１の下端側に一体形成されたボックス状のハウジング５１と、基体１０の上下軸と直交する軸と略平行な状態でハウジング５１に軸支されハウジング５１の下部で接地側脚部２２に連結される関節軸５２と、ハウジング５１に収容され関節軸５２を駆動するモータＭ２（図示省略）と、を備えている。なお、ハウジング５１には、モータＭ２の回転を所定の減速比で関節軸５２に伝達する減速機（例えば波動歯車装置）が収容されている。また、ハウジング５１の上端側には、第二股関節４０で基体側脚部２１が回動する際に、この第二股関節４０のハウジング４１と干渉する部位を、基体側脚部２１の軌道に応じて除去した傾斜部５３が形成されている。
【００３２】
接地側脚部２２は、上端側が膝関節５０のハウジング５１を挟むように対向し且つ関節軸５２に固定される一対のフレームで構成される。
駆動輪６０は、接地側脚部２２の下端側に一体形成されたボックス状のハウジング６１と、基体１０の上下軸と直交する軸と略平行な状態でハウジング６１に軸支されハウジング６１の下方に少なくとも接地部が露出した車輪６２と、ハウジング６１に収容され車輪６２を駆動するモータＭ３（図示省略）と、を備えている。なお、ハウジング６１には、モータＭ３の回転を所定の減速比で車輪６２に伝達する減速機（例えば波動歯車装置）が収容されている。また、ハウジング６１の上端側には、膝関節５０で接地側脚部２２が回動する際に、膝関節５０のハウジング５１及び基体側脚部２１と干渉する部位を、接地側脚部２２の軌道に応じて除去した傾斜部６３が形成されている。
【００３３】
次に、脚式ロボット１００の移動制御システムについて説明する。
図８は、移動制御システムを示すブロック図である。
腰関節１３のモータＭ１には、回転角を検出するエンコーダ８１と、モータ制御指令及びエンコーダ８１の出力信号に基づいてモータＭ１を駆動するドライバ８２と、が設けられている。
【００３４】
また、各脚部２０において、第一股関節３０のモータＭ２、第二股関節４０のモータＭ２、及び膝関節５０のモータＭ２の夫々には、回転角を検出するエンコーダ８３と、モータ制御指令及びエンコーダ８３の出力信号に基づいてモータＭ２を駆動するドライバ８４と、が設けられている。
さらに、各脚部２０において、駆動輪６０のモータＭ３には、回転角を検出するエンコーダ８５と、モータ制御指令及びエンコーダ８５の出力信号に基づいてモータＭ２を駆動するドライバ８６と、が設けられている。
【００３５】
脚式ロボット１００は、ＣＰＵ９０と、脚式ロボット１００の姿勢を検出する三軸姿勢センサ９１と、外部のＰＣ等と無線通信を行う無線通信部９２と、無線通信部９２及びＣＰＵ９０の入出力を中継するハブ９３と、警告音等を出力するスピーカ９４と、を備えている。
三軸姿勢センサ９１は、ジャイロセンサ及び加速度センサの少なくとも一方を備え、地軸に対して脚式ロボット１００の姿勢（傾き）を検出する。
【００３６】
ＣＰＵ９０は、モータ指令出力Ｉ／Ｆ９５を介してドライバ８２、８４、８６にモータ指令信号を出力し、角度取込Ｉ／Ｆ９６を介してエンコーダ８１、８３、８５の出力信号を入力する。また、センサ入力Ｉ／Ｆ９７を介して、三次元距離測定装置１４、脚先前方センサ２３、脚先下方センサ２４、及び三軸姿勢センサ９１の各センサ信号を入力する。また、通信Ｉ／Ｆ９８を介してハブ９３と信号の入出力を行い、サウンド出力Ｉ／Ｆ９９を介してスピーカ９４に音声信号を出力する。
【００３７】
次に、三次元距離測定装置１４の構成を説明する。
三次元距離測定装置１４は、距離センサと、距離センサをｙrs’軸回りに回転させるｙrs’軸回転機構と、距離センサをｚrs軸回りに回転させるｚrs軸回転機構と、距離センサの測定結果に基づいて連続面を認識するセンシングプロセッサと、を備えている。
センシングプロセッサは、先ずＣＰＵ９０からの指令信号に基づいて、ｙrs’軸回転機構及びｚrs軸回転機構の走査角度範囲及び走査単位角度を設定し、ｙrs’軸回転機構に指令信号を出力することにより、走査角度範囲内において、距離センサを走査単位角度ずつｙrs’軸回りに回転させると共に、各走査角度に応じた距離情報を測定する第一走査処理を実行する。
【００３８】
次いで、測定した距離情報に対してフィルタリング処理を実行してノイズ成分を除去し、ノイズ除去後の回転座標系の距離情報を直交座標系の座標情報に変換し、変換された座標情報に基づいてハフ変換等により直交座標系における線分を検出する。
そして、検出した線分の端点を連続面の境界として判定し、連続面の境界として判定した端点の座標情報をセンサ座標系に変換し、変換された座標情報をＲＡＭ等のメモリに記憶する。
【００３９】
ｙrs’軸回りの走査範囲で測定可能な領域（以下、走査平面と称す）の一つについてこれら一連の処理が終了すると、ｚrs軸回転機構に指令信号を出力することにより、走査角度範囲内において、距離センサを走査単位角度ずつｚrs軸回りに回転させる第二走査処理を実行する。
全ての走査平面についてこれら一連の処理が終了すると、メモリの座標情報に基づいて面データを生成する。連続面の境界として判定した端点を結ぶ線分は、物体上の連続面と走査平面が交わる交線であるので、面データの生成は、例えば、ある走査平面において、連続面の境界として判定した端点を結ぶ線分と、ｚrs軸回りに隣接する走査平面において、連続面の境界として判定した端点を結ぶ線分との傾き及び座標が所定範囲にあるものを連続面と判定し、それら線分に対応する座標情報を対応付けたり、公知の補間法を用いてつなぎ合わせたりすることにより行う。例えば、傾きが０に近い連続面は、水平面とみなすことができるので、そこが歩行可能な面であると判定することができる。
そして、センサ入力Ｉ／Ｆ９７を介して面データをＣＰＵ９０に出力する。
【００４０】
次に、ＣＰＵ９０で実行される処理を説明する。
ＣＰＵ９０は、ＲＯＭ等の所定領域に格納されている制御プログラムを起動させ、その制御プログラムに従って、下記の昇降制御処理を実行する。
【００４１】
図９は、昇降制御処理を示すフローチャートである。
昇降制御処理は、脚部２０の昇降制御を行う処理であって、ＣＰＵ９０において実行されると、まず、図９に示すように、ステップＳ１００に移行する。
ステップＳ１００では、三次元距離測定装置１４から面データを入力し、ステップＳ１０２に移行して、入力した面データに基づいて、センサ座標系の座標をグローバル座標系の座標に変換し、連続面の境界線上の点を階段の特徴点として検出する。
【００４２】
次いで、ステップＳ１０４に移行して、検出した階段の特徴点に基づいて階段の幅を算出し、ステップＳ１０６に移行して、検出した階段の特徴点に基づいて階段の段鼻部の実座標を算出し、ステップＳ１０８に移行する。
ステップＳ１０８では、算出した階段の幅及び段鼻部の実座標、並びに三軸姿勢センサ９１のセンサ信号に基づいて逆運動学計算及び重心計算を行い、ステップＳ１１０に移行して、ステップＳ１０８の計算結果に基づいて脚先（駆動輪６０）の着地位置を決定し、ステップＳ１１２に移行する。
【００４３】
ステップＳ１１２では、脚先前方センサ２３及び脚先下方センサ２４から各センサ信号を入力し、ステップＳ１１４に移行して、入力した脚先前方センサ２３のセンサ信号に基づいて蹴込板までの距離を算出し、ステップＳ１１６に移行して、入力した脚先下方センサ２４のセンサ信号に基づいて脚先と踏板の位置関係を算出し、ステップＳ１１８に移行する。
【００４４】
ステップＳ１１８では、決定した着地位置及び算出した両距離に基づいてドライバ８２、８４、８６へのモータ指令信号を生成し、ステップＳ１２０に移行して、生成したモータ指令信号をドライバ８２、８４、８６に出力し、ステップＳ１２２に移行する。
ステップＳ１２２では、脚先が踏板に着地したか否かを判定し、脚先が着地したと判定したとき(Yes)は、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。
一方、ステップＳ１２２で、脚先が着地しないと判定したとき(No)は、ステップＳ１１２に移行する。
【００４５】
次に、本実施形態の動作を説明する。
脚式ロボット１００の移動経路上に階段が存在し、これを乗り越える場合を説明する。
まず、三次元距離測定装置１４により、連続面の境界が判定され、面データが生成される。次いで、ステップＳ１００、Ｓ１０２を経て、ＣＰＵ９０により、面データが入力され、入力された面データに基づいて階段の特徴点が検出される。そして、ステップＳ１０４〜Ｓ１１０を経て、検出された階段の特徴点に基づいて階段の幅及び段鼻部の実座標が算出され、算出された階段の幅及び段鼻部の実座標に基づいて脚先の着地位置が決定される。
【００４６】
さらに、ステップＳ１１２〜Ｓ１１６を経て、脚先前方センサ２３及び脚先下方センサ２４から各センサ信号が入力され、蹴込板までの距離及び脚先と踏板の位置関係が算出される。そして、ステップＳ１１８、Ｓ１２０を経て、決定された着地位置及び算出された両距離に基づいてモータ指令信号が生成され、生成されたモータ指令信号がドライバ８２、８３、８４に出力される。これにより、駆動輪６０が回転すると共に、腰関節１３、第一股関節３０、第二股関節４０、膝関節５０が駆動し、脚式ロボット１００が姿勢を適切に保ちつつ階段を乗り越える。また、状況によっては階段を回避したり手前で停止したりする。したがって、車輪を備えていない脚式ロボットと同様に階段への適応性が高い。
【００４７】
ここで、腰関節１３の動作について説明する。
図１０は、腰関節１３の動作図である。
腰関節１３により、前側基体１１と後側基体１２との間には、ロール軸回りの自由度が与えられるので、一方に対して他方を捻ることが可能となる。例えば、前側基体１１の右側脚部２０を蹴り上げて上段地点へと踏込む場合には、後側基体１２に対する前側基体１１を、前方に向かって左回りに相対変位させることで、右側脚部２０の股関節位置を上昇させる。これにより、脚部２０の長さが同一であっても、腰関節１３のない脚式ロボットと比べて、より高く脚部２０を蹴り上げることができ、昇降性能を向上させることができる。
【００４８】
ここで、膝関節５０の動作について説明する。
図１１、図１２は、脚部２０を膝関節５０の限界まで屈曲させた状態を示す。
膝関節５０で接地側脚部２２を曲げてゆくと、駆動輪６０のハウジング６１が膝関節５０のハウジング５１及び基体側脚部２１に干渉することになるが、ハウジング６１において、ハウジング５１及び基体側脚部２１と干渉する部位を、接地側脚部２２の軌道に応じて除去している。これにより、接地側脚部２２を構成する一対のフレームの間に、ハウジング５１及び基体側脚部２１が入り込んでゆき、ハウジング６１に形成した傾斜部６３に対してハウジング５１及び基体側脚部２１が当接するまで、接地側脚部２２の回動を継続することができる。すなわち、膝関節５０の可動範囲が拡大する。したがって、昇降性能を向上させることができる。
【００４９】
ここで、第二股関節４０の動作について説明する。
図１３、図１４は、脚部２０を第二股関節４０の限界まで屈曲させた状態を示す。
第二股関節４０で基体側脚部２１を曲げてゆくと、膝関節５０のハウジング５１が第二股関節４０のハウジング４１に干渉することになるが、ハウジング５１において、ハウジング４１と干渉する部位を、基体側脚部２１の軌道に応じて除去している。これにより、基体側脚部２１を構成する一対のフレームの間に、ハウジング４１が入り込んでゆき、ハウジング５１に形成した傾斜部５３に対してハウジング４１が当接するまで、基体側脚部２１の回動を継続することができる。すなわち、第二股関節４０の可動範囲が拡大する。したがって、昇降性能を向上させることができる。
【００５０】
ここで、第一股関節３０の動作について説明する。
図１５は、脚部２０を第一股関節３０の限界まで回動させた状態を示す。
脚部２０を第二股関節４０の限界まで屈曲させた状態で、第一股関節３０により基体側脚部２０を回動させてゆくと、基体側脚部２１が第一股関節３０のハウジング３１に干渉することになるが、ハウジング３１の側面において、基体側脚部２１と干渉する部位に、基体側脚部２１の軌道に応じて除去した切欠部３３を形成している。これにより、第一股関節３０の切欠部３３に対して、基体側脚部２１を構成する一方のフレームが入り込んでゆき、第一股関節３０に対して基体側脚部２１が当接するまで、基体側脚部２１の回動を継続することができる。すなわち、第一股関節３０の可動範囲が拡大する。したがって、昇降性能を向上させることができる。
【００５１】
一方、平地では、脚式ロボット１００は、車輪走行で移動することができる。したがって、車輪式ロボットと同様に平地での移動性が高い。
さらに、本実施形態では、距離センサをｙrs’軸回りに回転させるｙrs’軸回転機構と、距離センサをｚrs軸回りに回転させるｚrs軸回転機構とを備え、ｙrs’軸回転機構により距離センサを回転させながらｙrs’軸回転機構の走査単位角度ごとに距離センサの測定結果を取得する第一走査を、ｚrs軸回転機構により距離センサを回転させながらｚrs軸回転機構の走査単位角度ごとに行う第二走査を行うことにより、ｙrs’軸回転機構の走査単位角度ごと及びｚrs軸回転機構の走査単位角度ごとの測定結果を取得する。
【００５２】
これにより、連続面として物体の立体的な形状を把握することができるので、脚式ロボット１００のように複雑な姿勢制御を必要とするロボットの姿勢制御にさらに好適な認識結果を得ることができる。また、距離センサを回転させる回転機構を採用したので、移動機構に比して、走査に必要なスペースが小さくてすみ、走査のための機構が簡素となり、しかも高速な走査を実現することができる。
【００５３】
さらに、本実施形態では、脚先前方センサ２３及び脚先下方センサで測定した距離に基づいて階段を認識し、その認識結果に基づいてモータＭ１、Ｍ２、Ｍ３を制御する。
これにより、脚先前方センサ２３及び脚先下方センサ２４を用いて未知の階段を認識しながら脚部２０の昇降制御を行うので、従来に比して、未知の階段に対して高い適応性を実現することができる。また、人が活動する環境での動作を行えるので、人と一緒に行動する用途に用いられるホームロボット、パーソナルロボット等に好適である。
【００５４】
さらに、本実施形態では、三次元距離測定装置１４を基体１０の正面に設け、脚先前方センサ２３及び脚先下方センサ２４を脚部２０の先端に設けた。
これにより、脚式ロボット１００の移動経路上に存在する物体を広い視野で検出することができると共に、階段昇降時に駆動輪６０と階段の距離を精度よく測定することができる。
【００５５】
さらに、本実施形態では、前方脚先センサ２２の測定結果に基づいて階段の蹴込板までの距離を算出し、下方脚先センサ２４の測定結果に基づいて駆動輪６０と階段の踏板の位置関係を算出する。
これにより、階段の特徴のうち脚部２０の昇降制御にさらに有効な特徴を検出することができるので、未知の階段に対してさらに高い適応性を実現することができる。
【００５６】
以上より、腰関節１３が「基体関節」に対応し、モータＭ１、駆動プーリ７６、従動プーリ７５、及び波動歯車装置７０が「駆動機構」に対応し、サーキュラスプライン７３が「軸部材」に対応している。
【００５７】
〔応用例〕
なお、本実施形態では、腰関節１３により、前側基体１１及び後側基体１２を、基体１０のロール軸回りに相対変位可能な状態で連結しているが、これに限定されるものではなく、図１６に示すように、腰関節により、前側基体１１及び後側基体１２を、基体１０のピッチ軸回りに相対変位可能な状態で連結してもよい。これによれば、前側基体１１及び後側基体１２の一方に対して他方を、上下方向に傾けて、側面視で『く』の字型に曲げることが可能となる。したがって、腰関節のない脚式ロボットよりも、昇降性能を向上させることができる。また、図１７に示すように、腰関節により、前側基体１１及び後側基体１２を、基体１０のヨー軸回りに相対変位可能な状態で連結してもよい。これによれば、前側基体１１及び後側基体１２の一方に対して他方を、左右方向に傾けて、平面視で『く』の字型に曲げることが可能となる。したがって、腰関節のない脚式ロボットよりも、昇降性能を向上させることができる。勿論、ロール軸回り用の腰関節、ピッチ軸回り用の腰関節、ヨー軸回り用の腰関節のうち、少なくとも二つを複合した腰関節を備えてもよい。
【００５８】
また、本実施形態では、一つの基体１０を前後方向の二つに分割して腰関節１３で連結しているが、これに限定されるものではなく、一つの基体１０を前後方向の三つ以上に分割し、夫々を腰関節１３で連結してもよい。
また、本実施形態では、波動歯車装置７０を介して前側基体１１及び後側基体１２を連結しているが、これに限定されるものではなく、図１８に示すように、ディファレンシャルギヤ７７を介して前側基体１１及び後側基体１２を連結してもよい。これによれば、より安価に実施することができる。
【００５９】
また、本実施形態では、一本の脚部２０を長手方向の二つに分割して膝関節５０で連結しているが、これに限定されるものではなく、一本の脚部２０を長手方向の三つ以上に分割し、夫々を膝関節５０で連結してもよい。
また、本実施形態では、第一股関節３０の可動範囲を拡大するために、ハウジング３１の側面に切欠部３３を形成しているが、これに限定されるものではない。要は、第一股関節３０で脚部２０を回動させる際に、ハウジング３１と基体側脚部２１とが干渉し合う少なくとも一方の部位を除去すればよいので、基体側脚部２１側の干渉部位を除去したり、あるいは基体側脚部２１とハウジング３１の双方の干渉部位を除去してもよい。
【００６０】
なおここで、ハウジング３１とは、基体１０に支持された部材であり、基体１０の一部と見なすことができる。したがって、第一股関節３０の可動範囲を拡大するという主旨を逸脱しない範囲で、ハウジング３１のみならず、基体１０の一部を除去してもよい。
また、本実施形態では、第二股関節４０の可動範囲を拡大するために、ハウジング５１の上端側に傾斜部５３を形成しているが、これに限定されるものではない。要は、第二股関節４０で基体側脚部２１を回動させる際に、ハウジング５１とハウジング４１とが干渉し合う少なくとも一方の部位を除去すればよいので、ハウジング４１側の干渉部位を除去したり、あるいはハウジング４１とハウジング５１の双方の干渉部位を除去してもよい。
【００６１】
なおここで、ハウジング４１とは、第一股関節３０が無ければ、基体１０に支持された部材であり、基体１０の一部と見なすことができる。したがって、第二股関節４０の可動範囲を拡大するという主旨を逸脱しない範囲で、ハウジング５１のみならず、基体１０の一部を除去してもよい。さらに、ハウジング５１とは、基体側脚部２１と一体的に形成された部材であり、基体側脚部２１の一部と見なすことができる。したがって、第二股関節４０の可動範囲を拡大するという主旨を逸脱しない範囲で、ハウジング５１のみならず、基体側脚部２１の一部を除去してもよい。
【００６２】
また、本実施形態では、膝関節５０の可動範囲を拡大するために、ハウジング６１の上端側に傾斜部６３を形成しているが、これに限定されるものではない。要は、膝関節５０で脚部２０を曲げる際に、ハウジング６１に対してハウジング５１が干渉し合う少なくとも一方の部位を除去すればよいので、ハウジング５１側の干渉部位を除去したり、あるいはハウジング５１とハウジング６１の双方の干渉部位を除去してもよい。
【００６３】
なおここで、ハウジング６１とは、接地側脚部２２と一体的に形成された部材であり、接地側脚部２２の一部と見なすことができる。したがって、膝関節５０の可動範囲を拡大するという主旨を逸脱しない範囲で、ハウジング６１のみならず、接地側脚部２２の一部を除去してもよい。同様に、ハウジング５１とは、基体側脚部２１と一体的に形成された部材であり、基体側脚部２１の一部と見なすことができる。したがって、膝関節５０の可動範囲を拡大するという主旨を逸脱しない範囲で、ハウジング５１のみならず、基体側脚部２１の一部を除去してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】脚式ロボット１００の正面図である。
【図２】脚式ロボット１００の側面図である。
【図３】腰関節１３の側面図である。
【図４】波動歯車装置７０の断面図である。
【図５】脚部２０の全体図である。
【図６】第一股関節３０及び第二股関節４０の概観図である。
【図７】膝関節５０の概観図である。
【図８】移動制御システムを示すブロック図である。
【図９】昇降制御処理を示すフローチャートである。
【図１０】腰関節１３の動作図である（ロール軸回り）。
【図１１】脚部２０を膝関節５０の限界まで屈曲させた状態を示す。
【図１２】脚部２０を膝関節５０の限界まで屈曲させた状態を示す。
【図１３】脚部２０を第二股関節４０の限界まで屈曲させた状態を示す。
【図１４】脚部２０を第二股関節４０の限界まで屈曲させた状態を示す。
【図１５】脚部２０を第一股関節３０の限界まで回動させた状態を示す。
【図１６】腰関節１３の応用例である（ピッチ軸回り）。
【図１７】腰関節１３の応用例である（ヨー軸回り）。
【図１８】腰関節１３の応用例である（ディファレンシャルギヤ）。
【符号の説明】
【００６５】
１００      脚式ロボット
１０        基体
２０        脚部
１１        前側基体
１２        後側基体
１３        腰関節
１４        三次元距離測定装置
３０        第一股関節
４０        第二股関節
２１        基体側脚部
２２        接地側脚部
２３        脚先前方センサ
２４        脚先下方センサ
５０        膝関節
６０        駆動輪
７０        波動歯車装置
７１        ウェーブジェネレータ
７２        フレクスプライン
７３        サーキュラスプライン
【図１】
2010005718.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010005718.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2010005718.tif 000015
【図１４】
2010005718.tif 000016
【図１５】
2010005718.tif 000017
【図１６】
2010005718.tif 000018
【図１７】
2010005718.tif 000019
【図１８】
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