(57)【要約】【課題】可動部同士の自己干渉や周囲の物体との外部干渉に拘わらず緊急停止した状態から自立的に復帰する。【解決手段】自己干渉が生じた場合に、自己干渉が生じた部位における自由度を構成する関節アクチュエータで発生させるトルク又は力を一時的に制限する、あるいは干渉が生じる場合に備えてあらかじめ制限する。可動部同士が自己干渉を生じたときであっても、関節アクチュエータのトルク又は力が制限されているので、互いの表面に接触しながら、復帰動作を継続し、無事に完了させることができる。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と前記基体に接続される複数の可動部を備えたロボット装置であって、
所定の障害の発生に応じて装置動作を停止させる停止手段と、
前記ロボット装置自身の自己干渉及び／又は周囲環境との間の外部干渉の問題を厳密に解くことなく該停止された装置動作を復帰させる復帰手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置。
【請求項２】
前記複数の可動部は、少なくとも上肢、下肢および体幹部を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項３】
前記復帰手段は、自己干渉が生じた場合に、自己干渉が生じた部位における自由度を構成する関節アクチュエータで発生させるトルク又は力を一時的に制限する、あるいは干渉が生じる場合に備えてあらかじめ制限する、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項４】
前記復帰手段は、前記可動部の先端から順次動作させていく、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項５】
前記復帰手段は、前記可動部を前記基体に近い関節から順に動作させるとともに、動作が始まっていない関節アクチュエータで発生させるトルク又は力を制限する、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項６】
前記復帰手段は、干渉の生じないような動作を自律的に生成する、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項７】
前記停止手段は、障害発生後も、前記可動部の関節アクチュエータを小さなトルク又は力によって制御し続ける、
ことを特徴とする請求項６に記載のロボット装置。
【請求項８】
前記復帰手段は、障害が発生した時点までの動作と逆の動作を行なう、
ことを特徴とする請求項６に記載のロボット装置。
【請求項９】
基体と前記基体に接続される複数の可動部を備えたロボット装置の動作制御方法であって、
所定の障害の発生に応じて装置動作を停止させる停止ステップと、
前記ロボット装置自身の自己干渉及び／又は周囲環境との間の外部干渉の問題を厳密に解くことなく該停止された装置動作を復帰させる復帰ステップと、
を具備することを特徴とするロボット装置の動作制御方法。
【請求項１０】
前記複数の可動部は、少なくとも上肢、下肢および体幹部を含む、
ことを特徴とする請求項９に記載のロボット装置の動作制御方法。
【請求項１１】
前記復帰ステップでは、自己干渉が生じた場合に、自己干渉が生じた部位における自由度を構成する関節アクチュエータで発生させるトルク又は力を一時的に制限する、あるいは干渉が生じる場合に備えてあらかじめ制限する、
ことを特徴とする請求項９に記載のロボット装置の動作制御方法。
【請求項１２】
前記復帰ステップでは、前記可動部の先端から順次動作させていく、
ことを特徴とする請求項９に記載のロボット装置の動作制御方法。
【請求項１３】
前記復帰ステップでは、前記可動部を前記基体に近い関節から順に動作させるとともに、動作が始まっていない関節アクチュエータで発生させるトルク又は力を制限する、
ことを特徴とする請求項９に記載のロボット装置の動作制御方法。
【請求項１４】
前記復帰ステップでは、干渉の生じないような動作を自律的に生成する、
ことを特徴とする請求項９に記載のロボット装置の動作制御方法。
【請求項１５】
前記停止ステップでは、障害発生後も、前記可動部の関節アクチュエータを小さなトルク又は力によって制御し続ける、
ことを特徴とする請求項１４に記載のロボット装置の動作制御方法。
【請求項１６】
前記復帰ステップでは、障害が発生した時点までの動作と逆の動作を行なう、ことを特徴とする請求項１４に記載のロボット装置の動作制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基体と前記基体に接続される複数の可動部を備えたロボット装置及びその動作制御方法に係り、特に、可動部が少なくとも上肢、下肢および体幹部を含む脚式移動ロボット及びその動作制御方法に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、転倒や異常に伴い動作を緊急停止させた後に自立的に復帰する脚式移動ロボット及びその動作制御方法に係り、特に、可動部同士の自己干渉や周囲の物体との外部干渉に拘わらず緊急停止した状態から自立的に復帰する脚式移動ロボット及びその動作制御方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の”ＲＯＢＯＴＡ（奴隷機械）”に由来すると言われている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ｒｏｂｏｔ）であった。
【０００４】
最近では、ヒトやサルなどの２足直立歩行を行なう動物の身体メカニズムや動作を模した脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。２足直立による脚式移動は、クローラ式や、４足又は６足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。
【０００５】
また、ヒトの生体メカニズムや動作を再現した脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、若しくは「人間型」のロボット（ｈｕｍａｎｏｉｄ  ｒｏｂｏｔ）と呼ぶ。人間型ロボットは、例えば、生活支援、すなわち住環境その他の日常生活上のさまざまな場面における人的活動の支援などを行なうことができる。
【０００６】
人間の作業空間や居住空間のほとんどは、２足直立歩行という人間が持つ身体メカニズムや行動様式に合わせて形成されおり、車輪その他の駆動装置を移動手段とした現状の機械システムが移動するのには多くの障壁が存在する。したがって、機械システムすなわちロボットがさまざまな人的作業を代行し、さらに人間の住空間に深く浸透していくためには、ロボットの移動可能範囲が人間のそれとほぼ同じであることが好ましい。これが、脚式移動ロボットの実用化が大いに期待されている所以でもある。
【０００７】
脚式移動ロボットを始めとする多関節型ロボット、あるいはその他のロボット装置は、関節角度や関節ゲインなどの複数の制御対象を持つ。また、ロボットの装置動作は、一般に、ある動作期間の初期点と終端点における各制御対象の制御値のみを規定した動作パターンとして取り扱われ、動作期間中における各制御対象の動作はスプライン補間や線形補間などの補間処理が行なわれるというＰＴＰ（Ｐｏｉｎｔ  ｔｏ  Ｐｏｉｎｔ）制御が採用されている。そして、あらかじめ多くの静的・動的な動作パターンを用意しておき、ロボット装置が、一方の終端点と他方の初期点との連続性が保証される動作パターン同士を連結して機体上で再生することにより、歩行やダンス、その他の複雑で長期的な行動を実現することができる。
【０００８】
また、脚式移動ロボットは、一般に、マニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ｒｏｂｏｔ）に比し、冗長な自由度を含む多リンク系により構成されているという特徴がある。このような特徴を生かし、複雑な動作、あるいは移動・バランス維持・アーム作業といった複数のタスクを同時実行することができる。この反面、動作中に、姿勢の安定性を失って転倒したり、ユーザの指やその他の異物を挟み込んだり、あるいは可動部同士が自己干渉したりするなどの事象により緊急停止する可能性がある。
【０００９】
無人環境下でロボットが完全に自立して動作するためには、このような緊急停止状態から自動復帰できることが好ましい。
【００１０】
しかしながら、上述したようにＰＴＰ制御が行なわれる場合、これらの動作は途中から再生しても安定性が満たされるとは限らない。そのため、ロボットの転倒や人間の体の挟み込み、モータの過電流などの障害が発生して緊急停止した場合、通常の動作を再開するためには、いずれかの動作パターンの初期状態まで一旦移行し、その初期姿勢から動作を開始する必要がある。
【００１１】
実際に初期姿勢に遷移する際には、意図しないロボット自身の自己干渉や、周囲環境との間の外部干渉が生じる可能性があるが、これらの干渉の発生しない動作をすべて事前に用意することは、現実的に不可能である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、転倒や異常に伴い動作を緊急停止させた後に自立的に復帰することができる、優れた脚式移動ロボット及びその動作制御方法を提供することにある。
【００１３】
本発明のさらなる目的は、可動部同士の自己干渉や周囲の物体との外部干渉に拘わらず緊急停止した状態から自立的に復帰することができる、優れた脚式移動ロボット及びその動作制御方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、基体と前記基体に接続される複数の可動部を備えたロボット装置であって、
所定の障害の発生に応じて装置動作を停止させる停止手段と、
前記ロボット装置自身の自己干渉及び／又は周囲環境との間の外部干渉の問題を厳密に解くことなく該停止された装置動作を復帰させる復帰手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置である。
【００１５】
ここで、ロボット装置は例えば２脚２腕の脚式移動ロボットであり、前記複数の可動部は、少なくとも上肢、下肢および体幹部を含んでもよい。
【００１６】
前記復帰手段は、自己干渉が生じた場合に、自己干渉が生じた部位における自由度を構成する関節アクチュエータで発生させるトルク又は力を一時的に制限する、あるいは干渉が生じる場合に備えてあらかじめ制限するようにしてもよい。
【００１７】
このような場合、可動部同士が自己干渉を生じたときであっても、関節アクチュエータのトルク又は力が制限されているので、互いの表面に接触しながら、復帰動作を継続し、無事に完了させることができる。
【００１８】
また、前記復帰手段は、前記可動部の先端から順次動作させていくようにしてもよい。例えば、上肢を復帰させるときには手先、下肢を復帰させるときには足先に近い関節から順次動作させていく。先端から緊急停止状態を解いていくことにより、肢体同士が絡まり難くなる。または、例えば脚の場合、膝関節など特徴的な関節から順次動作させていく。あるいはスタート時刻をずらして動作を行なう。
【００１９】
あるいは、前記復帰手段は、前記可動部を前記基体に近い関節から順に動作させるとともに、動作が始まっていない関節アクチュエータで発生させるトルク又は力を制限するようにしてもよい。
【００２０】
このような場合、前記基体に近い関節を駆動しているときに、前記基体からより遠くにある部位で自己干渉や絡み合いが生じることがあるが、関節アクチュエータのトルクが制限されているので、互いの表面に接触しながら、復帰動作を継続し、無事に完了させることができる。
【００２１】
また、前記復帰手段は、干渉の生じないような動作を自律的に生成するようにしてもよい。
【００２２】
また、前記停止手段は、障害発生後も、前記可動部の関節アクチュエータを小さなトルク又は力によって制御し続けるようにしてもよい。
【００２３】
例えば、転倒時において、関節アクチュエータを弱いトルクで制御すると、床上に着床した時点である程度の姿勢を保つことができる。すなわち、想定外の姿勢になることを防ぐことができるとともに、その後の復帰動作の生成が容易になる。
【００２４】
また、前記復帰手段は、障害が発生した時点までの動作と逆の動作を行なうようにすることにより、自己干渉を起こすことなく、復帰動作を無事完了することができる。
【００２５】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００２７】
図１及び図２には本発明の実施に供される「人間形」又は「人間型」の脚式移動ロボット１００が直立している様子を前方及び後方の各々から眺望した様子を示している。図示の通り、脚式移動ロボット１００は、胴体部と、頭部と、左右の上肢部と、脚式移動を行なう左右２足の下肢部とで構成され、例えば胴体に内蔵されている制御部（図示しない）により機体の動作を統括的にコントロールするようになっている。
【００２８】
左右各々の下肢は、大腿部と、膝関節と、脛部と、足首と、足平とで構成され、股関節によって体幹部の略最下端にて連結されている。また、左右各々の上肢は、上腕と、肘関節と、前腕とで構成され、肩関節によって体幹部の上方の左右各側縁にて連結されている。また、頭部は、首関節によって体幹部の略最上端中央に連結されている。
【００２９】
制御部は、この脚式移動ロボット１００を構成する各関節アクチュエータの駆動制御や各センサ（後述）などからの外部入力を処理するコントローラ（主制御部）や、電源回路その他の周辺機器類を搭載した筐体である。制御部は、その他、遠隔操作用の通信インターフェースや通信装置を含んでいてもよい。
【００３０】
このように構成された脚式移動ロボット１００は、制御部による全身協調的な動作制御により、２足歩行を実現することができる。かかる２足歩行は、一般に、以下に示す各動作期間に分割される歩行周期を繰り返すことによって行なわれる。すなわち、
【００３１】
（１）右脚を持ち上げた、左脚による単脚支持期
（２）右足が接地した両脚支持期
（３）左脚を持ち上げた、右脚による単脚支持期
（４）左足が接地した両脚支持期
【００３２】
脚式移動ロボット１００における歩行制御は、あらかじめ下肢の目標軌道を計画し、上記の各期間において計画軌道の修正を行なうことによって実現される。すなわち、両脚支持期では、下肢軌道の修正を停止して、計画軌道に対する総修正量を用いて腰の高さを一定値で修正する。また、単脚支持期では、修正を受けた脚の足首と腰との相対位置関係を計画軌道に復帰させるように修正軌道を生成する。
【００３３】
歩行動作の軌道修正を始めとして、機体の姿勢安定制御には、一般に、ＺＭＰに対する偏差を小さくするための位置、速度、及び加速度が連続となるように、５次多項式を用いた補間計算により行なう。ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ  Ｍｏｍｅｎｔ  Ｐｏｉｎｔ）を歩行の安定度判別の規範として用いている。ＺＭＰによる安定度判別規範は、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが路面から歩行系への反作用としての床反力並びに床反力モーメントとバランスするという「ダランベールの原理」に基づく。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形（すなわちＺＭＰ安定領域）の辺上あるいはその内側にピッチ軸及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわち「ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ  Ｍｏｍｅｎｔ  Ｐｏｉｎｔ）」が存在する。
【００３４】
図３には、この脚式移動ロボット１００が具備する関節自由度構成を模式的に示している。同図に示すように、脚式移動ロボット１００は、２本の腕部と頭部１を含む上肢と、移動動作を実現する２本の脚部からなる下肢と、上肢と下肢とを連結する体幹部とで構成された、複数の肢を備えた構造体である。
【００３５】
頭部を支持する首関節（Ｎｅｃｋ）は、首関節ヨー軸１と、第１及び第２の首関節ピッチ軸２ａ，２ｂと、首関節ロール軸３という３自由度を有している。
【００３６】
また、各腕部は、その自由度として、肩（Ｓｈｏｕｌｄｅｒ）における肩関節ピッチ軸４と、肩関節ロール軸５と、上腕ヨー軸６、肘（Ｅｌｂｏｗ）における肘関節ピッチ軸７と、手首（Ｗｒｉｓｔ）における手首関節ヨー軸８と、手部とで構成される。手部は、実際には、複数本の指を含む多関節・多自由度構造体である。
【００３７】
また、体幹部（Ｔｒｕｎｋ）は、体幹ピッチ軸９と、体幹ロール軸１０という２自由度を有する。
【００３８】
また、下肢を構成する各々の脚部は、股関節（Ｈｉｐ）における股関節ヨー軸１１と、股関節ピッチ軸１２と、股関節ロール軸１３と、膝（Ｋｎｅｅ）における膝関節ピッチ軸１４と、足首（Ａｎｋｌｅ）における足首関節ピッチ軸１５と、足首関節ロール軸１６と、足部とで構成される。
【００３９】
但し、エンターティンメント向けの脚式移動ロボット１００が上述したすべての自由度を装備しなければならない訳でも、あるいはこれに限定される訳でもない。設計・製作上の制約条件や要求仕様などに応じて、自由度すなわち関節数を適宜増減することができることは言うまでもない。
【００４０】
上述したような脚式移動ロボット１００が持つ各自由度は、実際にはアクチュエータを用いて実装される。外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形状に近似させること、２足歩行という不安定構造体に対して姿勢制御を行なうことなどの要請から、アクチュエータは小型且つ軽量であることが好ましい。本実施形態では、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータを搭載することとした（この種のＡＣサーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願人に既に譲渡されている特開２０００−２９９９７０号公報に開示されている）。本実施形態では、直結ギアとして低減速ギアを採用することにより、人間との物理的インタラクションを重視するタイプのロボット１００に求められている駆動系自身の受動的特性を得ている。
【００４１】
図４には、脚式移動ロボット１００の制御システム構成を模式的に示している。同図に示すように、脚式移動ロボット１００は、ヒトの四肢を表現した各機構ユニット３０，４０，５０Ｒ／Ｌ，６０Ｒ／Ｌと、各機構ユニット間の協調動作を実現するための適応制御を行なう制御ユニット８０とで構成される（但し、Ｒ及びＬの各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下同様）。
【００４２】
脚式移動ロボット１００全体の動作は、制御ユニット８０によって統括的に制御される。制御ユニット８０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）やメモリ等の主要回路コンポーネント（図示しない）で構成される主制御部８１と、電源回路やロボット１００の各構成要素とのデータやコマンドの授受を行なうインターフェース（いずれも図示しない）などを含んだ周辺回路８２とで構成される。
【００４３】
本発明を実現する上で、この制御ユニット８０の設置場所は特に限定されない。図４では体幹部ユニット４０に搭載されているが、頭部ユニット３０に搭載してもよい。あるいは、脚式移動ロボット１００外に制御ユニット８０を配備して、脚式移動ロボット１００の機体とは有線若しくは無線で交信するようにしてもよい。
【００４４】
図３に示した脚式移動ロボット１００内の各関節自由度は、それぞれに対応するアクチュエータによって実現される。すなわち、頭部ユニット３０には、首関節ヨー軸１、首関節ピッチ軸２、首関節ロール軸３の各々を表現する首関節ヨー軸アクチュエータＡ１、首関節ピッチ軸アクチュエータＡ２、首関節ロール軸アクチュエータＡ３が配設されている。
【００４５】
また、体幹部ユニット４０には、体幹ピッチ軸９、体幹ロール軸１０の各々を表現する体幹ピッチ軸アクチュエータＡ９、体幹ロール軸アクチュエータＡ１０が配備されている。
【００４６】
また、腕部ユニット５０Ｒ／Ｌは、上腕ユニット５１Ｒ／Ｌと、肘関節ユニット５２Ｒ／Ｌと、前腕ユニット５３Ｒ／Ｌに細分化されるが、肩関節ピッチ軸４、肩関節ロール軸５、上腕ヨー軸６、肘関節ピッチ軸７、手首関節ヨー軸８の各々を表現する肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ４、肩関節ロール軸アクチュエータＡ５、上腕ヨー軸アクチュエータＡ６、肘関節ピッチ軸アクチュエータＡ７、手首関節ヨー軸アクチュエータＡ８が配備されている。
【００４７】
また、脚部ユニット６０Ｒ／Ｌは、大腿部ユニット６１Ｒ／Ｌと、膝ユニット６２Ｒ／Ｌと、脛部ユニット６３Ｒ／Ｌに細分化されるが、股関節ヨー軸１１、股関節ピッチ軸１２、股関節ロール軸１３、膝関節ピッチ軸１４、足首関節ピッチ軸１５、足首関節ロール軸１６の各々を表現する股関節ヨー軸アクチュエータＡ１１、股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１２、股関節ロール軸アクチュエータＡ１３、膝関節ピッチ軸アクチュエータＡ１４、足首関節ピッチ軸アクチュエータＡ１５、足首関節ロール軸アクチュエータＡ１６が配備されている。
【００４８】
各関節に用いられるアクチュエータＡ１，Ａ２，Ａ３…は、より好ましくは、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニット内に搭載したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータ（前述）で構成することができる。
【００４９】
頭部ユニット３０、体幹部ユニット４０、腕部ユニット５０、各脚部ユニット６０などの各機構ユニット毎に、アクチュエータ駆動制御用の副制御部３５，４５，５５，６５が配備されている。
【００５０】
機体の体幹部４０には、加速度センサ９５と姿勢センサ９６が配設されている。加速度センサ９５は、Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸方向に配置する。機体の腰部に加速度センサ９５を配設することによって、質量操作量が大きな部位である腰部を制御対象点として設定して、その位置における姿勢や加速度を直接計測して、ＺＭＰに基づく姿勢安定制御を行なうことができる。
【００５１】
また、各脚部６０Ｒ，Ｌには、接地確認センサ９１及び９２と、加速度センサ９３，９４がそれぞれ配設されている。接地確認センサ９１及び９２は、例えば足底に圧力センサを装着することにより構成され、床反力の有無により足底が着床したか否かを検出することができる。また、加速度センサ９３，９４は、少なくともＸ及びＹの各軸方向に配置する。左右の足部に加速度センサ９３，９４を配設することにより、ＺＭＰ位置に最も近い足部で直接ＺＭＰ方程式を組み立てることができる。
【００５２】
質量操作量が大きな部位である腰部にのみ加速度センサを配置した場合、腰部のみが制御対象点に設定され、足部の状態は、この制御対象点の計算結果を基に相対的に算出しなければならず、足部と路面との間では以下の条件を満たすことが、前提となってしまう。
【００５３】
（１）路面はどんな力やトルクが作用しても動くことがない。
（２）路面での並進に対する摩擦係数は充分に大きく、滑りが生じない。
【００５４】
これに対し、本実施形態では、路面との接触部位である足部にＺＭＰと力を直接計測する反力センサ・システム（床反力センサなど）を配備するとともに、制御に用いるローカル座標とその座標を直接的に計測するための加速度センサを配設する。この結果、ＺＭＰ位置に最も近い足部で直接ＺＭＰ方程式を組み立てることができ、上述したような前提条件に依存しない、より厳密な姿勢安定制御を高速で実現することができる。この結果、力やトルクが作用すると路面が動いてしまう砂利上や毛足の長い絨毯上や、並進の摩擦係数が充分に確保できずに滑りが生じ易い住居のタイルなどであっても、機体の安定歩行（運動）を保証することができる。
【００５５】
主制御部８０は、ある動作期間の初期点と終端点における各制御対象の制御値のみを規定した動作パターンが投入されると、ＰＴＰ制御により、動作期間中における各制御対象の動作はスプライン補間や線形補間などで補間して動作の再生を行なう。そして、一方の終端点と他方の初期点との連続性が保証される動作パターン同士を連結して機体上で再生することにより、歩行やダンス、その他の複雑で長期的な行動を実現する。
【００５６】
また、主制御部８０は、各センサ９１〜９３の出力に応答して制御目標をダイナミックに補正することができる。より具体的には、副制御部３５，４５，５５，６５の各々に対して適応的な制御を行い、脚式移動ロボット１００の上肢、体幹、及び下肢が協調して駆動する全身運動パターンを実現する。
【００５７】
ロボット１００の機体上での全身運動は、足部運動、ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ  Ｍｏｍｅｎｔ  Ｐｏｉｎｔ）軌道、体幹運動、上肢運動、腰部高さなどを設定するとともに、これらの設定内容に従った動作を指示するコマンドを各副制御部３５，４５，５５，６５に転送する。そして、各々の副制御部３５，４５…では、主制御部８１からの受信コマンドを解釈して、各アクチュエータＡ１，Ａ２，Ａ３…に対して駆動制御信号を出力する。ここで言う「ＺＭＰ」とは、歩行中の床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点のことであり、また、「ＺＭＰ軌道」とは、例えばロボット１００の歩行動作期間中にＺＭＰが動く軌跡を意味する（前述）。
【００５８】
なお、本実施形態に係る脚式移動ロボット１００は、腰部位置に重心が設定されており、姿勢安定制御の重要な制御対象点であるとともに、装置の「基体」を構成する。
【００５９】
ロボットは、転倒や人間の体の挟み込み、モータの過電流などの障害が発生して緊急停止した場合、通常の動作を再開するためには、いずれかの動作パターンの初期状態まで一旦移行し、その初期姿勢から動作を開始する必要がある。実際に初期姿勢に遷移する際には、意図しないロボット自身の自己干渉や、周囲環境との間の外部干渉が生じる可能性があるが、これらの干渉の発生しない動作をすべて事前に用意することは、現実的に不可能である。
【００６０】
このため、本発明者らは、脚式移動ロボットが緊急停止状態から自動復帰するためには、以下のいずれかの方法が必要であると思料する。すなわち、
【００６１】
（Ａ）厳密な干渉問題を解くことなく、干渉が発生した場合でも動作を続行するための方法
（Ｂ）厳密な干渉問題を解くことなく、干渉しない動作を生成する方法
（Ｃ）厳密な干渉問題を解きながら、干渉しない動作を生成する方法
【００６２】
以下、図面を参照しながら、脚式移動ロボットが緊急停止状態から自動復帰する幾つかの方法について説明する。
【００６３】
Ａ．厳密な干渉問題を解くことなく復帰する方法
自律的に生成した動作を各関節の制御によって実現させる場合、意図しないロボット自身の自己干渉や周囲環境との間の外部干渉が生じる可能性がある。この場合に、厳密な干渉問題を解くことなく復帰動作を完了させるため幾つかの方法を以下に挙げる。
【００６４】
Ａ−１．関節アクチュエータを脱力する
自己干渉が生じた場合に、関節アクチュエータで発生させるトルク又は力を一時的に制限する。あるいは干渉が生じる場合に備えてあらかじめ制限する。
【００６５】
図５〜図８には、直立姿勢の脚式移動ロボットの左腕を緊急停止状態から復帰させる様子を示している。
【００６６】
図５に示すように胴体の前で左前腕が右前腕の上にある状態で、左前腕を下に降ろそうとすると、図６に示すように、右前腕と自己干渉してしまう。
【００６７】
この例では、すべてのあるいは復帰に関連する関節アクチュエータのトルク又は力が一時的に制限されているので、左前腕が右前腕表面に接触しながら、復帰動作を継続し（図７）、左腕の復帰動作を無事に完了させることができる（図８）。
【００６８】
Ａ−２．可動部の先端から順次動作させていく
ＰＴＰ制御により復帰動作を行なう場合、可動部の先端から順次動作させていく。例えば、上肢を復帰させるときには手先、下肢を復帰させるときには足先に近い関節から順次動作させていく。先端から緊急停止状態を解いていくことにより、肢体同士が絡まり難くなる。または、例えば脚の場合、膝関節など特徴的な関節から順次動作させていく。あるいはスタート時刻をずらして動作を行なう。
【００６９】
図９〜図１２には、脚式移動ロボット１００が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢で、足先に近い方から順に復帰させる動作を示している。
【００７０】
脚式移動ロボット１００が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢において、まず、足首関節から復帰動作を開始し（図９を参照のこと）、次いで、両脚の膝関節ロール軸を駆動し（図１０を参照のこと）、さらに両脚の股関節を駆動させて両脚の干渉状態を解く（図１１を参照のこと）という順で復帰動作を行なうことにより、両脚が絡まり合うことなく復帰動作を無事に完了させることができる（図１２を参照のこと）。
【００７１】
Ａ−３．可動部の根元から順次動作させていく
ＰＴＰ制御を行なう場合、ベースリンクに近い関節から順に動作させる。この場合、動作が始まっていない関節アクチュエータで発生させるトルク又は力を制限することによって、肢体同士が絡まるのを防止する。
【００７２】
図１３〜図１６には、脚式移動ロボット１００が、右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢で、胴体に近い方から順に復帰させる様子を示している。
【００７３】
脚式移動ロボット１００が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢において、まず、股関節から復帰動作を開始し（図１３を参照のこと）、次いで、膝関節（図１４を参照のこと）、足首関節（図１５を参照のこと）の順で復帰動作を行なう。
【００７４】
この場合、股関節を復帰させる時点において、両脚間の自己干渉が生じるが、膝関節以下の動作が始まっていない関節アクチュエータのトルクは制限されているので、左脚は右脚表面に接触しながら、絡まり合うことなく復帰動作を無事に完了させることができる（図１６を参照のこと）。
【００７５】
なお、復帰動作時にアクチュエータで発生されるトルクが増大することから、自己干渉並びに外部干渉を検出しながら、上述したＡ−１、Ａ−２、Ａ−３の各方法を選択的に適用して、復帰動作を行なうようにしてもよい。
【００７６】
Ｂ．厳密な干渉問題を解くことなく干渉の生じない動作を自律的に生成する方法
脚式移動ロボットにおいて、厳密な干渉問題を解くことなく、干渉の生じない動作を自律的に生成するための幾つかの方法を以下に挙げる。
【００７７】
Ｂ−１．小さなトルク又は力によって制御を継続する
障害発生後も、関節アクチュエータで発生させるトルク又は力を０にせず、小さなトルク又は力によって制御し続ける。このことによって、想定外の姿勢になることを防ぐことができるとともに、その後の復帰動作の生成が容易になる。
【００７８】
図１７〜図１８には、脚式移動ロボット１００が障害発生後に関節アクチュエータの発生トルクを０にした場合の挙動を示している。図１７に示す直立姿勢から、何らかの障害発生により、脚式移動ロボット１００が転倒したとする。このとき、発生トルクを０にしてしまうと、図１８に示すように、想定外の姿勢になり易い。
【００７９】
ここで言う想定外の姿勢とは、動作パターンを作成（プログラミング）する際に、想定していなかった姿勢のことであり、例えばＰＴＰ制御においては、初期点として合致する動作パターンが少ないことを意味する。このため、復帰が困難である。
【００８０】
これに対し、図１９〜図２１には、脚式移動ロボット１００が障害発生後に関節アクチュエータを弱いトルクで制御する場合の挙動を示している。図１９に示す直立姿勢から、何らかの障害発生により、脚式移動ロボット１００が転倒したとする。このとき、関節アクチュエータを弱いトルクで制御すると、図２０に示すように、床上に着床した時点である程度の姿勢を保つことができる。
【００８１】
ここで、ある程度の姿勢とは、動作パターンを作成（プログラミング）する際に、想定することができた姿勢のことであり、例えばＰＴＰ制御においては、初期点として合致する動作パターンが比較的多く存在することを意味する。このため、復帰が容易となる。
【００８２】
Ｂ−２．障害発生時まで動作を遡る
障害発生時の姿勢から復帰させるために、障害が発生した時点までの動作と逆の動作を行なう。例えば、主制御部においては、ＰＴＰ制御において、順次投入された動作パターンのログを記録しており、記録された逆の順で再投入することにより、障害が発生した時点までの動作と逆の動作を再生することができる。
【００８３】
図２２〜図２４には、直立姿勢の脚式移動ロボットの左腕の緊急停止状態からの復帰を試みる様子を示している。
【００８４】
胴体の前で左前腕が右前腕の上にある通常動作状態で（図２２を参照のこと）、左前腕を下に降ろそうとするとしている途上で障害が発生し、機体が緊急停止したとする（図２３を参照のこと）。このとき、左右の前腕同士が近接しているので、復帰動作を誤ると、左右の前腕が自己干渉してしまい（図２４を参照のこと）、２次的な障害が発生してしまい、取り返しがつかなくなる。
【００８５】
これに対し、図２５〜図２８には、上述と同様にして障害が発生したときに、障害が発生した時点までの動作と逆の動作を行なうことにより復帰する様子を示している。
【００８６】
胴体の前で左前腕が右前腕の上にある通常動作状態で（図２５を参照のこと）、左前腕を下に降ろそうとするとしている途上で障害が発生し、機体が緊急停止したとする（図２６を参照のこと）。このとき、左前腕を障害発生時までと逆向きに動作を行なうことにより（図２７を参照のこと）、自己干渉を起こすことなく、復帰動作を無事完了することができる（図２８を参照のこと）。
【００８７】
Ｂ−３．復帰姿勢から通常使用する初期姿勢までの動作を用意する
ＰＴＰ制御が行なわれる場合、これらの動作は途中から再生しても安定性が満たされるとは限らない。そのため、ロボットの転倒や人間の体の挟み込み、モータの過電流などの障害が発生して緊急停止した場合、通常の動作を再開するためには、いずれかの動作パターンの初期状態まで一旦移行し、その初期姿勢から動作を開始する必要がある。
【００８８】
そこで、複数の復帰姿勢を用意し、復帰姿勢から通常使用する初期姿勢までの動作を用意することで、所望の動作パターンの初期姿勢までの円滑に移行できるようにする。
【００８９】
このとき、ロボットが取り得るすべての姿勢からＰＴＰ制御によっていずれかの復帰姿勢へ遷移できるような複数の復帰姿勢を用意する。また、同様に複数の復帰姿勢を用意し、それらを経由して通常使用する初期姿勢までの動作を完了する（図２９を参照のこと）。
【００９０】
Ｂ−４．自己干渉を考慮した機体設計
ロボットの関節の関節可動範囲や関節自由度配置をＰＴＰ制御などで干渉しないように設計する。
【００９１】
Ｃ．厳密な干渉問題を解いて干渉の生じない動作を自律的に生成する方法
脚式移動ロボットにおいて、厳密な干渉問題を解くことによって干渉の生じない動作を自律的に生成して復帰する。
【００９２】
［追補］
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。
【００９３】
本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行なう機械装置あるいはその他一般的な移動体装置であるならば、例えば玩具などのような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。
【００９４】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【００９５】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、可動部同士の自己干渉や周囲の物体との外部干渉に拘わらず緊急停止した状態から自立的に復帰することができる、優れた脚式移動ロボット及びその動作制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に供される脚式移動ロボットが直立している様子を前方から眺望した様子を示した図である。
【図２】本発明の実施に供される脚式移動ロボットが直立している様子を後方から眺望した様子を示した図である。
【図３】脚式移動ロボットが具備する関節自由度構成を模式的に示した図である。
【図４】脚式移動ロボット１００の制御システム構成を模式的に示した図である。
【図５】脚式移動ロボット１００が関節アクチュエータを脱力させて緊急停止状態から復帰する動作を説明するための図である。
【図６】脚式移動ロボット１００が関節アクチュエータを脱力させて緊急停止状態から復帰する動作を説明するための図である。
【図７】脚式移動ロボット１００が関節アクチュエータを脱力させて緊急停止状態から復帰する動作を説明するための図である。
【図８】脚式移動ロボット１００が関節アクチュエータを脱力させて緊急停止状態から復帰する動作を説明するための図である。
【図９】脚式移動ロボット１００が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢で足先に近い方から順に復帰させる動作を説明するための図である。
【図１０】脚式移動ロボット１００が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢で足先に近い方から順に復帰させる動作を説明するための図である。
【図１１】脚式移動ロボット１００が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢で足先に近い方から順に復帰させる動作を説明するための図である。
【図１２】脚式移動ロボット１００が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢で足先に近い方から順に復帰させる動作を説明するための図である。
【図１３】脚式移動ロボット１００が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢で胴体に近い方から順に復帰させる動作を説明するための図である。
【図１４】脚式移動ロボット１００が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢で胴体に近い方から順に復帰させる動作を説明するための図である。
【図１５】脚式移動ロボット１００が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢で胴体に近い方から順に復帰させる動作を説明するための図である。
【図１６】脚式移動ロボット１００が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢で胴体に近い方から順に復帰させる動作を説明するための図である。
【図１７】脚式移動ロボット１００が障害発生後に関節アクチュエータの発生トルクを０にした場合の挙動を説明するための図である。
【図１８】脚式移動ロボット１００が障害発生後に関節アクチュエータの発生トルクを０にした場合の挙動を説明するための図である。
【図１９】脚式移動ロボット１００が障害発生後に関節アクチュエータを弱いトルクで制御する場合の挙動を説明するための図である。
【図２０】脚式移動ロボット１００が障害発生後に関節アクチュエータを弱いトルクで制御する場合の挙動を説明するための図である。
【図２１】脚式移動ロボット１００が障害発生後に関節アクチュエータを弱いトルクで制御する場合の挙動を説明するための図である。
【図２２】直立姿勢の脚式移動ロボットの左腕の緊急停止状態からの復帰を試みる様子を示した図である。
【図２３】直立姿勢の脚式移動ロボットの左腕の緊急停止状態からの復帰を試みる様子を示した図である。
【図２４】直立姿勢の脚式移動ロボットの左腕の緊急停止状態からの復帰を試みる様子を示した図である。
【図２５】脚式移動ロボットが障害発生時までの動作と逆の動作を行なうことにより緊急停止状態から復帰する方法を説明するための図である。
【図２６】脚式移動ロボットが障害発生時までの動作と逆の動作を行なうことにより緊急停止状態から復帰する方法を説明するための図である。
【図２７】脚式移動ロボットが障害発生時までの動作と逆の動作を行なうことにより緊急停止状態から復帰する方法を説明するための図である。
【図２８】脚式移動ロボットが障害発生時までの動作と逆の動作を行なうことにより緊急停止状態から復帰する方法を説明するための図である。
【図２９】復帰姿勢から通常使用する初期姿勢までの動作を用意する方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１…首関節ヨー軸
２Ａ…第１の首関節ピッチ軸
２Ｂ…第２の首関節（頭）ピッチ軸
３…首関節ロール軸
４…肩関節ピッチ軸
５…肩関節ロール軸
６…上腕ヨー軸
７…肘関節ピッチ軸
８…手首関節ヨー軸
９…体幹ピッチ軸
１０…体幹ロール軸
１１…股関節ヨー軸
１２…股関節ピッチ軸
１３…股関節ロール軸
１４…膝関節ピッチ軸
１５…足首関節ピッチ軸
１６…足首関節ロール軸
３０…頭部ユニット，４０…体幹部ユニット
５０…腕部ユニット，５１…上腕ユニット
５２…肘関節ユニット，５３…前腕ユニット
６０…脚部ユニット，６１…大腿部ユニット
６２…膝関節ユニット，６３…脛部ユニット
８０…制御ユニット，８１…主制御部
８２…周辺回路
９１，９２…接地確認センサ
９３，９４…加速度センサ
９５…姿勢センサ
９６…加速度センサ
１００…脚式移動ロボット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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