(57)【要約】  土台部（１）と胴体部（８）を胴体部移動機構（２）で相対的に移動可能なように接続し、各関節を機構的に固定可能な関節ロック機構（２８）を有するロボットアーム（３）を胴体部（８）に配設し、ロボットアーム（３）のいずれかの関節をフリー状態としロボットアーム（３）の動作を行うロボットアーム動作モードとロック状態とし胴体部（８）を移動させる胴体部移動モードとをロボット動作制御手段（４７）で切換制御する。
2009147832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
土台部と、
胴体部と、
上記土台部と上記胴体部を腰関節で接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、
上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、
上記ロボットアームの上記それぞれの関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、
上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、
上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータと、
上記関節ロック機構用アクチュエータと上記ロボットアーム用アクチュエータと上記腰関節用アクチュエータとをそれぞれ駆動制御して、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をフリー状態として上記ロボットアームの動作を行うロボットアーム動作モードと、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をロック状態として上記胴体部移動機構を使用して上記胴体部を移動させる胴体部移動モードとを切換えるロボット動作制御手段と、
を備えるロボット。
【請求項２】
上記ロボットアーム用アクチュエータは空気圧人工筋であり、上記腰関節用アクチュエータは空気圧人工筋であり、
上記ロボットアームは、上記ロボットアームにかかる外力を検出する外力検出装置を有し、
上記ロボット動作制御手段は、上記外力検出装置により検出された上記ロボットアームにかかる外力に基づいて、上記ロボットアーム用アクチュエータの上記空気圧人工筋と上記腰関節用アクチュエータの上記空気圧人工筋とをそれぞれ駆動制御して、ロボットアーム動作モード時の上記ロボットアームの動作制御を行うとともに胴体部移動モード時の胴体部移動制御を行う請求項１に記載のロボット。
【請求項３】
上記ロボット動作制御手段は、インピーダンス制御により上記外力に基づいたアーム動作制御及び胴体部移動制御を行う請求項２に記載のロボット。
【請求項４】
上記ロボットアームは、上記複数のリンクのうちの最先端リンクにおいて上記最先端リンクの幅方向断面の外面の略半分かつ長手方向の略全長を覆うように配設された外装部材を有し、上記外力検出装置は上記外装部材にかかる外力を検出する請求項２に記載のロボット。
【請求項５】
上記胴体部移動機構は、上記土台部に対して上記胴体部を上記腰関節回りに略前後に揺動させる腰機構である請求項１〜４のいずれか１つに記載のロボット。
【請求項６】
上記腰機構は、上記土台部に一端が固定され、他端が上記胴体部に固定されることで上記腰関節を駆動する並進駆動アクチュエータにより駆動されて、上記土台部に対して上記胴体部を上記腰関節回りに略前後に揺動させる機構である請求項５に記載のロボット。
【請求項７】
上記関節ロック機構はワンウェイクラッチ機構である請求項１に記載のロボット。
【請求項８】
上記ロボット動作制御手段は、上記関節ロック機構がロック状態のときには、上記いずれかの関節において、上記ワンウェイクラッチ機構の可動方向に作用する外力に対しては上記ロボットアーム動作モードを行い、上記ワンウェイクラッチ機構の非可動方向に作用する外力に対しては上記ロボットアーム動作モードを行わない請求項７に記載のロボット。
【請求項９】
上記ロボット動作制御手段は、上記関節ロック機構がロック状態のときには上記ロボットアームに対して、非ロック状態のときのサーボ剛性よりも低いサーボ剛性の位置制御を行う請求項７に記載のロボット。
【請求項１０】
土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を腰関節で接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記それぞれの関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御装置であって、
上記関節ロック機構用アクチュエータと上記ロボットアーム用アクチュエータと上記腰関節用アクチュエータとをそれぞれ駆動制御して、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をフリー状態として上記ロボットアームの動作を行うロボットアーム動作モードと、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をロック状態として上記胴体部移動機構を使用して上記胴体部を移動させる胴体部移動モードとを切換えるロボットの制御装置。
【請求項１１】
土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を腰関節で接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記それぞれの関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御方法であって、
上記関節ロック機構用アクチュエータと上記ロボットアーム用アクチュエータと上記腰関節用アクチュエータとをそれぞれ駆動制御して、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をフリー状態として上記ロボットアームの動作を行うロボットアーム動作モードと、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をロック状態として上記胴体部移動機構を使用して上記胴体部を移動させる胴体部移動モードとを切換えるロボットの制御方法。
【請求項１２】
土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を腰関節で接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記それぞれの関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御プログラムであって、
上記関節ロック機構用アクチュエータと上記ロボットアーム用アクチュエータと上記腰関節用アクチュエータとをそれぞれ駆動制御して、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をフリー状態として上記ロボットアームの動作を行うロボットアーム動作モードと、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をロック状態として上記胴体部移動機構を使用して上記胴体部を移動させる胴体部移動モードとを切換えるロボット動作制御手段としてコンピュータを機能させるためのロボットの制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、介護抱き上げ若しくは物品の運搬等、重量物の持ち上げ、又は、運搬等を行うロボット、ロボットの制御装置、制御方法、及び制御プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高齢化社会を迎え、介護等の支援を行うことができる機器、又は、高齢者が家事作業を行うためのパワーアシスト機器等の開発が期待されている。【０００３】
こうした課題に対し、従来技術としては、介護者が多大の労力を必要とせず、狭い通路でも移動可能、構成簡単低コストで小規模施設においても使用可能、入手可能の介護用移動リフトを開示している（特許文献１参照）。また、介助者の腕を保持した抱き上げアームと、抱き上げアームを昇降運動させるギヤードモータとウォームジャッキなどからなるアーム駆動機構部と、被介助者の荷重を検出するテープスイッチとから構成される移乗機を開示している（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３８１５０号公報
【特許文献２】特開２００１−２６９３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の従来装置は、手動であるため操作性が優れず作業効率が低くなるという課題を有している。また、作業効率の向上のためモーター等のアクチュエータを付加し自動化を行えば、装置が大型化し、重量も重くなり、一般的な家庭環境では使うことができなくなってしまう可能性がある。【０００６】
また、上記特許文献２の従来装置は、操作者である介助者の位置が装置のチェアの位置に限られ、さらに、抱き上げ動作時には介助者の手が被介助者の下に入り手がふさがることになり、他の作業を同時にできない等、使いやすさに課題がある。【０００７】
本発明の目的は、上記従来装置の課題を解決し、軽量でありながらハイパワーであり介護の抱き上げ又は重量物運搬に使うことができ、さらに、操作性が良く、使いやすく、作業効率の高いロボット、ロボットの制御装置、制御方法、及び制御プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。【０００９】
本発明の第１態様によれば、土台部と、
胴体部と、
上記土台部と上記胴体部を腰関節で接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、
上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、
上記ロボットアームの上記それぞれの関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、
上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、
上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータと、
上記関節ロック機構用アクチュエータと上記ロボットアーム用アクチュエータと上記腰関節用アクチュエータとをそれぞれ駆動制御して、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をフリー状態として上記ロボットアームの動作を行うロボットアーム動作モードと、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をロック状態として上記胴体部移動機構を使用して上記胴体部を移動させる胴体部移動モードとを切換えるロボット動作制御手段と、
を備えることを特徴とするロボットを提供する。【００１０】
本発明の第１０態様によれば、土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を腰関節で接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記それぞれの関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御装置であって、
上記関節ロック機構用アクチュエータと上記ロボットアーム用アクチュエータと上記腰関節用アクチュエータとをそれぞれ駆動制御して、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をフリー状態として上記ロボットアームの動作を行うロボットアーム動作モードと、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をロック状態として上記胴体部移動機構を使用して上記胴体部を移動させる胴体部移動モードとを切換えるロボットの制御装置を提供する。【００１１】
本発明の第１１態様によれば、土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を腰関節で接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記それぞれの関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御方法であって、
上記関節ロック機構用アクチュエータと上記ロボットアーム用アクチュエータと上記腰関節用アクチュエータとをそれぞれ駆動制御して、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をフリー状態として上記ロボットアームの動作を行うロボットアーム動作モードと、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をロック状態として上記胴体部移動機構を使用して上記胴体部を移動させる胴体部移動モードとを切換えるロボットの制御方法を提供する。【００１２】
本発明の第１２態様によれば、土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を腰関節で接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記それぞれの関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御プログラムであって、
上記関節ロック機構用アクチュエータと上記ロボットアーム用アクチュエータと上記腰関節用アクチュエータとをそれぞれ駆動制御して、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をフリー状態として上記ロボットアームの動作を行うロボットアーム動作モードと、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をロック状態として上記胴体部移動機構を使用して上記胴体部を移動させる胴体部移動モードとを切換えるロボット動作制御手段としてコンピュータを機能させるためのロボットの制御プログラムを提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のロボットによれば、関節ロック機構を備えることにより、機構的に運搬対象物の重量負荷を保持することができるので、軽量なアームとすることができる。また、関節ロック機構により関節をフリーにすれば、アーム構造による自由度の大きさを有効に活用することができ、運搬対象物に対する位置決めの自由度を大きくとることができ、使いやすいロボットとすることができる。【００１４】
また、本発明のロボットによれば、関節ロック機構を備えたアームに加え、腰機構を備えることにより、重量物持ち上げのための強力なアクチュエータは腰機構のみに使用することができ、簡潔かつ軽量な構成でハイパワーとすることができる。【００１５】
また、本発明のロボットによれば、インピーダンス制御モードと位置制御モードの切り換え、及び、関節ロック機構のロック及びロック解放動作の切り換えを行いながら動作を制御するロボット動作制御手段を備えることにより、アームの位置決め、運搬対象物の持ち上げ等の動作が連続的に行えるとともに、外力検出装置（たとえば力センサー）を備えてインピーダンス制御を行うことにより、操作者が手でアームを直接操作できるという直感的で分かりやすい操作法を実現することができて、さらに使いやすいロボットとすることができる。【００１６】
また、本発明のロボットの制御装置、制御方法、及び制御プログラムによれば、機構的に運搬対象物の重量負荷を保持することができる関節ロック機構のロック及びロック解放動作を制御することにより、関節をフリー（ロック解放）にすれば、軽量なアームでありながら、関節を介して複数のリンクを有するアーム構造による自由度の大きさを有効に活用することができ、運搬対象物に対する位置決めの自由度を大きくとることができ、ロボットの制御がしやすくなり、ロボットを使いやすくすることができる。【００１７】
また、本発明のロボットの制御装置、制御方法、及び制御プログラムによれば、関節ロック機構の動作制御に加え、腰機構の動作制御を行なうことにより、重量物持ち上げのための強力なアクチュエータは腰機構のみの動作制御とすることができ、簡潔かつ軽量な構成でハイパワーとすることができる。【００１８】
また、本発明のロボットの制御装置、制御方法、及び制御プログラムによれば、インピーダンス制御モードと位置制御モードの切り換え、及び、関節ロック機構の動作の切り換えを行いながら、ロボットの動作を制御することにより、アームの位置決め、運搬対象物の持ち上げ等の動作が連続的に行えるとともに、外力検出装置（たとえば力センサー）からの外力の情報を基にインピーダンス制御を行うことにより、操作者が手でアームを直接操作できるという直感的で分かりやすい操作法を実現することができて、さらに使いやすいロボットとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
【図１】図１は、本発明の一実施形態にかかるロボットの概略構成を示す説明図であり、
【図２】図２は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの機構構成を示す斜視図であり、
【図３】図３は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの機構構成を示す側面図であり、
【図４】図４は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの空気圧人工筋の構造を説明する図であり、
【図５】図５は、上記空気圧人工筋を駆動するための空気圧供給駆動系の構成を示す図であり、
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの左アームの第３関節の動作を示す図であり、
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの左アームの第３関節の動作を示す図であり、
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの左アームの第３関節の動作を示す図であり、
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの関節ロック機構の構造を示す図であって、関節軸を通る断面図であり、
【図７Ｂ】図７Ｂは、上記関節ロック機構の構造において図７Ａの矢印Ｖ方向から見た図であり、
【図７Ｃ】図７Ｃは、上記関節ロック機構の構造において対向ギアの外観側面図であり、
【図８】図８は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの上記関節ロック機構の駆動機構を説明する図であり、
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの腰機構の動作を説明する図であり、
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの腰機構の動作を説明する図であり、
【図１０】図１０は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの空気圧人工筋の特性図であり、
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの第２リンクにおける力センサーの配置を説明する断面正面図であり、
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの第２リンクにおける力センサーの配置を説明する断面側面図であり、
【図１２】図１２は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの制御装置おいて実行される制御プログラムにより実現するロボット動作制御手段のブロック線図であり、
【図１３】図１３は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの制御装置の位置制御手段の詳細を示す図であり、
【図１４】図１４は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの制御装置の腰角度制御手段の詳細を示す図であり、
【図１５】図１５は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの制御装置の動作モードの切り換えステップを表す動作シーケンス表を表す図であり、
【図１６】図１６は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの制御装置のインピーダンス制御手段での制御プログラムの動作ステップを表すフローチャートであり、
【図１７Ａ】図１７Ａは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの運搬動作を説明する動作図であり、
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの運搬動作を説明する動作図であり、
【図１７Ｃ】図１７Ｃは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの運搬動作を説明する動作図であり、
【図１７Ｄ】図１７Ｄは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの運搬動作を説明する動作図であり、
【図１８】図１８は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの支持脚を説明する図であり、
【図１９】図１９は、本発明の上記実施形態にかかるロボットのアームを介護に応用した場合の説明図であり、
【図２０】図２０は、本発明の上記実施形態にかかるロボットのアームが１本である場合の機構構成を示す斜視図であり、
【図２１】図２１は、本発明の上記実施形態にかかるロボットのアームが固定型である場合の機構構成を示す斜視図であり、
【図２２】図２２は、本発明の上記実施形態にかかるロボットのアームの第１関節を駆動する機構を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
【００２２】
本発明の第１態様によれば、土台部と、
胴体部と、
上記土台部と上記胴体部を腰関節で接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、
上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、
上記ロボットアームの上記それぞれの関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、
上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、
上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータと、
上記関節ロック機構用アクチュエータと上記ロボットアーム用アクチュエータと上記腰関節用アクチュエータとをそれぞれ駆動制御して、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をフリー状態として上記ロボットアームの動作を行うロボットアーム動作モードと、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をロック状態として上記胴体部移動機構を使用して上記胴体部を移動させる胴体部移動モードとを切換えるロボット動作制御手段と、
を備えることを特徴とするロボットを提供する。
【００２３】
本発明の第２態様によれば、上記ロボットアーム用アクチュエータは空気圧人工筋であり、上記腰関節用アクチュエータは空気圧人工筋であり、
上記ロボットアームは、上記ロボットアームにかかる外力を検出する外力検出装置を有し、
上記ロボット動作制御手段は、上記外力検出装置により検出された上記ロボットアームにかかる外力に基づいて、上記ロボットアーム用アクチュエータの上記空気圧人工筋と上記腰関節用アクチュエータの上記空気圧人工筋とをそれぞれ駆動制御して、ロボットアーム動作モード時の上記ロボットアームの動作制御を行うとともに胴体部移動モード時の胴体部移動制御を行うことを特徴とする第１態様に記載のロボットを提供する。
【００２４】
本発明の第３態様によれば、上記ロボット動作制御手段は、インピーダンス制御により上記外力に基づいたアーム動作制御及び胴体部移動制御を行うことを特徴とする第２態様に記載のロボットを提供する。
【００２５】
本発明の第４態様によれば、上記ロボットアームは、上記複数のリンクのうちの最先端リンクにおいて上記最先端リンクの幅方向断面の外面の略半分かつ長手方向の略全長を覆うように配設された外装部材を有し、上記外力検出装置は上記外装部材にかかる外力を検出することを特徴とする第２態様に記載のロボットを提供する。
【００２６】
本発明の第５態様によれば、上記胴体部移動機構は、上記土台部に対して上記胴体部を上記腰関節回りに略前後に揺動させる腰機構であることを特徴とする第１〜４のいずれか１つの態様に記載のロボットを提供する。
【００２７】
本発明の第６態様によれば、上記腰機構は、上記土台部に一端が固定され、他端が上記胴体部に固定されることで上記腰関節を駆動する並進駆動アクチュエータにより駆動されて、上記土台部に対して上記胴体部を上記腰関節回りに略前後に揺動させる機構であることを特徴とする第５態様に記載のロボットを提供する。
【００２８】
本発明の第７態様によれば、上記関節ロック機構はワンウェイクラッチ機構であることを特徴とする第１態様に記載のロボットを提供する。
【００２９】
本発明の第８態様によれば、上記ロボット動作制御手段は、上記関節ロック機構がロック状態のときには、上記いずれかの関節において、上記ワンウェイクラッチ機構の可動方向に作用する外力に対しては上記ロボットアーム動作モードを行い、上記ワンウェイクラッチ機構の非可動方向とに作用する外力に対しては上記ロボットアーム動作モードを行わないことを特徴とする第７態様に記載のロボットを提供する。
【００３０】
本発明の第９態様によれば、上記ロボット動作制御手段は、上記関節ロック機構がロック状態のときには上記ロボットアームに対して、非ロック状態のときのサーボ剛性よりも低いサーボ剛性の位置制御を行うことを特徴とする第７態様に記載のロボットを提供する。
【００３１】
本発明の第１０態様によれば、土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を腰関節で接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記それぞれの関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御装置であって、
上記関節ロック機構用アクチュエータと上記ロボットアーム用アクチュエータと上記腰関節用アクチュエータとをそれぞれ駆動制御して、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をフリー状態として上記ロボットアームの動作を行うロボットアーム動作モードと、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をロック状態として上記胴体部移動機構を使用して上記胴体部を移動させる胴体部移動モードとを切換えるロボットの制御装置を提供する。
【００３２】
本発明の第１１態様によれば、土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を腰関節で接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記それぞれの関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御方法であって、
上記関節ロック機構用アクチュエータと上記ロボットアーム用アクチュエータと上記腰関節用アクチュエータとをそれぞれ駆動制御して、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をフリー状態として上記ロボットアームの動作を行うロボットアーム動作モードと、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をロック状態として上記胴体部移動機構を使用して上記胴体部を移動させる胴体部移動モードとを切換えるロボットの制御方法を提供する。
【００３３】
本発明の第１２態様によれば、土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を腰関節で接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記それぞれの関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御プログラムであって、
上記関節ロック機構用アクチュエータと上記ロボットアーム用アクチュエータと上記腰関節用アクチュエータとをそれぞれ駆動制御して、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をフリー状態として上記ロボットアームの動作を行うロボットアーム動作モードと、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をロック状態として上記胴体部移動機構を使用して上記胴体部を移動させる胴体部移動モードとを切換えるロボット動作制御手段としてコンピュータを機能させるためのロボットの制御プログラムを提供する。
【００３４】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１実施形態におけるロボットの概略構成を示す図である。また、図２は上記ロボットの機構構成を示す斜視図である。図３は上記ロボットの側面図である。
【００３６】
ロボットは、矩形枠体状の土台部１と、土台部１に固定された胴体部移動機構の一例として機能する腰機構２と、腰機構２で支持される胴体部８と、胴体部８の左側に支持された左アーム３ａと、胴体部８の右側に支持された右アーム３ｂとの５つのブロックを備えるように構成される。
【００３７】
ロボットの土台を構成する土台部１の上面には、直方体の支柱４が配設されており、支柱４の上部には腰機構２が配設されている。また、土台部１には、４つの角部にそれぞれ車輪５が配設されており、ロボット全体を移動可能とすることができるようになっている。
【００３８】
腰機構２は、腰回転軸２Ａ回りの回転関節（腰関節）で構成され、土台部１と胴体部８を接続し、土台部１に対して、腰機構２より、胴体部８を前後に揺動運動可能としている。ここでは、土台部１は矩形であるので、土台部１の対向する短辺の一方の側を前側端部（図２の左手前側の端部１Ｆ）と定義し、他方の側を後側端部（図２の右奥側の端部１Ｂ）と定義する。よって、前側端部１Ｆに対して右側の端部（土台部１の対向する長辺の一方の側の端部）を右側端部１Ｒとし、左側の端部（土台部１の対向する長辺の他方の側の端部）を左側端部１Ｌと、それぞれ定義する。
【００３９】
胴体部８は、一対の四角柱状の縦枠部材８ａと一対の四角柱状の横枠部材８ｂとの四角枠体より構成され、胴体部８の上端部には、両側面に左アーム３ａ及び右アーム３ｂがそれぞれ独立して回動可能に配設されている。右アーム３ｂは、左アーム３ａと対称構造となっており、両アーム３ａ，３ｂは同様の構造であるため、以下において、アーム３ａ，３ｂの構成などを説明するときには、代表例として、アーム３として説明する。
【００４０】
アーム３は、上腕である第１リンク６、及び、前腕である第２リンク７との２リンク構成である。第１リンク６の基端部は、胴体部８の上端部に、肩関節である第１関節９及び第２関節１０により接続され、胴体部８に対して、第１関節９軸回り及び第２関節１０軸回りに相対的に回動可能である。すなわち、第１関節９により、胴体部８の各縦枠部材８ａの軸方向沿いの第１関節軸１２回りの第１リンク６の回動が可能となっているとともに、第２関節１０により、胴体部８の上側の横枠部材８ｂの軸方向沿いの第２関節軸１３回りの第１リンク６の回動が可能となっている。また、第１リンク６の先端部と第２リンク７の基端部とは、肘関節である第３関節１１により、相対的に回動可能である。第３関節１１により、第１リンク６に対して、第２関節軸１３と平行な第３関節軸１４回りの第２リンク７の回動が可能となっている。
【００４１】
アーム３の第１関節９と第２関節１０と第３関節１１とには、関節角度センサーの一例であるエンコーダ３７が配設され、各関節９，１０，１１の回転角度（関節角度ベクトル）ｑ＝［ｑ１，ｑ２，ｑ３］Ｔがそれぞれ検出可能となっている。ただし、ｑ１，ｑ２，ｑ３は、それぞれ、第１関節９、第２関節１０、第３関節１１の関節角度である。エンコーダ３７で検出した回転角度の情報は制御装置３８に出力される。
【００４２】
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆは空気圧人工筋であり、各空気圧人工筋の内部の空気圧を変化させることにより収縮伸張し左アーム３ａと右アーム３ｂと腰機構２との各関節６，１０，１１，２Ａを駆動するロボットアーム用アクチュエータの一例として働く。空気圧人工筋１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄは第３関節１１による第３関節軸１４回りの回転駆動を行うアーム第３関節駆動部材として機能する。空気圧人工筋１６ａ、１６ｂは、第２関節１０による第２関節軸１３回りの回転駆動を行うアーム第２関節駆動部材として機能する。空気圧人工筋１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄは第１関節９による第１関節軸１２回りの回転駆動を行うアーム第１関節駆動部材として機能する。空気圧人工筋１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆは後述する関節ロック機構２８のロック動作を駆動するロック動作駆動部材として機能する。
【００４３】
１９は腰関節用アクチュエータ又は腰機構駆動部材の一例として機能する空気圧人工筋であり、空気圧人工筋１９は腰機構２の関節軸２Ａ回りの回転駆動を行う並進駆動アクチュエータとして機能する。
【００４４】
次に、空気圧人工筋１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄによる駆動機構を、まず、第３関節１１による第３関節軸１４回りの回転運動を例に採り、説明する。空気圧人工筋１５ａ、１５ｂは第１リンク６の前側でかつ両側に配置されるとともに、空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄは第１リンク６の後側でかつ両側に配置されている。空気圧人工筋１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄは各一端部（上側の端部）を第２関節１０の近傍にて第１リンク６の基端部に回転自在に固定され、各他端部（下側の端部）を第３関節１１の近傍にて回転自在に第２リンク７の基端部に固定されている。また、第２リンク７の基端部において前側の空気圧人工筋１５ａ、１５ｂの他端部と後側の空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄの他端部は、第３関節１１の第３関節軸１４を中心に対称な位置にそれぞれ固定されている。このため、前側の空気圧人工筋１５ａ、１５ｂと後側の空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄの内部の空気圧をそれぞれ変化させることにより空気圧人工筋１５ａ、１５ｂと空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄを収縮伸張させると、空気圧人工筋１５ａ、１５ｂと空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄが拮抗することになり、第３関節１１の第３関節軸１４回りに回転運動が発生し、第１リンク６と第２リンク７の相対的な運動が駆動される。例えば、前側の空気圧人工筋１５ａ、１５ｂを伸ばしかつ後側の空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄを縮めるように駆動すると、図２において、第１リンク６に対して第２リンク７が第３関節１１の第３関節軸１４回りに時計方向に回動する。逆に、前側の空気圧人工筋１５ａ、１５ｂを縮めかつ後側の空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄを伸ばすように駆動すると、図２において、第１リンク６に対して第２リンク７が第３関節１１の第３関節軸１４回りに反時計方向に回動する。
【００４５】
同様に、第２関節１０の第２関節軸１３回りの回転運動が、前側の空気圧人工筋１６ａと後側の空気圧人工筋１６ｂの拮抗駆動により駆動される。すなわち、２本の前側の空気圧人工筋１６ａは胴体部８の前側でかつ縦枠部材８ａ付近に配置されるとともに、２本の後側の空気圧人工筋１６ｂは胴体部８の後側でかつ縦枠部材８ａ付近に配置されている。空気圧人工筋１６ａ，１６ｂは各一端部（上側の端部）を第２関節１０の近傍にて、上リンク６の基端部に固定された上側棒状リンク部材８ｃの両端部にそれぞれ回転可能に固定され、各他端部（下側の端部）を、腰機構２の回転軸２Ａの近傍にて、胴体部８の下端部に固定された下側棒状リンク部材８ｄの両端部に固定されている。また、胴体部８に対して、前側の空気圧人工筋１６ａの他端部と後側の空気圧人工筋１６ｂの他端部は、対称な位置にそれぞれ配置されている。このため、前側の空気圧人工筋１６ａと後側の空気圧人工筋１６ｂの内部の空気圧をそれぞれ変化させることにより空気圧人工筋１６ａと空気圧人工筋１６ｂを収縮伸張させると、空気圧人工筋１６ａと空気圧人工筋１６ｂが拮抗することになり、第２関節１０の第２関節軸１３回りに回転運動が発生し、胴体部８とアーム３との相対的な回転運動が駆動される。例えば、前側の空気圧人工筋１６ａを伸ばしかつ後側の空気圧人工筋１６ｂを縮めるように駆動すると、図２において、胴体部８に対してアーム３が第２関節１０の第２関節軸１３回り反時計方向に回動して、後側に回動する。逆に、前側の空気圧人工筋１６ａを縮めかつ後側の空気圧人工筋１６ｂを伸ばすように駆動すると、図２において、胴体部８に対してアーム３が第２関節１０の第２関節軸１３回り時計方向に回動して、前側に回動する。
【００４６】
また、第１関節９の第１関節軸１２回りの回転運動は、前側の上部と後側の下部の空気圧人工筋１７ａと前側の下部と後側の上部の空気圧人工筋１７ｂの拮抗駆動による回転運動が連結部材２０により伝達され駆動される。以上の第１関節９の駆動方法を図２２により、右アーム３ｂの場合を例に取り詳しく説明する。図２２は図３におけるＡ−Ａ断面図である。空気圧人工筋１７ａ、１７ｂの端部は揺動リンク９４に連結されおり、揺動リンク９４は揺動リンク回転軸９５回りに回転可能である。空気圧人工筋１７ａが収縮し、空気圧人工筋１７ｂが伸張すると揺動リンク９４が矢印Ｕで示す回転運動が発生し、揺動リンク９４は連結軸９６において連結部材２０ｂと接続されているため、揺動リンク９４の回転運動が伝わり、右アーム３ｂの第１関節９まわりの矢印Ｖで示す回転運動が駆動される。同様に、左アーム３ａの場合は、下部に配設された空気圧人工筋１７ａ、１７ｂにより連結部材２０ａが駆動されることにより第１関節が駆動される。
【００４７】
図４の（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図２中に示した空気圧人工筋１５ａの構造を示す図である。図４の（ａ）は空気圧人工筋１５ａの減圧状態の正面図を示し、図４の（ｂ）は空気圧人工筋１５ａの加圧状態の正面図を示し、図４の（ｃ）は空気圧人工筋１５ａの断面図を示している。他の空気圧人工筋１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、後述する１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆ、１９も同様の構造であるため、ここでは、空気圧人工筋１５ａを代表に採り、説明を行う。空気圧人工筋１５ａは、図４に示すように、ゴム材料で構成された管状弾性体２１の外表面に材料的には伸びにくい樹脂又は金属の繊維コードで網目状に編んで構成された拘束部材２２が配設され、管状弾性体２１の両端部を封止部材２３でそれぞれ気密封止する構造となっている。流体注入出部材２４を通じて空気等の圧縮性流体を管状弾性体２１内に供給することにより内圧を管状弾性体２１の内部空間に与えると、管状弾性体２１が主に半径方向に膨張しようとするが、拘束部材２２の作用により、管状弾性体２１の中心軸方向の収縮運動に変換され、全長が収縮する。この空気圧人工筋１５ａは主に弾性体で構成されるため、柔軟性があり、安全で軽量なアクチュエータであるという特徴を有する。
【００４８】
図５は、空気圧人工筋１５ａを駆動するための空気圧供給駆動系の構成を示す図である。図５では左アーム３ａの第３関節１１を駆動するための空気圧供給駆動系のみ抜き出し、記述している。図５において、２５は、例えばコンプレッサー等の空気圧源と２６は空気圧フィルタ２６ａと空気圧減圧弁２６ｂと及び空気圧用ルブリケータ２６ｃとが１組になった空気圧調整ユニットである。
【００４９】
２７は例えば電磁石の力でスプール弁などを駆動することで流量を制御する５ポート流量制御電磁弁である。３８は例えば一般的なパーソナルコンピュータにより構成された制御装置であり、Ｄ／Ａボード４１が搭載されており、５ポート流量制御電磁弁２７に電圧指令値を出力することにより、それぞれの流体注入出部材２４ａ及び２４ｂを流れるそれぞれの空気の流量を制御可能とする。制御装置３８の詳細に関しては後述する。
【００５０】
図５に示す空気圧供給駆動系によれば、空気圧源２５により生成された高圧空気は、空気圧調整ユニット２６により減圧され、例えば６００ｋＰａといった一定圧力に調整され、５ポート流量制御電磁弁２７に供給される。５ポート流量制御電磁弁２７の開度は、制御装置３８よりＤ／Ａボード４１を介して出力される電圧指令値に比例して制御される。５ポート流量制御電磁弁２７には、一対の空気圧人工筋１５ａ、１５ｂと一対の空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄの管状弾性体２１の流体注入出部材２４がそれぞれ接続されている。一対の空気圧人工筋１５ａ、１５ｂと一対の空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄは第１リンク６の長手方向沿いに大略平行に配置され、それぞれの管状弾性体２１の流体注入出部材２４側の端部が、第１リンク６の第２関節１０側の端部に固定されている。一対の空気圧人工筋１５ａ、１５ｂと一対の空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄのそれぞれの管状弾性体２１の他方の端部側は、第２リンク７に回転自在に支持されている。図５では、空気圧人工筋１５ｂと１５ｄは、それぞれ空気圧人工筋１５ａと１５ｃの背後の影となる場所に位置するため図示されていない。したがって、以下に述べるように、一対の空気圧人工筋１５ａ、１５ｂと一対の空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄのそれぞれの管状弾性体２１が伸縮することにより、第２リンク７が第３関節１１の第３関節軸１４回りに正逆回転駆動される。なお、図５中に矢印Ｘで示した右回転を正方向、矢印Ｘとは逆の左回転を逆方向とする。
【００５１】
制御装置３８より出力された正の電圧指令値が、Ｄ／Ａボード４１から５ポート流量制御電磁弁２７に入力された場合には、図５に示すように空気圧回路記号のＡで示した状態になり、空気圧源２５側から空気圧人工筋１５ａ、１５ｂの管状弾性体２１の流体注入出部材２４側への流路が５ポート流量制御電磁弁２７を介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気が空気圧人工筋１５ａ、１５ｂ側に供給される。また、空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄ側は、それぞれの管状弾性体２１の流体注入出部材２４から大気圧側への流路が５ポート流量制御電磁弁２７を介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気流がそれぞれの空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄ側から大気中へ排気される。したがって、空気圧人工筋１５ａ、１５ｂのそれぞれの全長が縮み、空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄのそれぞれの全長が伸びることにより、図６Ａに示す状態から図６Ｂに示す状態へと、電圧指令値の絶対値に比例した速度で、第３関節１１は、第３関節軸１４回りの矢印Ｙで示す右回転運動を行う。
【００５２】
一方、制御装置３８より出力された負の電圧指令値が、Ｄ／Ａボード４１から５ポート流量制御電磁弁２７に入力された場合には、５ポート流量制御電磁弁２７が切り替えられて、空気圧回路記号のＢで示した状態になり、空気圧人工筋１５ａ、１５ｂと空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄの動作は逆となり、第３関節１１は第３関節軸１４回りの左回転運動を行う。すなわち、空気圧源２５側から空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄのそれぞれの管状弾性体２１の流体注入出部材２４側への流路が５ポート流量制御電磁弁２７を介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気がそれぞれの空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄ側に供給される。また、空気圧人工筋１５ａ、１５ｂ側は、それぞれの管状弾性体２１の流体注入出部材２４から大気圧側への流路が５ポート流量制御電磁弁２７を介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気流がそれぞれの空気圧人工筋１５ａ、１５ｂ側から大気中へ排気される。したがって、空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄのそれぞれの全長が縮み、空気圧人工筋１５ａ、１５ｂのそれぞれの全長が伸びることにより、図６Ａに示す状態から図６Ｃに示す状態へと、電圧指令値の絶対値に比例した速度で、第３関節１１は、第３関節軸１４回りに矢印Ｚで示す左回転運動を行う。
【００５３】
以上のように、空気圧人工筋１５ａ、１５ｂと空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄにより、第２リンク７の正逆回転運動が駆動されることにより、第１リンク６と第２リンク７の揺動運動すなわち角度ｑＬ３の回転運動が駆動される。
【００５４】
アーム３の各関節９，１０，１１には、関節９，１０，１１を固定するための関節ロック機構２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ、２８ｅ、２８ｆが、それぞれ、左アーム３ａの第１関節９と、左アーム３ａの第２関節１０と、左アーム３ａの第３関節１１と、右アーム３ｂの第１関節９と、右アーム３ｂの第２関節１０と、右アーム３ｂの第３関節１１とに配設されている。各関節ロック機構２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ、２８ｅ、２８ｆは同様な構造であるので、以下では、各関節ロック機構２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ、２８ｅ、２８ｆの構造などを説明するときには、代表例として、関節ロック機構２８として説明する。
【００５５】
図７Ａ〜図７Ｃに関節ロック機構２８の詳細を示す。図７Ａは関節軸を通る断面図である。図７Ｂは図７Ａの矢印Ｖ方向から見た図、すなわち、一方の対向ギアのギア部が形成された面を関節軸の軸方向から見た図である。図７Ｃは２つの対向ギアの外観側面図である。
【００５６】
また、図８に関節ロック機構２８の駆動機構の詳細を示す。図８は、左アーム３ａの第１リンク６を図３中に示した矢印Ｗの方向から見た図である。右アーム３ｂの第１リンク６の場合、図８に示した構造とは左右対称な構造となっている。
【００５７】
図８において、２９はギア部２９ａを対向する面に円環状に有する円板状の固定対向ギアであり、中心には、ロック及びロック解放動作を行なう関節の関節軸が回転不自在に挿入嵌合される円形の穴２９ｂが開いており、関節によって接続される構造体の内、土台部１に近い側の構造体及び関節軸に対し相対的に動かないよう固定されている。例えば、第３関節１１の関節ロック機構２８ｃの場合、固定対向ギア２９は、土台部１に近い側の構造体及び関節軸の例としての第１リンク６及び第３関節軸１４に固定されており、第３関節１１の第３関節軸１４の先端が固定対向ギア２９の穴２９ｂを貫通して相対回転不自在に挿入嵌合されている。すなわち、第３関節軸１４と固定対向ギア２９とは一体的に固定されている。なお、第１リンク６と第２リンク７とは、第３関節１１において、軸受け７０により相対的に回転可能に連結されている。７ｇは第２リンク７と一体的に回転可能でかつ第１リンク６に対しては軸受け７０により相対回転可能となっているカラー、２８ｇは後述する押しつけバネ３３などが配置されるケーシングである。
【００５８】
３０は固定対向ギア２９のギア部２９ａとかみ合い可能なギア部３０ａを対向する面に円環状に有する円板状の可動対向ギアであり、中心には、穴２９ｂに連通可能な円形の凹部３０ｂが形成されており、この凹部３０ｂに関節軸（例えば、上記第３関節１１の関節ロック機構２８ｃの場合には、第３関節軸１４の先端部）が相対回転可能にかつ軸方向には移動可能に挿入される形で固定対向ギア２９に対向するように配設されている。可動対向ギア３０は関節軸には固定されておらず、関節軸の軸方向に並進移動可能であり、回転軸周りに回転可能である。また、可動対向ギア３０の外周面の一箇所には、径方向に突出したガイド突起３１があり、関節によって接続される構造体の内、手先に近い側の構造体に配設されたガイド溝３２とかみ合っている。例えば、第３関節１１の関節ロック機構２８ｃの場合には、ガイド溝３２は第２リンク７に配設されている（図７Ｂ参照）。ガイド突起３１は、ガイド溝３２に対してガイド溝３２の長手方向（図７Ｂの紙面貫通方向すなわち可動対向ギア３０の厚み方向）に沿って相対的に並進移動可能である。すなわち、可動対向ギア３０と手先に近い側の構造体（上記の場合では第２リンク７）とは関節軸（上記の場合では第３関節軸１４）の中心軸方向に相対的に並進移動可能であるが、関節軸の中心軸周りの回転運動に関しては、ガイド突起３１とガイド溝３２の噛み合いによる拘束のため、可動対向ギア３０と手先に近い側の構造体（上記の場合では第２リンク７）とは一体的に回転運動することとなる。なお、図７Ａは、ガイド突起３１とガイド溝３２の噛み合いが外れた状態を示している。
【００５９】
固定対向ギア２９の対向面のギア部２９ａと可動対向ギア３０の対向面のギア部３０ａは、それぞれ、断面が鋸歯形状となっており、可動対向ギア３０において固定対向ギア２９とは反対側に、かつ、可動対向ギア３０の中心軸方向沿いにケーシング２８ｇのカラー７ｇ内に配置された押しつけバネ３３の付勢力で押しつけられて、固定対向ギア２９と可動対向ギア３０とがお互いかみ合うことで、対向ギア２９，３０として機能する。固定対向ギア２９のギア部２９ａと可動対向ギア３０のギア部３０ａが噛み合った際には、固定対向ギア２９と可動対向ギア３０の関節軸周りの回転運動に対し、ギア部２９ａとギア部３０ａのそれぞれの歯形の垂直面同士（対向ギア２９，３０の厚み方向沿いの直立面同士）での接触が起こる回転方向（図７Ｃの矢印方向）には回転できず、固定されることになる。この場合、土台部１に近い側の構造体（上記の場合では第１リンク６）は固定対向ギア２９に固定されており、手先に近い側の構造体（上記の場合では第２リンク７）はガイド突起３１とガイド溝３２を介して可動対向ギア３０に固定されているため関節（上記の場合では第３関節１１）はロックされて２つの構造体（上記の場合では第１リンク６と第２リンク７）間の相対的な回転運動は発生しなくなる。一方、ギア部２９ａとギア部３０ａのそれぞれの歯形の斜め面同士（対向ギア２９，３０の厚み方向に対して傾斜した方向沿いの斜面同士）での接触が起こる回転方向（図７Ｃの矢印方向とは反対方向）は斜め面に沿ってせり上がりが起こるため、２つの構造体（上記の場合では第１リンク６と第２リンク７）間の相対的な回転運動は可能である。この結果、関節ロック機構２８はワンウェイクラッチとして機能することになる。
【００６０】
可動対向ギア３０は、外側ガイドチューブ５５と牽引ワイヤー５６で構成されるコントロールケーブル５７を介して関節ロック機構駆動のための空圧人工筋１８（具体的には空圧人工筋１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆであるが、構造を説明するときには、代表例として１８で示す。）と接続されている。図７Ａは、ガイド突起３１とガイド溝３２の噛み合いが外れた状態を示しており、空圧人工筋１８の駆動により、牽引ワイヤー５６で可動対向ギア３０を中心軸方向に、固定対向ギア２９から離れる側（図７Ａの左側）に移動して、ギア部２９ａとギア部３０ａが離れた状態を示している。逆に、空圧人工筋１８の駆動により、牽引ワイヤー５６で可動対向ギア３０を中心軸方向に、固定対向ギア２９に接近する側（図７Ａの右側）に移動すると、ギア部２９ａとギア部３０ａがかみあった状態となる。関節ロック機構駆動のための空圧人工筋１８のうち、空気圧人工筋１８ａ（図３中に図示）は土台部１に配設され、左アーム３ａの第１関節９の関節ロック機構２８ａを駆動する。空気圧人工筋１８ｂ（図３中の空気圧人工筋１８ａの背後に配設）は土台部１に配設され、右アーム３ｂの第１関節９の関節ロック機構２８ｂを駆動する。空気圧人工筋１８ｃ（図８中の空気圧人工筋１８ｅの背後に配設）は左アーム３ａの第１リンク６の内部に配設され、左アーム３ａの第２関節１０の関節ロック機構２８ｃを駆動する。空気圧人工筋１８ｄ（図８中の空気圧人工筋１８ｃと同様に右アーム３ｂにおいて配設）は右アーム３ｂの第１リンク６の内部に配設され、右アーム３ｂの第２関節１０の関節ロック機構２８ｄを駆動する。空気圧人工筋１８ｅ（図８中に図示）は左アーム３ａの第１リンク６の内部に配設され、左アーム３ａの第３関節１１の関節ロック機構２８ｅを駆動する。空気圧人工筋１８ｆ（図８中の空気圧人工筋１８ｅと同様に右アーム３ｂにおいて配設）は右アーム３ｂの第１リンク６の内部に配設され、右アーム３ｂの第３関節１１の関節ロック機構２８ｆを駆動する。
【００６１】
空気圧人工筋１８に高圧空気を供給して空気圧人工筋１８を収縮させると、空気圧人工筋１８に連結されたコントロールケーブル５７の牽引ワイヤー５６により可動対向ギア３０が牽引されて、関節ロック機構２８の押しつけバネ３３の付勢力に抗して、中心軸方向に固定対向ギア２９から離れる側に移動し、対向ギア２９，３０同士のギア部２９ａとギア部３０ａの噛み合いが解除される。逆に、空気圧人工筋１８から高圧空気を排出して空気圧人工筋１８を伸張させと、コントロールケーブル５７の牽引ワイヤー５６による可動対向ギア３０の引っ張り力が解除されて、関節ロック機構２８の押しつけバネ３３の付勢力により、対向ギア２９，３０のギア部２９ａとギア部３０ａ同士は噛み合い、関節がロックされて相対回転運動が不可能となる。
【００６２】
左アーム３ａ及び右アーム３ｂの各関節における関節ロック機構２８の配置方向に関しては、ワンウェイクラッチとして回転可能な方向を図２、図３中の矢印Ｒで示す回転方向となるように、かつ、ロックがかかる方向（相対回転不可能な方向）を図中の矢印Ｒとは逆回転方向となるように配設している。このような配置方向とすることにより、アーム３上に被介護者又は運搬物を搭載した場合に、関節ロックが機能し、被介護者又は運搬物の重量による負荷を関節ロック機構２８が負担するため、被介護者又は運搬物の保持を容易にかつ安定して信頼性高く行うことができる。
【００６３】
図３及び図９Ａ及び図９Ｂに基づき腰機構２について説明する。腰機構２は、空気圧人工筋１９により駆動される。空気圧人工筋１９は、一端部が土台部１に回転自在に固定され、他端部が力伝達レバー３４の後端部に回転自在に固定されている。力伝達レバー３４の前端部は、胴体部８に固定されている。空気圧人工筋１９に高圧空気を供給して空気圧人工筋１９を収縮させれば、力伝達レバー３４が後方に引かれ、胴体部８は腰機構２の関節軸２Ａを中心に揺動運動して、図９Ａに示す胴体部８の前傾状態から図９Ｂに示す胴体部８の直立状態へと起き上がる。逆に、空気圧人工筋１９より高圧空気を排出して空気圧人工筋１９を伸張させれば、胴体部８又はアーム３の重さにより、胴体部８は、図９Ｂに示す胴体部８の直立状態から図９Ａに示す胴体部８の前傾状態へと前方に倒れることになる。
【００６４】
腰機構２を駆動する空気圧人工筋１９には、制御装置３８に接続される圧力センサー６７（図３参照）が配設されており、圧力センサー６７により空気圧人工筋１９の内部の圧力を計測することが可能になっている。この圧力センサー６７による空気圧人工筋１９の内部圧力Ｐpと腰機構２の関節軸２Ａのエンコーダー３７の角度情報より得られる空気圧人工筋１９のひずみεより、ロボットが重量物等の負荷を持ち上げている状態かどうかの判定が動作モード切換手段４７で可能である。空気圧人工筋１９の内部圧力Ｐp、ひずみε、及び、収縮力Ｆの間には、図１０に示す関係がある。この特性を利用すれば、空気圧人工筋１９の内部圧力Ｐpとひずみεより収縮力Ｆpが収縮力計算手段１９４で算出でき、この算出された収縮力Ｆpが、ロボットが重量物等の負荷を持ち上げていない状態のときの収縮力の値よりも大きいときには、ロボットが重量物等の負荷を持ち上げていると動作モード切換手段４７で判定することができる。
【００６５】
この重量物等の負荷をロボットが持ち上げているかどうかの判定情報は、後述する動作モード切換手段４７にて行われ、その判定結果は、後述する関節ロック機構制御手段５９へと出力される。
【００６６】
図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、アーム３の第２リンク７の中央部付近には３方向の並進力を検出することができる、外力検出装置の一例として機能する、３軸の力センサー３５が配設されている。力センサー３５には、力検出外装カバー３６が第２リンク７の構造体とは隙間をあけて接触しない形で配設されており、力センサー３５は、力検出外装カバー３６とアーム３の第２リンク７の間に働く力を検出して制御装置３８に出力する。力検出外装カバー３６は、第２リンク７の幅方向断面の外面の略半分及び第２リンク７のリンク長方向の大部分を覆うような構造であり、第２リンク７の表面の多くの部分で第２リンク７に働く力を検出することが可能である。また、図２及び図３に示す搬送基本姿勢においてアーム３の下側に位置するように力センサー３５が配設されており、アーム３の上面に被介護者又は運搬物が載った状態でも被介護者又は運搬物に力センサー３５が接触することがないため、被介護者又は運搬物の影響を受けることなく、外力を力センサー３５で検出することができる。
【００６７】
図１及び図５などに示す制御装置３８は、ハードウェア的には一般的なパーソナルコンピュータにより構成されており、入出力ＩＦ４０を除く部分は、パーソナルコンピュータで実行される制御プログラム３９としてソフトウェア的に実現される。
【００６８】
入出力ＩＦ４０は、パーソナルコンピュータのＰＣＩバスなどの拡張スロットルに接続された、Ｄ／Ａボード４１とＡ／Ｄボード４２とカウンタボード４３とにより構成される。
【００６９】
ロボットの動作を制御するための制御プログラム３９が実行されることにより制御装置３８が機能しており、左アーム３ａ及び右アーム３ｂの各関節９，１０，１１のエンコーダ３７より出力される関節角度情報がカウンタボード４３を通じて制御装置３８にそれぞれ取り込まれ、また、左アーム３ａ及び右アーム３ｂに配設された力センサー３５により検出された外力情報がＡ／Ｄボード４２を通じて制御装置３８にそれぞれ取り込まれ、制御装置３８によって各関節の回転動作での制御指令値がそれぞれ算出される。算出された各制御指令値は、Ｄ／Ａボード４１を通じて５ポート流量制御電磁弁２７に与えられ、５ポート流量制御電磁弁２７によりアーム３の各関節９，１０，１１の空気圧人工筋１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１６ａ，１６ｂが駆動される。
【００７０】
図１において、５８は動作モード切換スイッチであり、前進ボタン６４と後退ボタン６５と停止ボタン６６との３つのボタンが配設されており、どのボタンが押されたかの情報がデジタル、Ｉ／Ｏを通じて制御装置３８に入力される。
【００７１】
図１２は、制御装置３８において実行される制御プログラム３９により実現するロボット制御系のブロック線図である。言い換えれば、入出力ＩＦ４０からの情報を基に制御プログラム３９でロボットの動作を制御するロボット動作制御手段４４の構成を示すブロック図である。
【００７２】
ロボット制御系は、動作モード切換手段４７とインピーダンス制御手段４５とを備えるように構成される。
【００７３】
インピーダンス制御手段４５は、左アームインピーダンス制御手段４５ａと右アームインピーダンス制御手段４５ｂと腰機構インピーダンス制御手段４５ｐとより構成されており、それぞれ、左アーム３ａの動作と右アーム３ｂの動作と腰機構２の動作を制御する。左アームインピーダンス制御手段４５ａと右アームインピーダンス制御手段４５ｂとの構造及び機能は同様であるので、ここでは、インピーダンス制御手段４５として、代表して詳細を説明する。なお、以下で、添え字ｉはＬ又はＲであり、それぞれ左アームインピーダンス制御手段４５ａ又は右アームインピーダンス制御手段４５ｂでの入出力信号を意味する。例えば、アーム３の関節角度ｑｉは、左アームインピーダンス制御手段４５ａの入力信号である左アーム３ａの関節角度ｑＬ又は右アームインピーダンス制御手段４５ｂの入力信号である右アーム３ｂの関節角度ｑＲを意味している。理解しやすくするため、代表した文字又は数字の後の括弧内に、左右の別々の文字又は数字を示す。
【００７４】
インピーダンス制御手段４５（４５ａ又は４５ｂ）は、インピーダンス計算手段４６（４６ａ又は４６ｂ）と位置制御手段４９（４９ａ又は４９ｂ）とを備えるように構成される。インピーダンス計算手段４６（４６ａ又は４６ｂ）には、力センサー３５で計測された力ＦｉＬ（ＦＬＬ又はＦＲＬ）が入力され、手先目標補正値ｒｉｄΔ（ｒＬｄΔ又はｒＲｄΔ）がインピーダンス計算手段４６（４６ａ又は４６ｂ）から出力される。位置制御手段４９（４９ａ又は４９ｂ）には、目標軌道生成手段４８から入力されるアーム３（３ａ又は３ｂ）の位置目標値ｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）に手先目標補正値ｒｉｄΔ（ｒＬｄΔ又はｒＲｄΔ）がインピーダンス制御手段４５（４５ａ又は４５ｂ）で加算された値ｒｉｄｍ（ｒＬｄｍ又はｒＲｄｍ）及びエンコーダ３７で計測されたアーム３（３ａ又は３ｂ）の関節角度ｑｉ（ｑＬ又はｑＲ）がそれぞれ入力され、関節指令値ｕｉｑ（ｕＬｑ又はｕＲｑ）が位置制御手段４９（４９ａ又は４９ｂ）から出力され、アーム３（３ａ又は３ｂ）への指令値となる。
【００７５】
インピーダンス計算手段４６（４６ａ又は４６ｂ）は、アーム３（３ａ又は３ｂ）に機械インピーダンスを実現する機能を果たす部分であり、インピーダンスパラメータ慣性Ｍと、粘性Ｄと、弾性Ｋと、関節角度の現在値ｑｉ（ｑＬ又はｑＲ）と、力センサー３５が検出した外力Ｆｉ（ＦＬ又はＦＲ）とより、アーム３（３ａ又は３ｂ）に機械インピーダンスを実現するための手先位置目標補正出力ｒｉｄΔ（ｒＬｄΔ又はｒＲｄΔ）を以下の式（１）によりインピーダンス計算手段４６（４６ａ又は４６ｂ）で計算して、出力する。手先位置目標補正出力ｒｉｄΔ（ｒＬｄΔ又はｒＲｄΔ）は、目標軌道生成手段４８の出力する手先位置目標ｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）にインピーダンス制御手段４５（４５ａ又は４５ｂ）で加算され、手先位置補正目標ベクトルｒｉｄｍ（ｒＬｄｍ又はｒＲｄｍ）が生成される。
【００７６】
【数１】
2009147832.tif 000003
【００７７】
【数２】
2009147832.tif 000004
【００７８】
【数３】
2009147832.tif 000005
【００７９】
【数４】
2009147832.tif 000006
であり、ｓはラプラス演算子である。なお、インピーダンスパラメータ慣性Ｍと粘性Ｄと弾性Ｋとに関しては、実験により、ロボットの操作性が良い値を試行錯誤的に探索しそれぞれ決定する。
【００８０】
図１３は、位置制御手段４９（４９ａ又は４９ｂ）の詳細を示す図である。５３は位置誤差補償手段であり、アーム３（３ａ又は３ｂ）において計測される関節角度ベクトルの現在値ｑｉ（ｑＬ又はｑＲ）から順運動学計算手段５２で計算される手先位置ベクトルｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）と、手先補正目標ベクトルｒｉｄｍ（ｒＬｄｍ又はｒＲｄｍ）との誤差ｒｉｅ（ｒＬｅ又はｒＲｅ）が位置誤差補償手段５３に入力され、位置誤差補償手段５３からは、位置誤差補償出力ｕｉｒｅ（ｕＬｒｅ又はｕＲｒｅ）が近似逆運動学計算手段５４に向けて出力される。近似逆運動学計算手段５４には、アーム３（３ａ又は３ｂ）において計測される関節角度ベクトルの現在値ｑｉ（ｑＬ又はｑＲ）も入力される。
【００８１】
また、位置誤差補償手段５３は、後述する関節ロック機構制御手段５９の関節ロック指令が入力されており、関節ロック機構２８がロック状態のときには、位置誤差補償のサーボゲインを非ロック状態の時の、例えば１／２のように低い値とする（位置誤差補償出力ｕｉｒｅの大きさを１／２にする）ことで、位置制御のサーボ剛性を低下させる機能を有する。
【００８２】
近似逆運動学計算手段５４では、近似逆運動学計算手段５４への入力をｕｉｉｎ、近似逆運動学計算手段５４からの出力をｕｉｏｕｔとすると、近似式ｕｉｏｕｔ＝Ｊｉｒ（ｑｉ）−１ｕｉｉｎにより、逆運動学の近似計算を行う。ただし、
Ｊｉｒ（ｑｉ）は
【００８３】
【数５】
2009147832.tif 000007
の関係を満たすヤコビ行列である。この数式より近似式ｑｉｅ≒Ｊｉｒ（ｑｉ）−１ｒｉｅが導出されるので、逆ヤコビ行列Ｊｉｒ（ｑｉ）−１を使えば手先位置・姿勢誤差ｒｉｅ（ｒＬｅ又はｒＲｅ）から関節角度誤差ｑｉｅ（ｑＬｅ又はｑＲｅ）への変換、すなわち、誤差に関する手先座標における値から、関節座標における値への変換が可能なことが分かる。同様に、誤差補償出力に関しても手先座標における値から、関節座標における値への変換が逆ヤコビ行列Ｊｉｒ（ｑｉ）−１によって行われるため、位置誤差補償出力ｕｉｒｅ（ｕＬｒｅ又はｕＲｒｅ）が近似逆運動学計算手段５４に入力されると、近似逆運動学計算手段５４からの出力は関節角度誤差ｑｉｅ（ｑＬｅ又はｑＲｅ）を補償するための関節角度誤差補償出力ｕｉｑｅ（ｕＬｑｅ又はｕＲｑｅ）が出力される。  ５２はアーム３（３ａ又は３ｂ）から出力されたそれぞれの関節軸１２，１３，１４のエンコーダ３７により計測された関節角の現在値ｑである関節角度ベクトルｑｉ（ｑＬ又はｑＲ）が入力される順運動学計算手段であり、アーム３（３ａ又は３ｂ）の関節角度ベクトルｑｉ（ｑＬ又はｑＲ）から手先位置ベクトルｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）への変換の幾何科学的計算を行う。
【００８４】
以上のように構成されるインピーダンス制御手段４５（４５ａ又は４５ｂ）に関して動作の原理について説明する。
【００８５】
動作の基本は、位置誤差補償手段５３による手先位置誤差ｒｉｅ（ｒＬｅ又はｒＲｅ）のフィードバック制御（位置制御）である。位置誤差補償手段５３として、例えば、ＰＩＤ補償器を使用すれば、手先位置誤差ｒｉｅ（ｒＬｅ又はｒＲｅ）が０に収束するように制御が働き、目標とするアーム３（３ａ又は３ｂ）の動作が実現する。
【００８６】
インピーダンス制御モード時には、インピーダンス計算手段４６（４６ａ又は４６ｂ）により、手先位置補正出力ｒｉｄΔ（ｒＬｄΔ又はｒＲｄΔ）がアーム３（３ａ又は３ｂ）の位置目標値ｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）に加算されて手先位置の目標値ｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）の補正が行われる。このために、上記した位置制御系は、手先位置の目標値が本来の値より微妙にずれることになり、結果的に、機械インピーダンスが実現される。手先位置目標補正出力ｒｉｄΔ（ｒＬｄΔ又はｒＲｄΔ）は式（１）により算出されるため、慣性Ｍと粘性Ｄと剛性Ｋとの機械インピーダンスが実現される。
【００８７】
以上のインピーダンス制御手段４５（４５ａ又は４５ｂ）の原理により、ロボットの操作者が、アーム３（３ａ又は３ｂ）の外装部材の一例として機能する力検出外装カバー３６を手で保持して、力検出外装カバー３６に力をかけると、力をかけた方向にアーム３（３ａ又は３ｂ）が動作することになるので、アーム３（３ａ又は３ｂ）を保持して動かすだけで、アーム３（３ａ又は３ｂ）の操作ができ、容易に位置決めが可能となる。
【００８８】
腰機構インピーダンス制御手段４５ｐの構成もインピーダンス制御手段４５（４５ａ又は４５ｂ）と同様であるが、次元が１次元となる。腰インピーダンス計算手段５０での計算は、インピーダンスパラメータ慣性ｍと、粘性ｄと、弾性ｋと、腰角度の現在値ｑｐと、力センサー３５が検出した外力Ｆｉ（ＦＬ又はＦＲ）より、腰角度目標補正出力ｑｐΔｄを以下の式（５）により計算し、出力する。腰角度目標補正出力ｑｐΔｄは、目標軌道生成手段４８の出力する腰角度目標ｑｐｄに加算され、腰角度補正目標ベクトルｑｐｄｍが生成される。
【００８９】
【数６】
2009147832.tif 000008
ただし、式（５）において、ｓはラプラス演算子であり、Ｆｚは左アーム３ａの力センサー３５の検出値の鉛直方向成分ＦＬｚと右アーム３ｂの力センサー３５の検出値の鉛直方向成分ＦＲｚの内、絶対値が大きい方を選択した値である。このＦｚ（ＦＬｚ又はＦＲｚ）の値の選択は、力センサー選択手段５１によって行われる。これにより、左アーム３ａの力センサー３５又は右アーム３ｂの力センサー３５のいずれかに外力の入力があっても、腰機構２が動作することになる。
【００９０】
角度制御手段６０は、図１４に示す構成であり、上記生成された腰角度補正目標ベクトルｑｐｄｍと腰角度ｑｐとの腰角度誤差ｑｐｅが角度誤差補償手段６１に入力されて、角度誤差補償手段６１から腰機構２に向けて腰角度指令値ｕｐｑｅが出力される。角度誤差補償手段６１として、例えば、ＰＩＤ補償器を使用すれば、角度制御手段６０において腰角度誤差ｑｐｅが０に収束するように制御が働き、目標とする腰機構２の動作が実現する。
【００９１】
以上のように構成される腰機構インピーダンス制御手段４５ｐによれば、ロボットの操作者が左アーム３ａと右アーム３ｂのいずれか、又は、両方同時に力検出外装カバー３６を手で保持して持ち上げるように動かせば、腰機構２が起きあがり、アーム３の全体が上昇し、逆に、力検出外装カバー３６を手で保持して引き下げるように動かせば、腰機構２は前側に倒れるように動作し、アーム３の全体が下降することになる。
【００９２】
動作モード切換手段４７は、位置制御手段４９（４９ａ又は４９ｂ）から手先位置ベクトルｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）及び腰機構２から腰角度の現在値ｑｐがそれぞれ入力され、図１５に示す動作シーケンス表に基づき動作シーケンスを制御し（詳しくは後述する。）、左アームインピーダンス制御手段４５ａと右アームインピーダンス制御手段４５ｂと腰機構インピーダンス制御手段４５ｐとの制御モードの切換、関節ロック機構制御手段５９を介しての関節ロック機構２８のロック作動及びロック解放の切換、及び、目標軌道生成手段４８への動作指令を行う。動作モード切換手段４７は、動作モード切換スイッチ５８の前進ボタン６４が押されると次のシーケンスへと進ませ、動作モード切換スイッチ５８の後退ボタン６５が押されると以前のシーケンスに戻し、それぞれのシーケンスにおいて各ステップに応じた制御モードの切換を行う。
【００９３】
また、動作モード切換スイッチ５８の停止スイッチ６６が押された場合には、動作モード切換手段４７は、目標軌道生成手段４８の動作を停止するとともに、左アーム３ａ及び右アーム３ｂの制御モードを位置制御に、腰機構２の制御モードを角度制御モードにそれぞれ切り換える。目標軌道生成手段４８は動作が停止されると、停止された瞬間に出力していた目標軌道を更新することなく出し続けるため、左アーム３ａ及び右アーム３ｂ及び腰機構２の動作はそれぞれ停止し、ロボットの動作は停止する。この停止動作は、ロボットの動作が異常になったときなど、ロボットの動作をすぐに停止させたいときに有効である。
【００９４】
左アームインピーダンス制御手段４５ａと右アームインピーダンス制御手段４５ｂと腰機構インピーダンス制御手段４５ｐとに対して、動作モード切換手段４７は、位置制御モードとインピーダンス制御モードの切換をそれぞれ行う。動作モード切換手段４７は、位置制御モード時には、インピーダンス計算手段４６の出力を０とすることにより、アーム３（３ａ又は３ｂ）の動作を手先位置目標値に追従する位置制御として機能するようにする一方、インピーダンス制御モード時には、インピーダンス計算手段４６（４６ａ又は４６ｂ）の出力を有効とすることにより、アーム３（３ａ又は３ｂ）の動作を外力に対して設定した機械インピーダンス特性を持つよう動作させるインピーダンス制御として機能するようにする。
【００９５】
同様に、動作モード切換手段４７は、腰機構２に対しても、角度制御モード時には、腰インピーダンス計算手段５０の出力を０とすることにより、腰角度制御として機能するようにする一方、インピーダンス制御モード時には、腰インピーダンス計算手段５０の出力を有効とすることにより、腰機構２が外力に対して設定した機械インピーダンス特性を持つよう動作させるインピーダンス制御として機能するようにする。
【００９６】
また、動作モード切換手段４７は、関節ロック機構制御手段５９に指令を送り、関節ロック機構２８のロック作動及びロック解放の制御を行う。
【００９７】
関節ロック機構制御手段５９には、アーム３（３ａ又は３ｂ）が重量物等の負荷を持ち上げているかどうかの情報が動作モード切換手段４７より入力され、重量物等の負荷を持ち上げていないと動作モード切換手段４７により判定されるときのみ関節ロック機構２８のロック解放動作を関節ロック機構制御手段５９により行い、重量物等の負荷を持ち上げていると動作モード切換手段４７により判定されるときには関節ロック機構２８のロック解放動作を行えないよう関節ロック機構制御手段５９によりインターロックをかけるよう動作する。これにより、アーム３（３ａ又は３ｂ）が重量物等の負荷を持ち上げているときに誤って関節ロック機構２８のロックが関節ロック機構制御手段５９により解放されることがなくなるため、より安全性を高めることができる。
【００９８】
また、関節ロック機構制御手段５９は位置誤差補償手段５３に関節ロック指令を送り、関節ロック時には位置制御のサーボ剛性を低下させるよう動作する。これにより位置誤差補償手段５３による位置制御で関節の回転運動が不必要に発生し、固定対向ギア２９と可動対向ギア３０同士が必要以上の力で噛み合うことを防ぐことができ、関節ロック機構を解除する際に固定対向ギア２９と可動対向ギア３０の接触する歯面間の摩擦を小さくすることができ、開放動作をスムーズに行うことができるようになる。
【００９９】
目標軌道生成手段４８は、目標とするアーム３（３ａ又は３ｂ）の動作を実現するための手先位置目標ベクトルｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）を出力する。目標とするアーム３（３ａ又は３ｂ）の動作は、目的とする作業に応じて事前に通過ポイントごとに位置情報（ｒｉｄ０、ｒｉｄ１、ｒｉｄ２・・・）、すなわち（ｒＬｄ０、ｒＬｄ１、ｒＬｄ２・・・）又は（ｒＲｄ０、ｒＲｄ１、ｒＲｄ２・・・）、として制御装置３８の外部入力手段（外部入力装置）９３の一例であるキーボードを使い数値として目標軌道生成手段４８に入力しておき、目標軌道生成手段４８は、多項式補間を使用して各ポイント間の軌道を補完し、手先位置目標ベクトルｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）を生成する。腰角度目標値（腰角度目標ベクトル）ｑｐｄに関しても、アーム３（３ａ又は３ｂ）の動作と同様に、目標軌道生成手段４８により、目標とする腰機構２の角度制御動作（言い換えれば、胴体部８の揺動動作）の軌道が生成される。すなわち、目的とする作業に応じて事前に通過ポイントごとに位置情報（ｑｐｄ０、ｑｐｄ１、ｑｐｄ２・・・）として目標軌道生成手段４８に外部入力手段９３により数値として入力しておき、目標軌道生成手段４８は、多項式補間を使用して各ポイント間の軌道を補完し、腰角度目標ベクトル）ｑｐｄを生成する。
【０１００】
動作モード切換手段４７は、アーム３（３ａ又は３ｂ）の位置制御モード時又は腰機構２の角度制御モード時には、通過ポイントの位置情報（ｒｉｄ０、ｒｉｄ１、ｒｉｄ２・・・）すなわち（（ｒＬｄ０、ｒＬｄ１、ｒＬｄ２・・・）又は（ｒＲｄ０、ｒＲｄ１、ｒＲｄ２・・・））、又は、（ｑｐｄ０、ｑｐｄ１、ｑｐｄ２・・・）を指定し、目標軌道生成手段４８による軌道補間を動作させる。
【０１０１】
また、インピーダンス制御モード時には、目標軌道生成手段４８による軌道補間を停止させ、インピーダンス制御モードに切り換えた瞬間の手先位置目標値ｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）又は腰角度目標値ｑｐｄを目標軌道生成手段４８により維持させる。また、インピーダンス制御モードから位置制御モード又はインピーダンス制御モードから角度制御モードに切り換えるときには、目標軌道生成手段４８により、切り換えた瞬間の手先位置ｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）又は腰角度ｑｐを目標軌道のスタート点とし、そこから新たに軌道補間を目標軌道生成手段４８により動作させる。
【０１０２】
以上の原理に基づく制御プログラム３９の実際の動作ステップについて、図１６のフローチャートに基づいて説明する。
【０１０３】
まず、ステップＳ１では、各エンコーダ３７により計測された関節角度データ（関節変数ベクトル又は関節角度ベクトルｑｉ）（ｑＬ又はｑＲ）が制御装置３８に取り込まれる。
【０１０４】
次いで、ステップＳ２では、アーム３（３ａ又は３ｂ）の運動学計算に必要なヤコビ行列Ｊｉｒ（ＪＬｒ又はＪＲｒ）等の計算が近似逆運動学計算手段５４により行われる。
【０１０５】
次いで、ステップＳ３では、アーム３（３ａ又は３ｂ）からの関節角度データ（関節角度ベクトルｑｉ）（ｑＬ又はｑＲ）からアーム３（３ａ又は３ｂ）の現在の手先位置ベクトルｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）が順運動学計算手段５２により計算されて、計算された現在の手先位置ベクトルｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）が出力される（順運動学計算手段５２での処理）。
【０１０６】
次いで、ステップＳ４では、目標軌道生成手段４８により、動作モード切換手段４７からの制御モードの指令を判断し（言い換えれば、動作モード切換手段４７からの指令値に基づいて、制御モードが位置制御モードであるか又はインピーダンス制御モードであるかを目標軌道生成手段４８により判断し）、目標軌道生成手段４８によりインピーダンス制御モードの場合であると判断されたときにはステップＳ５へ、目標軌道生成手段４８により位置制御モードの場合であると判断されたときにはステップＳ５’へそれぞれ処理を進める。
【０１０７】
ステップＳ５では、インピーダンス制御モードの場合に、力センサー３５により計測された外力Ｆｉ（ＦＬ又はＦＲ）が制御装置３８のインピーダンス計算手段４６（４６ａ又は４６ｂ）に取り込まれる。
【０１０８】
ステップＳ５に続いて、ステップＳ６では、インピーダンス制御モードの場合に、目標軌道計算手段４８によりインピーダンス制御モードに切り換わった瞬間の手先位置ベクトルｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）（順運動学計算手段５２で計算されて図１２において動作モード切換手段４７を経由して目標軌道計算手段４８に入力された手先位置ベクトルｒｉ（ｒＬ又はｒＲ））が記録され、手先位置目標ベクトルｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）として出力されてインピーダンス制御手段４５（４５ａ又は４５ｂ）に保持される。
【０１０９】
ステップＳ６に続いて、ステップＳ７では、インピーダンス制御モードの場合に、インピーダンス計算手段４６（４６ａ又は４６ｂ）内に予め設定された機械インピーダンスパラメータ慣性Ｍと粘性Ｄと弾性Ｋと、力センサー３５により計測されたアーム３（３ａ又は３ｂ）に加わる外力Ｆｉ（ＦＬ又はＦＲ）とから、手先位置目標補正出力ｒｉｄΔ（ｒＬｄΔ又はｒＲｄΔ）が、インピーダンス計算手段４６により計算される（インピーダンス計算手段４６での処理）。その後、ステップＳ８に進む。
【０１１０】
一方、ステップＳ５’では、位置制御モードの場合に、手先位置目標補正出力ｒｉｄΔ（ｒＬｄΔ又はｒＲｄΔ）をインピーダンス計算手段４６により０ベクトルとする（インピーダンス計算手段４６での処理）。
【０１１１】
ステップＳ５’に続いて、ステップＳ６’では、目標軌道計算手段４８によりアーム３（３ａ又は３ｂ）の手先位置目標ベクトルｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）が計算されて、計算された手先位置目標ベクトルｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）がインピーダンス制御手段４５（４５ａ又は４５ｂ）に出力される。その後、ステップＳ８に進む。
【０１１２】
ステップＳ８では、手先位置目標ベクトルｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）と手先位置目標補正出力ｒｉｄΔ（ｒＬｄΔ又はｒＲｄΔ）の和がインピーダンス制御手段４５（４５ａ又は４５ｂ）により計算されて、その計算結果である手先位置補正目標ベクトルｒｉｄｍ（ｒＬｄｍ又はｒＲｄｍ）と、順運動学計算手段５２から計算されて出力された現在の手先位置ベクトルｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）との差である手先位置の誤差ｒｉｅ（ｒＬｅ又はｒＲｅ）が位置誤差補償手段５３により計算される（位置誤差補償手段５３での処理）。位置誤差補償手段５３の具体例としては、ＰＩＤ補償器が考えられる。定数の対角行列である比例、微分、積分の３つのゲインを適切に調整することにより、位置誤差が０に収束するように位置誤差補償手段５３による制御が働く。
【０１１３】
次いで、ステップＳ９では、ステップＳ２で計算したヤコビ行列Ｊｉｒ（ＪＬｒ又はＪＲｒ）の逆行列を近似逆運動学計算手段５４で乗算することにより、位置誤差補償出力ｕｉｒｅ（ｕＬｒｅ又はｕＲｒｅ）を手先位置の誤差に関する値から関節角度の誤差に関する値である関節角度誤差補償出力ｕｉｑｅ（ｕＬｑｅ又はｕＲｑｅ）に近似逆運動学計算手段５４により変換する（近似逆運動学計算手段５４での処理）。
【０１１４】
次いで、ステップＳ１０では、関節角度誤差補償出力ｕｉｑｅ（ｕＬｑｅ又はｕＲｑｅ）が近似逆運動学計算手段５４からＤ／Ａボード４１を通じ、５ポート流量制御電磁弁２７に与えられ、５ポート流量制御電磁弁２７の電磁石にかかる電圧を変化させることにより、空気圧人工筋１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄがそれぞれ駆動され、アーム３（３ａ又は３ｂ）のそれぞれの関節軸１２，１３，１４の回転運動、及び、腰機構２の揺動運動がそれぞれ発生する。
【０１１５】
以上のステップＳ１〜ステップＳ１０が制御の計算ループとして繰り返し実行されることにより、アーム３（３ａ又は３ｂ）及び腰機構２の動作の制御が実現する。
【０１１６】
次に、図１５のシーケンス表及び図１７Ａ〜図１７Ｄの動作図を使って運搬作業を行うときの動作シーケンスの流れ、及び、制御モードの切換について説明する。
【０１１７】
＜シーケンス１（ホームポジション）＞
シーケンス１（ホームポジション）では、左アーム３ａ及び右アーム３ｂが位置制御モード、腰機構２が角度制御モードとなり、左アーム３ａ、右アーム３ｂ、及び、腰機構２がそれぞれ動作し、ロボットは図１７Ａに示す基本姿勢となる。
【０１１８】
＜シーケンス２（左アーム操作）＞
シーケンス２（左アーム操作）では、左アーム３ａがインピーダンス制御モードになり、左アーム３ａの第２リンク７の力検出外装カバー３６に操作者が手９０で力をかけると、左アーム３ａが動作するようになるため、人（操作者）が手９０で、左アーム３ａの第２リンク７の力検出外装カバー３６を把持することで左アーム３ａを操作することができて、図１７Ｂの状態を経て、運搬対象物６２の下方に左アーム３ａを挿入して配置し、図１７Ｃの運搬対象物支持準備状態に至る。
【０１１９】
運搬対象物６２を支持する支持脚６３は、例えば、図１７Ａ中に矢印Ｕで示した方向から見た図である図１８に示すような構造とすれば、容易にアームを運搬対象物６２の下方に挿入して配置することができる。すなわち、図１８では、支持脚６３は、下端が支持板６３ｄに固定され上端に運搬対象物載置板６３ｃが固定された一対の縦支柱６３ａ間に横支柱６３ｂを二本架設して構成されており、一対の運搬対象物載置板６３ｃ上に運搬対象物６２を載置した状態で、一対の縦支柱６３ａ間に左アーム３ａ及び右アーム３ｂを挿入可能な空間６３ｐを有するものである。よって、この空間６３ｐ内に、人（操作者）の手９０で把持した左アーム３ａの第２リンク７の力検出外装カバー３６を挿入して配置することで、左アーム３ａの第２リンク７を運搬対象物６２の一方の側の下方に配置することができる。
【０１２０】
また、介護抱き上げ作業を行うときには、介護者が被介護者の上半身あるいは脚部をベッド等から少し浮かすように持ち上げ、できた隙間に左アーム３ａを挿入するようにすればよい。
【０１２１】
＜シーケンス３（右アーム操作）＞
シーケンス３（右アーム操作）では、右アーム３ｂがインピーダンス制御モードになり、右アーム３ｂの第２リンク７の力検出外装カバー３６に操作者が手９０で力をかけると、右アーム３ｂが動作するようになるため、人（操作者）が手９０で、右アーム３ｂの第２リンク７の力検出外装カバー３６を把持することで右アーム３ｂを操作することができて、運搬対象物６２の下方に右アーム３ｂを挿入して配置する（右アーム３ｂを、図１７Ｃの左アーム３ａの位置と同様な位置に配置して運搬対象物支持準備状態とする）。このとき、左アーム３ａは位置制御モードに切り替わり、シーケンス２で操作された位置（図１７Ｃの位置）に保持されてその姿勢が固定されている（図１７Ｂ及び図１７Ｃの左アーム３ａの動作と同様の右アーム３ｂの動作を行なう）。
【０１２２】
＜シーケンス４（関節ロック）＞
シーケンス４（関節ロック）では、左アーム３ａ及び右アーム３ｂの全関節９，１０，１１の各関節ロック機構２８が動作し、全関節９，１０，１１が固定され、左アーム３ａ及び右アーム３ｂの姿勢が固定される。このとき、右アーム３ｂは位置制御モードに切り替わり、シーケンス３で操作された位置（図１７Ｃの位置）に保持され、そのままの姿勢が固定される。なお、左アーム３ａは位置制御モードに切り替わったままであるため、左アーム３ａ及び右アーム３ｂの両方が位置制御モードに切り替わった状態となり、左アーム３ａ及び右アーム３ｂの姿勢がそれぞれ固定される。
【０１２３】
＜シーケンス５（昇降）＞
シーケンス５（昇降）では、腰機構２がインピーダンス制御に切り替わり、左アーム３ａ又は右アーム３ｂのいずれか一方のアーム３の第２リンク７の力検出外装カバー３６に人（操作者）の手９０で力をかけると、腰機構２が動作するようになるため、人（操作者）が第２リンク７の力検出外装カバー３６を手９０で把持し、第２リンク７を押し上げるようにすることで、腰機構２の動作により左アーム３ａ及び右アーム３ｂが両方同時に上昇するような動作となり、運搬対象物６２の上昇が実現し、図１７Ｃの運搬対象物支持準備状態から図１７Ｄの運搬対象物持ち上げ状態になる。このとき、人（操作者）が第２リンク７の力検出外装カバー３６を把持し、引き下げるようにすることで腰機構２の動作により左アーム３ａ及び右アーム３ｂが下降するような動作となり、運搬対象物６２の下降が実現し、運搬対象物６２が支持脚６３で支持された図１７Ｃの状態に戻る。
【０１２４】
＜シーケンス６（関節ロック解除）＞
シーケンス６（関節ロック解除）では、運搬対象物６２が支持脚６３で支持された図１７Ｃの状態において、左アーム３ａ及び右アーム３ｂの全関節９，１０，１１の各関節ロック機構２８が動作し、全関節９，１０，１１の固定が解除される。左アーム３ａ及び右アーム３ｂのそれぞれの制御は位置制御モードのままであり、左アーム３ａ及び右アーム３ｂの各位置は保持される。
【０１２５】
＜シーケンス７（左アーム操作）＞
シーケンス７（左アーム操作）では、運搬対象物６２が支持脚６３で支持された図１７Ｃの状態において、左アーム３ａがインピーダンス制御モードになり、左アーム３ａの第２リンク７の力検出外装カバー３６に手９０で力をかけると、左アーム３ａが動作するようになるため、人（操作者）が手９０で第２リンク７の力検出外装カバー３６を把持することで左アーム３ａを操作することができて、支持脚６３で支持された運搬対象物６２の下方の空間６３ｐから左アーム３ａを離脱させ、図１７Ｂの状態を経て、図１７Ａの初期状態に戻る。
【０１２６】
＜シーケンス８（右アーム操作）＞
シーケンス８（右アーム操作）では、運搬対象物６２が支持脚６３で支持された図１７Ｃの状態において、右アーム３ｂがインピーダンス制御モードになり、右アーム３ｂの第２リンク７の力検出外装カバー３６に手９０で力をかけると、右アーム３ｂが動作するようになるため、人（操作者）が手９０で第２リンク７の力検出外装カバー３６を把持することで右アーム３ｂを操作することができて、支持脚６３で支持された運搬対象物６２の下方の空間６３ｐから右アーム３ｂを離脱させる。以後、シーケンス１に戻り、ステップ（シーケンス）を繰り返せば連続的に動作可能となる。
【０１２７】
動作モード切換手段４７は、以上の動作シーケンスを、動作モード切換スイッチ５８の前進ボタン６４が押されると次のシーケンスへと進ませ、後退ボタン６５が押されると、以前のシーケンスに戻すことにより、一連の動作を実現し、運搬作業又は介護抱き上げ作業を可能とする。
【０１２８】
以上、本発明の上記実施形態に係るロボットによれば、関節ロック機構２８を備えることにより、関節９，１０，１１にロックをかければアーム３ａ，３ｂは機構的に運搬対象物６２の重量負荷を保持することができるので、強力なアクチュエータを備える必要が無く、軽量なアーム３とすることができる。また、関節９，１０，１１をフリーにすれば、アーム構造による自由度の大きさを有効に活用することができ、運搬対象物６２に対する位置決めの自由度を大きくとることができ、使いやすいロボットとすることができる。
【０１２９】
また、関節ロック機構２８を備えたアーム３に加え、腰機構２を備えることにより、重量物持ち上げのための強力なアクチュエータは腰機構２のみとすることができ、簡潔かつ軽量な構成でハイパワーとすることができる。
【０１３０】
また、関節ロック機構２８をワンウェイクラッチ機構とすることにより、運搬対象物６２の重量負荷に機構的に対応するとともに、アーム３を位置決めし、関節ロックを行った後でもワンウェイクラッチ機構の可動方向に対しては再調整が可能となる。すなわち、上記ロボット動作制御手段４４は、上記関節ロック機構２８がロック状態のときには、上記いずれかの関節において、上記ワンウェイクラッチ機構の可動方向に作用する外力に対しては上記ロボットアーム動作モードを行い、上記ワンウェイクラッチ機構の非可動方向に作用する外力に対しては上記ロボットアーム動作モードを行わないようにすることができる。さらに、関節ロックを行った後の腰機構２による昇降動作時にアーム３の下方にある物体等にアーム３が接触した場合に、ワンウェイクラッチ機構により物体等に対するアーム３の衝撃力を弱めることができ、安全性を確保することができる。
【０１３１】
また、インピーダンス制御モードと位置制御モードの切り換え、及び、関節ロック機構２８の切り換えを行いながら動作を制御する制御装置３８を備えることにより、アーム３の位置決め、運搬対象物６２の持ち上げ等の動作が連続的に行えるとともに、力センサー３５を備えてインピーダンス制御を行うことにより、操作者が手９０でアーム３を直接操作できるという直感的で分かりやすい操作法が実現し、さらに使いやすいロボットとすることができる。
【０１３２】
本発明の上記実施形態に係るロボットは、例えば、図１９に示すようにベッド９１で寝ている被介護者９２を抱き上げ、運搬する介護作業に応用することができる。介護での抱き上げ作業を行うには、まず、介護者がベッド９１で寝ている被介護者９２の上半身を少し持ち上げ、例えば左アーム３ａを介護者（操作者）が手９０で掴んで左アーム３ａを操作し、被介護者９２の上半身の下側に左アーム３ａを挿入する。その後、介護者が被介護者９２の脚部を少し持ち上げ、右アーム３ｂを介護者（操作者）が手９０で掴んで右アーム３ｂを操作し、被介護者９２の脚部の下側に右アーム３ｂを挿入した後、左アーム３ａと右アーム３ｂの各関節９，１０，１１を各関節ロック機構２８でロックしたのち腰機構２による被介護者９２の持ち上げ動作をすれば良い。
【０１３３】
なお、本実施形態では、アーム３の駆動を空気圧人工筋にて行うとしたが、これに限られるわけではなく、モーターにより駆動する構成としても良い。モーターでアーム３を駆動する場合においても、関節ロック機構２８を設けることにより、モーターは運搬物による負荷を受ける必要がないため、小型でかつ軽量なモーターで良く、軽量なロボットとすることができる。
【０１３４】
また、本実施形態では、２本のアーム３ａ，３ｂを有する構成としたが、これに限られるわけではなく、図２０に示すように、１本アーム３ａの構成も可能であり、この場合でも、同様に運搬物の持ち上げ動作を行うことができ、アームの本数が少ないことから、部品点数が少なく、より軽量なロボットアームとすることができる。
【０１３５】
また、本実施形態では、車輪５による移動型の形態としたが、これに限られるわけではなく、図２１に示すような、支柱４が固定台１Ａに固定された固定型のロボットでも同様な動作が可能である。
【０１３６】
また、本実施形態では、動作シーケンスを図１５に示す動作シーケンス表の通りとし、左アーム３ａ及び右アーム３ｂをそれぞれ操作するとしたが、これに限られるわけではなく、どちらか片方のアームを操作すれば、他方のアームの動作が同期して同じ動作又は左右対称の動作するようにすることも可能である。この場合、動作モード切換手段４７は、操作するアームをインピーダンス制御モードとし、同期するアームを位置制御モードとし、同じ動作をする場合には、同期するアームの手先位置の目標値を、操作されるアームの手先位置ｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）とし、左右対称の動作をする場合には、同期するアームの手先位置の目標値を、操作されるアームの手先位置ｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）の水平方向成分のみマイナスに反転させた値とすればよい。
【０１３７】
また、上記のように左アーム３ａ及び右アーム３ｂが同期して同時に動くのではなく、片方のアームを操作するときに、アームの手先位置ｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）の軌道あるいは最終到達点を記録し、その後、次のシーケンスにおいて、もう一方のアームが記録した軌道を最終到達点まで位置制御で動作すれば、時間差で同期するように動作することも可能である。
【０１３８】
また、本実施形態では、腰機構２を動作させるインピーダンス制御に関して、インピーダンスパラメータ慣性ｍ、粘性ｄ、弾性ｋを一定値として説明したが、これに限られるわけではなく、動作モード切換手段４７において、それらのパラメータを変化するように設定することもできる。例えば、粘性ｄを、始めは例えば２０のように大きな値に設定しておき、力センサ３５が力を検知し、腰機構２による持ち上げ動作が開始されると、例えば２秒かけて徐々に、例えば５のように小さな値に減少させるようにする。この場合、持ち上げ動作の動き始めは粘性が大きく、腰機構２が急激に動くことを防ぐ作用がある。さらに、持ち上げ動作を続けると、徐々に粘性が小さくなり、より軽い力で動作するようになる。このようにインピーダンスパラメータを可変にすることにより、重量物の持ち上げ動作においても、安全かつスムーズな作業を実現することができる。
【０１３９】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４０】
本発明のロボット、ロボットの制御装置、制御方法、及び制御プログラムは、家庭又は福祉施設等において抱き上げ等の介護作業を行なうロボット又は重量物などの物品の持ち上げ、運搬を行なうロボットに有用である。また、家庭用ロボットに限らず、産業用ロボット、又は、生産設備等における重量物等の運搬のための可動機構にも適用が可能である。【０１４１】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形又は修正は明白である。そのような変形又は修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【図１】
2009147832.tif 000009
【図２】
2009147832.tif 000010
【図３】
2009147832.tif 000011
【図４】
2009147832.tif 000012
【図５】
2009147832.tif 000013
【図６Ａ】
2009147832.tif 000014
【図６Ｂ】
2009147832.tif 000015
【図６Ｃ】
2009147832.tif 000016
【図７Ａ】
2009147832.tif 000017
【図７Ｂ】
2009147832.tif 000018
【図７Ｃ】
2009147832.tif 000019
【図８】
2009147832.tif 000020
【図９Ａ】
2009147832.tif 000021
【図９Ｂ】
2009147832.tif 000022
【図１０】
2009147832.tif 000023
【図１１Ａ】
2009147832.tif 000024
【図１１Ｂ】
2009147832.tif 000025
【図１２】
2009147832.tif 000026
【図１３】
2009147832.tif 000027
【図１４】
2009147832.tif 000028
【図１５】
2009147832.tif 000029
【図１６】
2009147832.tif 000030
【図１７Ａ】
2009147832.tif 000031
【図１７Ｂ】
2009147832.tif 000032
【図１７Ｃ】
2009147832.tif 000033
【図１７Ｄ】
2009147832.tif 000034
【図１８】
2009147832.tif 000035
【図１９】
2009147832.tif 000036
【図２０】
2009147832.tif 000037
【図２１】
2009147832.tif 000038
【図２２】
2009147832.tif 000039
【手続補正書】
【提出日】平成21年12月3日(2009.12.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
土台部と、
胴体部と、
上記土台部と上記胴体部を接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、
上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、
上記ロボットアームの上記関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、
上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、
上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータと、
上記ロボットアームに配設され、操作者が上記ロボットアームにかける外力を検出する外力検出装置と、
上記外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体部移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とするロボット動作制御手段と、
を備えるロボット。
【請求項２】
上記ロボット動作制御手段は、上記ロボットアームをインピーダンス制御し、かつ、上記胴体部移動機構を位置制御することにより上記ロボットアームを動作させて作業対象に対する上記ロボットアームの位置決めを行うシーケンスと、上記ロボットアームを位置制御し、かつ、上記胴体部移動機構をインピーダンス制御することにより上記胴体部移動機構を動作させて上記作業対象を持ち上げるシーケンスと、上記ロボットアームをインピーダンス制御し、かつ、上記胴体部移動機構を位置制御することにより上記ロボットアームを動作させて上記作業対象から上記ロボットアームを離すシーケンスと、を順次切り換えるよう制御する請求項１に記載のロボット。
【請求項３】
上記ロボット動作制御手段は、作業対象を持ち上げている状態のときに、上記関節ロック機構の上記固定状態を解除できないようにインターロックをかける請求項１に記載のロボット。
【請求項４】
上記ロボットアーム用アクチュエータは空気圧人工筋であり、上記腰関節用アクチュエータは空気圧人工筋であり、
上記ロボットアームは、上記ロボットアームにかかる外力を検出する外力検出装置を有し、
上記ロボット動作制御手段は、上記外力検出装置により検出された上記ロボットアームにかかる外力に基づいて、上記ロボットアーム用アクチュエータの上記空気圧人工筋と上記腰関節用アクチュエータの上記空気圧人工筋とをそれぞれ駆動制御して、ロボットアーム動作モード時の上記ロボットアームの動作制御を行うとともに胴体部移動モード時の胴体部移動制御を行う請求項１に記載のロボット。
【請求項５】
上記ロボット動作制御手段は、インピーダンス制御により上記外力に基づいたアーム動作制御及び胴体部移動制御を行う請求項４に記載のロボット。
【請求項６】
上記ロボットアームは、上記複数のリンクのうちの最先端リンクにおいて上記最先端リンクの幅方向断面の外面の略半分かつ長手方向の略全長を覆うように配設された外装部材を有し、上記外力検出装置は上記外装部材にかかる外力を検出する請求項４に記載のロボット。
【請求項７】
上記胴体部移動機構は、上記土台部に対して上記胴体部を上記腰関節回りに略前後に揺動させる腰機構である請求項１〜６のいずれか１つに記載のロボット。
【請求項８】
上記腰機構は、上記土台部に一端が固定され、他端が上記胴体部に固定されることで上記腰関節を駆動する並進駆動アクチュエータにより駆動されて、上記土台部に対して上記胴体部を上記腰関節回りに略前後に揺動させる機構である請求項７に記載のロボット。
【請求項９】
上記関節ロック機構はワンウェイクラッチ機構である請求項１に記載のロボット。
【請求項１０】
上記ロボット動作制御手段は、上記関節ロック機構がロック状態のときには、上記いずれかの関節において、上記ワンウェイクラッチ機構の可動方向に作用する外力に対しては上記ロボットアーム動作モードを行い、上記ワンウェイクラッチ機構の非可動方向に作用する外力に対しては上記ロボットアーム動作モードを行わない請求項９に記載のロボット。
【請求項１１】
上記ロボット動作制御手段は、上記関節ロック機構がロック状態のときには上記ロボットアームに対して、非ロック状態のときのサーボ剛性よりも低いサーボ剛性の位置制御を行う請求項９に記載のロボット。
【請求項１２】
土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御装置であって、
上記ロボットアームに配設されかつ操作者が上記ロボットアームにかける外力を検出する外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体部移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とするロボットの制御装置。
【請求項１３】
土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御方法であって、
上記ロボットアームに配設されかつ操作者が上記ロボットアームにかける外力を検出する外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体部移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とするロボットの制御方法。
【請求項１４】
土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御プログラムであって、
上記ロボットアームに配設されかつ操作者が上記ロボットアームにかける外力を検出する外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体部移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とするロボット動作制御手段としてコンピュータを機能させるためのロボットの制御プログラム。
【手続補正書】
【提出日】平成22年3月19日(2010.3.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
土台部と、
胴体部と、
上記土台部と上記胴体部を接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、
上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、
上記ロボットアームの上記関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、
上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、
上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータと、
上記ロボットアームに配設され、操作者が上記ロボットアームにかける外力を検出する外力検出装置と、
上記外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体部移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とするロボット動作制御手段と、
を備えるロボット。
【請求項２】
上記ロボット動作制御手段は、上記ロボットアームをインピーダンス制御し、かつ、上記胴体部移動機構を位置制御することにより上記ロボットアームを動作させて作業対象に対する上記ロボットアームの位置決めを行うシーケンスと、上記ロボットアームを位置制御し、かつ、上記胴体部移動機構をインピーダンス制御することにより上記胴体部移動機構を動作させて上記作業対象を持ち上げるシーケンスと、上記ロボットアームをインピーダンス制御し、かつ、上記胴体部移動機構を位置制御することにより上記ロボットアームを動作させて上記作業対象から上記ロボットアームを離すシーケンスと、を順次切り換えるよう制御する請求項１に記載のロボット。
【請求項３】
上記ロボット動作制御手段は、作業対象を持ち上げている状態のときに、上記関節ロック機構の上記固定状態を解除できないようにインターロックをかける請求項１に記載のロボット。
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
（削除）
【請求項７】
上記胴体部移動機構は、上記土台部に対して上記胴体部を上記腰関節回りに略前後に揺動させる腰機構である請求項１〜３のいずれか１つに記載のロボット。
【請求項８】
上記腰機構は、上記土台部に一端が固定され、他端が上記胴体部に固定されることで上記腰関節を駆動する並進駆動アクチュエータにより駆動されて、上記土台部に対して上記胴体部を上記腰関節回りに略前後に揺動させる機構である請求項７に記載のロボット。
【請求項９】
上記関節ロック機構はワンウェイクラッチ機構である請求項１に記載のロボット。
【請求項１０】
上記ロボット動作制御手段は、上記関節ロック機構がロック状態のときには、上記いずれかの関節において、上記ワンウェイクラッチ機構の可動方向に作用する外力に対しては上記ロボットアーム動作モードを行い、上記ワンウェイクラッチ機構の非可動方向に作用する外力に対しては上記ロボットアーム動作モードを行わない請求項９に記載のロボット。
【請求項１１】
上記ロボット動作制御手段は、上記関節ロック機構がロック状態のときには上記ロボットアームに対して、非ロック状態のときのサーボ剛性よりも低いサーボ剛性の位置制御を行う請求項９に記載のロボット。
【請求項１２】
土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御装置であって、
上記ロボットアームに配設されかつ操作者が上記ロボットアームにかける外力を検出する外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体部移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とするロボットの制御装置。
【請求項１３】
土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御方法であって、
上記ロボットアームに配設されかつ操作者が上記ロボットアームにかける外力を検出する外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とするロボットの制御方法。
【請求項１４】
土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御プログラムであって、
上記ロボットアームに配設されかつ操作者が上記ロボットアームにかける外力を検出する外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体部移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とするロボット動作制御手段としてコンピュータを機能させるためのロボットの制御プログラム。
【手続補正書】
【提出日】平成22年5月14日(2010.5.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、介護抱き上げ若しくは物品の運搬等、重量物の持ち上げ、又は、運搬等を行うロボット、ロボットの制御装置、制御方法、及び制御プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高齢化社会を迎え、介護等の支援を行うことができる機器、又は、高齢者が家事作業を行うためのパワーアシスト機器等の開発が期待されている。
【０００３】
こうした課題に対し、従来技術としては、介護者が多大の労力を必要とせず、狭い通路でも移動可能、構成簡単低コストで小規模施設においても使用可能、入手可能の介護用移動リフトを開示している（特許文献１参照）。また、介助者の腕を保持した抱き上げアームと、抱き上げアームを昇降運動させるギヤードモータとウォームジャッキなどからなるアーム駆動機構部と、被介助者の荷重を検出するテープスイッチとから構成される移乗機を開示している（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３８１５０号公報
【特許文献２】特開２００１−２６９３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の従来装置は、手動であるため操作性が優れず作業効率が低くなるという課題を有している。また、作業効率の向上のためモーター等のアクチュエータを付加し自動化を行えば、装置が大型化し、重量も重くなり、一般的な家庭環境では使うことができなくなってしまう可能性がある。
【０００６】
また、上記特許文献２の従来装置は、操作者である介助者の位置が装置のチェアの位置に限られ、さらに、抱き上げ動作時には介助者の手が被介助者の下に入り手がふさがることになり、他の作業を同時にできない等、使いやすさに課題がある。
【０００７】
本発明の目的は、上記従来装置の課題を解決し、軽量でありながらハイパワーであり介護の抱き上げ又は重量物運搬に使うことができ、さらに、操作性が良く、使いやすく、作業効率の高いロボット、ロボットの制御装置、制御方法、及び制御プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【０００９】
本発明の第１態様によれば、土台部と、
胴体部と、
上記土台部と上記胴体部を腰関節で接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、
上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、
上記ロボットアームの上記それぞれの関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、
上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、
上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータと、
上記関節ロック機構用アクチュエータと上記ロボットアーム用アクチュエータと上記腰関節用アクチュエータとをそれぞれ駆動制御して、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をフリー状態として上記ロボットアームの動作を行うロボットアーム動作モードと、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をロック状態として上記胴体部移動機構を使用して上記胴体部を移動させる胴体部移動モードとを切換えるロボット動作制御手段と、
を備えることを特徴とするロボットを提供する。
【００１０】
本発明の第１０態様によれば、土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を腰関節で接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記それぞれの関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御装置であって、
上記関節ロック機構用アクチュエータと上記ロボットアーム用アクチュエータと上記腰関節用アクチュエータとをそれぞれ駆動制御して、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をフリー状態として上記ロボットアームの動作を行うロボットアーム動作モードと、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をロック状態として上記胴体部移動機構を使用して上記胴体部を移動させる胴体部移動モードとを切換えるロボットの制御装置を提供する。
【００１１】
本発明の第１１態様によれば、土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を腰関節で接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記それぞれの関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御方法であって、
上記関節ロック機構用アクチュエータと上記ロボットアーム用アクチュエータと上記腰関節用アクチュエータとをそれぞれ駆動制御して、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をフリー状態として上記ロボットアームの動作を行うロボットアーム動作モードと、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をロック状態として上記胴体部移動機構を使用して上記胴体部を移動させる胴体部移動モードとを切換えるロボットの制御方法を提供する。
【００１２】
本発明の第１２態様によれば、土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を腰関節で接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記それぞれの関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御プログラムであって、
上記関節ロック機構用アクチュエータと上記ロボットアーム用アクチュエータと上記腰関節用アクチュエータとをそれぞれ駆動制御して、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をフリー状態として上記ロボットアームの動作を行うロボットアーム動作モードと、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をロック状態として上記胴体部移動機構を使用して上記胴体部を移動させる胴体部移動モードとを切換えるロボット動作制御手段としてコンピュータを機能させるためのロボットの制御プログラムを提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のロボットによれば、関節ロック機構を備えることにより、機構的に運搬対象物の重量負荷を保持することができるので、軽量なアームとすることができる。また、関節ロック機構により関節をフリーにすれば、アーム構造による自由度の大きさを有効に活用することができ、運搬対象物に対する位置決めの自由度を大きくとることができ、使いやすいロボットとすることができる。
【００１４】
また、本発明のロボットによれば、関節ロック機構を備えたアームに加え、腰機構を備えることにより、重量物持ち上げのための強力なアクチュエータは腰機構のみに使用することができ、簡潔かつ軽量な構成でハイパワーとすることができる。
【００１５】
また、本発明のロボットによれば、インピーダンス制御モードと位置制御モードの切り換え、及び、関節ロック機構のロック及びロック解放動作の切り換えを行いながら動作を制御するロボット動作制御手段を備えることにより、アームの位置決め、運搬対象物の持ち上げ等の動作が連続的に行えるとともに、外力検出装置（たとえば力センサー）を備えてインピーダンス制御を行うことにより、操作者が手でアームを直接操作できるという直感的で分かりやすい操作法を実現することができて、さらに使いやすいロボットとすることができる。
【００１６】
また、本発明のロボットの制御装置、制御方法、及び制御プログラムによれば、機構的に運搬対象物の重量負荷を保持することができる関節ロック機構のロック及びロック解放動作を制御することにより、関節をフリー（ロック解放）にすれば、軽量なアームでありながら、関節を介して複数のリンクを有するアーム構造による自由度の大きさを有効に活用することができ、運搬対象物に対する位置決めの自由度を大きくとることができ、ロボットの制御がしやすくなり、ロボットを使いやすくすることができる。
【００１７】
また、本発明のロボットの制御装置、制御方法、及び制御プログラムによれば、関節ロック機構の動作制御に加え、腰機構の動作制御を行なうことにより、重量物持ち上げのための強力なアクチュエータは腰機構のみの動作制御とすることができ、簡潔かつ軽量な構成でハイパワーとすることができる。
【００１８】
また、本発明のロボットの制御装置、制御方法、及び制御プログラムによれば、インピーダンス制御モードと位置制御モードの切り換え、及び、関節ロック機構の動作の切り換えを行いながら、ロボットの動作を制御することにより、アームの位置決め、運搬対象物の持ち上げ等の動作が連続的に行えるとともに、外力検出装置（たとえば力センサー）からの外力の情報を基にインピーダンス制御を行うことにより、操作者が手でアームを直接操作できるという直感的で分かりやすい操作法を実現することができて、さらに使いやすいロボットとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
【図１】図１は、本発明の一実施形態にかかるロボットの概略構成を示す説明図であり、
【図２】図２は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの機構構成を示す斜視図であり、
【図３】図３は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの機構構成を示す側面図であり、
【図４】図４は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの空気圧人工筋の構造を説明する図であり、
【図５】図５は、上記空気圧人工筋を駆動するための空気圧供給駆動系の構成を示す図であり、
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの左アームの第３関節の動作を示す図であり、
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの左アームの第３関節の動作を示す図であり、
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの左アームの第３関節の動作を示す図であり、
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの関節ロック機構の構造を示す図であって、関節軸を通る断面図であり、
【図７Ｂ】図７Ｂは、上記関節ロック機構の構造において図７Ａの矢印Ｖ方向から見た図であり、
【図７Ｃ】図７Ｃは、上記関節ロック機構の構造において対向ギアの外観側面図であり、
【図８】図８は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの上記関節ロック機構の駆動機構を説明する図であり、
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの腰機構の動作を説明する図であり、
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの腰機構の動作を説明する図であり、
【図１０】図１０は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの空気圧人工筋の特性図であり、
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの第２リンクにおける力センサーの配置を説明する断面正面図であり、
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの第２リンクにおける力センサーの配置を説明する断面側面図であり、
【図１２】図１２は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの制御装置おいて実行される制御プログラムにより実現するロボット動作制御手段のブロック線図であり、
【図１３】図１３は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの制御装置の位置制御手段の詳細を示す図であり、
【図１４】図１４は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの制御装置の腰角度制御手段の詳細を示す図であり、
【図１５】図１５は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの制御装置の動作モードの切り換えステップを表す動作シーケンス表を表す図であり、
【図１６】図１６は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの制御装置のインピーダンス制御手段での制御プログラムの動作ステップを表すフローチャートであり、
【図１７Ａ】図１７Ａは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの運搬動作を説明する動作図であり、
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの運搬動作を説明する動作図であり、
【図１７Ｃ】図１７Ｃは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの運搬動作を説明する動作図であり、
【図１７Ｄ】図１７Ｄは、本発明の上記実施形態にかかるロボットの運搬動作を説明する動作図であり、
【図１８】図１８は、本発明の上記実施形態にかかるロボットの支持脚を説明する図であり、
【図１９】図１９は、本発明の上記実施形態にかかるロボットのアームを介護に応用した場合の説明図であり、
【図２０】図２０は、本発明の上記実施形態にかかるロボットのアームが１本である場合の機構構成を示す斜視図であり、
【図２１】図２１は、本発明の上記実施形態にかかるロボットのアームが固定型である場合の機構構成を示す斜視図であり、
【図２２】図２２は、本発明の上記実施形態にかかるロボットのアームの第１関節を駆動する機構を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
【００２２】
本発明の第１態様によれば、土台部と、
胴体部と、
上記土台部と上記胴体部を腰関節で接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、
上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、
上記ロボットアームの上記それぞれの関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、
上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、
上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータと、
上記関節ロック機構用アクチュエータと上記ロボットアーム用アクチュエータと上記腰関節用アクチュエータとをそれぞれ駆動制御して、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をフリー状態として上記ロボットアームの動作を行うロボットアーム動作モードと、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をロック状態として上記胴体部移動機構を使用して上記胴体部を移動させる胴体部移動モードとを切換えるロボット動作制御手段と、
を備えることを特徴とするロボットを提供する。
【００２３】
本発明の第２態様によれば、上記ロボットアーム用アクチュエータは空気圧人工筋であり、上記腰関節用アクチュエータは空気圧人工筋であり、
上記ロボットアームは、上記ロボットアームにかかる外力を検出する外力検出装置を有し、
上記ロボット動作制御手段は、上記外力検出装置により検出された上記ロボットアームにかかる外力に基づいて、上記ロボットアーム用アクチュエータの上記空気圧人工筋と上記腰関節用アクチュエータの上記空気圧人工筋とをそれぞれ駆動制御して、ロボットアーム動作モード時の上記ロボットアームの動作制御を行うとともに胴体部移動モード時の胴体部移動制御を行うことを特徴とする第１態様に記載のロボットを提供する。
【００２４】
本発明の第３態様によれば、上記ロボット動作制御手段は、インピーダンス制御により上記外力に基づいたアーム動作制御及び胴体部移動制御を行うことを特徴とする第２態様に記載のロボットを提供する。
【００２５】
本発明の第４態様によれば、上記ロボットアームは、上記複数のリンクのうちの最先端リンクにおいて上記最先端リンクの幅方向断面の外面の略半分かつ長手方向の略全長を覆うように配設された外装部材を有し、上記外力検出装置は上記外装部材にかかる外力を検出することを特徴とする第２態様に記載のロボットを提供する。
【００２６】
本発明の第５態様によれば、上記胴体部移動機構は、上記土台部に対して上記胴体部を上記腰関節回りに略前後に揺動させる腰機構であることを特徴とする第１〜４のいずれか１つの態様に記載のロボットを提供する。
【００２７】
本発明の第６態様によれば、上記腰機構は、上記土台部に一端が固定され、他端が上記胴体部に固定されることで上記腰関節を駆動する並進駆動アクチュエータにより駆動されて、上記土台部に対して上記胴体部を上記腰関節回りに略前後に揺動させる機構であることを特徴とする第５態様に記載のロボットを提供する。
【００２８】
本発明の第７態様によれば、上記関節ロック機構はワンウェイクラッチ機構であることを特徴とする第１態様に記載のロボットを提供する。
【００２９】
本発明の第８態様によれば、上記ロボット動作制御手段は、上記関節ロック機構がロック状態のときには、上記いずれかの関節において、上記ワンウェイクラッチ機構の可動方向に作用する外力に対しては上記ロボットアーム動作モードを行い、上記ワンウェイクラッチ機構の非可動方向とに作用する外力に対しては上記ロボットアーム動作モードを行わないことを特徴とする第７態様に記載のロボットを提供する。
【００３０】
本発明の第９態様によれば、上記ロボット動作制御手段は、上記関節ロック機構がロック状態のときには上記ロボットアームに対して、非ロック状態のときのサーボ剛性よりも低いサーボ剛性の位置制御を行うことを特徴とする第７態様に記載のロボットを提供する。
【００３１】
本発明の第１０態様によれば、土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を腰関節で接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記それぞれの関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御装置であって、
上記関節ロック機構用アクチュエータと上記ロボットアーム用アクチュエータと上記腰関節用アクチュエータとをそれぞれ駆動制御して、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をフリー状態として上記ロボットアームの動作を行うロボットアーム動作モードと、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をロック状態として上記胴体部移動機構を使用して上記胴体部を移動させる胴体部移動モードとを切換えるロボットの制御装置を提供する。
【００３２】
本発明の第１１態様によれば、土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を腰関節で接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記それぞれの関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御方法であって、
上記関節ロック機構用アクチュエータと上記ロボットアーム用アクチュエータと上記腰関節用アクチュエータとをそれぞれ駆動制御して、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をフリー状態として上記ロボットアームの動作を行うロボットアーム動作モードと、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をロック状態として上記胴体部移動機構を使用して上記胴体部を移動させる胴体部移動モードとを切換えるロボットの制御方法を提供する。
【００３３】
本発明の第１２態様によれば、土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を腰関節で接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記それぞれの関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御プログラムであって、
上記関節ロック機構用アクチュエータと上記ロボットアーム用アクチュエータと上記腰関節用アクチュエータとをそれぞれ駆動制御して、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をフリー状態として上記ロボットアームの動作を行うロボットアーム動作モードと、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をロック状態として上記胴体部移動機構を使用して上記胴体部を移動させる胴体部移動モードとを切換えるロボット動作制御手段としてコンピュータを機能させるためのロボットの制御プログラムを提供する。
【００３４】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１実施形態におけるロボットの概略構成を示す図である。また、図２は上記ロボットの機構構成を示す斜視図である。図３は上記ロボットの側面図である。
【００３６】
ロボットは、矩形枠体状の土台部１と、土台部１に固定された胴体部移動機構の一例として機能する腰機構２と、腰機構２で支持される胴体部８と、胴体部８の左側に支持された左アーム３ａと、胴体部８の右側に支持された右アーム３ｂとの５つのブロックを備えるように構成される。
【００３７】
ロボットの土台を構成する土台部１の上面には、直方体の支柱４が配設されており、支柱４の上部には腰機構２が配設されている。また、土台部１には、４つの角部にそれぞれ車輪５が配設されており、ロボット全体を移動可能とすることができるようになっている。
【００３８】
腰機構２は、腰回転軸２Ａ回りの回転関節（腰関節）で構成され、土台部１と胴体部８を接続し、土台部１に対して、腰機構２より、胴体部８を前後に揺動運動可能としている。ここでは、土台部１は矩形であるので、土台部１の対向する短辺の一方の側を前側端部（図２の左手前側の端部１Ｆ）と定義し、他方の側を後側端部（図２の右奥側の端部１Ｂ）と定義する。よって、前側端部１Ｆに対して右側の端部（土台部１の対向する長辺の一方の側の端部）を右側端部１Ｒとし、左側の端部（土台部１の対向する長辺の他方の側の端部）を左側端部１Ｌと、それぞれ定義する。
【００３９】
胴体部８は、一対の四角柱状の縦枠部材８ａと一対の四角柱状の横枠部材８ｂとの四角枠体より構成され、胴体部８の上端部には、両側面に左アーム３ａ及び右アーム３ｂがそれぞれ独立して回動可能に配設されている。右アーム３ｂは、左アーム３ａと対称構造となっており、両アーム３ａ，３ｂは同様の構造であるため、以下において、アーム３ａ，３ｂの構成などを説明するときには、代表例として、アーム３として説明する。
【００４０】
アーム３は、上腕である第１リンク６、及び、前腕である第２リンク７との２リンク構成である。第１リンク６の基端部は、胴体部８の上端部に、肩関節である第１関節９及び第２関節１０により接続され、胴体部８に対して、第１関節９軸回り及び第２関節１０軸回りに相対的に回動可能である。すなわち、第１関節９により、胴体部８の各縦枠部材８ａの軸方向沿いの第１関節軸１２回りの第１リンク６の回動が可能となっているとともに、第２関節１０により、胴体部８の上側の横枠部材８ｂの軸方向沿いの第２関節軸１３回りの第１リンク６の回動が可能となっている。また、第１リンク６の先端部と第２リンク７の基端部とは、肘関節である第３関節１１により、相対的に回動可能である。第３関節１１により、第１リンク６に対して、第２関節軸１３と平行な第３関節軸１４回りの第２リンク７の回動が可能となっている。
【００４１】
アーム３の第１関節９と第２関節１０と第３関節１１とには、関節角度センサーの一例であるエンコーダ３７が配設され、各関節９，１０，１１の回転角度（関節角度ベクトル）ｑ＝［ｑ１，ｑ２，ｑ３］Ｔがそれぞれ検出可能となっている。ただし、ｑ１，ｑ２，ｑ３は、それぞれ、第１関節９、第２関節１０、第３関節１１の関節角度である。エンコーダ３７で検出した回転角度の情報は制御装置３８に出力される。
【００４２】
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆは空気圧人工筋であり、各空気圧人工筋の内部の空気圧を変化させることにより収縮伸張し左アーム３ａと右アーム３ｂと腰機構２との各関節６，１０，１１，２Ａを駆動するロボットアーム用アクチュエータの一例として働く。空気圧人工筋１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄは第３関節１１による第３関節軸１４回りの回転駆動を行うアーム第３関節駆動部材として機能する。空気圧人工筋１６ａ、１６ｂは、第２関節１０による第２関節軸１３回りの回転駆動を行うアーム第２関節駆動部材として機能する。空気圧人工筋１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄは第１関節９による第１関節軸１２回りの回転駆動を行うアーム第１関節駆動部材として機能する。空気圧人工筋１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆは後述する関節ロック機構２８のロック動作を駆動するロック動作駆動部材として機能する。
【００４３】
１９は腰関節用アクチュエータ又は腰機構駆動部材の一例として機能する空気圧人工筋であり、空気圧人工筋１９は腰機構２の関節軸２Ａ回りの回転駆動を行う並進駆動アクチュエータとして機能する。
【００４４】
次に、空気圧人工筋１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄによる駆動機構を、まず、第３関節１１による第３関節軸１４回りの回転運動を例に採り、説明する。空気圧人工筋１５ａ、１５ｂは第１リンク６の前側でかつ両側に配置されるとともに、空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄは第１リンク６の後側でかつ両側に配置されている。空気圧人工筋１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄは各一端部（上側の端部）を第２関節１０の近傍にて第１リンク６の基端部に回転自在に固定され、各他端部（下側の端部）を第３関節１１の近傍にて回転自在に第２リンク７の基端部に固定されている。また、第２リンク７の基端部において前側の空気圧人工筋１５ａ、１５ｂの他端部と後側の空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄの他端部は、第３関節１１の第３関節軸１４を中心に対称な位置にそれぞれ固定されている。このため、前側の空気圧人工筋１５ａ、１５ｂと後側の空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄの内部の空気圧をそれぞれ変化させることにより空気圧人工筋１５ａ、１５ｂと空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄを収縮伸張させると、空気圧人工筋１５ａ、１５ｂと空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄが拮抗することになり、第３関節１１の第３関節軸１４回りに回転運動が発生し、第１リンク６と第２リンク７の相対的な運動が駆動される。例えば、前側の空気圧人工筋１５ａ、１５ｂを伸ばしかつ後側の空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄを縮めるように駆動すると、図２において、第１リンク６に対して第２リンク７が第３関節１１の第３関節軸１４回りに時計方向に回動する。逆に、前側の空気圧人工筋１５ａ、１５ｂを縮めかつ後側の空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄを伸ばすように駆動すると、図２において、第１リンク６に対して第２リンク７が第３関節１１の第３関節軸１４回りに反時計方向に回動する。
【００４５】
同様に、第２関節１０の第２関節軸１３回りの回転運動が、前側の空気圧人工筋１６ａと後側の空気圧人工筋１６ｂの拮抗駆動により駆動される。すなわち、２本の前側の空気圧人工筋１６ａは胴体部８の前側でかつ縦枠部材８ａ付近に配置されるとともに、２本の後側の空気圧人工筋１６ｂは胴体部８の後側でかつ縦枠部材８ａ付近に配置されている。空気圧人工筋１６ａ，１６ｂは各一端部（上側の端部）を第２関節１０の近傍にて、上リンク６の基端部に固定された上側棒状リンク部材８ｃの両端部にそれぞれ回転可能に固定され、各他端部（下側の端部）を、腰機構２の回転軸２Ａの近傍にて、胴体部８の下端部に固定された下側棒状リンク部材８ｄの両端部に固定されている。また、胴体部８に対して、前側の空気圧人工筋１６ａの他端部と後側の空気圧人工筋１６ｂの他端部は、対称な位置にそれぞれ配置されている。このため、前側の空気圧人工筋１６ａと後側の空気圧人工筋１６ｂの内部の空気圧をそれぞれ変化させることにより空気圧人工筋１６ａと空気圧人工筋１６ｂを収縮伸張させると、空気圧人工筋１６ａと空気圧人工筋１６ｂが拮抗することになり、第２関節１０の第２関節軸１３回りに回転運動が発生し、胴体部８とアーム３との相対的な回転運動が駆動される。例えば、前側の空気圧人工筋１６ａを伸ばしかつ後側の空気圧人工筋１６ｂを縮めるように駆動すると、図２において、胴体部８に対してアーム３が第２関節１０の第２関節軸１３回り反時計方向に回動して、後側に回動する。逆に、前側の空気圧人工筋１６ａを縮めかつ後側の空気圧人工筋１６ｂを伸ばすように駆動すると、図２において、胴体部８に対してアーム３が第２関節１０の第２関節軸１３回り時計方向に回動して、前側に回動する。
【００４６】
また、第１関節９の第１関節軸１２回りの回転運動は、前側の上部と後側の下部の空気圧人工筋１７ａと前側の下部と後側の上部の空気圧人工筋１７ｂの拮抗駆動による回転運動が連結部材２０により伝達され駆動される。以上の第１関節９の駆動方法を図２２により、右アーム３ｂの場合を例に取り詳しく説明する。図２２は図３におけるＡ−Ａ断面図である。空気圧人工筋１７ａ、１７ｂの端部は揺動リンク９４に連結されおり、揺動リンク９４は揺動リンク回転軸９５回りに回転可能である。空気圧人工筋１７ａが収縮し、空気圧人工筋１７ｂが伸張すると揺動リンク９４が矢印Ｕで示す回転運動が発生し、揺動リンク９４は連結軸９６において連結部材２０ｂと接続されているため、揺動リンク９４の回転運動が伝わり、右アーム３ｂの第１関節９まわりの矢印Ｖで示す回転運動が駆動される。同様に、左アーム３ａの場合は、下部に配設された空気圧人工筋１７ａ、１７ｂにより連結部材２０ａが駆動されることにより第１関節が駆動される。
【００４７】
図４の（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図２中に示した空気圧人工筋１５ａの構造を示す図である。図４の（ａ）は空気圧人工筋１５ａの減圧状態の正面図を示し、図４の（ｂ）は空気圧人工筋１５ａの加圧状態の正面図を示し、図４の（ｃ）は空気圧人工筋１５ａの断面図を示している。他の空気圧人工筋１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、後述する１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆ、１９も同様の構造であるため、ここでは、空気圧人工筋１５ａを代表に採り、説明を行う。空気圧人工筋１５ａは、図４に示すように、ゴム材料で構成された管状弾性体２１の外表面に材料的には伸びにくい樹脂又は金属の繊維コードで網目状に編んで構成された拘束部材２２が配設され、管状弾性体２１の両端部を封止部材２３でそれぞれ気密封止する構造となっている。流体注入出部材２４を通じて空気等の圧縮性流体を管状弾性体２１内に供給することにより内圧を管状弾性体２１の内部空間に与えると、管状弾性体２１が主に半径方向に膨張しようとするが、拘束部材２２の作用により、管状弾性体２１の中心軸方向の収縮運動に変換され、全長が収縮する。この空気圧人工筋１５ａは主に弾性体で構成されるため、柔軟性があり、安全で軽量なアクチュエータであるという特徴を有する。
【００４８】
図５は、空気圧人工筋１５ａを駆動するための空気圧供給駆動系の構成を示す図である。図５では左アーム３ａの第３関節１１を駆動するための空気圧供給駆動系のみ抜き出し、記述している。図５において、２５は、例えばコンプレッサー等の空気圧源と２６は空気圧フィルタ２６ａと空気圧減圧弁２６ｂと及び空気圧用ルブリケータ２６ｃとが１組になった空気圧調整ユニットである。
【００４９】
２７は例えば電磁石の力でスプール弁などを駆動することで流量を制御する５ポート流量制御電磁弁である。３８は例えば一般的なパーソナルコンピュータにより構成された制御装置であり、Ｄ／Ａボード４１が搭載されており、５ポート流量制御電磁弁２７に電圧指令値を出力することにより、それぞれの流体注入出部材２４ａ及び２４ｂを流れるそれぞれの空気の流量を制御可能とする。制御装置３８の詳細に関しては後述する。
【００５０】
図５に示す空気圧供給駆動系によれば、空気圧源２５により生成された高圧空気は、空気圧調整ユニット２６により減圧され、例えば６００ｋＰａといった一定圧力に調整され、５ポート流量制御電磁弁２７に供給される。５ポート流量制御電磁弁２７の開度は、制御装置３８よりＤ／Ａボード４１を介して出力される電圧指令値に比例して制御される。５ポート流量制御電磁弁２７には、一対の空気圧人工筋１５ａ、１５ｂと一対の空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄの管状弾性体２１の流体注入出部材２４がそれぞれ接続されている。一対の空気圧人工筋１５ａ、１５ｂと一対の空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄは第１リンク６の長手方向沿いに大略平行に配置され、それぞれの管状弾性体２１の流体注入出部材２４側の端部が、第１リンク６の第２関節１０側の端部に固定されている。一対の空気圧人工筋１５ａ、１５ｂと一対の空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄのそれぞれの管状弾性体２１の他方の端部側は、第２リンク７に回転自在に支持されている。図５では、空気圧人工筋１５ｂと１５ｄは、それぞれ空気圧人工筋１５ａと１５ｃの背後の影となる場所に位置するため図示されていない。したがって、以下に述べるように、一対の空気圧人工筋１５ａ、１５ｂと一対の空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄのそれぞれの管状弾性体２１が伸縮することにより、第２リンク７が第３関節１１の第３関節軸１４回りに正逆回転駆動される。なお、図５中に矢印Ｘで示した右回転を正方向、矢印Ｘとは逆の左回転を逆方向とする。
【００５１】
制御装置３８より出力された正の電圧指令値が、Ｄ／Ａボード４１から５ポート流量制御電磁弁２７に入力された場合には、図５に示すように空気圧回路記号のＡで示した状態になり、空気圧源２５側から空気圧人工筋１５ａ、１５ｂの管状弾性体２１の流体注入出部材２４側への流路が５ポート流量制御電磁弁２７を介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気が空気圧人工筋１５ａ、１５ｂ側に供給される。また、空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄ側は、それぞれの管状弾性体２１の流体注入出部材２４から大気圧側への流路が５ポート流量制御電磁弁２７を介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気流がそれぞれの空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄ側から大気中へ排気される。したがって、空気圧人工筋１５ａ、１５ｂのそれぞれの全長が縮み、空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄのそれぞれの全長が伸びることにより、図６Ａに示す状態から図６Ｂに示す状態へと、電圧指令値の絶対値に比例した速度で、第３関節１１は、第３関節軸１４回りの矢印Ｙで示す右回転運動を行う。
【００５２】
一方、制御装置３８より出力された負の電圧指令値が、Ｄ／Ａボード４１から５ポート流量制御電磁弁２７に入力された場合には、５ポート流量制御電磁弁２７が切り替えられて、空気圧回路記号のＢで示した状態になり、空気圧人工筋１５ａ、１５ｂと空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄの動作は逆となり、第３関節１１は第３関節軸１４回りの左回転運動を行う。すなわち、空気圧源２５側から空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄのそれぞれの管状弾性体２１の流体注入出部材２４側への流路が５ポート流量制御電磁弁２７を介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気がそれぞれの空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄ側に供給される。また、空気圧人工筋１５ａ、１５ｂ側は、それぞれの管状弾性体２１の流体注入出部材２４から大気圧側への流路が５ポート流量制御電磁弁２７を介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気流がそれぞれの空気圧人工筋１５ａ、１５ｂ側から大気中へ排気される。したがって、空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄのそれぞれの全長が縮み、空気圧人工筋１５ａ、１５ｂのそれぞれの全長が伸びることにより、図６Ａに示す状態から図６Ｃに示す状態へと、電圧指令値の絶対値に比例した速度で、第３関節１１は、第３関節軸１４回りに矢印Ｚで示す左回転運動を行う。
【００５３】
以上のように、空気圧人工筋１５ａ、１５ｂと空気圧人工筋１５ｃ、１５ｄにより、第２リンク７の正逆回転運動が駆動されることにより、第１リンク６と第２リンク７の揺動運動すなわち角度ｑＬ３の回転運動が駆動される。
【００５４】
アーム３の各関節９，１０，１１には、関節９，１０，１１を固定するための関節ロック機構２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ、２８ｅ、２８ｆが、それぞれ、左アーム３ａの第１関節９と、左アーム３ａの第２関節１０と、左アーム３ａの第３関節１１と、右アーム３ｂの第１関節９と、右アーム３ｂの第２関節１０と、右アーム３ｂの第３関節１１とに配設されている。各関節ロック機構２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ、２８ｅ、２８ｆは同様な構造であるので、以下では、各関節ロック機構２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ、２８ｅ、２８ｆの構造などを説明するときには、代表例として、関節ロック機構２８として説明する。
【００５５】
図７Ａ〜図７Ｃに関節ロック機構２８の詳細を示す。図７Ａは関節軸を通る断面図である。図７Ｂは図７Ａの矢印Ｖ方向から見た図、すなわち、一方の対向ギアのギア部が形成された面を関節軸の軸方向から見た図である。図７Ｃは２つの対向ギアの外観側面図である。
【００５６】
また、図８に関節ロック機構２８の駆動機構の詳細を示す。図８は、左アーム３ａの第１リンク６を図３中に示した矢印Ｗの方向から見た図である。右アーム３ｂの第１リンク６の場合、図８に示した構造とは左右対称な構造となっている。
【００５７】
図８において、２９はギア部２９ａを対向する面に円環状に有する円板状の固定対向ギアであり、中心には、ロック及びロック解放動作を行なう関節の関節軸が回転不自在に挿入嵌合される円形の穴２９ｂが開いており、関節によって接続される構造体の内、土台部１に近い側の構造体及び関節軸に対し相対的に動かないよう固定されている。例えば、第３関節１１の関節ロック機構２８ｃの場合、固定対向ギア２９は、土台部１に近い側の構造体及び関節軸の例としての第１リンク６及び第３関節軸１４に固定されており、第３関節１１の第３関節軸１４の先端が固定対向ギア２９の穴２９ｂを貫通して相対回転不自在に挿入嵌合されている。すなわち、第３関節軸１４と固定対向ギア２９とは一体的に固定されている。なお、第１リンク６と第２リンク７とは、第３関節１１において、軸受け７０により相対的に回転可能に連結されている。７ｇは第２リンク７と一体的に回転可能でかつ第１リンク６に対しては軸受け７０により相対回転可能となっているカラー、２８ｇは後述する押しつけバネ３３などが配置されるケーシングである。
【００５８】
３０は固定対向ギア２９のギア部２９ａとかみ合い可能なギア部３０ａを対向する面に円環状に有する円板状の可動対向ギアであり、中心には、穴２９ｂに連通可能な円形の凹部３０ｂが形成されており、この凹部３０ｂに関節軸（例えば、上記第３関節１１の関節ロック機構２８ｃの場合には、第３関節軸１４の先端部）が相対回転可能にかつ軸方向には移動可能に挿入される形で固定対向ギア２９に対向するように配設されている。可動対向ギア３０は関節軸には固定されておらず、関節軸の軸方向に並進移動可能であり、回転軸周りに回転可能である。また、可動対向ギア３０の外周面の一箇所には、径方向に突出したガイド突起３１があり、関節によって接続される構造体の内、手先に近い側の構造体に配設されたガイド溝３２とかみ合っている。例えば、第３関節１１の関節ロック機構２８ｃの場合には、ガイド溝３２は第２リンク７に配設されている（図７Ｂ参照）。ガイド突起３１は、ガイド溝３２に対してガイド溝３２の長手方向（図７Ｂの紙面貫通方向すなわち可動対向ギア３０の厚み方向）に沿って相対的に並進移動可能である。すなわち、可動対向ギア３０と手先に近い側の構造体（上記の場合では第２リンク７）とは関節軸（上記の場合では第３関節軸１４）の中心軸方向に相対的に並進移動可能であるが、関節軸の中心軸周りの回転運動に関しては、ガイド突起３１とガイド溝３２の噛み合いによる拘束のため、可動対向ギア３０と手先に近い側の構造体（上記の場合では第２リンク７）とは一体的に回転運動することとなる。なお、図７Ａは、ガイド突起３１とガイド溝３２の噛み合いが外れた状態を示している。
【００５９】
固定対向ギア２９の対向面のギア部２９ａと可動対向ギア３０の対向面のギア部３０ａは、それぞれ、断面が鋸歯形状となっており、可動対向ギア３０において固定対向ギア２９とは反対側に、かつ、可動対向ギア３０の中心軸方向沿いにケーシング２８ｇのカラー７ｇ内に配置された押しつけバネ３３の付勢力で押しつけられて、固定対向ギア２９と可動対向ギア３０とがお互いかみ合うことで、対向ギア２９，３０として機能する。固定対向ギア２９のギア部２９ａと可動対向ギア３０のギア部３０ａが噛み合った際には、固定対向ギア２９と可動対向ギア３０の関節軸周りの回転運動に対し、ギア部２９ａとギア部３０ａのそれぞれの歯形の垂直面同士（対向ギア２９，３０の厚み方向沿いの直立面同士）での接触が起こる回転方向（図７Ｃの矢印方向）には回転できず、固定されることになる。この場合、土台部１に近い側の構造体（上記の場合では第１リンク６）は固定対向ギア２９に固定されており、手先に近い側の構造体（上記の場合では第２リンク７）はガイド突起３１とガイド溝３２を介して可動対向ギア３０に固定されているため関節（上記の場合では第３関節１１）はロックされて２つの構造体（上記の場合では第１リンク６と第２リンク７）間の相対的な回転運動は発生しなくなる。一方、ギア部２９ａとギア部３０ａのそれぞれの歯形の斜め面同士（対向ギア２９，３０の厚み方向に対して傾斜した方向沿いの斜面同士）での接触が起こる回転方向（図７Ｃの矢印方向とは反対方向）は斜め面に沿ってせり上がりが起こるため、２つの構造体（上記の場合では第１リンク６と第２リンク７）間の相対的な回転運動は可能である。この結果、関節ロック機構２８はワンウェイクラッチとして機能することになる。
【００６０】
可動対向ギア３０は、外側ガイドチューブ５５と牽引ワイヤー５６で構成されるコントロールケーブル５７を介して関節ロック機構駆動のための空圧人工筋１８（具体的には空圧人工筋１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆであるが、構造を説明するときには、代表例として１８で示す。）と接続されている。図７Ａは、ガイド突起３１とガイド溝３２の噛み合いが外れた状態を示しており、空圧人工筋１８の駆動により、牽引ワイヤー５６で可動対向ギア３０を中心軸方向に、固定対向ギア２９から離れる側（図７Ａの左側）に移動して、ギア部２９ａとギア部３０ａが離れた状態を示している。逆に、空圧人工筋１８の駆動により、牽引ワイヤー５６で可動対向ギア３０を中心軸方向に、固定対向ギア２９に接近する側（図７Ａの右側）に移動すると、ギア部２９ａとギア部３０ａがかみあった状態となる。関節ロック機構駆動のための空圧人工筋１８のうち、空気圧人工筋１８ａ（図３中に図示）は土台部１に配設され、左アーム３ａの第１関節９の関節ロック機構２８ａを駆動する。空気圧人工筋１８ｂ（図３中の空気圧人工筋１８ａの背後に配設）は土台部１に配設され、右アーム３ｂの第１関節９の関節ロック機構２８ｂを駆動する。空気圧人工筋１８ｃ（図８中の空気圧人工筋１８ｅの背後に配設）は左アーム３ａの第１リンク６の内部に配設され、左アーム３ａの第２関節１０の関節ロック機構２８ｃを駆動する。空気圧人工筋１８ｄ（図８中の空気圧人工筋１８ｃと同様に右アーム３ｂにおいて配設）は右アーム３ｂの第１リンク６の内部に配設され、右アーム３ｂの第２関節１０の関節ロック機構２８ｄを駆動する。空気圧人工筋１８ｅ（図８中に図示）は左アーム３ａの第１リンク６の内部に配設され、左アーム３ａの第３関節１１の関節ロック機構２８ｅを駆動する。空気圧人工筋１８ｆ（図８中の空気圧人工筋１８ｅと同様に右アーム３ｂにおいて配設）は右アーム３ｂの第１リンク６の内部に配設され、右アーム３ｂの第３関節１１の関節ロック機構２８ｆを駆動する。
【００６１】
空気圧人工筋１８に高圧空気を供給して空気圧人工筋１８を収縮させると、空気圧人工筋１８に連結されたコントロールケーブル５７の牽引ワイヤー５６により可動対向ギア３０が牽引されて、関節ロック機構２８の押しつけバネ３３の付勢力に抗して、中心軸方向に固定対向ギア２９から離れる側に移動し、対向ギア２９，３０同士のギア部２９ａとギア部３０ａの噛み合いが解除される。逆に、空気圧人工筋１８から高圧空気を排出して空気圧人工筋１８を伸張させと、コントロールケーブル５７の牽引ワイヤー５６による可動対向ギア３０の引っ張り力が解除されて、関節ロック機構２８の押しつけバネ３３の付勢力により、対向ギア２９，３０のギア部２９ａとギア部３０ａ同士は噛み合い、関節がロックされて相対回転運動が不可能となる。
【００６２】
左アーム３ａ及び右アーム３ｂの各関節における関節ロック機構２８の配置方向に関しては、ワンウェイクラッチとして回転可能な方向を図２、図３中の矢印Ｒで示す回転方向となるように、かつ、ロックがかかる方向（相対回転不可能な方向）を図中の矢印Ｒとは逆回転方向となるように配設している。このような配置方向とすることにより、アーム３上に被介護者又は運搬物を搭載した場合に、関節ロックが機能し、被介護者又は運搬物の重量による負荷を関節ロック機構２８が負担するため、被介護者又は運搬物の保持を容易にかつ安定して信頼性高く行うことができる。
【００６３】
図３及び図９Ａ及び図９Ｂに基づき腰機構２について説明する。腰機構２は、空気圧人工筋１９により駆動される。空気圧人工筋１９は、一端部が土台部１に回転自在に固定され、他端部が力伝達レバー３４の後端部に回転自在に固定されている。力伝達レバー３４の前端部は、胴体部８に固定されている。空気圧人工筋１９に高圧空気を供給して空気圧人工筋１９を収縮させれば、力伝達レバー３４が後方に引かれ、胴体部８は腰機構２の関節軸２Ａを中心に揺動運動して、図９Ａに示す胴体部８の前傾状態から図９Ｂに示す胴体部８の直立状態へと起き上がる。逆に、空気圧人工筋１９より高圧空気を排出して空気圧人工筋１９を伸張させれば、胴体部８又はアーム３の重さにより、胴体部８は、図９Ｂに示す胴体部８の直立状態から図９Ａに示す胴体部８の前傾状態へと前方に倒れることになる。
【００６４】
腰機構２を駆動する空気圧人工筋１９には、制御装置３８に接続される圧力センサー６７（図３参照）が配設されており、圧力センサー６７により空気圧人工筋１９の内部の圧力を計測することが可能になっている。この圧力センサー６７による空気圧人工筋１９の内部圧力Ｐpと腰機構２の関節軸２Ａのエンコーダー３７の角度情報より得られる空気圧人工筋１９のひずみεより、ロボットが重量物等の負荷を持ち上げている状態かどうかの判定が動作モード切換手段４７で可能である。空気圧人工筋１９の内部圧力Ｐp、ひずみε、及び、収縮力Ｆの間には、図１０に示す関係がある。この特性を利用すれば、空気圧人工筋１９の内部圧力Ｐpとひずみεより収縮力Ｆpが収縮力計算手段１９４で算出でき、この算出された収縮力Ｆpが、ロボットが重量物等の負荷を持ち上げていない状態のときの収縮力の値よりも大きいときには、ロボットが重量物等の負荷を持ち上げていると動作モード切換手段４７で判定することができる。
【００６５】
この重量物等の負荷をロボットが持ち上げているかどうかの判定情報は、後述する動作モード切換手段４７にて行われ、その判定結果は、後述する関節ロック機構制御手段５９へと出力される。
【００６６】
図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、アーム３の第２リンク７の中央部付近には３方向の並進力を検出することができる、外力検出装置の一例として機能する、３軸の力センサー３５が配設されている。力センサー３５には、力検出外装カバー３６が第２リンク７の構造体とは隙間をあけて接触しない形で配設されており、力センサー３５は、力検出外装カバー３６とアーム３の第２リンク７の間に働く力を検出して制御装置３８に出力する。力検出外装カバー３６は、第２リンク７の幅方向断面の外面の略半分及び第２リンク７のリンク長方向の大部分を覆うような構造であり、第２リンク７の表面の多くの部分で第２リンク７に働く力を検出することが可能である。また、図２及び図３に示す搬送基本姿勢においてアーム３の下側に位置するように力センサー３５が配設されており、アーム３の上面に被介護者又は運搬物が載った状態でも被介護者又は運搬物に力センサー３５が接触することがないため、被介護者又は運搬物の影響を受けることなく、外力を力センサー３５で検出することができる。
【００６７】
図１及び図５などに示す制御装置３８は、ハードウェア的には一般的なパーソナルコンピュータにより構成されており、入出力ＩＦ４０を除く部分は、パーソナルコンピュータで実行される制御プログラム３９としてソフトウェア的に実現される。
【００６８】
入出力ＩＦ４０は、パーソナルコンピュータのＰＣＩバスなどの拡張スロットルに接続された、Ｄ／Ａボード４１とＡ／Ｄボード４２とカウンタボード４３とにより構成される。
【００６９】
ロボットの動作を制御するための制御プログラム３９が実行されることにより制御装置３８が機能しており、左アーム３ａ及び右アーム３ｂの各関節９，１０，１１のエンコーダ３７より出力される関節角度情報がカウンタボード４３を通じて制御装置３８にそれぞれ取り込まれ、また、左アーム３ａ及び右アーム３ｂに配設された力センサー３５により検出された外力情報がＡ／Ｄボード４２を通じて制御装置３８にそれぞれ取り込まれ、制御装置３８によって各関節の回転動作での制御指令値がそれぞれ算出される。算出された各制御指令値は、Ｄ／Ａボード４１を通じて５ポート流量制御電磁弁２７に与えられ、５ポート流量制御電磁弁２７によりアーム３の各関節９，１０，１１の空気圧人工筋１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１６ａ，１６ｂが駆動される。
【００７０】
図１において、５８は動作モード切換スイッチであり、前進ボタン６４と後退ボタン６５と停止ボタン６６との３つのボタンが配設されており、どのボタンが押されたかの情報がデジタル、Ｉ／Ｏを通じて制御装置３８に入力される。
【００７１】
図１２は、制御装置３８において実行される制御プログラム３９により実現するロボット制御系のブロック線図である。言い換えれば、入出力ＩＦ４０からの情報を基に制御プログラム３９でロボットの動作を制御するロボット動作制御手段４４の構成を示すブロック図である。
【００７２】
ロボット制御系は、動作モード切換手段４７とインピーダンス制御手段４５とを備えるように構成される。
【００７３】
インピーダンス制御手段４５は、左アームインピーダンス制御手段４５ａと右アームインピーダンス制御手段４５ｂと腰機構インピーダンス制御手段４５ｐとより構成されており、それぞれ、左アーム３ａの動作と右アーム３ｂの動作と腰機構２の動作を制御する。左アームインピーダンス制御手段４５ａと右アームインピーダンス制御手段４５ｂとの構造及び機能は同様であるので、ここでは、インピーダンス制御手段４５として、代表して詳細を説明する。なお、以下で、添え字ｉはＬ又はＲであり、それぞれ左アームインピーダンス制御手段４５ａ又は右アームインピーダンス制御手段４５ｂでの入出力信号を意味する。例えば、アーム３の関節角度ｑｉは、左アームインピーダンス制御手段４５ａの入力信号である左アーム３ａの関節角度ｑＬ又は右アームインピーダンス制御手段４５ｂの入力信号である右アーム３ｂの関節角度ｑＲを意味している。理解しやすくするため、代表した文字又は数字の後の括弧内に、左右の別々の文字又は数字を示す。
【００７４】
インピーダンス制御手段４５（４５ａ又は４５ｂ）は、インピーダンス計算手段４６（４６ａ又は４６ｂ）と位置制御手段４９（４９ａ又は４９ｂ）とを備えるように構成される。インピーダンス計算手段４６（４６ａ又は４６ｂ）には、力センサー３５で計測された力ＦｉＬ（ＦＬＬ又はＦＲＬ）が入力され、手先目標補正値ｒｉｄΔ（ｒＬｄΔ又はｒＲｄΔ）がインピーダンス計算手段４６（４６ａ又は４６ｂ）から出力される。位置制御手段４９（４９ａ又は４９ｂ）には、目標軌道生成手段４８から入力されるアーム３（３ａ又は３ｂ）の位置目標値ｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）に手先目標補正値ｒｉｄΔ（ｒＬｄΔ又はｒＲｄΔ）がインピーダンス制御手段４５（４５ａ又は４５ｂ）で加算された値ｒｉｄｍ（ｒＬｄｍ又はｒＲｄｍ）及びエンコーダ３７で計測されたアーム３（３ａ又は３ｂ）の関節角度ｑｉ（ｑＬ又はｑＲ）がそれぞれ入力され、関節指令値ｕｉｑ（ｕＬｑ又はｕＲｑ）が位置制御手段４９（４９ａ又は４９ｂ）から出力され、アーム３（３ａ又は３ｂ）への指令値となる。
【００７５】
インピーダンス計算手段４６（４６ａ又は４６ｂ）は、アーム３（３ａ又は３ｂ）に機械インピーダンスを実現する機能を果たす部分であり、インピーダンスパラメータ慣性Ｍと、粘性Ｄと、弾性Ｋと、関節角度の現在値ｑｉ（ｑＬ又はｑＲ）と、力センサー３５が検出した外力Ｆｉ（ＦＬ又はＦＲ）とより、アーム３（３ａ又は３ｂ）に機械インピーダンスを実現するための手先位置目標補正出力ｒｉｄΔ（ｒＬｄΔ又はｒＲｄΔ）を以下の式（１）によりインピーダンス計算手段４６（４６ａ又は４６ｂ）で計算して、出力する。手先位置目標補正出力ｒｉｄΔ（ｒＬｄΔ又はｒＲｄΔ）は、目標軌道生成手段４８の出力する手先位置目標ｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）にインピーダンス制御手段４５（４５ａ又は４５ｂ）で加算され、手先位置補正目標ベクトルｒｉｄｍ（ｒＬｄｍ又はｒＲｄｍ）が生成される。
【００７６】
【数１】
2009147832.tif 000040
【００７７】
【数２】
2009147832.tif 000041
【００７８】
【数３】
2009147832.tif 000042
【００７９】
【数４】
2009147832.tif 000043
であり、ｓはラプラス演算子である。なお、インピーダンスパラメータ慣性Ｍと粘性Ｄと弾性Ｋとに関しては、実験により、ロボットの操作性が良い値を試行錯誤的に探索しそれぞれ決定する。
【００８０】
図１３は、位置制御手段４９（４９ａ又は４９ｂ）の詳細を示す図である。５３は位置誤差補償手段であり、アーム３（３ａ又は３ｂ）において計測される関節角度ベクトルの現在値ｑｉ（ｑＬ又はｑＲ）から順運動学計算手段５２で計算される手先位置ベクトルｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）と、手先補正目標ベクトルｒｉｄｍ（ｒＬｄｍ又はｒＲｄｍ）との誤差ｒｉｅ（ｒＬｅ又はｒＲｅ）が位置誤差補償手段５３に入力され、位置誤差補償手段５３からは、位置誤差補償出力ｕｉｒｅ（ｕＬｒｅ又はｕＲｒｅ）が近似逆運動学計算手段５４に向けて出力される。近似逆運動学計算手段５４には、アーム３（３ａ又は３ｂ）において計測される関節角度ベクトルの現在値ｑｉ（ｑＬ又はｑＲ）も入力される。
【００８１】
また、位置誤差補償手段５３は、後述する関節ロック機構制御手段５９の関節ロック指令が入力されており、関節ロック機構２８がロック状態のときには、位置誤差補償のサーボゲインを非ロック状態の時の、例えば１／２のように低い値とする（位置誤差補償出力ｕｉｒｅの大きさを１／２にする）ことで、位置制御のサーボ剛性を低下させる機能を有する。
【００８２】
近似逆運動学計算手段５４では、近似逆運動学計算手段５４への入力をｕｉｉｎ、近似逆運動学計算手段５４からの出力をｕｉｏｕｔとすると、近似式ｕｉｏｕｔ＝Ｊｉｒ（ｑｉ）−１ｕｉｉｎにより、逆運動学の近似計算を行う。ただし、
Ｊｉｒ（ｑｉ）は
【００８３】
【数５】
2009147832.tif 000044
の関係を満たすヤコビ行列である。この数式より近似式ｑｉｅ≒Ｊｉｒ（ｑｉ）−１ｒｉｅが導出されるので、逆ヤコビ行列Ｊｉｒ（ｑｉ）−１を使えば手先位置・姿勢誤差ｒｉｅ（ｒＬｅ又はｒＲｅ）から関節角度誤差ｑｉｅ（ｑＬｅ又はｑＲｅ）への変換、すなわち、誤差に関する手先座標における値から、関節座標における値への変換が可能なことが分かる。同様に、誤差補償出力に関しても手先座標における値から、関節座標における値への変換が逆ヤコビ行列Ｊｉｒ（ｑｉ）−１によって行われるため、位置誤差補償出力ｕｉｒｅ（ｕＬｒｅ又はｕＲｒｅ）が近似逆運動学計算手段５４に入力されると、近似逆運動学計算手段５４からの出力は関節角度誤差ｑｉｅ（ｑＬｅ又はｑＲｅ）を補償するための関節角度誤差補償出力ｕｉｑｅ（ｕＬｑｅ又はｕＲｑｅ）が出力される。  ５２はアーム３（３ａ又は３ｂ）から出力されたそれぞれの関節軸１２，１３，１４のエンコーダ３７により計測された関節角の現在値ｑである関節角度ベクトルｑｉ（ｑＬ又はｑＲ）が入力される順運動学計算手段であり、アーム３（３ａ又は３ｂ）の関節角度ベクトルｑｉ（ｑＬ又はｑＲ）から手先位置ベクトルｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）への変換の幾何科学的計算を行う。
【００８４】
以上のように構成されるインピーダンス制御手段４５（４５ａ又は４５ｂ）に関して動作の原理について説明する。
【００８５】
動作の基本は、位置誤差補償手段５３による手先位置誤差ｒｉｅ（ｒＬｅ又はｒＲｅ）のフィードバック制御（位置制御）である。位置誤差補償手段５３として、例えば、ＰＩＤ補償器を使用すれば、手先位置誤差ｒｉｅ（ｒＬｅ又はｒＲｅ）が０に収束するように制御が働き、目標とするアーム３（３ａ又は３ｂ）の動作が実現する。
【００８６】
インピーダンス制御モード時には、インピーダンス計算手段４６（４６ａ又は４６ｂ）により、手先位置補正出力ｒｉｄΔ（ｒＬｄΔ又はｒＲｄΔ）がアーム３（３ａ又は３ｂ）の位置目標値ｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）に加算されて手先位置の目標値ｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）の補正が行われる。このために、上記した位置制御系は、手先位置の目標値が本来の値より微妙にずれることになり、結果的に、機械インピーダンスが実現される。手先位置目標補正出力ｒｉｄΔ（ｒＬｄΔ又はｒＲｄΔ）は式（１）により算出されるため、慣性Ｍと粘性Ｄと剛性Ｋとの機械インピーダンスが実現される。
【００８７】
以上のインピーダンス制御手段４５（４５ａ又は４５ｂ）の原理により、ロボットの操作者が、アーム３（３ａ又は３ｂ）の外装部材の一例として機能する力検出外装カバー３６を手で保持して、力検出外装カバー３６に力をかけると、力をかけた方向にアーム３（３ａ又は３ｂ）が動作することになるので、アーム３（３ａ又は３ｂ）を保持して動かすだけで、アーム３（３ａ又は３ｂ）の操作ができ、容易に位置決めが可能となる。
【００８８】
腰機構インピーダンス制御手段４５ｐの構成もインピーダンス制御手段４５（４５ａ又は４５ｂ）と同様であるが、次元が１次元となる。腰インピーダンス計算手段５０での計算は、インピーダンスパラメータ慣性ｍと、粘性ｄと、弾性ｋと、腰角度の現在値ｑｐと、力センサー３５が検出した外力Ｆｉ（ＦＬ又はＦＲ）より、腰角度目標補正出力ｑｐΔｄを以下の式（５）により計算し、出力する。腰角度目標補正出力ｑｐΔｄは、目標軌道生成手段４８の出力する腰角度目標ｑｐｄに加算され、腰角度補正目標ベクトルｑｐｄｍが生成される。
【００８９】
【数６】
2009147832.tif 000045
ただし、式（５）において、ｓはラプラス演算子であり、Ｆｚは左アーム３ａの力センサー３５の検出値の鉛直方向成分ＦＬｚと右アーム３ｂの力センサー３５の検出値の鉛直方向成分ＦＲｚの内、絶対値が大きい方を選択した値である。このＦｚ（ＦＬｚ又はＦＲｚ）の値の選択は、力センサー選択手段５１によって行われる。これにより、左アーム３ａの力センサー３５又は右アーム３ｂの力センサー３５のいずれかに外力の入力があっても、腰機構２が動作することになる。
【００９０】
角度制御手段６０は、図１４に示す構成であり、上記生成された腰角度補正目標ベクトルｑｐｄｍと腰角度ｑｐとの腰角度誤差ｑｐｅが角度誤差補償手段６１に入力されて、角度誤差補償手段６１から腰機構２に向けて腰角度指令値ｕｐｑｅが出力される。角度誤差補償手段６１として、例えば、ＰＩＤ補償器を使用すれば、角度制御手段６０において腰角度誤差ｑｐｅが０に収束するように制御が働き、目標とする腰機構２の動作が実現する。
【００９１】
以上のように構成される腰機構インピーダンス制御手段４５ｐによれば、ロボットの操作者が左アーム３ａと右アーム３ｂのいずれか、又は、両方同時に力検出外装カバー３６を手で保持して持ち上げるように動かせば、腰機構２が起きあがり、アーム３の全体が上昇し、逆に、力検出外装カバー３６を手で保持して引き下げるように動かせば、腰機構２は前側に倒れるように動作し、アーム３の全体が下降することになる。
【００９２】
動作モード切換手段４７は、位置制御手段４９（４９ａ又は４９ｂ）から手先位置ベクトルｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）及び腰機構２から腰角度の現在値ｑｐがそれぞれ入力され、図１５に示す動作シーケンス表に基づき動作シーケンスを制御し（詳しくは後述する。）、左アームインピーダンス制御手段４５ａと右アームインピーダンス制御手段４５ｂと腰機構インピーダンス制御手段４５ｐとの制御モードの切換、関節ロック機構制御手段５９を介しての関節ロック機構２８のロック作動及びロック解放の切換、及び、目標軌道生成手段４８への動作指令を行う。動作モード切換手段４７は、動作モード切換スイッチ５８の前進ボタン６４が押されると次のシーケンスへと進ませ、動作モード切換スイッチ５８の後退ボタン６５が押されると以前のシーケンスに戻し、それぞれのシーケンスにおいて各ステップに応じた制御モードの切換を行う。
【００９３】
また、動作モード切換スイッチ５８の停止スイッチ６６が押された場合には、動作モード切換手段４７は、目標軌道生成手段４８の動作を停止するとともに、左アーム３ａ及び右アーム３ｂの制御モードを位置制御に、腰機構２の制御モードを角度制御モードにそれぞれ切り換える。目標軌道生成手段４８は動作が停止されると、停止された瞬間に出力していた目標軌道を更新することなく出し続けるため、左アーム３ａ及び右アーム３ｂ及び腰機構２の動作はそれぞれ停止し、ロボットの動作は停止する。この停止動作は、ロボットの動作が異常になったときなど、ロボットの動作をすぐに停止させたいときに有効である。
【００９４】
左アームインピーダンス制御手段４５ａと右アームインピーダンス制御手段４５ｂと腰機構インピーダンス制御手段４５ｐとに対して、動作モード切換手段４７は、位置制御モードとインピーダンス制御モードの切換をそれぞれ行う。動作モード切換手段４７は、位置制御モード時には、インピーダンス計算手段４６の出力を０とすることにより、アーム３（３ａ又は３ｂ）の動作を手先位置目標値に追従する位置制御として機能するようにする一方、インピーダンス制御モード時には、インピーダンス計算手段４６（４６ａ又は４６ｂ）の出力を有効とすることにより、アーム３（３ａ又は３ｂ）の動作を外力に対して設定した機械インピーダンス特性を持つよう動作させるインピーダンス制御として機能するようにする。
【００９５】
同様に、動作モード切換手段４７は、腰機構２に対しても、角度制御モード時には、腰インピーダンス計算手段５０の出力を０とすることにより、腰角度制御として機能するようにする一方、インピーダンス制御モード時には、腰インピーダンス計算手段５０の出力を有効とすることにより、腰機構２が外力に対して設定した機械インピーダンス特性を持つよう動作させるインピーダンス制御として機能するようにする。
【００９６】
また、動作モード切換手段４７は、関節ロック機構制御手段５９に指令を送り、関節ロック機構２８のロック作動及びロック解放の制御を行う。
【００９７】
関節ロック機構制御手段５９には、アーム３（３ａ又は３ｂ）が重量物等の負荷を持ち上げているかどうかの情報が動作モード切換手段４７より入力され、重量物等の負荷を持ち上げていないと動作モード切換手段４７により判定されるときのみ関節ロック機構２８のロック解放動作を関節ロック機構制御手段５９により行い、重量物等の負荷を持ち上げていると動作モード切換手段４７により判定されるときには関節ロック機構２８のロック解放動作を行えないよう関節ロック機構制御手段５９によりインターロックをかけるよう動作する。これにより、アーム３（３ａ又は３ｂ）が重量物等の負荷を持ち上げているときに誤って関節ロック機構２８のロックが関節ロック機構制御手段５９により解放されることがなくなるため、より安全性を高めることができる。
【００９８】
また、関節ロック機構制御手段５９は位置誤差補償手段５３に関節ロック指令を送り、関節ロック時には位置制御のサーボ剛性を低下させるよう動作する。これにより位置誤差補償手段５３による位置制御で関節の回転運動が不必要に発生し、固定対向ギア２９と可動対向ギア３０同士が必要以上の力で噛み合うことを防ぐことができ、関節ロック機構を解除する際に固定対向ギア２９と可動対向ギア３０の接触する歯面間の摩擦を小さくすることができ、開放動作をスムーズに行うことができるようになる。
【００９９】
目標軌道生成手段４８は、目標とするアーム３（３ａ又は３ｂ）の動作を実現するための手先位置目標ベクトルｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）を出力する。目標とするアーム３（３ａ又は３ｂ）の動作は、目的とする作業に応じて事前に通過ポイントごとに位置情報（ｒｉｄ０、ｒｉｄ１、ｒｉｄ２・・・）、すなわち（ｒＬｄ０、ｒＬｄ１、ｒＬｄ２・・・）又は（ｒＲｄ０、ｒＲｄ１、ｒＲｄ２・・・）、として制御装置３８の外部入力手段（外部入力装置）９３の一例であるキーボードを使い数値として目標軌道生成手段４８に入力しておき、目標軌道生成手段４８は、多項式補間を使用して各ポイント間の軌道を補完し、手先位置目標ベクトルｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）を生成する。腰角度目標値（腰角度目標ベクトル）ｑｐｄに関しても、アーム３（３ａ又は３ｂ）の動作と同様に、目標軌道生成手段４８により、目標とする腰機構２の角度制御動作（言い換えれば、胴体部８の揺動動作）の軌道が生成される。すなわち、目的とする作業に応じて事前に通過ポイントごとに位置情報（ｑｐｄ０、ｑｐｄ１、ｑｐｄ２・・・）として目標軌道生成手段４８に外部入力手段９３により数値として入力しておき、目標軌道生成手段４８は、多項式補間を使用して各ポイント間の軌道を補完し、腰角度目標ベクトル）ｑｐｄを生成する。
【０１００】
動作モード切換手段４７は、アーム３（３ａ又は３ｂ）の位置制御モード時又は腰機構２の角度制御モード時には、通過ポイントの位置情報（ｒｉｄ０、ｒｉｄ１、ｒｉｄ２・・・）すなわち（（ｒＬｄ０、ｒＬｄ１、ｒＬｄ２・・・）又は（ｒＲｄ０、ｒＲｄ１、ｒＲｄ２・・・））、又は、（ｑｐｄ０、ｑｐｄ１、ｑｐｄ２・・・）を指定し、目標軌道生成手段４８による軌道補間を動作させる。
【０１０１】
また、インピーダンス制御モード時には、目標軌道生成手段４８による軌道補間を停止させ、インピーダンス制御モードに切り換えた瞬間の手先位置目標値ｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）又は腰角度目標値ｑｐｄを目標軌道生成手段４８により維持させる。また、インピーダンス制御モードから位置制御モード又はインピーダンス制御モードから角度制御モードに切り換えるときには、目標軌道生成手段４８により、切り換えた瞬間の手先位置ｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）又は腰角度ｑｐを目標軌道のスタート点とし、そこから新たに軌道補間を目標軌道生成手段４８により動作させる。
【０１０２】
以上の原理に基づく制御プログラム３９の実際の動作ステップについて、図１６のフローチャートに基づいて説明する。
【０１０３】
まず、ステップＳ１では、各エンコーダ３７により計測された関節角度データ（関節変数ベクトル又は関節角度ベクトルｑｉ）（ｑＬ又はｑＲ）が制御装置３８に取り込まれる。
【０１０４】
次いで、ステップＳ２では、アーム３（３ａ又は３ｂ）の運動学計算に必要なヤコビ行列Ｊｉｒ（ＪＬｒ又はＪＲｒ）等の計算が近似逆運動学計算手段５４により行われる。
【０１０５】
次いで、ステップＳ３では、アーム３（３ａ又は３ｂ）からの関節角度データ（関節角度ベクトルｑｉ）（ｑＬ又はｑＲ）からアーム３（３ａ又は３ｂ）の現在の手先位置ベクトルｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）が順運動学計算手段５２により計算されて、計算された現在の手先位置ベクトルｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）が出力される（順運動学計算手段５２での処理）。
【０１０６】
次いで、ステップＳ４では、目標軌道生成手段４８により、動作モード切換手段４７からの制御モードの指令を判断し（言い換えれば、動作モード切換手段４７からの指令値に基づいて、制御モードが位置制御モードであるか又はインピーダンス制御モードであるかを目標軌道生成手段４８により判断し）、目標軌道生成手段４８によりインピーダンス制御モードの場合であると判断されたときにはステップＳ５へ、目標軌道生成手段４８により位置制御モードの場合であると判断されたときにはステップＳ５’へそれぞれ処理を進める。
【０１０７】
ステップＳ５では、インピーダンス制御モードの場合に、力センサー３５により計測された外力Ｆｉ（ＦＬ又はＦＲ）が制御装置３８のインピーダンス計算手段４６（４６ａ又は４６ｂ）に取り込まれる。
【０１０８】
ステップＳ５に続いて、ステップＳ６では、インピーダンス制御モードの場合に、目標軌道計算手段４８によりインピーダンス制御モードに切り換わった瞬間の手先位置ベクトルｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）（順運動学計算手段５２で計算されて図１２において動作モード切換手段４７を経由して目標軌道計算手段４８に入力された手先位置ベクトルｒｉ（ｒＬ又はｒＲ））が記録され、手先位置目標ベクトルｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）として出力されてインピーダンス制御手段４５（４５ａ又は４５ｂ）に保持される。
【０１０９】
ステップＳ６に続いて、ステップＳ７では、インピーダンス制御モードの場合に、インピーダンス計算手段４６（４６ａ又は４６ｂ）内に予め設定された機械インピーダンスパラメータ慣性Ｍと粘性Ｄと弾性Ｋと、力センサー３５により計測されたアーム３（３ａ又は３ｂ）に加わる外力Ｆｉ（ＦＬ又はＦＲ）とから、手先位置目標補正出力ｒｉｄΔ（ｒＬｄΔ又はｒＲｄΔ）が、インピーダンス計算手段４６により計算される（インピーダンス計算手段４６での処理）。その後、ステップＳ８に進む。
【０１１０】
一方、ステップＳ５’では、位置制御モードの場合に、手先位置目標補正出力ｒｉｄΔ（ｒＬｄΔ又はｒＲｄΔ）をインピーダンス計算手段４６により０ベクトルとする（インピーダンス計算手段４６での処理）。
【０１１１】
ステップＳ５’に続いて、ステップＳ６’では、目標軌道計算手段４８によりアーム３（３ａ又は３ｂ）の手先位置目標ベクトルｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）が計算されて、計算された手先位置目標ベクトルｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）がインピーダンス制御手段４５（４５ａ又は４５ｂ）に出力される。その後、ステップＳ８に進む。
【０１１２】
ステップＳ８では、手先位置目標ベクトルｒｉｄ（ｒＬｄ又はｒＲｄ）と手先位置目標補正出力ｒｉｄΔ（ｒＬｄΔ又はｒＲｄΔ）の和がインピーダンス制御手段４５（４５ａ又は４５ｂ）により計算されて、その計算結果である手先位置補正目標ベクトルｒｉｄｍ（ｒＬｄｍ又はｒＲｄｍ）と、順運動学計算手段５２から計算されて出力された現在の手先位置ベクトルｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）との差である手先位置の誤差ｒｉｅ（ｒＬｅ又はｒＲｅ）が位置誤差補償手段５３により計算される（位置誤差補償手段５３での処理）。位置誤差補償手段５３の具体例としては、ＰＩＤ補償器が考えられる。定数の対角行列である比例、微分、積分の３つのゲインを適切に調整することにより、位置誤差が０に収束するように位置誤差補償手段５３による制御が働く。
【０１１３】
次いで、ステップＳ９では、ステップＳ２で計算したヤコビ行列Ｊｉｒ（ＪＬｒ又はＪＲｒ）の逆行列を近似逆運動学計算手段５４で乗算することにより、位置誤差補償出力ｕｉｒｅ（ｕＬｒｅ又はｕＲｒｅ）を手先位置の誤差に関する値から関節角度の誤差に関する値である関節角度誤差補償出力ｕｉｑｅ（ｕＬｑｅ又はｕＲｑｅ）に近似逆運動学計算手段５４により変換する（近似逆運動学計算手段５４での処理）。
【０１１４】
次いで、ステップＳ１０では、関節角度誤差補償出力ｕｉｑｅ（ｕＬｑｅ又はｕＲｑｅ）が近似逆運動学計算手段５４からＤ／Ａボード４１を通じ、５ポート流量制御電磁弁２７に与えられ、５ポート流量制御電磁弁２７の電磁石にかかる電圧を変化させることにより、空気圧人工筋１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄがそれぞれ駆動され、アーム３（３ａ又は３ｂ）のそれぞれの関節軸１２，１３，１４の回転運動、及び、腰機構２の揺動運動がそれぞれ発生する。
【０１１５】
以上のステップＳ１〜ステップＳ１０が制御の計算ループとして繰り返し実行されることにより、アーム３（３ａ又は３ｂ）及び腰機構２の動作の制御が実現する。
【０１１６】
次に、図１５のシーケンス表及び図１７Ａ〜図１７Ｄの動作図を使って運搬作業を行うときの動作シーケンスの流れ、及び、制御モードの切換について説明する。
【０１１７】
＜シーケンス１（ホームポジション）＞
シーケンス１（ホームポジション）では、左アーム３ａ及び右アーム３ｂが位置制御モード、腰機構２が角度制御モードとなり、左アーム３ａ、右アーム３ｂ、及び、腰機構２がそれぞれ動作し、ロボットは図１７Ａに示す基本姿勢となる。
【０１１８】
＜シーケンス２（左アーム操作）＞
シーケンス２（左アーム操作）では、左アーム３ａがインピーダンス制御モードになり、左アーム３ａの第２リンク７の力検出外装カバー３６に操作者が手９０で力をかけると、左アーム３ａが動作するようになるため、人（操作者）が手９０で、左アーム３ａの第２リンク７の力検出外装カバー３６を把持することで左アーム３ａを操作することができて、図１７Ｂの状態を経て、運搬対象物６２の下方に左アーム３ａを挿入して配置し、図１７Ｃの運搬対象物支持準備状態に至る。
【０１１９】
運搬対象物６２を支持する支持脚６３は、例えば、図１７Ａ中に矢印Ｕで示した方向から見た図である図１８に示すような構造とすれば、容易にアームを運搬対象物６２の下方に挿入して配置することができる。すなわち、図１８では、支持脚６３は、下端が支持板６３ｄに固定され上端に運搬対象物載置板６３ｃが固定された一対の縦支柱６３ａ間に横支柱６３ｂを二本架設して構成されており、一対の運搬対象物載置板６３ｃ上に運搬対象物６２を載置した状態で、一対の縦支柱６３ａ間に左アーム３ａ及び右アーム３ｂを挿入可能な空間６３ｐを有するものである。よって、この空間６３ｐ内に、人（操作者）の手９０で把持した左アーム３ａの第２リンク７の力検出外装カバー３６を挿入して配置することで、左アーム３ａの第２リンク７を運搬対象物６２の一方の側の下方に配置することができる。
【０１２０】
また、介護抱き上げ作業を行うときには、介護者が被介護者の上半身あるいは脚部をベッド等から少し浮かすように持ち上げ、できた隙間に左アーム３ａを挿入するようにすればよい。
【０１２１】
＜シーケンス３（右アーム操作）＞
シーケンス３（右アーム操作）では、右アーム３ｂがインピーダンス制御モードになり、右アーム３ｂの第２リンク７の力検出外装カバー３６に操作者が手９０で力をかけると、右アーム３ｂが動作するようになるため、人（操作者）が手９０で、右アーム３ｂの第２リンク７の力検出外装カバー３６を把持することで右アーム３ｂを操作することができて、運搬対象物６２の下方に右アーム３ｂを挿入して配置する（右アーム３ｂを、図１７Ｃの左アーム３ａの位置と同様な位置に配置して運搬対象物支持準備状態とする）。このとき、左アーム３ａは位置制御モードに切り替わり、シーケンス２で操作された位置（図１７Ｃの位置）に保持されてその姿勢が固定されている（図１７Ｂ及び図１７Ｃの左アーム３ａの動作と同様の右アーム３ｂの動作を行なう）。
【０１２２】
＜シーケンス４（関節ロック）＞
シーケンス４（関節ロック）では、左アーム３ａ及び右アーム３ｂの全関節９，１０，１１の各関節ロック機構２８が動作し、全関節９，１０，１１が固定され、左アーム３ａ及び右アーム３ｂの姿勢が固定される。このとき、右アーム３ｂは位置制御モードに切り替わり、シーケンス３で操作された位置（図１７Ｃの位置）に保持され、そのままの姿勢が固定される。なお、左アーム３ａは位置制御モードに切り替わったままであるため、左アーム３ａ及び右アーム３ｂの両方が位置制御モードに切り替わった状態となり、左アーム３ａ及び右アーム３ｂの姿勢がそれぞれ固定される。
【０１２３】
＜シーケンス５（昇降）＞
シーケンス５（昇降）では、腰機構２がインピーダンス制御に切り替わり、左アーム３ａ又は右アーム３ｂのいずれか一方のアーム３の第２リンク７の力検出外装カバー３６に人（操作者）の手９０で力をかけると、腰機構２が動作するようになるため、人（操作者）が第２リンク７の力検出外装カバー３６を手９０で把持し、第２リンク７を押し上げるようにすることで、腰機構２の動作により左アーム３ａ及び右アーム３ｂが両方同時に上昇するような動作となり、運搬対象物６２の上昇が実現し、図１７Ｃの運搬対象物支持準備状態から図１７Ｄの運搬対象物持ち上げ状態になる。このとき、人（操作者）が第２リンク７の力検出外装カバー３６を把持し、引き下げるようにすることで腰機構２の動作により左アーム３ａ及び右アーム３ｂが下降するような動作となり、運搬対象物６２の下降が実現し、運搬対象物６２が支持脚６３で支持された図１７Ｃの状態に戻る。
【０１２４】
＜シーケンス６（関節ロック解除）＞
シーケンス６（関節ロック解除）では、運搬対象物６２が支持脚６３で支持された図１７Ｃの状態において、左アーム３ａ及び右アーム３ｂの全関節９，１０，１１の各関節ロック機構２８が動作し、全関節９，１０，１１の固定が解除される。左アーム３ａ及び右アーム３ｂのそれぞれの制御は位置制御モードのままであり、左アーム３ａ及び右アーム３ｂの各位置は保持される。
【０１２５】
＜シーケンス７（左アーム操作）＞
シーケンス７（左アーム操作）では、運搬対象物６２が支持脚６３で支持された図１７Ｃの状態において、左アーム３ａがインピーダンス制御モードになり、左アーム３ａの第２リンク７の力検出外装カバー３６に手９０で力をかけると、左アーム３ａが動作するようになるため、人（操作者）が手９０で第２リンク７の力検出外装カバー３６を把持することで左アーム３ａを操作することができて、支持脚６３で支持された運搬対象物６２の下方の空間６３ｐから左アーム３ａを離脱させ、図１７Ｂの状態を経て、図１７Ａの初期状態に戻る。
【０１２６】
＜シーケンス８（右アーム操作）＞
シーケンス８（右アーム操作）では、運搬対象物６２が支持脚６３で支持された図１７Ｃの状態において、右アーム３ｂがインピーダンス制御モードになり、右アーム３ｂの第２リンク７の力検出外装カバー３６に手９０で力をかけると、右アーム３ｂが動作するようになるため、人（操作者）が手９０で第２リンク７の力検出外装カバー３６を把持することで右アーム３ｂを操作することができて、支持脚６３で支持された運搬対象物６２の下方の空間６３ｐから右アーム３ｂを離脱させる。以後、シーケンス１に戻り、ステップ（シーケンス）を繰り返せば連続的に動作可能となる。
【０１２７】
動作モード切換手段４７は、以上の動作シーケンスを、動作モード切換スイッチ５８の前進ボタン６４が押されると次のシーケンスへと進ませ、後退ボタン６５が押されると、以前のシーケンスに戻すことにより、一連の動作を実現し、運搬作業又は介護抱き上げ作業を可能とする。
【０１２８】
以上、本発明の上記実施形態に係るロボットによれば、関節ロック機構２８を備えることにより、関節９，１０，１１にロックをかければアーム３ａ，３ｂは機構的に運搬対象物６２の重量負荷を保持することができるので、強力なアクチュエータを備える必要が無く、軽量なアーム３とすることができる。また、関節９，１０，１１をフリーにすれば、アーム構造による自由度の大きさを有効に活用することができ、運搬対象物６２に対する位置決めの自由度を大きくとることができ、使いやすいロボットとすることができる。
【０１２９】
また、関節ロック機構２８を備えたアーム３に加え、腰機構２を備えることにより、重量物持ち上げのための強力なアクチュエータは腰機構２のみとすることができ、簡潔かつ軽量な構成でハイパワーとすることができる。
【０１３０】
また、関節ロック機構２８をワンウェイクラッチ機構とすることにより、運搬対象物６２の重量負荷に機構的に対応するとともに、アーム３を位置決めし、関節ロックを行った後でもワンウェイクラッチ機構の可動方向に対しては再調整が可能となる。すなわち、上記ロボット動作制御手段４４は、上記関節ロック機構２８がロック状態のときには、上記いずれかの関節において、上記ワンウェイクラッチ機構の可動方向に作用する外力に対しては上記ロボットアーム動作モードを行い、上記ワンウェイクラッチ機構の非可動方向に作用する外力に対しては上記ロボットアーム動作モードを行わないようにすることができる。さらに、関節ロックを行った後の腰機構２による昇降動作時にアーム３の下方にある物体等にアーム３が接触した場合に、ワンウェイクラッチ機構により物体等に対するアーム３の衝撃力を弱めることができ、安全性を確保することができる。
【０１３１】
また、インピーダンス制御モードと位置制御モードの切り換え、及び、関節ロック機構２８の切り換えを行いながら動作を制御する制御装置３８を備えることにより、アーム３の位置決め、運搬対象物６２の持ち上げ等の動作が連続的に行えるとともに、力センサー３５を備えてインピーダンス制御を行うことにより、操作者が手９０でアーム３を直接操作できるという直感的で分かりやすい操作法が実現し、さらに使いやすいロボットとすることができる。
【０１３２】
本発明の上記実施形態に係るロボットは、例えば、図１９に示すようにベッド９１で寝ている被介護者９２を抱き上げ、運搬する介護作業に応用することができる。介護での抱き上げ作業を行うには、まず、介護者がベッド９１で寝ている被介護者９２の上半身を少し持ち上げ、例えば左アーム３ａを介護者（操作者）が手９０で掴んで左アーム３ａを操作し、被介護者９２の上半身の下側に左アーム３ａを挿入する。その後、介護者が被介護者９２の脚部を少し持ち上げ、右アーム３ｂを介護者（操作者）が手９０で掴んで右アーム３ｂを操作し、被介護者９２の脚部の下側に右アーム３ｂを挿入した後、左アーム３ａと右アーム３ｂの各関節９，１０，１１を各関節ロック機構２８でロックしたのち腰機構２による被介護者９２の持ち上げ動作をすれば良い。
【０１３３】
なお、本実施形態では、アーム３の駆動を空気圧人工筋にて行うとしたが、これに限られるわけではなく、モーターにより駆動する構成としても良い。モーターでアーム３を駆動する場合においても、関節ロック機構２８を設けることにより、モーターは運搬物による負荷を受ける必要がないため、小型でかつ軽量なモーターで良く、軽量なロボットとすることができる。
【０１３４】
また、本実施形態では、２本のアーム３ａ，３ｂを有する構成としたが、これに限られるわけではなく、図２０に示すように、１本アーム３ａの構成も可能であり、この場合でも、同様に運搬物の持ち上げ動作を行うことができ、アームの本数が少ないことから、部品点数が少なく、より軽量なロボットアームとすることができる。
【０１３５】
また、本実施形態では、車輪５による移動型の形態としたが、これに限られるわけではなく、図２１に示すような、支柱４が固定台１Ａに固定された固定型のロボットでも同様な動作が可能である。
【０１３６】
また、本実施形態では、動作シーケンスを図１５に示す動作シーケンス表の通りとし、左アーム３ａ及び右アーム３ｂをそれぞれ操作するとしたが、これに限られるわけではなく、どちらか片方のアームを操作すれば、他方のアームの動作が同期して同じ動作又は左右対称の動作するようにすることも可能である。この場合、動作モード切換手段４７は、操作するアームをインピーダンス制御モードとし、同期するアームを位置制御モードとし、同じ動作をする場合には、同期するアームの手先位置の目標値を、操作されるアームの手先位置ｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）とし、左右対称の動作をする場合には、同期するアームの手先位置の目標値を、操作されるアームの手先位置ｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）の水平方向成分のみマイナスに反転させた値とすればよい。
【０１３７】
また、上記のように左アーム３ａ及び右アーム３ｂが同期して同時に動くのではなく、片方のアームを操作するときに、アームの手先位置ｒｉ（ｒＬ又はｒＲ）の軌道あるいは最終到達点を記録し、その後、次のシーケンスにおいて、もう一方のアームが記録した軌道を最終到達点まで位置制御で動作すれば、時間差で同期するように動作することも可能である。
【０１３８】
また、本実施形態では、腰機構２を動作させるインピーダンス制御に関して、インピーダンスパラメータ慣性ｍ、粘性ｄ、弾性ｋを一定値として説明したが、これに限られるわけではなく、動作モード切換手段４７において、それらのパラメータを変化するように設定することもできる。例えば、粘性ｄを、始めは例えば２０のように大きな値に設定しておき、力センサ３５が力を検知し、腰機構２による持ち上げ動作が開始されると、例えば２秒かけて徐々に、例えば５のように小さな値に減少させるようにする。この場合、持ち上げ動作の動き始めは粘性が大きく、腰機構２が急激に動くことを防ぐ作用がある。さらに、持ち上げ動作を続けると、徐々に粘性が小さくなり、より軽い力で動作するようになる。このようにインピーダンスパラメータを可変にすることにより、重量物の持ち上げ動作においても、安全かつスムーズな作業を実現することができる。
【０１３９】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４０】
本発明のロボット、ロボットの制御装置、制御方法、及び制御プログラムは、家庭又は福祉施設等において抱き上げ等の介護作業を行なうロボット又は重量物などの物品の持ち上げ、運搬を行なうロボットに有用である。また、家庭用ロボットに限らず、産業用ロボット、又は、生産設備等における重量物等の運搬のための可動機構にも適用が可能である。
【０１４１】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形又は修正は明白である。そのような変形又は修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
土台部と、
胴体部と、
上記土台部と上記胴体部を接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、
上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、
上記ロボットアームの上記関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、
上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、
上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータと、
上記ロボットアームに配設され、操作者が上記ロボットアームにかける外力を検出する外力検出装置と、
上記外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体部移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とするロボット動作制御手段と、
を備えるロボット。
【請求項２】
上記ロボット動作制御手段は、上記ロボットアームをインピーダンス制御し、かつ、上記胴体部移動機構を位置制御することにより上記ロボットアームを動作させて作業対象に対する上記ロボットアームの位置決めを行うシーケンスと、上記ロボットアームを位置制御し、かつ、上記胴体部移動機構をインピーダンス制御することにより上記胴体部移動機構を動作させて上記作業対象を持ち上げるシーケンスと、上記ロボットアームをインピーダンス制御し、かつ、上記胴体部移動機構を位置制御することにより上記ロボットアームを動作させて上記作業対象から上記ロボットアームを離すシーケンスと、を順次切り換えるよう制御する請求項１に記載のロボット。
【請求項３】
上記ロボット動作制御手段は、作業対象を持ち上げている状態のときに、上記関節ロック機構の上記固定状態を解除できないようにインターロックをかける請求項１に記載のロボット。
【請求項４】
上記胴体部移動機構は、上記土台部に対して上記胴体部を上記腰関節回りに略前後に揺動させる腰機構である請求項１〜３のいずれか１つに記載のロボット。
【請求項５】
上記腰機構は、上記土台部に一端が固定され、他端が上記胴体部に固定されることで上記腰関節を駆動する並進駆動アクチュエータにより駆動されて、上記土台部に対して上記胴体部を上記腰関節回りに略前後に揺動させる機構である請求項４に記載のロボット。
【請求項６】
上記関節ロック機構はワンウェイクラッチ機構である請求項１に記載のロボット。
【請求項７】
上記ロボット動作制御手段は、上記関節ロック機構がロック状態のときには、上記いずれかの関節において、上記ワンウェイクラッチ機構の可動方向に作用する外力に対しては上記ロボットアーム動作モードを行い、上記ワンウェイクラッチ機構の非可動方向に作用する外力に対しては上記ロボットアーム動作モードを行わない請求項６に記載のロボット。
【請求項８】
上記ロボット動作制御手段は、上記関節ロック機構がロック状態のときには上記ロボットアームに対して、非ロック状態のときのサーボ剛性よりも低いサーボ剛性の位置制御を行う請求項６に記載のロボット。
【請求項９】
土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御装置であって、
上記ロボットアームに配設されかつ操作者が上記ロボットアームにかける外力を検出する外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体部移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とするロボットの制御装置。
【請求項１０】
土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御方法であって、
上記ロボットアームに配設されかつ操作者が上記ロボットアームにかける外力を検出する外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体部移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とするロボットの制御方法。
【請求項１１】
土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御プログラムであって、
上記ロボットアームに配設されかつ操作者が上記ロボットアームにかける外力を検出する外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体部移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とするロボット動作制御手段としてコンピュータを機能させるためのロボットの制御プログラム。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2009147832.tif 000046
【図２】
2009147832.tif 000047
【図３】
2009147832.tif 000048
【図４】
2009147832.tif 000049
【図５】
2009147832.tif 000050
【図６Ａ】
2009147832.tif 000051
【図６Ｂ】
2009147832.tif 000052
【図６Ｃ】
2009147832.tif 000053
【図７Ａ】
2009147832.tif 000054
【図７Ｂ】
2009147832.tif 000055
【図７Ｃ】
2009147832.tif 000056
【図８】
2009147832.tif 000057
【図９Ａ】
2009147832.tif 000058
【図９Ｂ】
2009147832.tif 000059
【図１０】
2009147832.tif 000060
【図１１Ａ】
2009147832.tif 000061
【図１１Ｂ】
2009147832.tif 000062
【図１２】
2009147832.tif 000063
【図１３】
2009147832.tif 000064
【図１４】
2009147832.tif 000065
【図１５】
2009147832.tif 000066
【図１６】
2009147832.tif 000067
【図１７Ａ】
2009147832.tif 000068
【図１７Ｂ】
2009147832.tif 000069
【図１７Ｃ】
2009147832.tif 000070
【図１７Ｄ】
2009147832.tif 000071
【図１８】
2009147832.tif 000072
【図１９】
2009147832.tif 000073
【図２０】
2009147832.tif 000074
【図２１】
2009147832.tif 000075
【図２２】
2009147832.tif 000076
【手続補正書】
【提出日】平成22年9月29日(2010.9.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明の１つの態様によれば、土台部と、
胴体部と、
上記土台部と上記胴体部を接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、
上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、
上記ロボットアームの上記関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、
上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、
上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータと、
上記ロボットアームに配設され、操作者が上記ロボットアームにかける外力を検出する外力検出装置と、
上記外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体部移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とするロボット動作制御手段と、
を備えるロボットを提供する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明の別の態様によれば、土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御装置であって、
上記ロボットアームに配設されかつ操作者が上記ロボットアームにかける外力を検出する外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体部移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とするロボットの制御装置を提供する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明のさらに別の態様によれば、土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御方法であって、
上記ロボットアームに配設されかつ操作者が上記ロボットアームにかける外力を検出する外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体部移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とするロボットの制御方法を提供する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明のさらに別の態様によれば、土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御プログラムであって、
上記ロボットアームに配設されかつ操作者が上記ロボットアームにかける外力を検出する外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体部移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とするロボット動作制御手段としてコンピュータを機能させるためのロボットの制御プログラムを提供する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
また、本発明のロボットによれば、上記外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体部移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とするロボット動作制御手段を備えることにより、アームの位置決め、運搬対象物の持ち上げ等の動作が連続的に行えるとともに、外力検出装置（たとえば力センサー）を備えてインピーダンス制御を行うことにより、操作者が手でアームを直接操作できるという直感的で分かりやすい操作法を実現することができて、さらに使いやすいロボットとすることができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
また、本発明のロボットの制御装置、制御方法、及び制御プログラムによれば、上記ロボットアームに配設されかつ操作者が上記ロボットアームにかける外力を検出する外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体部移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とすることにより、操作者が手でアームを直接操作できるという直感的で分かりやすい操作法を実現することができて、さらに使いやすいロボットとすることができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
土台部と、
胴体部と、
上記土台部と上記胴体部を接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、
上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、
上記ロボットアームの上記関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、
上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、
上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータと、
上記ロボットアームに配設され、操作者が上記ロボットアームにかける外力を検出する外力検出装置と、
上記外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体部移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とするロボット動作制御手段と、
を備えるロボット。
【請求項２】
上記ロボット動作制御手段は、上記ロボットアームをインピーダンス制御し、かつ、上記胴体部移動機構を位置制御することにより上記ロボットアームを動作させて作業対象に対する上記ロボットアームの位置決めを行うシーケンスと、上記ロボットアームを位置制御し、かつ、上記胴体部移動機構をインピーダンス制御することにより上記胴体部移動機構を動作させて上記作業対象を持ち上げるシーケンスと、上記ロボットアームをインピーダンス制御し、かつ、上記胴体部移動機構を位置制御することにより上記ロボットアームを動作させて上記作業対象から上記ロボットアームを離すシーケンスと、を順次切り換えるよう制御する請求項１に記載のロボット。
【請求項３】
上記ロボット動作制御手段は、作業対象を持ち上げている状態のときに、上記関節ロック機構の上記固定状態を解除できないようにインターロックをかける請求項１に記載のロボット。
【請求項４】
上記胴体部移動機構は、上記土台部に対して上記胴体部を上記腰関節回りに略前後に揺動させる腰機構である請求項１〜３のいずれか１つに記載のロボット。
【請求項５】
上記腰機構は、上記土台部に一端が固定され、他端が上記胴体部に固定されることで上記腰関節を駆動する並進駆動アクチュエータにより駆動されて、上記土台部に対して上記胴体部を上記腰関節回りに略前後に揺動させる機構である請求項４に記載のロボット。
【請求項６】
上記関節ロック機構はワンウェイクラッチ機構である請求項１に記載のロボット。
【請求項７】
上記ロボット動作制御手段は、上記関節ロック機構がロック状態のときには、上記いずれかの関節において、上記ワンウェイクラッチ機構の可動方向に作用する外力に対しては、上記関節ロック機構用アクチュエータと上記ロボットアーム用アクチュエータと上記腰関節用アクチュエータとをそれぞれ駆動制御して、上記ロボットアームの上記いずれかの関節をフリー状態として上記ロボットアームの動作を行うロボットアーム動作モードを行い、上記ワンウェイクラッチ機構の非可動方向に作用する外力に対しては上記ロボットアーム動作モードを行わない請求項６に記載のロボット。
【請求項８】
上記ロボット動作制御手段は、上記関節ロック機構がロック状態のときには上記ロボットアームに対して、非ロック状態のときのサーボ剛性よりも低いサーボ剛性の位置制御を行う請求項６に記載のロボット。
【請求項９】
土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御装置であって、
上記ロボットアームに配設されかつ操作者が上記ロボットアームにかける外力を検出する外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体部移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とするロボットの制御装置。
【請求項１０】
土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御方法であって、
上記ロボットアームに配設されかつ操作者が上記ロボットアームにかける外力を検出する外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体部移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とするロボットの制御方法。
【請求項１１】
土台部と、胴体部と、上記土台部と上記胴体部を接続しかつ上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させる胴体部移動機構と、上記胴体部に配設され、かつ、複数のリンクを有するとともに、上記複数のリンクを互いに連結する関節と上記複数のリンクのうちの一方のリンクと上記胴体部とを連結する関節とをそれぞれ機構的に固定可能な関節ロック機構を有するロボットアームと、上記ロボットアームの上記関節を駆動して上記複数のリンクを回動駆動するロボットアーム用アクチュエータと、上記胴体部移動機構を介して上記胴体部を上記土台部に対して相対的に移動させるように駆動する腰関節用アクチュエータと、上記関節ロック機構を駆動する関節ロック機構用アクチュエータとを備えるロボットの動作を制御するロボットの制御プログラムであって、
上記ロボットアームに配設されかつ操作者が上記ロボットアームにかける外力を検出する外力検出装置により検出された外力に基づいて、上記ロボットアーム及び上記胴体部移動機構の一方をインピーダンス制御し、他方を位置制御する制御動作を、上記ロボットアームと上記胴体部移動機構との間で順次切り換えながら動作させ、上記胴体部移動機構に対してインピーダンス制御を行うときに上記ロボットアームの上記関節ロック機構を固定状態とするロボット動作制御手段としてコンピュータを機能させるためのロボットの制御プログラム。
【国際調査報告】
2009147832.tif 000077
2009147832.tif 000078
2009147832.tif 000079
2009147832.tif 000080