(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴体部と、胴体部の下部両側に取り付けられた脚部と、胴体部の上部両側に取り付けられた腕部と、胴体部の上端に取り付けられた頭部と、を備えており、
上記脚部が、胴体部に対して三軸方向に揺動可能に取り付けられた二つの大腿部と、各大腿部の下端に対してそれぞれ一軸方向に揺動可能に取り付けられた下腿部と、各下腿部の下端に対して二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部と、を含んでいて、
上記腕部が、胴体部に対して一端が二軸方向に揺動可能に取り付けられた二つの上腕部と、各上腕部の他端に対してそれぞれ一軸方向に揺動可能に取り付けられた下腕部と、各下腕部に対して一軸方向に揺動可能に取り付けられた手部と、を含んでおり、
さらに、上記脚部の足部，下腿部，大腿部そして上記腕部の手部，下腕部及び上腕部そして胸部をそれぞれ揺動させる駆動手段と、各駆動手段をそれぞれ駆動制御する歩行制御装置とを有している二脚歩行式人型ロボットにおいて、
上記胴体部が、下方の腰部と、連結機構を介してこの腰部に対して二軸方向に揺動可能に取り付けられた上方の胸部と、胸部を二軸方向に揺動させる駆動手段と、から構成されていて、
上記連結機構が、上記胸部に取り付けられていて下端に垂直回転軸として作用する回転部材を備えた胸フレームと、上記腰部に取り付けられた腰フレームと、これらの胸フレームと腰フレームとを相互に連結する揺動部材とから構成され、
上記揺動部材が、上面に円環状に形成されたガイドに沿って、リングユニットにより等角度間隔に保持された複数個の球体を備えており、このリングユニットが、その内径部に上記胸フレームの下面に取り付けられた回転部材を受容することにより、上記胸フレームをスラスト方向及びラジアル方向に支持するようになっており、
上記腰フレームが、中心より前方にずれた位置に配設された水平回転軸を備え、この水平回転軸に対して上記揺動部材が揺動可能に支持されていることを特徴とする、二脚歩行式人型ロボット。
【請求項２】
前記歩行制御装置が、前記腕部及び胸部を駆動することにより、これらの腕部及び胸部の重量及び慣性モーメントを利用して、全身運動を行なわせることを特徴とする、請求項１に記載の二脚歩行式人型ロボット。
【請求項３】
前記回転部材が、揺動部材に設けられた駆動手段の出力軸に対して着脱可能に取り付けられていることを特徴とする、請求項１に記載の二脚歩行式人型ロボット。
【請求項４】
前記胸部が、左右方向に関して−４５乃至＋４５度の角度範囲で旋回可能であることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の二脚歩行式人型ロボット。
【請求項５】
前記胸部が、前後方向に関して−１０乃至＋６０度の角度範囲で前屈可能であり、
前記大腿部が、前記腰部に対して前後方向に関して−４５乃至＋６０度の角度範囲で揺動可能であって、
前記下腿部が、大腿部に対して前後方向に関して−１２０乃至０度の角度範囲で揺動可能であることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載の二脚歩行式人型ロボット。
【請求項６】
前記ロボットの状態量を検出するためのセンサが、前記胴体部の腰部に配置されていることを特徴とする、請求項１〜５の何れかに記載の二脚歩行式人型ロボット。
【請求項７】
前記各駆動手段及び歩行制御装置等に給電するための電源電池が、前記胸部前側に配置されていることを特徴とする、請求項１〜６の何れかに記載の二脚歩行式人型ロボット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二脚歩行式人型ロボットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、所謂二脚歩行式人型ロボットは、前もって設定された歩行パターン（以下、歩容という）データを生成して、この歩容データに従って歩行制御を行なって、所定の歩行パターンで脚部を動作させることにより二脚歩行を実現するようにしている。
ところで、このような二脚歩行式人型ロボットは、例えば床面状況，ロボット自体の物理パラメータの誤差等によって歩行の際の姿勢が不安定になりやすく、転倒する危険性が高い。このため、例えばＺＭＰ（足裏床反力と重力の合成モーメントがゼロとなる点）等のロボットの状態量を制御して、歩行安定性を確保するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の二脚歩行式人型ロボットは、立ち上がった姿勢で歩行することを前提に設定されており、できるだけ転倒しないようにしてあるが、胴体部は歩行制御を支援するものであり、胴体部を腕部や脚部と連携させて行動するようにはなっていない。
このため、従来の二脚歩行式人型ロボットは、胴体部，脚部や腕部を全体として動作させるような全身運動、例えば転倒時の受け身動作や、転倒した状態からの起き上がり動作、あるいは寝返りや跳躍のような運動を行なうようには設計されていない。従って、このような全身運動を行なわせるためには、胴体部における腰部の自由度や回転角度範囲が制限となってしまう。
【０００４】
また、二脚歩行式人型ロボットが転倒を繰り返すと、各部、例えば胴体部，腕部や脚部の末端が損傷を受けたり、がたつきが生じたりすることがある。しかしながら、従来は、各部が大きな自由度を有するために、駆動手段やセンサのための多くの配線があるので、例えば腕部や脚部を簡単に交換することは困難であった。
【０００５】
本発明は、以上の点にかんがみて、容易に全身運動を行なうことができるようにした二脚歩行式人型ロボットを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、本発明によれば、胴体部と、胴体部の下部両側に取り付けられた脚部と、胴体部の上部両側に取り付けられた腕部と、胴体部の上端に取り付けられた頭部とを備えており、上記脚部が、胴体部に対して三軸方向に揺動可能に取り付けられた二つの大腿部と、各大腿部の下端に対してそれぞれ一軸方向に揺動可能に取り付けられた下腿部と、各下腿部の下端に対して二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部とを含んでいて、上記腕部が、胴体部に対して一端が二軸方向に揺動可能に取り付けられた二つの上腕部と、各上腕部の他端に対してそれぞれ一軸方向に揺動可能に取り付けられた下腕部と、各下腕部に対して一軸方向に揺動可能に取り付けられた手部とを含んでおり、さらに、上記脚部の足部，下腿部，大腿部そして上記腕部の手部，下腕部及び上腕部そして胸部をそれぞれ揺動させる駆動手段と、各駆動手段をそれぞれ駆動制御する歩行制御装置と、を有している二脚歩行式人型ロボットにおいて、上記胴体部が、下方の腰部と、連結機構を介してこの腰部に対して二軸方向に揺動可能に取り付けられた上方の胸部と、胸部を二軸方向に揺動させる駆動手段と、から構成されていて、上記連結機構が、上記胸部に取り付けられていて下端に垂直回転軸として作用する回転部材を備えた胸フレームと、上記腰部に取り付けられた腰フレームと、これらの胸フレームと腰フレームとを相互に連結する揺動部材とから構成され、上記揺動部材が、上面に円環状に形成されたガイドに沿って、リングユニットにより等角度間隔に保持された複数個の球体を備えており、このリングユニットが、その内径部に上記胸フレームの下面に取り付けられた回転部材を受容することにより、上記胸フレームをスラスト方向及びラジアル方向に支持するようになっており、上記腰フレームが、中心より前方にずれた位置に配設された水平回転軸を備え、この水平回転軸に対して上記揺動部材が揺動可能に支持されていることを特徴とする二脚歩行式人型ロボットにより、達成される。
【０００７】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、前記歩行制御装置が、前記腕部及び胸部を駆動することにより、これらの腕部及び胸部の重量及び慣性モーメントを利用して全身運動を行なわせる。
【０００９】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記回転部材が揺動部材に設けられた駆動手段の出力軸に対して着脱可能に取り付けられている。
【００１２】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、前記胸部が、左右方向に関して−４５乃至＋４５度以上の角度範囲で旋回可能である。
【００１３】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、前記胸部が前後方向に関して−１０乃至＋６０度以上の角度範囲で前屈可能であり、前記大腿部が前記腰部に対して前後方向に関して−４５乃至＋６０度以上の角度範囲で揺動可能であって、前記下腿部が大腿部に対して前後方向に関して−１２０乃至０度以上の角度範囲で揺動可能である。
【００１４】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、前記ロボットの状態量を検出するためのセンサが前記胴体部の腰部に配置されている。
【００１５】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、前記各駆動手段及び歩行制御装置等に給電するための電源電池が前記胸部前側に配置されている。
【００１６】
上記構成によれば、二脚歩行式人型ロボットが全身運動を行なう際、歩行制御装置が各駆動手段を相互に連携して駆動制御することにより、腰部に対して胸部を二軸方向、即ち前後方向に揺動させあるいは左右方向に旋回させて、所謂前屈及び腰のひねりにより、胸部及び腕部から成る上半身を腰部及び脚部から成る下半身に対して包括して動かすことができる。従って、例えば転倒時の受け身動作，起き上がり動作や寝返り動作等の全身運動を確実に行なうことが可能になる。
【００１７】
上記歩行制御装置が、腕部及び胸部を駆動することにより、これらの腕部及び胸部の重量及び慣性モーメントを利用して全身運動を行なわせる場合には、歩行制御装置が、各駆動手段により各部を駆動するだけでなく、腰部に対して腕部及び胸部を揺動または旋回させることにより、これらの腕部及び胸部の腰部に対する重量及び慣性モーメントを利用して、より幅広い全身運動、例えば跳躍を行なわせることができる。
さらに、このような腕部及び胸部の重量及び慣性モーメントを利用することにより、上半身を利用した運動の三次元補償を行ない、バランスをとりながらの運動を行なうことができる。
【００１８】
上記胸部を支持する回転軸が、腰部に対して前後方向に揺動可能に支持された揺動部材に対して回転可能に支持されているので、揺動部材が腰部に対して前後方向に揺動することにより、上記胸部が前後方向に揺動すると共に、胸部を支持する回転軸が揺動部材に対して回転することにより、上記胸部が左右方向に旋回する。
【００１９】
上記胸部を支持する垂直回転軸が、胸部と一体的に形成された扁平な回転部材により構成されていて、上記回転部材が、上記揺動部材に設けられた円環状のガイドに沿って案内されるリングユニットにより等角度間隔に保持された複数個の球体によってラジアル方向及びスラスト方向に支持されて、胸部が揺動部材そして腰部に対して複数個の球体を介して回転可能に支持されることになるので、十分な剛性をもって腰部に対してラジアル方向及びスラスト方向に支持されるとともに、前後方向に揺動可能にそして左右方向に旋回可能に支持されることになる。また、上記回転部材が揺動部材に設けられた駆動手段の出力軸に対して着脱可能に取り付けられている場合には、胸部が容易に揺動部材そして腰部から分離可能である。
【００２０】
上記胸部を前後方向に揺動可能に支持する水平回転軸が中心より前方にずれて配置されて、上記胸部が前方にずれて配置された水平回転軸の周りに前後方向に揺動し得るので、この胸部は前方に向かって大きな角度で前屈することができると共に、全体が小型に構成され得る。
【００２１】
上記胸部が、左右方向に関して−４５乃至＋４５度以上の角度範囲で旋回可能である場合には、例えば仰向けの姿勢から、胸部を腰部に対して上記角度範囲で旋回させることにより、脚部の腰部に対する旋回動作と相まって、寝返り動作を容易にそして確実に行なうことができる。
【００２２】
上記胸部が前後方向に関して−１０乃至＋６０度以上の角度範囲で前屈可能であり、上記大腿部が腰部に対して前後方向に関して−４５乃至＋６０度以上の角度範囲で揺動可能であって、上記下腿部が大腿部に対して前後方向に関して−１２０乃至０度以上の角度範囲で揺動可能である場合には、二脚歩行式人型ロボットの転倒時の受け身動作そして転倒状態からの起き上がり動作の際に、上述した動作範囲により確実に起き上がり動作を行なうことができる。
【００２３】
上記ロボットの状態量を検出するためのセンサが、上記胴体部の腰部に配置されている場合には、各駆動手段による誤差や振動が胸部に比較して少ない腰部に上記センサが設けられていることにより、ロボットの状態量、例えば三軸方向の方位及び加速度を、ロボットの歩行運動等の影響を受けることなくさらに上半身の運動の干渉を受けることなく正確に検出することができる。これにより、上半身の動き、例えば歩行時に交互に腕を前後に振る等の動きを利用した歩行運動の補償を行なうことが可能になる。
【００２４】
上記各駆動手段及び歩行制御装置等に給電するための電源電池が胸部前側に配置されている場合には、ロボットの重心を高く保持しつつ、電源電池がロボットの全身運動を妨げるようなことはない。また、ロボットが前方に転倒した場合、腕を前方に出すことにより、電源電池への衝撃を低減することができると共に、後方に転倒した場合には、電源電池の重量によって起き上がり運動が妨げられるようなことはない。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施形態に基づいて、この発明を詳細に説明する。
図１乃至図２は、本発明による二脚歩行式人型ロボットの一実施形態の構成を示している。図１において、二脚歩行式人型ロボット１０は、胴体部１１と、胴体部１１の下部両側に取り付けられた脚部１２Ｌ，１２Ｒと、胴体部の上部両側に取り付けられた腕部１３Ｌ，１３Ｒと、胴体部の上端に取り付けられた頭部１４とを含んでいる。
【００２６】
上記胴体部１１は上方の胸部１１ａと下方の腰部１１ｂとに分割されており、胸部１１ａが前屈部１１ｃにて腰部１１ｂに対して前後方向に揺動可能に、特に前方に前屈可能に、そして左右方向に旋回可能に支持されている。さらに、上記胴体部１１の胸部１１ａには、後述する歩行制御装置５０が内蔵されている。
なお、上記前屈部１１ｃは、前後揺動用の関節部１１ｄ及び左右旋回用の関節部１１ｅを備えており、各関節部１１ｄ及び１１ｅは、それぞれ関節駆動用モータ（図２参照）により構成されている。
【００２７】
上記脚部１２Ｌ，１２Ｒは、それぞれ大腿部１５Ｌ，１５Ｒ，下腿部１６Ｌ，１６Ｒ及び足部１７Ｌ，１７Ｒと、から構成されている。
ここで、上記脚部１２Ｌ，１２Ｒは、図２に示すように、それぞれ六個の関節部、即ち上方から順に、胴体部１１の腰部１１ｂに対する脚部回旋用の関節部１８Ｌ，１８Ｒ、脚部のロール方向（ｘ軸周り）の関節部１９Ｌ，１９Ｒ、脚部のピッチ方向（ｙ軸周り）の関節部２０Ｌ，２０Ｒ、大腿部１５Ｌ，１５Ｒと下腿部１６Ｌ，１６Ｒの接続部分である膝部２１Ｌ，２１Ｒのピッチ方向の関節部２２Ｌ，２２Ｒ、足部１７Ｌ，１７Ｒに対する足首部のピッチ方向の関節部２３Ｌ，２３Ｒ、足首部のロール方向の関節部２４Ｌ，２４Ｒを備えている。なお、各関節部１８Ｌ，１８Ｒ乃至２４Ｌ，２４Ｒは、それぞれ関節駆動用モータにより構成されている。
【００２８】
このようにして、腰関節は上記関節部１１ｄ，１１ｅから構成され、股間節は上記関節部１８Ｌ，１８Ｒ，１９Ｌ，１９Ｒ，２０Ｌ，２０Ｒから構成され、また足関節は関節部２３Ｌ，２３Ｒ，２４Ｌ，２４Ｒから構成されることになる。これにより、二脚歩行式人型ロボット１０の左右両側の脚部１２Ｌ，１２Ｒは、それぞれ６自由度を与えられることになり、各種動作中にこれらの１２個の関節部をそれぞれ駆動モータで適宜の角度に駆動制御することにより、脚部１２Ｌ，１２Ｒ全体に所望の動作を与えて、例えば任意に三次元空間を歩行することができるように構成されている。
【００２９】
上記腕部１３Ｌ，１３Ｒは、それぞれ上腕部２５Ｌ，２５Ｒ，下腕部２６Ｌ，２６Ｒ及び手部２７Ｌ，２７Ｒと、から構成されている。
ここで、上記腕部１３Ｌ，１３Ｒの上腕部２５Ｌ，２５Ｒ，下腕部２６Ｌ，２６Ｒ及び手部２７Ｌ，２７Ｒは、上述した脚部１２Ｌ，１２Ｒと同様にして、図２に示すように、それぞれ五個の関節部、即ち上方から順に、肩部にて、胴体部１１に対する上腕部２５Ｌ，２５Ｒのピッチ方向の関節部２８Ｌ，２８Ｒ、ロール方向の関節部２９Ｌ，２９Ｒ、そして左右方向の関節部３０Ｌ，３０Ｒ、上腕部２５Ｌ，２５Ｒと下腕部２６Ｌ，２６Ｒの接続部分である肘部３１Ｌ，３１Ｒにてピッチ方向の関節部３２Ｌ，３２Ｒ、手首部にて下腕部２６Ｌ，２６Ｒに対する手部２７Ｌ，２７Ｒのピッチ方向の関節部３３Ｌ，３３Ｒを備えている。なお、各関節部２８Ｌ，２８Ｒ乃至３３Ｌ，３３Ｒは、それぞれ関節駆動用モータにより構成されている。
【００３０】
このようにして、二脚歩行式人型ロボット１０の左右両側の腕部１３Ｌ，１３Ｒは、それぞれ５自由度を与えられることにより、各種動作中にこれらの１０個の関節部をそれぞれ駆動モータで適宜の角度に駆動制御することにより、腕部１３Ｌ，１３Ｒ全体に所望の動作を与えることができるように構成されている。
ここで、上記肩部におけるピッチ方向の関節部２８Ｌ，２８Ｒは、ロール方向の関節部２９Ｌ，２９Ｒ及び左右方向の関節部３０Ｌ，３０Ｒに対して回転軸が前方にずれて配設されており、前方への腕部１３Ｌ，１３Ｒの振り角度が大きく設定されている。
【００３１】
上記頭部１４は、胴体部１１の上部１１ａの上端に取り付けられており、例えば視覚としてのカメラや聴覚としてのマイクが搭載されている。
ここで、上記頭部１４は、図２に示すように、首のピッチ方向の関節部３５及び左右方向の関節部３６を備えている。なお、各関節部３５，３６は、それぞれ関節駆動用モータにより構成されている。
このようにして、二脚歩行式人型ロボット１０の頭部１４は、２自由度を与えられることにより、各種動作中にこれらの２個の関節部３５，３６をそれぞれ駆動モータで適宜の角度に駆動制御することにより、頭部１４を左右方向または前後方向に動かすことができるように構成されている。
ここで、上記ピッチ方向の関節部３５は、左右方向の関節部３６に対して回転軸が前方にずれて配設されており、前方への頭部１４の揺動角度が大きく設定されている。
【００３２】
さらに、上記二脚歩行式人型ロボット１０においては、胴体部１１の前屈部１１ｃの関節部１１ｄと、脚部１２Ｌ，１２Ｒの前後方向の関節部、即ち股間節の関節部２０Ｌ，２０Ｒ，膝部の関節部２２Ｌ，２２Ｒ，足首部の関節部２３Ｌ，２３Ｒは、図３及び図４に示す角度範囲で揺動可能に支持されている。
【００３３】
即ち、足首部の関節部２３Ｌ，２３Ｒはその揺動角度θ１が−２０乃至＋２０度以上の角度範囲で揺動可能である。また、膝部の関節部２２Ｌ，２２Ｒはその揺動角度θ２が−１２０乃至０度以上の角度範囲で揺動可能である。さらに、腰関節の関節部２０Ｌ，２０Ｒはその揺動角度θ３が−４５乃至＋６０度以上の角度範囲で揺動可能である。また、胴体部１１の前屈部１１ｃは、その揺動角度θ４が−１０乃至＋６０度以上の角度範囲で揺動可能である。
【００３４】
これに対して、胴体部１１の前屈部１１ｃの関節部１１ｅは、図５に示す角度範囲で揺動可能に支持されている。即ち、前屈部１１ｃの関節部１１ｅは、その揺動角度θ５が、図５（Ａ）に示す左方に関して−４５度以上、そして図５（Ｂ）に示す右方に関して＋４５度以上の角度範囲で旋回可能である。
【００３５】
上述した前屈部１１ｃの関節部１１ｄ，１１ｅの揺動及び旋回の角度範囲を実現するために、腰部１１ｂと胸部１１ａの連結機構は、図６に示すように構成されている。即ち、図６において、この連結機構４０は、胴体部１１の胸部１１ａに取り付けられた胸フレーム４１と、腰部１１ｂに取り付けられた腰フレーム４２と、これらの胸フレーム４１と腰フレーム４２とを相互に連結する揺動部材４３と、から構成されている。
【００３６】
上記胸フレーム４１は、その下端に垂直回転軸４４ａとして作用する回転部材４４を備えている。この回転部材４４は、大径の扁平な円板として構成されており、複数個の球体４７ａを等角度間隔で保持するリングユニット４７の内径部を内側から支持するように構成されている。
【００３７】
上記腰フレーム４２は、図７に示すように、中心より前方にずれた位置に配設された水平回転軸４２ａを備えており、この水平回転軸４２ａに対して揺動部材４３が揺動可能に支持されている。
上記揺動部材４３は、腰フレーム４２内に取り付けられた駆動手段４５によって、図６に示す位置から、矢印Ａで示すように前方に向かって揺動するように回転駆動される。その際、水平回転軸４２ａが前方にずれて配置されていることにより、前方に対する揺動範囲が増大して、揺動部材４３が前方に向かって大きく、例えば＋６０度以上揺動し得るようになっている。
このような回転軸をずらして揺動範囲を増大させる機構は、さらに肘部や首部にも採用されている。
【００３８】
さらに、上記腰フレーム４２は、その上面に、円環状に形成されたガイド４６に沿って、リングユニット４７により等角度間隔に保持された複数個の球体４７ａを備えている。
このリングユニット４７は、その内径部に上記胸フレーム４１の下面に取り付けられた回転部材４４を受容することにより、回転部材４４そして胸フレーム４１をスラスト方向及びラジアル方向に支持するようになっている。
従って、上記リングユニット４７は、ガイド４６と共にボールベアリングを構成することになるので、胸フレーム４１が取り付けられた胸部１１ａは、腰フレーム４２が取り付けられた腰部１１ｂに対して十分な剛性をもって前後方向及び左右方向に円滑に揺動または旋回可能に支持されることになる。
なお、胸フレーム４１は、回転部材４４がリングユニット４７に受容された状態で、固定ネジ４８により揺動部材４３を通して、駆動モータ４１ａの出力軸４１ｂに対して固定される。従って、この固定ネジ４８を取り外すことにより、胸フレーム４１は、揺動部材４３そして腰フレーム４２から容易に取り外すことができる。
【００３９】
さらに、上記腰フレーム４２には、図８に示すように、ロボットの状態量、即ち三軸方向の方位及び加速度を検出するためのセンサ４９、図示の場合には三軸ジャイロセンサ４９ａ及び三軸加速度センサ４９ｂが取り付けられている。
なお、好ましくは、これらのセンサ４９ａ，４９ｂは、計測及び信号処理用のマイクロプロセッサ等と共に一つのモジュールとして構成されて、腰フレーム４２、即ち腰部１１ｂ内に収容される。
【００４０】
図９は図１乃至図８に示した二脚歩行式人型ロボット１０の電気的構成を示している。図９において、二脚歩行式人型ロボット１０は駆動手段、即ち上述した各関節部、即ち関節駆動用モータ１１ｄ，１１ｅ，１８Ｌ，１８Ｒ乃至３３Ｌ，３３Ｒを駆動制御する歩行制御装置５０を備えている。
【００４１】
上記歩行制御装置５０は上記胴体部１１の胸部１１ａ内に設置されており、制御部５１とモータ制御ユニット５２とから構成されている。
上記制御部５１は、前以て決められた動作パターンに基づいて各関節駆動用モータの制御信号を生成するようになっている。上記モータ制御ユニット５２は、制御部５１からの制御信号に従って各関節駆動用モータを駆動制御するようになっている。さらに、上記制御部５１は、前述した腰フレーム４２内に設けられたセンサ４９、即ち三軸ジャイロセンサ４９ａ及び三軸加速度センサ４９ｂからのロボットの状態量の検出信号に基づいて、ロボットの現在の状態（姿勢）を判別して、この状態に対応して各関節駆動用モータを相互に連携して駆動制御するようになっている。
【００４２】
上記歩行制御装置５０そして各関節駆動用モータは、電源としての電源電池５３により給電され、作動するようになっている。
この電源電池５３は、図１に示すように、二脚歩行式人型ロボット１０の胴体部１１の胸部１１ａの前側に配置されている。例えば、電源電池５３は、例えば胸部１１ａの前面に設けられた開閉可能なパネルの内側に配設されており、内部に設けられた電源コネクタと接続する。これにより、電源電池５３から歩行制御装置５０及び各関節駆動用モータに給電が行なわれると共に、電池交換の際には上記パネルを開放すれば容易に電池交換ができるようになっている。
【００４３】
本発明実施形態による二脚歩行式人型ロボット１０は以上のように構成されており、通常の歩行動作は、歩行制御装置５０の制御部５１が前以て決められた歩行動作パターンに基づいて制御信号を生成して、モータ制御ユニット５２に出力する。これにより、モータ制御ユニット５２が前屈部１１ｃ及び各関節部１８Ｌ，１８Ｒ乃至３３Ｌ，３３Ｒの関節駆動用モータを駆動制御する。このようにして、二脚歩行式人型ロボット１０は歩行動作を行なうことになる。
【００４４】
ここで、二脚歩行式人型ロボット１０が、例えば前方に落ちている物を拾う場合、制御部５１が、脚部１２Ｌ，１２Ｒと腕部１３Ｌ，１３Ｒそして前屈部１１ｃの各関節部の関節駆動用モータを相互に連携して駆動制御することにより、図１０（Ａ）に示す直立した状態から、図１０（Ｂ）に示すように前かがみになって物を拾い、その後図１０（Ｃ）に示すように再び直立した状態に戻る。
【００４５】
これに対して、二脚歩行式人型ロボット１０が寝返り動作を行なう場合、同様にして、制御部５１が脚部１２Ｌ，１２Ｒと腕部１３Ｌ，１３Ｒそして前屈部１１ｃの各関節部の関節駆動用モータを相互に連携して駆動制御することにより、図１１（Ａ）に示すように仰向けに寝た状態から、図１１（Ｂ）に示すように右足１２Ｒの膝２１Ｒを立てた後、図１１（Ｃ）に示すように右足１２Ｒを左側に押し出す。さらに、図１１（Ｄ）に示すように、腰部１１ｂを脚部１２Ｌ，１２Ｒと共に旋回させて、腰を捻りながら胸部１１ａを旋回させると、図１１（Ｅ）に示すように、全体が俯せとなり寝返り動作が完了する。
【００４６】
また、二脚歩行式人型ロボット１０が起き上がり動作を行なう場合、同様にして、制御部５１が、脚部１２Ｌ，１２Ｒと腕部１３Ｌ，１３Ｒそして前屈部１１ｃの各関節部の関節駆動用モータを相互に連携して駆動制御することにより、図１２（Ａ）に示すように仰向けに寝た状態から、図１２（Ｂ）に示すように両膝２１Ｌ，２１Ｒを引き寄せながら、胸部１１ａそして腰部１１ｂを起こす。
その後、図１２（Ｃ）に示すように、両足部１７Ｌ，１７Ｒを引き寄せてかがんだ状態となり、最後に腕部１３Ｌ，１３Ｒ及び胸部１１ａでバランスをとりながら、両脚部１２Ｌ，１２Ｒを伸ばして立上り動作が完了する。
【００４７】
さらに、二脚歩行式人型ロボット１０が跳躍動作を行なう場合、同様にして、制御部５１が、脚部１２Ｌ，１２Ｒと腕部１３Ｌ，１３Ｒそして前屈部１１ｃの各関節部の関節駆動用モータを相互に連携して駆動制御することにより、図１３（Ａ）に示すように直立した状態から、図１３（Ｂ）に示すように両脚部１２Ｌ，１２Ｒの膝部２１Ｌ，２１Ｒを曲げて屈むと共に、両腕部１３Ｌ，１３Ｒを後方へ引いた後、図１３（Ｃ）に示すように両膝部２１Ｌ，２１Ｒ及び両足部１７Ｌ，１７Ｒを伸ばしながら、両腕部１３Ｌ，１３Ｒを前方へ振り上げて、膝２１Ｌ，２１Ｒの伸長，足部１７Ｌ，１７Ｒの踏み切り、そして両腕部１３Ｌ，１３Ｒの振り上げにより胴体部１１に加えられる慣性モーメントを利用して、図１３（Ｄ）に示すように、脚部１２Ｌ，１２Ｒが床面から離れてロボット１０全体が浮き上り跳躍動作が完了する。
【００４８】
この場合、跳躍動作をより一層容易に行なうためには、人型ロボット１０の各部の重量配分が重要となる。跳躍動作のためには、例えばロボット１０の全体重量に対して、胴体部１１の胸部１１ａ，頭部１４から成る上半身が１／２以上の重量であり、両脚部１２Ｌ，１２Ｒが１／３以下の重量であり、また両腕部１３Ｌ，１３Ｒが１／１０以上の重量となるような重量配分が望ましい。
これにより、前述した膝２１Ｌ，２１Ｒの伸長，足部１７Ｌ，１７Ｒの踏み切り、そして両腕部１３Ｌ，１３Ｒの振り上げにより胴体部１１に加えられる慣性モーメントを利用して、各関節部の関節駆動用モータとしてトルクの小さいモータを使用しても跳躍動作を行なわせることが可能となる。
【００４９】
このようにして、本発明実施形態による二脚歩行式人型ロボット１０によれば、胴体部１１が胸部１１ａ及び腰部１１ｂから成り、胸部１１ａが腰部１１ｂに対して二軸方向に揺動及び旋回可能であり、歩行制御装置が各関節部の関節駆動用モータを相互に連携して駆動制御することにより、例えば転倒時の受け身動作，起き上がり動作や寝返り動作等の全身運動を確実に行なうことができる。
また、腕部及び胸部の重量及び慣性モーメントを利用して全身運動を行なわせることにより、跳躍やバランスを取りながらの運動を行なうことができる。
【００５０】
さらに、胸部１１ａを支持する水平回転軸が前方にずれて配置されていることにより、胸部１１ａが腰部１１ｂに対して前方に大きく揺動するので、前屈を容易に行なうことができる。
また、胸部１１ａを支持する垂直軸が連結機構４０により支持されていることにより、十分な剛性をもって胸部１１ａが腰部１１ｂに対して二軸方向に揺動可能に支持される。
【００５１】
さらに、上記センサ４９が揺動可能な胸部１１ａ，脚部１２Ｌ，１２Ｒ及び腕部１３Ｌ，１３Ｒと比較して動きの少ない腰部１１ｂに設けられていることにより、歩行運動や他の全身運動を含む運動中に、これらの運動の影響を受けることなく正確にロボットの状態量を検出することができる。
また、電源電池５３が胸部１１ａの前側に設けられていることにより、ロボットの重心を高く保持しつつ、電源電池５３がロボットの全身運動を妨げるようなことはなく、ロボットが前方に転倒した場合、腕を前方に出すことにより電源電池への衝撃を低減することができると共に、後方に転倒した場合には電源電池の重量によって起き上がり運動が妨げられるようなことはない。
【００５２】
上述した実施形態においては、脚部１２Ｌ，１２Ｒは６自由度を、そして腕部１３Ｌ，１３Ｒは５自由度を有しているが、これに限らずより小さい自由度またはより大きい自由度を有していてもよい。
【００５３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、二脚歩行式人型ロボットが全身運動を行なう際、歩行制御装置が各駆動手段を相互に連携して駆動制御することにより、腰部に対して胸部を二軸方向、即ち前後方向に揺動させ、あるいは左右方向に旋回させて、所謂前屈及び腰のひねりにより胸部及び腕部から成る上半身を腰部及び脚部から成る下半身に対して包括して動かすことができる。従って、例えば転倒時の受け身動作，起き上がり動作や寝返り動作等の全身運動を確実に行なうことが可能になる。
【００５４】
上記歩行制御装置が、上記腕部及び胸部を駆動することによりこれらの腕部及び胸部の重量及び慣性モーメントを利用して全身運動を行なわせる場合には、歩行制御装置が各駆動手段により各部を駆動するだけでなく、腰部に対して腕部及び胸部を揺動または旋回させることにより、これらの腕部及び胸部の腰部に対する重量及び慣性モーメントを利用してより幅広い全身運動、例えば跳躍を行なわせることができる。
さらに、このような腕部及び胸部の重量及び慣性モーメントを利用することにより、上半身を利用した運動の三次元補償を行ない、バランスをとりながらの運動を行なうことができる。
このようにして、本発明によれば、容易に全身運動を行なうことができるようにした極めて優れた二脚歩行式人型ロボットが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による二脚歩行式人型ロボットの一実施形態の外観を示し、（Ａ）は概略正面図、（Ｂ）は概略側面図である。
【図２】図１の二脚歩行式人型ロボットの機械的構成を示す概略図である。
【図３】図１の二脚歩行式人型ロボットの前屈部及び脚部の各関節部の前方への揺動限界を示す概略図である。
【図４】図１の二脚歩行式人型ロボットの前屈部及び脚部の各関節部の後方への揺動限界を示す概略図である。
【図５】図１の二脚歩行式人型ロボットの前屈部の各関節部の概略図であり、（Ａ）は左方向への旋回限界を、（Ｂ）は右方向への旋回限界をそれぞれ示している。
【図６】図１の二脚歩行式人型ロボットの胴体部における胸部と腰部の連結機構の構成を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は右側面図、（Ｃ）は要部断面図である。
【図７】図６の連結機構における垂直回転軸及び水平回転軸の位置関係を示す概略斜視図である。
【図８】図６の連結機構において、センサの腰フレームへの配置を示す概略斜視図である。
【図９】図１の二脚歩行式人型ロボットの電気的構成を示すブロック図である。
【図１０】図１の二脚歩行式人型ロボットの物を拾う動作を順次に示す左側面図である。
【図１１】図１の二脚歩行式人型ロボットの寝返り動作を順次に示す平面図である。
【図１２】図１の二脚歩行式人型ロボットの起上がり動作を順次に示す左側面図である。
【図１３】図１の二脚歩行式人型ロボットの跳躍動作を順次に示す図である。
【符号の説明】
１０    二脚歩行式人型ロボット
１１    胴体部
１１ａ  胸部
１１ｂ  腰部
１１ｃ  前屈部
１１ｄ，１１ｅ    関節部（関節駆動用モータ）
１２Ｌ，１２Ｒ    脚部
１３Ｌ，１３Ｒ    腕部
１４    頭部
１５Ｌ，１５Ｒ    大腿部
１６Ｌ，１６Ｒ    下腿部
１７Ｌ，１７Ｒ    足部
１８Ｌ，１８Ｒ〜２４Ｌ，２４Ｒ    関節部（関節駆動用モータ）
２１Ｌ，２１Ｒ    膝部
２５Ｌ，２５Ｒ    上腕部
２６Ｌ，２６Ｒ    下腕部
２７Ｌ，２７Ｒ    手部
２８Ｌ，２８Ｒ乃至３３Ｌ，３３Ｒ    関節部（関節駆動用モータ）
３１Ｌ，３１Ｒ    肘部
３５，３６    関節部（関節駆動用モータ）
４０    連結機構
４１    胸フレーム
４２    腰フレーム
４２ａ  水平回転軸
４３    揺動部材
４４    回転部材
４４ａ  垂直回転軸
４５    駆動手段
４６    ガイド
４７    リングユニット
４７ａ  球体
４８    固定ネジ
４９    センサ
４９ａ  三軸ジャイロセンサ
４９ｂ  三軸加速度センサ
５０    歩行制御装置
５１    制御部
５２    モータ制御ユニット
５３    電源電池
【図１】
0003603279.tif 000002
【図２】
0003603279.tif 000003
【図３】
0003603279.tif 000004
【図４】
0003603279.tif 000005
【図５】
0003603279.tif 000006
【図６】
0003603279.tif 000007
【図７】
0003603279.tif 000008
【図８】
0003603279.tif 000009
【図９】
0003603279.tif 000010
【図１０】
0003603279.tif 000011
【図１１】
0003603279.tif 000012
【図１２】
0003603279.tif 000013
【図１３】
0003603279.tif 000014