(57)【要約】【課題】  ジャイロセンサを用いて体幹の位置や姿勢を検出しながら歩行するロボットにおいて、特別な補強を施さないでも体幹の位置や姿勢の計測誤差を低減することができ、かつジャイロセンサの出力に基づいて体幹の位置や姿勢を演算するまでの計算量が少なくてすむ技術を提供する。【解決手段】  本発明のロボットは、２以上の脚リンクを揺動させて歩行する。本発明のロボットは、２以上の脚リンクが揺動可能に連結されている腰と、その腰に対して回動可能に連結されている体幹と、その体幹の下端部に配置されているジャイロセンサを備えている。ジャイロセンサの計測点は体幹の回動軸上の位置に調整されており、ジャイロセンサは体幹の回動軸まわりの角速度に関する指標を計測する。【選択図】  図１
2006159296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２以上の脚リンクを揺動させて歩行するロボットであり、
２以上の脚リンクが揺動可能に連結されている腰と、
その腰に対して回動可能に連結されている体幹と、
その体幹の下端部に配置されているジャイロセンサを備え、
そのジャイロセンサの計測点は、体幹の回動軸上の位置に調整されており、
そのジャイロセンサは、体幹の回動軸まわりの角速度に関する指標を計測する、
ことを特徴とする歩行ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２以上の脚リンクが腰に対して揺動可能に連結されており、その２以上の脚リンクを揺動させることによって歩行するロボットに関する。特に、腰に対して体幹が回動可能に連結されている歩行ロボットに関する。体幹は、体幹の長手方向に伸びて腰と頭を結ぶ線と平行に伸びる軸のまわりに回動可能となっている。
【背景技術】
【０００２】
体幹ないし腰に対して左脚リンクと右脚リンクの相対的姿勢を変化させることによって歩行するロボットが開発されている。体幹ないし腰に対して左脚リンクと右脚リンクの相対的姿勢を変化させる場合、結果として歩行させることができるように、左脚リンクと右脚リンクの相対的姿勢を変化させなければならない。このために、体幹と左足先と右足先の位置と姿勢を指示する歩容データが利用される。
【０００３】
図５に示すように、歩容データは、ロボットが活動する空間の座標を定めるグローバル座標系において、体幹と左足先と右足先の位置と姿勢を指示する。体幹と左足先と右足先の位置を指示するために、体幹には基準点Ｗ０が定められており、左足先には基準点Ｌ０が定められており、右足先には基準点Ｒ０が定められている。体幹と左足先と右足先の姿勢を指示するために、体幹に沿って伸びるベクトルＷが想定されており、左足先に垂直なベクトルＬが想定されており、右足先に垂直なベクトルＲが想定されている。歩容データは、グローバル座標系において、体幹の基準点Ｗ０のｘ、ｙ、ｚ座標を指示し、左足先の基準点Ｌ０のｘ、ｙ、ｚ座標を指示し、右足先の基準点Ｒ０のｘ、ｙ、ｚ座標を指示する。また、体幹に沿って伸びるベクトルＷのピッチ角Ｗαと、ロール角Ｗβと、ヨー角Ｗγを指示し、左足先に垂直なベクトルＬのピッチ角Ｌαと、ロール角Ｌβと、ヨー角Ｌγを指示し、右足先に垂直なベクトルＲのピッチ角Ｒαと、ロール角Ｒβと、ヨー角Ｒγを指示する。さらに腰に対して体幹を回動させながら（ねじりながら）歩行するロボットの場合、腰に対する体幹の回動角Ｗδを指示する。歩容データは、体幹と左足先と右足先の位置と姿勢を経時的に指示するデータを記憶している。体幹を腰に対してねじりながら歩行するロボットの場合、腰に対する体幹の回動角Ｗδを経時的に指示するデータも記憶している。
【０００４】
体幹と左足先と右足先の位置と姿勢を指示する歩容データが与えられると、ロボットは与えられた位置と姿勢をとるために必要な各関節の関節角を計算し、計算された関節角に調整する。歩容データが経時的に変化することから、関節角も経時的に変えられる。歩容データに従って、体幹と左脚リンクと右脚リンクの相対的姿勢を経時的に変化させることによってロボットは歩行する。体幹をねじりながら歩行するロボットの場合、歩容データに従って腰に対する体幹の回動角Ｗδを経時的に変化させながら歩行する。腰と体幹の回動角Ｗδは、腰に対する体幹姿勢を記述するデータの一つであるということができる。
体幹の位置（Ｗｘ、Ｗｙ，Ｗｚ）と、体幹の姿勢（Ｗα、Ｗβ、Ｗγ、Ｗδ）が、ロボットのＺＭＰ（zero moment point）を接地脚の足平内に維持する歩容データを用意しておけば、ロボットは転倒しないで歩行を続ける。
上記の方式は、ロボットの全ての関節を能動的に動かして歩行する方式であるということができ、特許文献１等に記載されている。
【０００５】
上述した体幹の位置と姿勢は、ロボットが歩行している間、リアルタイムに計測され、制御に用いられる。体幹の位置と姿勢は、接地脚の位置と各関節の関節角から計算できるが、ジャイロセンサを利用することによって計測精度を向上することができる。
ジャイロセンサは角速度に関する指標を検出し、それを処理することによって角加速度や角度を知ることが可能となる。特許文献２には、右脚リンクと左脚リンクと体幹を備えており、体幹にジャイロセンサを配置した歩行ロボットが開示されている。特許文献３にも、体幹にジャイロセンサを配置した歩行ロボットが開示されている。これらの歩行ロボットによると、体幹の位置や姿勢を正確に把握することができる。
【特許文献１】特開平０５−２５３８６７号公報
【特許文献２】特開平７−２０５０６９号公報
【特許文献３】特開２００４−９２０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ジャイロセンサは様々な要因によって計測誤差を生じることがある。ジャイロセンサの計測誤差は、結果として計測されるロボットの姿勢の誤差を生じるため、ロボットの安定した歩行に大きな影響を及ぼす。
【０００７】
剛性の低い部位にジャイロセンサを搭載すると、その部位で生じる局所的な振動をジャイロセンサは検出してしまう。このような局所的な振動は、ロボットの体幹の大域的な挙動とは関わりのないものであり、ジャイロセンサの計測誤差の原因となる。従来はこのような計測誤差を抑えるために、ジャイロセンサを搭載する部位に剛性を確保する補強を施していた。このような補強は、ロボットの重量を増加させてしまうため、好ましいものではない。
【０００８】
脚リンクや腰の弾性変形や関節のガタツキに起因して、体幹が振動することがある。体幹に生じる振動は体幹の大域的な挙動とは関わりのないものであり、ジャイロセンサの計測誤差の原因となる。
【０００９】
上記したような計測誤差を、特別な補強を施すことなく低減することができる技術が待望されている。
【００１０】
歩行ロボットは、体幹の姿勢を計測し、その計測結果を利用してその後の関節角を調整する。計測とその計測結果を活用するタイミングが極めて短く、ジャイロセンサの出力から体幹姿勢を演算するまでの時間が極めて短いことが好ましい。
多くの場合、体幹の基準点は体幹の長手方向に伸びる中心軸（腰と頭を結ぶ線と平行）に設定される。特許文献２に記載のロボットのように、中心軸からオフセットした位置にジャイロセンサを搭載すると、体幹基準点の姿勢を演算するために、多くの補正演算を必要とする。このような補正演算は、ロボットの歩行を制御する装置に大きな負荷を与え、計測タイミングと計測結果を活用するタイミングとの間の時間差を長大化してしまう。このことは、歩行速度を低減させてしまう。複雑な補正演算を行わずに、ジャイロセンサの出力から体幹の基準点の姿勢を示すデータに演算できることが望ましい。
【００１１】
本発明では上記の課題を解決する。本発明では、ジャイロセンサを用いて体幹の位置や姿勢を検出しながら歩行するロボットにおいて、特別な補強を施さないでも体幹の位置や姿勢の計測誤差を低減することができ、かつジャイロセンサの出力に基づいて体幹の位置や姿勢を演算するまでの計算量が少なくてすむ技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のロボットは、２以上の脚リンクを揺動させて歩行する。本発明のロボットは、２以上の脚リンクが揺動可能に連結されている腰と、その腰に対して回動可能に連結されている体幹と、その体幹の下端部に配置されているジャイロセンサを備えている。
ジャイロセンサの計測点は体幹の回動軸上の位置に調整されており、ジャイロセンサは体幹の回動軸まわりの角速度に関する指標を計測する。ジャイロセンサの出力は、角速度を演算できるものであればよく、特に制限されない。角速度あるいは角加速度に比例する電圧を出力したり、角速度あるいは角加速度に比例する速度でパルス波を出力したりするものであれば足り、角速度を演算できるものであればよく特に制限されない。ジャイロセンサとしては、どのような計測原理に基づくものを使用してもよく、機械式ジャイロ、振動式ジャイロ、光学式ジャイロ等を用いることができる。
【００１３】
このロボットでは、２以上の脚リンクが腰に連結されている。腰には体幹が回動可能に連結されている。このロボットは、足先と体幹の位置と姿勢を指示する歩容データに基づいて、各関節を駆動して歩行する。
上記のような構成のロボットの場合、体幹の下端は腰に対して体幹を回動可能に連結する関節（以下では腰関節という）との結合部である。この結合部には、ロボットの上半身に搭載される部品の重量や慣性力が作用するため、強度の高い部材を用いて高剛性に製作されている。
剛性の高い体幹の下端にジャイロセンサを配置することによって、補強を施さなくても剛性の高い部位にジャイロセンサを搭載することができる。体幹の弾性変形に起因する振動がジャイロセンサの計測値に及ぼす影響を抑えることができる。
【００１４】
また体幹の下端は、ロボットが一方の脚リンクを振り上げて他方の脚リンクを接地脚とする場合に、運動の支点となる接地脚の足先からの距離が短い。従って、ロボットの接地脚リンクや腰の弾性変形や関節でのガタツキに起因して生じる振動の振幅が小さい。接地脚の足先からの距離が短い体幹の下端にジャイロセンサを配置することによって、接地脚リンクや腰の弾性変形等に起因する振動がジャイロセンサの計測値に及ぼす影響を小さく抑えることができる。
【００１５】
さらに上記の構成とすることによって、体幹の回動軸上にジャイロセンサの計測点を配置することができる。また、ジャイロセンサによって体幹の回動軸まわりの角速度に関する指標を直接的に計測することができる。ジャイロセンサの計測点と、体幹の回動軸との間にオフセットが生じないため、単純な計算で体幹の基準点の姿勢を演算することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ジャイロセンサを用いて体幹の運動を検出しながら歩行するロボットにおいて、特別な補強を施さないでも計測誤差を低減することができ、かつ演算量を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を具現化した実施例について図面を参照して説明する。
【実施例】
【００１８】
（第１実施例）
本発明に係るロボットを、図面を参照しながら説明する。
図１は、ロボット３０の機械構成のスケルトン図を示す。ロボット３０は各関節にエンコーダ付のモータ１，２・・・を備えており、各関節角を調整でき、各関節角を計測することができる。ロボット３０は、足首関節に２軸４，５，９，１０、膝関節に１軸３，８、股関節に２軸１，２，６，７、腰関節に１軸２４、肩関節に２軸１１，１２，１４，１５、肘関節に１軸１３，１６、首関節に３軸２１，２２，２３を備えている。参照番号１７，１８は力センサを示し、１９，２０はホトセンサを示す。ホトセンサ１９，２０は、足平が接地しているのか浮遊しているのかを検出する。参照番号２５はジャイロセンサを示す。ジャイロセンサ２５は計測点と計測軸を備えている。ジャイロセンサ２５の計測点は、腰関節のモータ２４の回動軸上に存在している。ジャイロセンサ２５は、腰関節のモータ２４の回動軸を一軸とする直交座標系の三軸まわりの角速度を検出する。
ロボット３０は図示されないコントローラを備える。コントローラは、各関節のエンコーダの出力と、力センサ１７、１８の出力と、ホトセンサ１９、２０の出力と、ジャイロセンサ２５の出力を入力する。コントローラはそれらのセンサからの入力に基づいて、ロボット３０の歩行の状況を看視する。具体的には、コントローラは各関節のエンコーダの出力から、両足先の位置と姿勢を計測する。また各関節のエンコーダの出力と、ジャイロセンサ２５の出力から、体幹の基準点の位置と姿勢を計測する。歩行の状況に基づいて、コントローラはロボット３０のＺＭＰが接地脚の足平内に存在するように、歩容データを決定する。コントローラは歩容データから、各関節のモータの回転角を逆キネマティクス演算によって算出する。コントローラは、各関節のモータに回転角を指示する。
上記のようにしてロボット３０は歩行する。ＺＭＰが接地脚の足平内に存在するよう制御されているから、ロボット３０は転倒することなく歩行することができる。
【００１９】
図２はロボット３０の体幹４０の概観を示す図である。
体幹４０は、その内部に種々の機器を搭載することが可能な箱型の金属部材から構成されている。体幹４０を箱型の部材で構成することで、曲げやねじりに対する剛性が確保され、ロボット３０の歩行中に体幹４０が大きく変形することを防ぐことができる。さらに体幹４０を箱型の部材で構成することで、内部に様々な機器を搭載する空間を確保することができる。
【００２０】
体幹４０の下端は腰フィッティング４６を介して腰関節のモータ２４と連結されている。腰フィッティング４６はＵ字型の金属部材であり、Ｕ字の先端部にフランジを備えている。腰フィッティング４６は、そのフランジを体幹４０の下端にボルトとナットを用いて結合されている。腰関節のモータ２４は腰４８に搭載されており、腰フィッティング４６を介して体幹４０を回動する。腰関節のモータ２４と腰フィッティング４６は、ロボット３０の腰関節を構成する。
腰４８には左脚リンク４２、右脚リンク４４が連結されている。左脚リンク４２は、左股関節のモータ１、２を備える。右脚リンク４４は、右股関節のモータ６、７を備える。
【００２１】
体幹４０の上端はモータ１１や１４を備える肩関節、およびモータ２２、２３、２４（図２では隠れている）を備える首関節と、ボルトとナットを用いて結合されている。右肩関節はロボット３０の右腕の動作を実現する。左肩関節はロボット３０の左腕の動作を実現する。首関節はロボット３０の頭部の動きを実現する。
【００２２】
図３と図４は、体幹４０と腰４８との結合部を模式的に示す図である。図３は、体幹４０と腰４８を正面から見て、体幹４０の内部を透視した図である。図４は体幹４０と腰４８を左側面から見て、体幹４０の内部を透視した図である。
【００２３】
図３と図４によく示すように、体幹４０は、底板５０、中板５２、天板５４を備える。底板５０には、腰関節の一部である腰フィッティング４６が連結する。腰フィッティング４６には、歩行中にロボット３０の上半身から下半身に作用する全荷重が集中的に負荷される。従って腰フィッティング４６が連結される底板５０には、剛性が高く、強度が高い部材が用いられる。一般的には、板厚の厚い板材が使用される。天板５４には、首関節および肩関節が連結する。首関節には歩行中にロボット３０の頭部から体幹４０に作用する全荷重が集中的に負荷される。肩関節には歩行中にロボット３０の腕から体幹４０に作用する全荷重が集中的に負荷される。従って、天板５４には剛性が高く強度が高い部材、すなわち板厚の厚い部材を用いるが、底板５０に比べれば板厚の薄い部材を用いる。中板５２は、体幹４０の内部に搭載する機器を支持する。内部に搭載する機器の振動を抑制するためには、中板５２の剛性は高い方が好ましいが、中板５２にはそれほど大きな荷重は負荷されないため、その板厚は底板５０や天板５４に比べ薄い。図３に示すように、体幹４０は側板５６、５８を備える。側板５６、５８は、体幹４０に曲げが作用するときの曲げ荷重や、体幹４０にねじりが作用するときの剪断荷重が負荷されるが、上記した各関節の連結部ほど大きな荷重は負荷されない。従って、側板５６、５８の板厚は、底板５０や天板５４にくらべて薄い。図４に示すように、体幹４０は前板６０、後板６２、６４を備える。これらの部材にもそれほど大きな荷重は負荷されないため、その板厚は底板５０に比べて薄い。
【００２４】
図３および図４に示すように、体幹４０の内部の底板５０の上に、ジャイロセンサ２５が設けられている。ジャイロセンサ２５は、底板５０に対して複数箇所をネジ止めされている。ジャイロセンサ２５は、その計測点が腰関節の回動軸ＺＡの軸上に存在するように、位置を調整されている。
【００２５】
図３および図４に示すように、ジャイロセンサ２５の計測点は、腰関節２４の回動軸上に存在する。体幹４０の基準点は、腰関節の回動軸ＺＡ上に存在するため、ＺＡ軸まわりの角速度に関して、ジャイロセンサ２５で計測される角速度をそのまま使用することができる。体幹４０の基準点とジャイロセンサ２５とのオフセットが無く、基準点の角速度を特定するための補正演算を不要とすることができ、体幹の位置と姿勢をリアルタイムに計測するコントローラの負担を軽減することができる。
【００２６】
底板５０は剛性が高いため、ロボット３０の歩行中に外乱が作用した場合でも、大きな局所的振動を生じることがない。従ってジャイロセンサ２５に外乱の影響によって計測誤差を生じることを防ぐことができる。
【００２７】
ジャイロセンサ２５は体幹４０の最下部に位置しており、ロボット３０が一方の脚リンクを振り上げて他方の脚リンクを接地させている場合に、接地脚の足先に近い位置で角速度を検出することができる。接地脚の足先に近い位置で角速度を検出することから、接地脚リンクおよび腰４８の弾性変形に起因する振動や、腰関節、接地脚の股関節、膝関節、足首関節でのガタツキに起因する振動の影響を、小さく抑えることができる。
【００２８】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は本発明のロボット３０のスケルトン図である。
【図２】図２はロボット３０の体幹４０の概観図である。
【図３】図３はロボット３０の体幹４０の内部について正面から透視した図である。
【図４】図４はロボット３０の体幹４０の内部について側面から透視した図である。
【図５】図５は右脚リンクと左脚リンクを揺動させて歩行するロボットを模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３、１４，１５，１６，２１，２２，２３，２４・・・モータ
１７，１８・・・力センサ
１９，２０・・・ホトセンサ
２５・・・ジャイロセンサ
３０・・・ロボット
４０・・・体幹
４２・・・左脚リンク
４４・・・右脚リンク
４６・・・腰フィッティング
４８・・・腰
５０・・・底板
５２・・・板
５４・・・天板
５６、５８・・・側板
６０・・・前板
６２、６４・・・後板
【図１】
2006159296.tif 000003
【図２】
2006159296.tif 000004
【図３】
2006159296.tif 000005
【図４】
2006159296.tif 000006
【図５】
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