(57)【要約】【課題】  原点位置の判定を自立状態で行うことができ、部品点数および重量の増加を抑制するのに好適な原点位置判定装置を提供する。【解決手段】  脚車輪型ロボット１００は、回転関節１８の関節角度が所定角度に達したときにＺ相パルス信号を出力するロータリーエンコーダ４２と、上部リンク８０の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する上部姿勢センサ８０ａと、下部リンク８２の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する下部姿勢センサ８２ａと、回転関節１８を回転駆動する関節モータ４０とを備える。そして、上部姿勢センサ８０ａおよび下部姿勢センサ８２ａからの姿勢検出信号に基づいて粗関節角度を算出し、誤差２εの範囲で関節モータ４０により回転関節１８を回転させてロータリーエンコーダ４２からＺ相パルス信号を入力したときは、算出した粗関節角度および回転関節１８の回転角度量に基づいて原点位置を判定する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
関節を介して連結された第１部材および第２部材の原点位置を判定する原点位置判定装置であって、
前記第１部材および前記第２部材の相対回転角度が所定角度に達したときに基準信号を出力する基準点検出手段と、
前記第１部材またはこれと連動する部位の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する第１姿勢検出手段と、
前記第２部材またはこれと連動する部位の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する第２姿勢検出手段と、
前記第１姿勢検出手段および前記第２姿勢検出手段からの姿勢検出信号、並びに前記基準点検出手段からの基準信号に基づいて前記原点位置を判定する原点位置判定手段とを備えることを特徴とする原点位置判定装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記基準点検出手段は、減速機を介して前記関節に連結されたロータリーエンコーダであることを特徴とする原点位置判定装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記関節を回転駆動する回転駆動手段をさらに備え、
前記原点位置判定手段は、前記第１姿勢検出手段および前記第２姿勢検出手段からの姿勢検出信号に基づいて前記第１部材および前記第２部材の回転角度差を算出し、前記第１姿勢検出手段または前記第２姿勢検出手段の誤差の範囲で前記回転駆動手段により前記関節を回転させて前記ロータリーエンコーダから前記基準信号を入力したときは、前記算出した回転角度差および前記回転駆動手段による前記関節の回転角度量に基づいて前記原点位置を判定することを特徴とする原点位置判定装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記回転角度差および前記回転角度量と前記原点位置とを対応付けた原点位置対応テーブルをさらに備え、
前記原点位置判定手段は、前記算出した回転角度差および前記回転駆動手段による前記関節の回転角度量に対応する前記原点位置を前記原点位置対応テーブルから取得することにより前記原点位置を判定することを特徴とする原点位置判定装置。
【請求項５】
請求項３および４のいずれか１項において、
前記第１姿勢検出手段または前記第２姿勢検出手段の誤差の範囲で前記関節を回転させて前記ロータリーエンコーダから前記基準信号が出力されるように前記減速機の減速比を設定したことを特徴とする原点位置判定装置。
【請求項６】
基体と、前記基体に対して自由度を有して連結された脚部と、前記脚部に回転可能に設けられた車輪とを備え、前記脚部の駆動および前記車輪の回転により移動する脚車輪型ロボットであって、
前記脚部は、関節を介して連結された第１リンクおよび第２リンクからなり、
前記第１リンクおよび前記第２リンクの相対回転角度が所定角度に達したときに基準信号を出力する基準点検出手段と、
前記第１リンクまたはこれと連動する部位の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する第１姿勢検出手段と、
前記第２リンクまたはこれと連動する部位の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する第２姿勢検出手段と、
前記第１姿勢検出手段および前記第２姿勢検出手段からの姿勢検出信号、並びに前記基準点検出手段からの基準信号に基づいて前記第１リンクおよび前記第２リンクの原点位置を判定する原点位置判定手段とを備えることを特徴とする脚車輪型ロボット。
【請求項７】
基体と、前記基体に対して自由度を有して連結された脚部と、前記脚部に回転可能に設けられた車輪とを備え、前記脚部の駆動および前記車輪の回転により移動する脚車輪型ロボットであって、
前記基体は、関節を介して連結された第１基体および第２基体とからなり、
前記第１基体および前記第２基体の相対回転角度が所定角度に達したときに基準信号を出力する基準点検出手段と、
前記第１基体またはこれと連動する部位の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する第１姿勢検出手段と、
前記第２基体またはこれと連動する部位の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する第２姿勢検出手段と、
前記第１姿勢検出手段および前記第２姿勢検出手段からの姿勢検出信号、並びに前記基準点検出手段からの基準信号に基づいて前記第１基体および前記第２基体の原点位置を判定する原点位置判定手段とを備えることを特徴とする脚車輪型ロボット。
【請求項８】
関節を介して連結された第１部材および第２部材の原点位置を判定する原点位置判定方法であって、
前記第１部材および前記第２部材の相対回転角度が所定角度に達したときに基準信号を出力する基準点検出ステップと、
前記第１部材またはこれと連動する部位の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する第１姿勢検出ステップと、
前記第２部材またはこれと連動する部位の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する第２姿勢検出ステップと、
前記第１姿勢検出ステップおよび前記第２姿勢検出ステップで出力した姿勢検出信号、並びに前記基準点検出ステップで出力した基準信号に基づいて前記原点位置を判定する原点位置判定ステップとを含むことを特徴とする原点位置判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節を介して連結された部材の原点位置を判定する装置および方法、並びに脚車輪型ロボットに係り、特に、原点位置の判定を自立状態で行うことができ、部品点数および重量の増加を抑制するのに好適な原点位置判定装置および脚車輪型ロボット、並びに原点位置判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロボットアームの原点位置を判定する技術としては、例えば、ロボットアームの関節を回転駆動するモータと、ロボットアームの関節に設けられた原点センサおよびインクリメンタルエンコーダとを備え、電源投入時は、モータによりロボットアームを駆動させ、原点センサから原点信号を入力した後にインクリメンタルエンコーダからＺ相パルス信号を入力したときは、Ｚ相パルス信号を入力した回転角度位置をロボットアームの原点位置として判定する技術が知られている。
【０００３】
なお、特許文献１には、アブゾリュートエンコーダおよびインクリメンタルエンコーダを併用する技術が、特許文献２には、インクリメンタルエンコーダおよびポテンショメータを併用する技術が、特許文献３には、インクリメンタルエンコーダおよびアナログセンサを併用する技術がそれぞれ開示されている。
また、特許文献４には、電源投入時に、各関節部について、双方の揺動方向に機械的駆動限界位置まで揺動させて、その限界位置を角度センサ、力センサまたは電流センサにより検出して、関節部の原点出しを行う技術が開示されている。
【特許文献１】特開平１−３１２０９号公報
【特許文献２】特開平３−２６０７０９号公報
【特許文献３】特開平７−１６４３６２号公報
【特許文献４】特開２００４−１８８５３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ロボットの移動機構は、クローラ型、車輪型、脚型またはこれらを組み合わせた機構に分類され、脚型と車輪型を組み合わせたロボットとして脚車輪型ロボットが提案されている。クローラ型ロボットは、複雑な姿勢制御を行わないため、階段への適応性が低いが、不整地での移動に適している。これに対し、脚車輪型ロボットは、脚部を駆動する複雑な姿勢制御を行うことができるので、階段への適応性が高い。
【０００５】
脚車輪型ロボットの脚部の原点位置を判定する場合に、上記従来技術を適用すると、原点センサが反応する位置まで脚部を駆動する必要があるため、転倒の可能性があり、原点位置の判定を自立状態で行うのが困難であるという問題があった。
また、原点センサ等の専用センサを別途設ける必要があるため、部品点数および重量が増加するという問題があった。
【０００６】
なお、特許文献１〜４記載の技術を適用した場合も同様の問題があった。
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、原点位置の判定を自立状態で行うことができ、部品点数および重量の増加を抑制するのに好適な原点位置判定装置および脚車輪型ロボット、並びに原点位置判定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
〔発明１〕  上記目的を達成するために、発明１の原点位置判定装置は、関節を介して連結された第１部材および第２部材の原点位置を判定する原点位置判定装置であって、前記第１部材および前記第２部材の相対回転角度が所定角度に達したときに基準信号を出力する基準点検出手段と、前記第１部材またはこれと連動する部位の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する第１姿勢検出手段と、前記第２部材またはこれと連動する部位の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する第２姿勢検出手段と、前記第１姿勢検出手段および前記第２姿勢検出手段からの姿勢検出信号、並びに前記基準点検出手段からの基準信号に基づいて前記原点位置を判定する原点位置判定手段とを備える。
【０００８】
このような構成であれば、第１姿勢検出手段により、第１部材またはこれと連動する部位の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号が、第２姿勢検出手段により、第２部材またはこれと連動する部位の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号がそれぞれ出力される。また、関節が回転し、第１部材および第２部材の相対回転角度が所定角度に達すると、基準点検出手段により基準信号が出力される。そして、原点位置判定手段により、第１姿勢検出手段および第２姿勢検出手段からの姿勢検出信号、並びに基準点検出手段からの基準信号に基づいて原点位置が判定される。
【０００９】
したがって、第１姿勢検出手段および第２姿勢検出手段からの姿勢検出信号で第１部材および第２部材の粗い相対回転角度を判定できるとともに、基準点検出手段からの基準信号で第１部材および第２部材の細かい相対回転角度を判定できるので、関節の回転角度量が少なくてすみ、脚車輪型ロボットに適用した場合は、脚車輪型ロボットが転倒しにくい。
【００１０】
また、脚車輪型ロボットには、通常、脚部を駆動する複雑な姿勢制御を行うために姿勢検出手段が設けられているので、脚車輪型ロボットに適用した場合は、姿勢検出手段を流用することができ、原点センサ等の専用センサを別途設ける必要がない。
ここで、第１部材と連動する部位とは、第１部材と連なって動作する部位であって、自身の姿勢から第１部材の姿勢を間接的に特定できるものをいう。以下、発明８の原点位置判定方法において同じである。
【００１１】
また、第２部材と連動する部位とは、第２部材と連なって動作する部位であって、自身の姿勢から第２部材の姿勢を間接的に特定できるものをいう。以下、発明８の原点位置判定方法において同じである。
【００１２】
〔発明２〕  さらに、発明２の原点位置判定装置は、発明１の原点位置判定装置において、前記基準点検出手段は、減速機を介して前記関節に連結されたロータリーエンコーダである。
このような構成であれば、関節が回転し、第１部材および第２部材の相対回転角度が所定角度に達すると、ロータリーエンコーダにより、Ｚ相パルス信号等の基準信号が出力される。このとき、ロータリーエンコーダは、減速機を介して連結されているので、基準信号を入力するまでの関節の回転角度量がさらに少なくてすみ、脚車輪型ロボットに適用した場合は、脚車輪型ロボットが転倒しにくい。
【００１３】
〔発明３〕  さらに、発明３の原点位置判定装置は、発明２の原点位置判定装置において、前記関節を回転駆動する回転駆動手段をさらに備え、前記原点位置判定手段は、前記第１姿勢検出手段および前記第２姿勢検出手段からの姿勢検出信号に基づいて前記第１部材および前記第２部材の回転角度差を算出し、前記第１姿勢検出手段または前記第２姿勢検出手段の誤差の範囲で前記回転駆動手段により前記関節を回転させて前記ロータリーエンコーダから前記基準信号を入力したときは、前記算出した回転角度差および前記回転駆動手段による前記関節の回転角度量に基づいて前記原点位置を判定する。
【００１４】
このような構成であれば、原点位置判定手段により、第１姿勢検出手段および第２姿勢検出手段からの姿勢検出信号に基づいて第１部材および第２部材の回転角度差が算出される。そして、第１姿勢検出手段または第２姿勢検出手段の誤差の範囲で回転駆動手段により関節を回転させてロータリーエンコーダから基準信号を入力すると、原点位置判定手段により、算出された回転角度差および回転駆動手段による関節の回転角度量に基づいて原点位置が判定される。
【００１５】
したがって、第１姿勢検出手段または第２姿勢検出手段の誤差の範囲で関節を回転させるだけでよいので、基準信号を入力するまでの関節の回転角度量が少なくてすみ、脚車輪型ロボットに適用した場合は、脚車輪型ロボットが転倒しにくい。
ここで、第１姿勢検出手段または第２姿勢検出手段の誤差とは、第１姿勢検出手段および第２姿勢検出手段の一方または両方の誤差をいう。第１姿勢検出手段の誤差と第２姿勢検出手段の誤差が異なるときは、判定精度を向上する観点からは、大きい方または両方の誤差の範囲で関節を回転させることが好ましく、転倒を防止する観点からは、一方の誤差（特に小さい方の誤差）の範囲で関節を回転させることが好ましい。
【００１６】
〔発明４〕  さらに、発明４の原点位置判定装置は、発明３の原点位置判定装置において、前記回転角度差および前記回転角度量と前記原点位置とを対応付けた原点位置対応テーブルをさらに備え、前記原点位置判定手段は、前記算出した回転角度差および前記回転駆動手段による前記関節の回転角度量に対応する前記原点位置を前記原点位置対応テーブルから取得することにより前記原点位置を判定する。
【００１７】
このような構成であれば、基準信号を入力すると、原点位置判定手段により、算出された回転角度差および回転駆動手段による関節の回転角度量に対応する原点位置が原点位置対応テーブルから取得される。
したがって、原点位置対応テーブルに位置関係を規定しておけばよく、ロータリーエンコーダが基準信号を出力する回転角度位置（例えば、Ｚ相パルス信号の検出位置）と、関節の設置位置との関係を考慮してロータリーエンコーダを設けなくてもすむので、ロータリーエンコーダの取付が容易となる。
【００１８】
〔発明５〕  さらに、発明５の原点位置判定装置は、発明３および４のいずれか１の原点位置判定装置において、前記第１姿勢検出手段または前記第２姿勢検出手段の誤差の範囲で前記関節を回転させて前記ロータリーエンコーダから前記基準信号が出力されるように前記減速機の減速比を設定した。
このような構成であれば、減速機は、第１姿勢検出手段または第２姿勢検出手段の誤差の範囲で関節を回転させてロータリーエンコーダから基準信号が出力されるように減速比が設定されているので、ロータリーエンコーダの取付回転角度位置にかかわらず、第１姿勢検出手段または第２姿勢検出手段の誤差の範囲で関節を回転させれば原点位置を判定することができる。
【００１９】
〔発明６〕  一方、上記目的を達成するために、発明６の脚車輪型ロボットは、基体と、前記基体に対して自由度を有して連結された脚部と、前記脚部に回転可能に設けられた車輪とを備え、前記脚部の駆動および前記車輪の回転により移動する脚車輪型ロボットであって、前記脚部は、関節を介して連結された第１リンクおよび第２リンクからなり、前記第１リンクおよび前記第２リンクの相対回転角度が所定角度に達したときに基準信号を出力する基準点検出手段と、前記第１リンクまたはこれと連動する部位の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する第１姿勢検出手段と、前記第２リンクまたはこれと連動する部位の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する第２姿勢検出手段と、前記第１姿勢検出手段および前記第２姿勢検出手段からの姿勢検出信号、並びに前記基準点検出手段からの基準信号に基づいて前記第１リンクおよび前記第２リンクの原点位置を判定する原点位置判定手段とを備える。
【００２０】
このような構成であれば、第１姿勢検出手段により、第１リンクまたはこれと連動する部位の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号が、第２姿勢検出手段により、第２リンクまたはこれと連動する部位の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号がそれぞれ出力される。また、関節が回転し、第１リンクおよび第２リンクの相対回転角度が所定角度に達すると、基準点検出手段により基準信号が出力される。そして、原点位置判定手段により、第１姿勢検出手段および第２姿勢検出手段からの姿勢検出信号、並びに基準点検出手段からの基準信号に基づいて原点位置が判定される。
【００２１】
したがって、第１姿勢検出手段および第２姿勢検出手段からの姿勢検出信号で第１リンクおよび第２リンクの粗い相対回転角度を判定できるとともに、基準点検出手段からの基準信号で第１リンクおよび第２リンクの細かい相対回転角度を判定できるので、関節の回転角度量が少なくてすみ、脚車輪型ロボットが転倒しにくい。
また、脚車輪型ロボットには、通常、脚部を駆動する複雑な姿勢制御を行うために姿勢検出手段が設けられているので、姿勢検出手段を流用することができ、原点センサ等の専用センサを別途設ける必要がない。
【００２２】
ここで、第１リンクと連動する部位とは、第１リンクと連なって動作する部位であって、自身の姿勢から第１リンクの姿勢を間接的に特定できるものをいい、これには、例えば、基体や車輪が含まれる。
また、第２リンクと連動する部位とは、第２リンクと連なって動作する部位であって、自身の姿勢から第２リンクの姿勢を間接的に特定できるものをいい、これには、例えば、基体や車輪が含まれる。
【００２３】
〔発明７〕  さらに、発明７の脚車輪型ロボットは、基体と、前記基体に対して自由度を有して連結された脚部と、前記脚部に回転可能に設けられた車輪とを備え、前記脚部の駆動および前記車輪の回転により移動する脚車輪型ロボットであって、前記基体は、関節を介して連結された第１基体および第２基体とからなり、前記第１基体および前記第２基体の相対回転角度が所定角度に達したときに基準信号を出力する基準点検出手段と、前記第１基体またはこれと連動する部位の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する第１姿勢検出手段と、前記第２基体またはこれと連動する部位の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する第２姿勢検出手段と、前記第１姿勢検出手段および前記第２姿勢検出手段からの姿勢検出信号、並びに前記基準点検出手段からの基準信号に基づいて前記第１基体および前記第２基体の原点位置を判定する原点位置判定手段とを備える。
【００２４】
このような構成であれば、発明６の脚車輪型ロボットと同等の作用が得られる。
ここで、第１基体と連動する部位とは、第１基体と連なって動作する部位であって、自身の姿勢から第１基体の姿勢を間接的に特定できるものをいい、これには、例えば、脚部や車輪が含まれる。
また、第２基体と連動する部位とは、第２基体と連なって動作する部位であって、自身の姿勢から第２基体の姿勢を間接的に特定できるものをいい、これには、例えば、脚部や車輪が含まれる。
【００２５】
〔発明８〕  一方、上記目的を達成するために、発明８の原点位置判定方法は、関節を介して連結された第１部材および第２部材の原点位置を判定する原点位置判定方法であって、前記第１部材および前記第２部材の相対回転角度が所定角度に達したときに基準信号を出力する基準点検出ステップと、前記第１部材またはこれと連動する部位の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する第１姿勢検出ステップと、前記第２部材またはこれと連動する部位の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する第２姿勢検出ステップと、前記第１姿勢検出ステップおよび前記第２姿勢検出ステップで出力した姿勢検出信号、並びに前記基準点検出ステップで出力した基準信号に基づいて前記原点位置を判定する原点位置判定ステップとを含む。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように、発明１の原点位置判定装置によれば、原点位置の判定を行うのに関節の回転角度量が少なくてすみ、脚車輪型ロボットに適用した場合は、従来に比して、脚車輪型ロボットが転倒する可能性を低減することができるという効果が得られる。また、脚車輪型ロボットに適用した場合は、姿勢検出手段を流用することができ、原点センサ等の専用センサを別途設ける必要がないので、従来に比して、部品点数および重量の増加を抑制することができるという効果も得られる。
【００２７】
さらに、発明２の原点位置判定装置によれば、原点位置の判定を行うのに関節の回転角度量がさらに少なくてすみ、脚車輪型ロボットに適用した場合は、脚車輪型ロボットが転倒する可能性をさらに低減することができるという効果が得られる。
さらに、発明４の原点位置判定装置によれば、原点位置対応テーブルに位置関係を規定しておけばよく、ロータリーエンコーダが基準信号を出力する回転角度位置と、関節の設置位置との関係を考慮してロータリーエンコーダを設けなくてもすむので、ロータリーエンコーダの取付が容易となるという効果が得られる。
【００２８】
さらに、発明５の原点位置判定装置によれば、ロータリーエンコーダの取付回転角度位置にかかわらず、第１姿勢検出手段または第２姿勢検出手段の誤差の範囲で関節を回転させれば原点位置を判定することができるという効果が得られる。
一方、発明６の脚車輪型ロボットによれば、原点位置の判定を行うのに関節の回転角度量が少なくてすみ、従来に比して、脚車輪型ロボットが転倒する可能性を低減することができるという効果が得られる。また、姿勢検出手段を流用することができ、原点センサ等の専用センサを別途設ける必要がないので、従来に比して、部品点数および重量の増加を抑制することができるという効果も得られる。
【００２９】
さらに、発明７の脚車輪型ロボットによれば、発明６の脚車輪型ロボットと同等の効果が得られる。
一方、発明８の原点位置判定方法によれば、発明１の原点位置判定装置と同等の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
〔第１の実施の形態〕
以下、本発明の第１の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１ないし図８は、本発明に係る原点位置判定装置および脚車輪型ロボット、並びに原点位置判定方法の第１の実施の形態を示す図である。
まず、本発明を適用する脚車輪型ロボット１００の構成を説明する。
【００３１】
図１は、脚車輪型ロボット１００の正面図である。
図２は、脚車輪型ロボット１００の側面図である。
脚車輪型ロボット１００は、図１および図２に示すように、基体１０と、基体１０に連結された４つの脚部１２とを有して構成されている。
基体１０の前部には、２本の脚部１２が回転関節１４を介して左右対称の位置に連結されている。また、基体１０の後部には、２本の脚部１２が回転関節１４を介して左右対称の位置に連結されている。回転関節１４は、脚車輪型ロボット１００の底面と直交する方向を軸方向として回転する。すなわち、ヨー軸回りに回転する。
【００３２】
各脚部１２には、２つの回転関節１６、１８が設けられている。回転関節１４は、下方を軸方向として回転し、回転関節１６、１８は、回転関節１４が図１の状態であるときは、脚車輪型ロボット１００の側面と直交する方向を軸方向として回転する。すなわち、回転関節１４が図１の状態であるときは、ピッチ軸回りに回転し、回転関節１４が図１の状態から９０度回転した状態であるときは、ロール軸回りに回転する。したがって、脚部１２は、それぞれ３自由度を有する。
【００３３】
各脚部１２の先端には、回転関節１６、１８と軸方向を同一にして駆動輪２０が回転可能に設けられている。
各脚部１２の先端には、脚車輪型ロボット１００の移動経路上に存在する物体までの距離を測定する前方脚先センサ２２と、接地面までの距離を測定する下方脚先センサ２４とが設けられている。
【００３４】
一方、基体１０の正面には、３次元距離測定装置２００が取り付けられている。３次元距離測定装置２００は、測距センサの測定方向に対して直交する２つの軸回りに測距センサを回転させ、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。
３次元距離測定装置２００の座標系（以下、センサ座標系という。）は、基体１０の奥行き（前後の長さ）方向をｘrs軸、基体１０の幅（左右の長さ）方向をｙrs軸、基体１０の高さ方向をｚrs軸とする。なお、測距センサの原点位置においては、測距センサの測定方向がｘrs軸と一致し、測距センサの第１回転軸がｙrs軸と一致する。測距センサの第１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、測距センサの第１回転軸をｙrs’軸と表記する。
【００３５】
次に、脚部１２の構成を説明する。
図３は、脚部１２の側面図である。
脚部１２は、図３に示すように、回転関節１６、１８がそれぞれ両端に連結する上部リンク８０と、回転関節１８および駆動輪２０がそれぞれ両端に連結する下部リンク８２とを有して構成されている。上部リンク８０および下部リンク８２は、回転関節１８を介して回転可能に連結される。
【００３６】
上部リンク８０には、上部リンク８０の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する上部姿勢センサ８０ａが設けられている。下部リンク８２には、下部リンク８２の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する下部姿勢センサ８２ａが設けられている。
上部姿勢センサ８０ａおよび下部姿勢センサ８２ａとしては、例えば、傾きに応じた圧電素子への負荷により圧電素子から出力される電圧から加速度を検出する圧電型の加速度センサ、コンデンサの電極間で傾きに応じて可動する可動電極をスプリングに接続し可動電極の動きによるコンデンサの静電容量の変化から加速度を検出するスプリング容量型の加速度センサ、コンデンサの電極間に液体を封入し傾きに応じた液体の電極との接触面積の違いによるコンデンサの静電容量の変化から加速度を検出する液体封入型の加速度センサ、半導体の結晶に加わる外力による結晶歪に応じたキャリア数やキャリアの移動度の変化により抵抗値が変化するピエゾ抵抗効果を利用した加速度センサ、水準器によって示される傾きを可変抵抗器等に対応させて電気信号として検出する姿勢センサ、その他の公知の姿勢センサを採用することができる。なお、上部姿勢センサ８０ａおよび下部姿勢センサ８２ａは、同種の姿勢センサで構成してもよいし、異種の姿勢センサで構成してもよい。
【００３７】
次に、脚車輪型ロボット１００の移動制御システムの構成を説明する。
図４は、脚車輪型ロボット１００の移動制御システムの構成を示すブロック図である。
各脚部１２の回転関節１４〜１８には、図４に示すように、回転関節１４〜１８を回転駆動する関節モータ４０がそれぞれ設けられている。各関節モータ４０には、関節モータ４０の回転角度位置を検出するＩＮＣ（Increment）型のロータリーエンコーダ４２と、モータ指令信号およびロータリーエンコーダ４２の出力信号に基づいて関節モータ４０の駆動を制御するドライバ４４が設けられている。
【００３８】
各脚部１２の駆動輪２０には、駆動輪２０を回転駆動する車輪モータ５０がそれぞれ設けられている。各車輪モータ５０には、車輪モータ５０の回転角度位置を検出するロータリーエンコーダ５２と、モータ指令信号およびロータリーエンコーダ５２の出力信号に基づいて車輪モータ５０の駆動を制御するドライバ５４が設けられている。
脚車輪型ロボット１００は、さらに、ＣＰＵ６０と、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるメモリ６６と、脚車輪型ロボット１００の姿勢を検出する３軸姿勢センサ７０と、外部のＰＣ等と無線通信を行う無線通信部７４と、無線通信部７４とＣＰＵ６０の入出力を中継するハブ７６と、警告音等を出力するスピーカ７８とを有して構成されている。
【００３９】
３軸姿勢センサ７０は、ジャイロ若しくは加速度センサ、またはその両方を有し、地軸に対して脚車輪型ロボット１００の姿勢の傾きを検出する。
ＣＰＵ６０は、モータ指令出力Ｉ／Ｆ６１を介してドライバ４４、５４にモータ指令信号を出力し、角度取込Ｉ／Ｆ６２を介してロータリーエンコーダ４２、５２の出力信号を入力する。また、センサ入力Ｉ／Ｆ６３を介して、３次元距離測定装置２００、上部姿勢センサ８０ａ、下部姿勢センサ８２ａ、前方脚先センサ２２、下方脚先センサ２４および３軸姿勢センサ７０からそれぞれセンサ信号を入力する。また、通信Ｉ／Ｆ６４を介してハブ７６と信号の入出力を行い、サウンド出力Ｉ／Ｆ６５を介してスピーカ７８に音声信号を出力する。
【００４０】
メモリ６６には、原点位置対応テーブルが記憶されている。原点位置対応テーブルには、姿勢検出信号に基づいて算出される上部リンク８０および下部リンク８２の回転角度差（本実施の形態において、以下、粗関節角度という。）と、回転関節１８の回転角度量との複数の組み合わせについて、その粗関節角度および回転角度量により特定される上部リンク８０および下部リンク８２の回転角度差（本実施の形態において、以下、関節角度という。）が原点位置として対応付けられて登録されている。
【００４１】
次に、３次元距離測定装置２００の構成を説明する。
３次元距離測定装置２００は、測距センサと、測距センサをｙrs’軸回りに回転させるｙrs’軸回転機構と、測距センサをｚrs軸回りに回転させるｚrs軸回転機構と、測距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有して構成されている。
【００４２】
センシングプロセッサは、まず、ＣＰＵ６０からの指令信号に基づいて、ｙrs’軸回転機構およびｚrs軸回転機構の走査角度範囲およ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、測距センサを走査単位角度ずつｙrs’軸回りに回転させるとともに、各走査角度に応じた距離情報を測定する第１走査処理を実行する。
【００４３】
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メモリ６６に記憶する。
【００４４】
ｙrs’軸回りの走査範囲で測定可能な領域（以下、走査平面という。）の１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、測距センサを走査単位角度ずつｚrs軸回りに回転させる第２走査処理を実行する。
すべ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６６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およ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／Ｆ６３を介して面データをＣＰＵ６０に出力する。
【００４５】
次に、ＣＰＵ６０で実行される処理を説明する。
ＣＰＵ６０は、メモリ６６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、図５および図６のフローチャートに示す原点位置判定処理および昇降制御処理を実行する。
【００４６】
初めに、原点位置判定処理を説明する。
図５は、原点位置判定処理を示すフローチャートである。
原点位置判定処理は、電源投入時に実行される処理であって、ＣＰＵ６０において実行されると、まず、図５に示すように、ステップＳ１００に移行する。
ステップＳ１００では、上部姿勢センサ８０ａから姿勢検出信号を入力し、ステップＳ１０２に移行して、下部姿勢センサ８２ａから姿勢検出信号を入力し、ステップＳ１０４に移行する。
【００４７】
ステップＳ１０４では、入力した２つの姿勢検出信号に基づいて粗関節角度を算出する。粗関節角度は、例えば、２つの姿勢検出信号の差分をとることにより算出することができる。ここで、上部姿勢センサ８０ａおよび下部姿勢センサ８２ａの精度がεである場合、粗関節角度には２εの誤差が生じる。本実施の形態では、この誤差２εをロータリーエンコーダ４２で補正し、関節角度を求める。
【００４８】
ロータリーエンコーダ４２は、減速機（不図示）を介して回転関節１８に連結されている。ここで、減速機は、回転関節１８の回転角度量が−ε〜εの範囲でロータリーエンコーダ４２からＺ相パルス信号が少なくとも１回出力されるように減速比が設定されている。例えば、ε＝１°であれば、減速比は、１：１８０以上に設定する。
次いで、ステップＳ１０６に移行して、回転関節１８の関節モータ４０を正転駆動させ、ステップＳ１０８に移行して、回転関節１８のロータリーエンコーダ４２からＺ相パルス信号を入力したか否かを判定し、Ｚ相パルス信号を入力したと判定したとき(Yes)は、ステップＳ１１０に移行する。
【００４９】
ステップＳ１１０では、回転関節１８のロータリーエンコーダ４２からカウントパルス信号を入力したか否かを判定し、カウントパルス信号を入力したと判定したとき(Yes)は、ステップＳ１１２に移行して、回転関節１８の関節モータ４０を停止させ、ステップＳ１１４に移行する。
ステップＳ１１４では、算出した粗関節角度および回転関節１８の回転角度量に対応する原点位置を原点位置対応テーブルから取得する。ここで、回転関節１８の回転角度量とは、関節モータ４０の回転開始時における回転関節１８の回転角度位置と、関節モータ４０の停止時における回転関節１８の回転角度位置との差分であり、例えば、回転関節１８のロータリーエンコーダ４２から入力したカウントパルス信号に基づいて算出することができる。
【００５０】
次いで、ステップＳ１１６に移行して、取得した原点位置を回転関節１８の現在の関節角度として設定し、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Ｓ１１０で、カウントパルス信号を入力しないと判定したとき(No)は、カウントパルス信号を入力するまでステップＳ１１０で待機する。
一方、ステップＳ１０８で、Ｚ相パルス信号を入力しないと判定したとき(No)は、ステップＳ１１８に移行して、回転関節１８の回転角度量がεよりも大きいか否かを判定し、εよりも大きいと判定したとき(Yes)は、ステップＳ１２０に移行する。
【００５１】
ステップＳ１２０では、回転関節１８の関節モータ４０を逆転駆動させ、ステップＳ１２２に移行して、回転関節１８のロータリーエンコーダ４２からＺ相パルス信号を入力したか否かを判定し、Ｚ相パルス信号を入力したと判定したとき(Yes)は、ステップＳ１１０に移行する。
一方、ステップＳ１２２で、Ｚ相パルス信号を入力しないと判定したとき(No)は、ステップＳ１２４に移行して、回転関節１８の回転角度量が−εよりも小さいか否かを判定し、−εよりも小さいと判定したとき(Yes)は、ステップＳ１２６に移行する。
【００５２】
ステップＳ１２６では、原点位置を判定できない場合のエラー処理を実行し、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Ｓ１２４で、回転関節１８の回転角度量が−ε以上であると判定したとき(No)は、ステップＳ１２２に移行する。
一方、ステップＳ１１８で、回転関節１８の回転角度量がε以下であると判定したとき(No)は、ステップＳ１０８に移行する。
【００５３】
次に、昇降制御処理を説明する。
図６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１２の昇降制御を行う処理であって、ＣＰＵ６０において実行されると、まず、図６に示すように、ステップＳ２００に移行する。
ステップＳ２００では、３次元距離測定装置２００から面データを入力し、ステップＳ２０２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。
【００５４】
次いで、ステップＳ２０４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Ｓ２０６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Ｓ２０８に移行する。
ステップＳ２０８では、算出した階段の幅および段鼻部の実座標、並びに３軸姿勢センサ７０のセンサ信号に基づいて逆運動学計算および重心計算を行い、ステップＳ２１０に移行して、ステップＳ２０８の計算結果に基づいて脚先（駆動輪２０）の着地位置を決定し、ステップＳ２１２に移行する。
【００５５】
ステップＳ２１２では、前方脚先センサ２２および下方脚先センサ２４からそれぞれセンサ信号を入力し、ステップＳ２１４に移行して、入力した前方脚先センサ２２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Ｓ２１６に移行して、入力した下方脚先センサ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Ｓ２１８に移行する。
【００５６】
ステップＳ２１８では、決定した着地位置および算出した両距離に基づいてドライバ４４、５４へのモータ指令信号を生成し、ステップＳ２２０に移行して、生成したモータ指令信号をドライバ４４、５４に出力し、ステップＳ２２２に移行する。
ステップＳ２２２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。
【００５７】
一方、ステップＳ２２２で、脚先が着地しないと判定したとき(No)は、ステップＳ２１２に移行する。
次に、本実施の形態の動作を説明する。
初めに、脚車輪型ロボット１００の起動時の動作を説明する。
脚車輪型ロボット１００に電源が投入されると、ステップＳ１００〜Ｓ１０４を経て、ＣＰＵ６０により、上部姿勢センサ８０ａおよび下部姿勢センサ８２ａからそれぞれ姿勢検出信号が入力され、入力された２つの姿勢検出信号に基づいて粗関節角度が算出される。
【００５８】
図７は、関節モータ４０を正転駆動のみさせてＺ相パルス信号を検出する場合を示すグラフである。
次いで、ステップＳ１０６、Ｓ１０８、Ｓ１１８を経て、関節モータ４０が正転駆動することにより０〜εの範囲で回転関節１８が回転する。そして、図７に示すように、その回転中に、ロータリーエンコーダ４２からＺ相パルス信号を入力した後、最初のカウントパルス信号を入力すると、ステップＳ１１４、Ｓ１１６を経て、算出された粗関節角度および回転関節１８の回転角度量に対応する原点位置が原点位置対応テーブルから取得され、取得された原点位置が回転関節１８の現在の関節角度として設定される。
【００５９】
図８は、関節モータ４０を正転駆動および逆転駆動させてＺ相パルス信号を検出する場合を示すグラフである。
これに対し、０〜εの範囲でＺ相パルス信号を検出できない場合は、ステップＳ１２０〜Ｓ１２４を経て、関節モータ４０が逆転駆動することによりε〜−εの範囲で回転関節１８が回転する。そして、図８に示すように、その回転中に、ロータリーエンコーダ４２からＺ相パルス信号を入力した後、最初のカウントパルス信号を入力すると、ステップＳ１１４、Ｓ１１６を経て、算出された粗関節角度および回転関節１８の回転角度量に対応する原点位置が原点位置対応テーブルから取得され、取得された原点位置が回転関節１８の現在の関節角度として設定される。
【００６０】
したがって、誤差２εの範囲で回転関節１８を回転させるだけでよいので、Ｚ相パルス信号を入力するまでの回転関節１８の回転角度量が少なくてすみ、脚車輪型ロボット１００が転倒しにくい。
また、脚車輪型ロボット１００には、脚部１２を駆動する複雑な姿勢制御を行うために上部姿勢センサ８０ａおよび下部姿勢センサ８２ａが設けられているので、これらを流用することができ、原点センサ等の専用センサを別途設ける必要がない。
【００６１】
次に、脚車輪型ロボット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、３次元距離測定装置２００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Ｓ２００、Ｓ２０２を経て、ＣＰＵ６０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Ｓ２０４〜Ｓ２１０を経て、検出された階段の特徴点に基づいて階段の幅および段鼻部の実座標が算出され、算出された階段の幅およ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。
【００６２】
さらに、ステップＳ２１２〜Ｓ２１６を経て、脚先センサ２２、２４からそれぞれセンサ信号が入力され、蹴込板までの距離および脚先と踏板の位置関係が算出される。そして、ステップＳ２１８、Ｓ２２０を経て、決定された着地位置およ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４４、５４に出力される。これにより、駆動輪２０が回転するとともに回転関節１４〜１８が駆動し、脚車輪型ロボット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、停止する。したがって、脚型ロボットと同様に階段への適応性が高い。
【００６３】
一方、平地では、脚車輪型ロボット１００は、車輪走行で移動することができる。したがって、車輪型ロボットと同様に平地での移動性が高い。
このようにして、本実施の形態では、回転関節１８の関節角度が所定角度に達したときにＺ相パルス信号を出力するロータリーエンコーダ４２と、上部リンク８０の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する上部姿勢センサ８０ａと、下部リンク８２の姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する下部姿勢センサ８２ａと、回転関節１８を回転駆動する関節モータ４０とを備え、上部姿勢センサ８０ａおよび下部姿勢センサ８２ａからの姿勢検出信号に基づいて粗関節角度を算出し、誤差２εの範囲で関節モータ４０により回転関節１８を回転させてロータリーエンコーダ４２からＺ相パルス信号を入力したときは、算出した粗関節角度および回転関節１８の回転角度量に基づいて原点位置を判定する。
【００６４】
これにより、原点位置の判定を行うのに回転関節１８の回転角度量が少なくてすみ、従来に比して、脚車輪型ロボット１００が転倒する可能性を低減することができる。また、上部姿勢センサ８０ａおよび下部姿勢センサ８２ａを流用することができ、原点センサ等の専用センサを別途設ける必要がないので、従来に比して、部品点数および重量の増加を抑制することができる。
【００６５】
さらに、本実施の形態では、ロータリーエンコーダ４２は、減速機を介して回転関節１８に連結されている。
これにより、原点位置の判定を行うのに回転関節１８の回転角度量がさらに少なくてすみ、脚車輪型ロボット１００が転倒する可能性をさらに低減することができる。
さらに、本実施の形態では、粗関節角度および回転関節１８の回転角度量と原点位置とを対応付けた原点位置対応テーブルをさらに備え、算出した粗関節角度および関節モータ４０による回転関節１８の回転角度量に対応する原点位置を原点位置対応テーブルから取得することにより原点位置を判定する。
【００６６】
これにより、原点位置対応テーブルに位置関係を規定しておけばよく、ロータリーエンコーダ４２がＺ相パルス信号を出力する回転角度位置と、回転関節１８の設置位置との関係を考慮してロータリーエンコーダ４２を設けなくてもすむので、ロータリーエンコーダ４２の取付が容易となる。
さらに、本実施の形態では、誤差２εの範囲で回転関節１８を回転させてロータリーエンコーダ４２からＺ相パルス信号が出力されるように減速機の減速比を設定した。
【００６７】
これにより、ロータリーエンコーダ４２の取付回転角度位置にかかわらず、誤差２εの範囲で回転関節１８を回転させれば原点位置を判定することができる。
さらに、本実施の形態では、測距センサをｙrs’軸回りに回転させるｙrs’軸回転機構と、測距センサをｚrs軸回りに回転させるｚrs軸回転機構とを備え、ｙrs’軸回転機構により測距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測距センサの測定結果を取得する第１走査を、ｚrs軸回転機構により測距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２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および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。
【００６８】
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、脚型ロボットや脚車輪型ロボット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、測距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。
【００６９】
さらに、本実施の形態では、脚先センサ２２、２４を備え、脚先センサ２２、２４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４０、５０を制御する。
これにより、脚先センサ２２、２４を用いて未知の階段を認識しながら脚部１２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。
【００７０】
さらに、本実施の形態では、３次元距離測定装置２００を基体１０の正面に設け、脚先センサ２２、２４を脚部１２の先端に設けた。
これにより、脚車輪型ロボット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ともに、階段昇降時に駆動輪２０と階段の距離を精度よく測定することができる。
【００７１】
さらに、本実施の形態では、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２０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１２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。
【００７２】
上記第１の実施の形態において、関節モータ４０は、発明３または４の回転駆動手段に対応し、ロータリーエンコーダ４２は、発明１、２または６の基準点検出手段に対応し、上部リンク８０は、発明１、３若しくは８の第１部材、または発明６の第１リンクに対応している。また、下部リンク８２は、発明１、３若しくは８の第２部材、または発明６の第２リンクに対応し、上部姿勢センサ８０ａは、発明１、３、５または６の第１姿勢検出手段に対応し、下部姿勢センサ８２ａは、発明１、３、５または６の第２姿勢検出手段に対応している。
【００７３】
また、上記第１の実施の形態において、ステップＳ１０４〜Ｓ１１４、Ｓ１１８〜Ｓ１２４は、発明１、３、４または６の原点位置判定手段に対応し、ステップＳ１０４〜Ｓ１１４、Ｓ１１８〜Ｓ１２４は、発明８の原点位置判定ステップに対応し、Ｚ相パルス信号は、発明１、３、５、６または８の基準信号に対応している。
【００７４】
〔第２の実施の形態〕
以下、本発明の第２の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図９ないし図１２は、本発明に係る原点位置判定装置および脚車輪型ロボット、並びに原点位置判定方法の第２の実施の形態を示す図である。
【００７５】
本実施の形態は、上記第１の実施の形態に対して、基体１０を屈曲可能な腰関節を有する脚車輪型ロボット１００の腰関節について適用した点が異なる。
まず、基体１０の構成を説明する。
図９は、脚車輪型ロボット１００の側面図である。
基体１０は、図９に示すように、基体前後方向の前側基体１０ａと、基体前後方向の後側基体１０ｂと、前側基体１０ａおよび後側基体１０ｂ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１０ｃとを有して構成されている。前側基体１０ａおよび後側基体１０ｂには、それぞれ２本の脚部１２が連結されている。
【００７６】
前側基体１０ａには、前側基体１０ａの姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する前側姿勢センサ１０ａａが設けられている。後側基体１０ｂには、後側基体１０ｂの姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する後側姿勢センサ１０ｂａが設けられている。前側姿勢センサ１０ａａおよび後側姿勢センサ１０ｂａは、上記第１の実施の形態における上部姿勢センサ８０ａおよび下部姿勢センサ８２ａと同様に構成することができる。
【００７７】
次に、腰関節１０ｃの構成を説明する。
図１０は、腰関節１０ｃの側面図である。
腰関節１０ｃは、図１０に示すように、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９０を備え、波動歯車装置９０を介して、前側基体１０ａおよび後側基体１０ｂをロール軸回りに相対変位可能な状態で連結している。
【００７８】
次に、波動歯車装置９０の構成を説明する。
図１１は、波動歯車装置９０の断面図である。
波動歯車装置９０は、図１１に示すように、回転中心となる楕円状のカムおよ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９１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９２と、内周面に形成されたフレクスプライン９２よりも多い歯を介してフレクスプライン９２に噛合するリング状のサーキュラスプライン９３とを有して構成されている。ここで、フレクスプライン９２が前側基体１０ａに連結され、サーキュラスプライン９３が後側基体１０ｂに連結されている。
【００７９】
一方、ウェーブジェネレータ９１のカムには、前側基体１０ａによって軸支された回転軸９４が連結され、回転軸９４には、従動プーリ９５が固定されている。前側基体１０ａには、回転軸９４と略平行なモータ軸を有する関節モータＭ１が固定されており、そのモータ軸には、従動プーリ９５と周方向に対向する駆動プーリ９６が固定されている。これら従動プーリ９５と駆動プーリ９６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、関節モータＭ１の動力をウェーブジェネレータ９１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。
【００８０】
上記の構成により、関節モータ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９１に伝達される。ウェーブジェネレータ９１の回転は、フレクスプライン９２とサーキュラスプライン９３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９３を回転させる。すなわち、関節モータＭ１により、前側基体１０ａおよび後側基体１０ｂをロール軸回りに相対変位させる。
【００８１】
次に、脚車輪型ロボット１００の移動制御システムの構成を説明する。
関節モータＭ１には、関節モータＭ１の回転角度位置を検出するＩＮＣ型のロータリーエンコーダ４２と、モータ指令信号およびロータリーエンコーダ４２の出力信号に基づいて関節モータＭ１の駆動を制御するドライバ４４が設けられている。
ＣＰＵ６０は、センサ入力Ｉ／Ｆ６３を介して、３次元距離測定装置２００、前側姿勢センサ１０ａａ、後側姿勢センサ１０ｂａ、前方脚先センサ２２、下方脚先センサ２４および３軸姿勢センサ７０からそれぞれセンサ信号を入力する。
【００８２】
メモリ６６には、原点位置対応テーブルが記憶されている。原点位置対応テーブルには、姿勢検出信号に基づいて算出される前側基体１０ａおよび後側基体１０ｂの回転角度差（本実施の形態において、以下、粗関節角度という。）と、腰関節１０ｃの回転角度量との複数の組み合わせについて、その粗関節角度および回転角度量により特定される前側基体１０ａおよび後側基体１０ｂの回転角度差（本実施の形態において、以下、関節角度という。）が原点位置として対応付けられて登録されている。
【００８３】
次に、原点位置判定処理を説明する。
本実施の形態に係る原点位置判定処理は、上記第１の実施の形態に対して、上部姿勢センサ８０ａおよび下部姿勢センサ８２ａに代えて前側姿勢センサ１０ａａおよび後側姿勢センサ１０ｂａを用いる点が異なる。なお、２εは、前側姿勢センサ１０ａａおよび後側姿勢センサ１０ｂａの誤差とする。
【００８４】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
初めに、脚車輪型ロボット１００の起動時の動作を説明する。
脚車輪型ロボット１００に電源が投入されると、ステップＳ１００〜Ｓ１０４を経て、ＣＰＵ６０により、前側姿勢センサ１０ａａおよび後側姿勢センサ１０ｂａからそれぞれ姿勢検出信号が入力され、入力された２つの姿勢検出信号に基づいて粗関節角度が算出される。
【００８５】
次いで、ステップＳ１０６、Ｓ１０８、Ｓ１１８を経て、関節モータＭ１が正転駆動することにより０〜εの範囲で腰関節１０ｃが回転する。そして、その回転中に、ロータリーエンコーダ４２からＺ相パルス信号を入力した後、最初のカウントパルス信号を入力すると、ステップＳ１１４、Ｓ１１６を経て、算出された粗関節角度および腰関節１０ｃの回転角度量に対応する原点位置が原点位置対応テーブルから取得され、取得された原点位置が腰関節１０ｃの現在の関節角度として設定される。
【００８６】
これに対し、０〜εの範囲でＺ相パルス信号を検出できない場合は、ステップＳ１２０〜Ｓ１２４を経て、関節モータＭ１が逆転駆動することによりε〜−εの範囲で腰関節１０ｃが回転する。そして、その回転中に、ロータリーエンコーダ４２からＺ相パルス信号を入力した後、最初のカウントパルス信号を入力すると、ステップＳ１１４、Ｓ１１６を経て、算出された粗関節角度および腰関節１０ｃの回転角度量に対応する原点位置が原点位置対応テーブルから取得され、取得された原点位置が腰関節１０ｃの現在の関節角度として設定される。
【００８７】
したがって、誤差２εの範囲で腰関節１０ｃを回転させるだけでよいので、Ｚ相パルス信号を入力するまでの腰関節１０ｃの回転角度量が少なくてすみ、脚車輪型ロボット１００が転倒しにくい。
また、脚車輪型ロボット１００には、脚部１２を駆動する複雑な姿勢制御を行うために前側姿勢センサ１０ａａおよび後側姿勢センサ１０ｂａが設けられているので、これらを流用することができ、原点センサ等の専用センサを別途設ける必要がない。
【００８８】
次に、腰関節１０ｃの動作を説明する。
図１２は、腰関節１０ｃの動作を説明するための図である。
腰関節１０ｃにより、前側基体１０ａと後側基体１０ｂとの間には、ロール軸回りの自由度が与えられるので、図１２に示すように、前側基体１０ａおよび後側基体１０ｂの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１０ａの右側の脚部１２を蹴り上げて上段地点へと踏み込む場合は、後側基体１０ｂに対する前側基体１０ａを、前方に向かって左回りに相対変位させることで、右側の脚部１２の股関節位置を上昇させる。これにより、脚部１２の長さが同一であっても、腰関節１０ｃのない脚車輪型ロボットに比して、脚部１２の可動範囲が広くなるので、昇降性能を向上させることができる。
【００８９】
このようにして、本実施の形態では、腰関節１０ｃの関節角度が所定角度に達したときにＺ相パルス信号を出力するロータリーエンコーダ４２と、前側基体１０ａの姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する前側姿勢センサ１０ａａと、後側基体１０ｂの姿勢に応じて変化する姿勢検出信号を出力する後側姿勢センサ１０ｂａと、腰関節１０ｃを回転駆動する関節モータＭ１とを備え、前側姿勢センサ１０ａａおよび後側姿勢センサ１０ｂａからの姿勢検出信号に基づいて粗関節角度を算出し、誤差２εの範囲で関節モータＭ１により腰関節１０ｃを回転させてロータリーエンコーダ４２からＺ相パルス信号を入力したときは、算出した粗関節角度および腰関節１０ｃの回転角度量に基づいて原点位置を判定する。
【００９０】
これにより、原点位置の判定を行うのに腰関節１０ｃの回転角度量が少なくてすみ、従来に比して、脚車輪型ロボット１００が転倒する可能性を低減することができる。また、前側姿勢センサ１０ａａおよび後側姿勢センサ１０ｂａを流用することができ、原点センサ等の専用センサを別途設ける必要がないので、従来に比して、部品点数および重量の増加を抑制することができる。
【００９１】
上記第２の実施の形態において、関節モータＭ１は、発明３または４の回転駆動手段に対応し、ロータリーエンコーダ４２は、発明１、２または７の基準点検出手段に対応し、前側基体１０ａは、発明１、３若しくは８の第１部材、または発明７の第１基体に対応している。また、後側基体１０ｂは、発明１、３若しくは８の第２部材、または発明７の第２基体に対応し、前側姿勢センサ１０ａａは、発明１、３、５または７の第１姿勢検出手段に対応し、後側姿勢センサ１０ｂａは、発明１、３、５または７の第２姿勢検出手段に対応している。
【００９２】
また、上記第２の実施の形態において、ステップＳ１０４〜Ｓ１１４、Ｓ１１８〜Ｓ１２４は、発明１、３、４または７の原点位置判定手段に対応し、ステップＳ１０４〜Ｓ１１４、Ｓ１１８〜Ｓ１２４は、発明８の原点位置判定ステップに対応し、Ｚ相パルス信号は、発明１、３、５、７または８の基準信号に対応している。
【００９３】
〔他の実施の形態〕
なお、上記第１および第２の実施の形態においては、ロータリーエンコーダ４２からＺ相パルス信号を入力した後、最初のカウントパルス信号を入力したときは、カウントパルス信号を入力した回転角度位置を原点位置として判定するように構成したが、これに限らず、ロータリーエンコーダ４２からＺ相パルス信号を入力したときは、Ｚ相パルス信号を入力した回転角度位置を原点位置として判定するように構成することもできる。
【００９４】
また、上記第１および第２の実施の形態においては、粗関節角度の算出をＺ相パルス信号の検出前に行うように構成したが、これに限らず、Ｚ相パルス信号の検出後に行うように構成することもできる。
また、上記第１および第２の実施の形態においては、０〜εの範囲およびε〜−εの範囲で回転関節１８または腰関節１０ｃを回転させるように構成したが、これに限らず、（１）０〜２εの範囲、（２）０〜ｘ（０＜ｘ＜２ε）の範囲およびｘ〜ｘ−２εの範囲、（３）０〜−２εの範囲、または（４）０〜ｙ（−２ε＜ｙ＜０）の範囲およびｙ〜ｙ＋２εの範囲で回転関節１８または腰関節１０ｃを回転させるように構成することもできる。
【００９５】
また、上記第２の実施の形態においては、腰関節１０ｃにより、前側基体１０ａおよび後側基体１０ｂをロール軸回りに相対変位可能な状態で連結したが、これに限らず、前側基体１０ａおよび後側基体１０ｂをピッチ軸回りまたはヨー軸回りに相対変位可能な状態で連結することもできる。
図１３は、前側基体１０ａおよび後側基体１０ｂをピッチ軸回りに相対変位可能な状態で連結した場合を示す図である。
【００９６】
図１３の例では、前側基体１０ａおよび後側基体１０ｂは、腰関節によりピッチ軸回りに相対変位可能な状態で連結されている。これにより、前側基体１０ａおよび後側基体１０ｂの一方に対して他方を、上下方向に傾けて、側面視「く」の字型に屈曲させることができる。したがって、腰関節のない脚車輪型ロボットよりも、昇降性能を向上させることができる。
【００９７】
図１４は、前側基体１０ａおよび後側基体１０ｂをヨー軸回りに相対変位可能な状態で連結した場合を示す図である。
図１４の例では、前側基体１０ａおよび後側基体１０ｂは、腰関節によりヨー軸回りに相対変位可能な状態で連結されている。これにより、前側基体１０ａおよび後側基体１０ｂの一方に対して他方を、左右方向に傾けて、平面視「く」の字型に屈曲させることができる。したがって、腰関節のない脚車輪型ロボットよりも、昇降性能を向上させることができる。
【００９８】
なお、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２つを複合した腰関節を備えてもよい。
また、上記第２の実施の形態においては、波動歯車装置９０を介して前側基体１０ａおよび後側基体１０ｂを連結したが、これに限らず、図１５に示すように、ディファレンシャルギヤ９７を介して前側基体１０ａおよび後側基体１０ｂを連結することもできる。これにより、より安価に実施することができる。
【００９９】
図１５は、ディファレンシャルギヤ９７で構成した腰関節１０ｃの側面図である。
また、上記第１の実施の形態においては、上部姿勢センサ８０ａを上部リンク８０に設けたが、これに限らず、回転関節１４、１６がそれぞれ両端に連結するリンク、基体１０、その他上部リンク８０に連動する部位に設けることもできる。この場合、上部姿勢センサ８０ａの取付部位と上部リンク８０との変位関係、並びに上部姿勢センサ８０ａおよび下部姿勢センサ８２ａからの姿勢検出信号に基づいて粗関節角度を算出する。
【０１００】
また、上記第１の実施の形態においては、下部姿勢センサ８２ａを下部リンク８２に設けたが、これに限らず、駆動輪２０の近傍、その他下部リンク８２に連動する部位に設けることもできる。この場合、下部姿勢センサ８２ａの取付部位と下部リンク８２との変位関係、並びに上部姿勢センサ８０ａおよび下部姿勢センサ８２ａからの姿勢検出信号に基づいて粗関節角度を算出する。
【０１０１】
また、上記第２の実施の形態においては、前側姿勢センサ１０ａａを前側基体１０ａに設けたが、これに限らず、回転関節１４〜１８がそれぞれ両端に連結するリンク、駆動輪２０の近傍、その他前側基体１０ａに連動する部位に設けることもできる。この場合、前側姿勢センサ１０ａａの取付部位と前側基体１０ａとの変位関係、並びに前側姿勢センサ１０ａａおよび後側姿勢センサ１０ｂａからの姿勢検出信号に基づいて粗関節角度を算出する。
【０１０２】
また、上記第２の実施の形態においては、後側姿勢センサ１０ｂａを後側基体１０ｂに設けたが、これに限らず、回転関節１４〜１８がそれぞれ両端に連結するリンク、駆動輪２０の近傍、その他後側基体１０ｂに連動する部位に設けることもできる。この場合、後側姿勢センサ１０ｂａの取付部位と後側基体１０ｂとの変位関係、並びに前側姿勢センサ１０ａａおよび後側姿勢センサ１０ｂａからの姿勢検出信号に基づいて粗関節角度を算出する。
【０１０３】
また、上記第１の実施の形態において、原点位置対応テーブルでは、関節角度を原点位置として対応付けたが、これに限らず、上部リンク８０または下部リンク８２の回転角度位置を原点位置として対応付けてもよいし、上部リンク８０または下部リンク８２の所定の基準回転角度位置からの回転角度差を原点位置として対応付けてもよい。これらは、粗関節角度および回転関節１８の回転角度量により特定することができる。
【０１０４】
また、上記第２の実施の形態において、原点位置対応テーブルでは、関節角度を原点位置として対応付けたが、これに限らず、前側基体１０ａまたは後側基体１０ｂの回転角度位置を原点位置として対応付けてもよいし、前側基体１０ａまたは後側基体１０ｂの所定の基準回転角度位置からの回転角度差を原点位置として対応付けてもよい。これらは、粗関節角度および腰関節１０ｃの回転角度量により特定することができる。
【０１０５】
また、上記第１の実施の形態においては、本発明に係る原点位置判定装置および脚車輪型ロボット、並びに原点位置判定方法を回転関節１８について適用したが、これに限らず、回転関節１４、１６についても同様に適用することができる。また、一部の脚部１２の回転関節１４〜１８について適用することもできるし、すべての脚部１２の回転関節１４〜１８について適用することもできる。
【０１０６】
また、上記第１および第２の実施の形態においては、減速機を介してロータリーエンコーダ４２を回転関節１８または腰関節１０ｃに連結したが、これに限らず、減速機を介さずに連結することもできる。
また、上記第１および第２の実施の形態において、図５および図６のフローチャートに示す処理を実行するにあたってはいずれも、メモリ６６にあらかじめ格納されている制御プログラムを実行する場合について説明したが、これに限らず、これらの手順を示したプログラムが記憶された記憶媒体から、そのプログラムをメモリ６６に読み込んで実行するようにしてもよい。
【０１０７】
ここで、記憶媒体とは、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の半導体記憶媒体、ＦＤ、ＨＤ等の磁気記憶型記憶媒体、ＣＤ、ＣＤＶ、ＬＤ、ＤＶＤ等の光学的読取方式記憶媒体、ＭＯ等の磁気記憶型／光学的読取方式記憶媒体であって、電子的、磁気的、光学的等の読み取り方法のいかんにかかわらず、コンピュータで読み取り可能な記憶媒体であれば、あらゆる記憶媒体を含むものである。
【０１０８】
また、上記第１および第２の実施の形態においては、本発明に係る原点位置判定装置および脚車輪型ロボット、並びに原点位置判定方法を脚車輪型ロボット１００に適用したが、これに限らず、本発明の主旨を逸脱しない範囲で他の場合にも適用可能である。例えば、直動関節で脚構造を実現する脚車輪型ロボットや他の構成のロボット、車両その他の装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】脚車輪型ロボット１００の正面図である。
【図２】脚車輪型ロボット１００の側面図である。
【図３】脚部１２の側面図である。
【図４】脚車輪型ロボット１００の移動制御システムの構成を示すブロック図である。
【図５】原点位置判定処理を示すフローチャートである。
【図６】昇降制御処理を示すフローチャートである。
【図７】関節モータ４０を正転駆動のみさせてＺ相パルス信号を検出する場合を示すグラフである。
【図８】関節モータ４０を正転駆動および逆転駆動させてＺ相パルス信号を検出する場合を示すグラフである。
【図９】脚車輪型ロボット１００の側面図である。
【図１０】腰関節１０ｃの側面図である。
【図１１】波動歯車装置９０の断面図である。
【図１２】腰関節１０ｃの動作を説明するための図である。
【図１３】前側基体１０ａおよび後側基体１０ｂをピッチ軸回りに相対変位可能な状態で連結した場合を示す図である。
【図１４】前側基体１０ａおよび後側基体１０ｂをヨー軸回りに相対変位可能な状態で連結した場合を示す図である。
【図１５】ディファレンシャルギヤ９７で構成した腰関節１０ｃの側面図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１００                    脚車輪型ロボット
１０                      基体
１０ａ                    前側基体
１０ａａ                  前側姿勢センサ
１０ｂ                    後側基体
１０ｂａ                  後側姿勢センサ
１０ｃ                    腰関節
１２                      脚部
１４〜１８                回転関節
２０                      駆動輪
２２                      前方脚先センサ
２４                      下方脚先センサ
４０、Ｍ１                関節モータ
４２、５２                ロータリーエンコーダ
４４、５４                ドライバ
５０                      車輪モータ
６０                      ＣＰＵ
６１                      モータ指令出力Ｉ／Ｆ
６２                      角度取込Ｉ／Ｆ
６３                      センサ入力Ｉ／Ｆ
６４                      通信Ｉ／Ｆ
６５                      サウンド出力Ｉ／Ｆ
６６                      メモリ
７０                      ３軸姿勢センサ
７４                      無線通信部
７６                      ハブ
７８                      スピーカ
８０                      上部リンク
８０ａ                    上部姿勢センサ
８２                      下部リンク
８２ａ                    下部姿勢センサ
９０                      波動歯車装置
９１                      ウェーブジェネレータ
９２                      フレクスプライン
９３                      サーキュラスプライン
９４                      回転軸
９５                      従動プーリ
９６                      駆動プーリ
９７                      ディファレンシャルギヤ
２００                    ３次元距離測定装置
【図１】
2010005730.tif 000003
【図２】
2010005730.tif 000004
【図３】
2010005730.tif 000005
【図４】
2010005730.tif 000006
【図５】
2010005730.tif 000007
【図６】
2010005730.tif 000008
【図７】
2010005730.tif 000009
【図８】
2010005730.tif 000010
【図９】
2010005730.tif 000011
【図１０】
2010005730.tif 000012
【図１１】
2010005730.tif 000013
【図１２】
2010005730.tif 000014
【図１３】
2010005730.tif 000015
【図１４】
2010005730.tif 000016
【図１５】
2010005730.tif 000017