(57)【要約】【課題】姿勢の制御を安定容易に行うことのできる、ロボットシステムを提供すること。【解決手段】イナーシャを利用するのに十分高速で力があり回転角センサを備えた、複数個のアクチュエータユニット１３〜１６と、該ユニットを必要な角度に保つ高速ＦＢ姿勢制御システム２１〜２４と、通常電流値保持手段１７−２と、アクチュエータに流れる電流を内部感覚として検出する電流監視システム１０−２と、姿勢状態監視システム１０−１と、通常電流値と内部感覚としての電流と状態データとを入力とし、各アクチュエータユニットの角度、その角度へのスピード、待ち時間の目標データ９をユニットに与えるＣＰＵ８とを備え、姿勢保持ループ３１、姿勢遷移ループ３２、姿勢補正ループ３３を構成し、常態においても空中等においてもイナーシャを使って姿勢の遷移および制御、さらに姿勢の補正を行うようにした。【選択図】      図３
2004243491.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イナーシャと内部感覚を使って動くロボットシステムであって、
ロボットを構成する骨構造の所要位置に設けられた、回転角センサを備えた、複数個のアクチュエータユニットと、
各アクチュエータユニットを必要な角度に保つためのユニットごとに独立の高速フィードバック姿勢制御システムと、
上記高速フィードバック姿勢制御システムに対し、ドライブ電流を、電流監視システムを介して、与えるドライブ電流供給部と、
ロボットの各動作における、上記各アクチュエータユニットの通常電流値を保持する通常電流値保持手段と、
各ユニットのアクチュエータに流れる電流を、内部感覚として、検出する電流監視システムと、
上記各ユニットのアクチュエータに流れる電流から、ロボットの姿勢が正常な状態かどうかを判断する姿勢状態監視システムと、
該ロボットの動作を指定する入力を入力するための動作指定入力手段と、
該動作指定入力手段からの動作指定入力と、上記通常電流値保持手段において保持された通常電流値と、上記電流監視システムで検出した内部感覚としての電流と、上記姿勢状態監視システムが出力する状態データとを入力とし、各アクチュエータユニットの角度と、その角度に至るスピードと、その角度に至ってからの待ち時間との、姿勢遷移のための目標データを、上記各高速フィードバック姿勢制御システムに与える中央演算処理装置とを、備え、
上記各高速フィードバック姿勢制御システムと、上記姿勢状態監視システムと、上記中央演算処理装置とで、ロボットの姿勢を遷移させるための姿勢遷移ループを構成し、
上記各高速フィードバック姿勢制御システムと、上記各アクチュエータユニットとで、ロボットの姿勢を保持するための姿勢保持ループを構成し、
上記通常電流値保持手段と、上記電流監視システムと、上記中央演算処理装置とで、ロボットの姿勢を補正するための姿勢補正ループを構成し、
常態においても空中等においてもイナーシャを使って姿勢の遷移、および姿勢の制御を行い、
かつ、各アクチュエータユニットに流れる電流を用いて姿勢の補正を行い、常に正常な姿勢を保持することを可能とした、
ことを特徴とするイナーシャと内部感覚を使って動くロボットシステム。
【請求項２】
請求項１記載のロボットシステムにおいて、
上記姿勢遷移ループは、上記中央演算処理装置が、上記ロボットの動作指定入力とともに、上記姿勢状態監視システムで監視判定される姿勢データを受けて、姿勢遷移のための、各アクチュエータユニットの角度と、その角度に至るスピードと、その角度に至ってからの待ち時間と、の目標データを作成し、これを、上記高速フィードバック姿勢制御システムを介して上記アクチュエータユニットに与えて、ロボットの姿勢を遷移させるものであり、
上記姿勢補正ループは、上記中央演算処理装置が、上記各ユニットのアクチュエータに流れる内部感覚としての電流と、各動作における通常電流値とを入力とし、その差に従って、上記姿勢遷移のための、各アクチュエータユニットの角度と、その角度に至るスピードと、その角度に至ってからの待ち時間と、の目標データを補正し、ロボットの姿勢を補正するものである、
ことを特徴とするロボットシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のロボットシステムにおいて、
上記姿勢遷移ループによる姿勢遷移の動作の指定は、右足首、左足首、右膝、左膝の各々の目標角度、そこへ至る速度、目標に到達してからの待ち時間、の少なくとも６つのパラメータよりなるデータ列の複数個と、該複数のデータ列よりなる動作の繰返し回数を指定するデータと、よりなるデータリスト、を指定することにより行う、
ことを特徴とするロボットシステム。
【請求項４】
請求項２または３に記載のロボットシステムにおいて、
上記姿勢補正ループによる姿勢の補正は、まず動きのない動作で姿勢を補正すべき補正値を求め、その補正値を使って各動作における各アクチュエータへの指示値を一時的に補正する、
ことを特徴とするロボットシステム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載のロボットシステムにおいて、
その動作を制御するコントロールアルゴリズムは、
１）一定の周期でマネジャーを呼び出す、
２）マネジャーはその時点で名前で指定された動作に対応するデータリストを呼び出し、データリストで指定された順に指定内容を指定回数実行する。連続動作の場合には、その動作の名前を記述したリストを受け取り、そのリストの順に動作を実行させる、
３）各アクチュエータの電流を「内部感覚」として監視し、データに一時的な補正をかける、
ものである、ことを特徴とするロボットシステム。
【請求項６】
請求項５記載のロボットシステムであって、
上記動作の内容を記述するデータ列は、各アクチュエータユニットの角度と、その角度に至るスピードと、その角度に至ってからの待ち時間と、よりなるものである、
ことを特徴とするロボットシステム。
【請求項７】
請求項１記載のロボットシステムにおいて、
上記姿勢状態監視システムは、所定の繰り返しの単位パターンの動作が終了するたびに、その間に上記アクチュエータユニットに流れた電流を全て加算し、そのスカラー，ベクトル，あるいは積算の加算値からロボットの姿勢状態を判断する、
ことを特徴とするロボットシステム。
【請求項８】
請求項７記載のロボットシステムにおいて、
上記全電流加算値の値は、ロボットの姿勢状態に対応してデータベース化されている、
ことを特徴とするロボットシステム。
【請求項９】
請求項７または８に記載のロボットのシステムにおいて、
ロボットのある状態から次の状態への最適な動作シーケンスの指定は、右足首、左足首、右膝、左膝の各アクチュエータユニットの目標角度、そこへ至る速度、目標に到達してからの待ち時間、の少なくとも６つのパラメータよりなるデータ列の複数個、により指定する、
ことを特徴とするロボットシステム。
【請求項１０】
請求項７ないし９のいずれかに記載のロボットシステムにおいて、
上記姿勢状態監視システムは、上記両膝アクチュエータに流れる変移電流の、一つの繰り返しパターンを通しての、各ステップにおける値の加算値が正常時と異なる場合、該ロボットは倒れているとみなし、
ロボットが倒れていると判断したとき、上記加算値と正常値との差が大きい場合はその差に応じたパターンの動作を、判断できない場合は、特定のパターンの動作を実行し、特定時間内にその動作が完了するかどうかでうつ伏せか、あお向けかを判断する、
ことを特徴とするロボットシステム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のロボットシステムにおいて、
上記うつ伏せか、あお向けかの判断結果に応じて、起き上がりパターンを選んで起き上がる、
ことを特徴とするロボットシステム。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載のロボットシステムにおいて、
上記姿勢状態監視システムが、上記変移電流の一つの繰り返しパターンを通しての加算値を得る際の、各動作で比較対象となる正常値データは、正常な動作を繰り返して得る、
ことを特徴とするロボットシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ロボットシステムに関し、特に、イナーシャと内部感覚を使って動くロボットシステム、該ロボットシステムにおける姿勢補正法、該ロボットシステムにおけるコントロールアルゴリズムと動作指示の記述法、および、該ロボットシステムにおける姿勢の補正を、ロボットの検査対象の状態をあらわす代表値を用いて行う方法、に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
イナーシャを一部の動作に利用するロボットの提案はあったが、姿勢の安定が困難なため積極的に利用された例はない。特に、走る、ジャンプするといった空中での姿勢制御は全く不可能であった。
【０００３】
また、静的に制御されるロボットシステムでは、アクチュエータにモータを使用した場合、効率よく動作を行うためギヤ比を大きくとることになり、外力がアクチュエータにまで及ばないので、電流値の監視によりその外力を推定することが難しい。また、エアや油圧を使うシステムでは、各部分に圧力センサを必要とし、構造が複雑になる。
【０００４】
また、これまでのロボットシステムにおいては、ほとんど静的な動作としてのコントロールがなされていたため、ロボットに安定な姿勢の遷移をさせるためには動作のあらゆる点で安定を保たなければならなかった。そのため、遷移のすべての点での空間座標を指定しなければならず、複雑で膨大なソフトが必要であり、動作させるための記述法も、専門的な知識が不可欠であった。
【０００５】
また、上述のように、イナーシャを一部の動作に利用するロボットの提案はあったが姿勢の安定が困難なため積極的に利用された例はなく、とくに走る、ジャンプするといった空中での姿勢制御は全く不可能であったが、それが可能なシステムであってもアクチュエータに流れる電流値の微妙な変化をしてそれが正常か否かを判断するためには膨大な瞬時値をデータベースと比較する必要があり、実現は困難であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上記のような従来の状況に鑑み、走る、ジャンプするといった動作をも行うことができ、しかも、かかる空中での動作等における姿勢の制御、姿勢の補正を安定に行うことのできる、イナーシャと内部感覚を使って動くロボットシステムを提供することを目的としている。
【０００７】
また、この発明は、かかるイナーシャと内部感覚を使って動くロボットシステムにおける姿勢補正法を提供することを目的としている。
【０００８】
また、この発明は、かかるイナーシャと内部感覚を使って動くロボットシステムにおける、そのコントロールアルゴリズムと、動作指示の記述法を提供することを目的としている。
【０００９】
また、この発明は、姿勢の制御を安定に行うことのできる、イナーシャと内部感覚を使って動くロボットにおいての、姿勢の補正を、ロボットの検査対象の状態をあらわす代表値を用いて行う方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１にかかる発明は、イナーシャと内部感覚を使って動くロボットシステムであって、ロボットを構成する骨構造の所要位置に設けられた、回転角センサを備えた、複数個のアクチュエータユニットと、各アクチュエータユニットを必要な角度に保つためのユニットごとに独立の高速フィードバック姿勢制御システムと、上記高速フィードバック姿勢制御システムに対し、ドライブ電流を、電流監視システムを介して、与えるドライブ電流供給部と、ロボットの各動作における、上記各アクチュエータユニットの通常電流値を保持する通常電流値保持手段と、各ユニットのアクチュエータに流れる電流を、内部感覚として、検出する電流監視システムと、上記各ユニットのアクチュエータに流れる電流から、ロボットの姿勢が正常な状態かどうかを判断する姿勢状態監視システムと、該ロボットの動作を指定する入力を入力するための動作指定入力手段と、該動作指定入力手段からの動作指定入力と、上記通常電流値保持手段において保持された通常電流値と、上記電流監視システムで検出した内部感覚としての電流と、上記姿勢状態監視システムが出力する状態データとを入力とし、各アクチュエータユニットの角度と、その角度に至るスピードと、その角度に至ってからの待ち時間との、姿勢遷移のための目標データを、上記各高速フィードバック姿勢制御システムに与える中央演算処理装置とを、備え、上記各高速フィードバック姿勢制御システムと、上記姿勢状態監視システムと、上記中央演算処理装置とで、ロボットの姿勢を遷移させるための姿勢遷移ループを構成し、上記各高速フィードバック姿勢制御システムと、上記各アクチュエータユニットとで、ロボットの姿勢を保持するための姿勢保持ループを構成し、上記通常電流値保持手段と、上記電流監視システムと、上記中央演算処理装置とで、ロボットの姿勢を補正するための姿勢補正ループを構成し、常態においても空中等においてもイナーシャを使って姿勢の遷移、および姿勢の制御を行い、かつ、各アクチュエータユニットに流れる電流を用いて姿勢の補正を行い、常に正常な姿勢を保持することを可能としたものである。
【００１１】
また、本発明の請求項２にかかるロボットシステムは、上記姿勢遷移ループは、上記ロボットの動作指定入力とともに、上記姿勢状態監視システムで監視判定される姿勢データを受け、姿勢が正常な状態かどうかを判断しながら、ＣＰＵにより、姿勢遷移のための、各アクチュエータユニットの角度と、その角度に至るスピードと、その角度に至ってからの待ち時間と、の目標データを作成し、これを、上記高速フィードバック姿勢制御システムを介して上記アクチュエータユニットに与えて、ロボットの姿勢を遷移させるものであり、上記姿勢補正ループは、上記各ユニットのアクチュエータに流れる内部感覚としての電流と、各動作における通常電流値とを入力とし、その差に従って、上記姿勢遷移ループで上記高速フィードバック姿勢制御システムに与える、姿勢遷移のための、各アクチュエータユニットの角度と、その角度に至るスピードと、その角度に至ってからの待ち時間と、の目標データを補正し、ロボットの姿勢を補正するものである。
【００１２】
また、本発明の請求項３にかかるロボットシステムは、請求項２に記載のロボットシステムにおいて、上記姿勢遷移ループによる姿勢遷移の動作の指定は、右足首、左足首、右膝、左膝の各々の目標角度、そこへ至る速度、目標に到達してからの待ち時間、の少なくとも６つのパラメータよりなるデータ列の並び、および、その最後に設けられた、該データ列の並びよりなる動作を繰り返すべき回数を指定するデータ、よりなるデータリスト、を指定することにより行うものである。
【００１３】
また、本発明の請求項４にかかるロボットシステムは、請求項２または３に記載のロボットシステムにおいて、上記姿勢補正ループによる姿勢の補正は、まず動きのない動作で姿勢を補正すべき補正値を求め、その補正値を使って各動作における各アクチュエータへの指示値を一時的に補正するものである。
【００１４】
また、本発明の請求項５にかかるロボットシステムは、請求項１ないし４のいずれかに記載のロボットシステムにおいて、その動作を制御するコントロールアルゴリズムは、
１）一定の周期でマネジャーを呼び出す、
２）マネジャーはその時点で名前で指定された動作に対応するデータリストを呼び出し、データリストで指定された順に指定内容を指定回数実行する。連続動作の場合には、その動作の名前を記述したリストを受け取り、そのリストの順に動作を実行させる、
３）各アクチュエータの電流を「内部感覚」として監視し、データに一時的な補正をかける、ものである。
【００１５】
また、本発明の請求項６にかかるロボットシステムは、請求項５記載のロボットシステムであって、上記動作の内容を記述するデータ列は、各アクチュエータユニットの角度と、その角度に至るスピードと、その角度に至ってからの待ち時間と、よりなるものである。
【００１６】
また、本発明の請求項７にかかるロボットシステムは、請求項１記載のロボットシステムにおいて、上記姿勢状態監視システムは、所定の繰り返しの単位パターンの動作が終了するたびに、その間に上記アクチュエータユニットに流れた電流を全て加算し、そのスカラー，ベクトル，あるいは積算の加算値からロボットの姿勢状態を判断するものである。
【００１７】
また、本発明の請求項８にかかるロボットシステムは、請求項７記載のロボットシステムにおいて、上記全電流加算値の値は、ロボットの姿勢状態に対応してデータベース化されているものである。
【００１８】
また、本発明の請求項９にかかるロボットシステムは、請求項７または８に記載のロボットシステムにおいて、ロボットのある状態から次の状態への最適な動作シーケンスの指定は、右足首、左足首、右膝、左膝の各アクチュエータユニットの目標角度、そこへ至る速度、目標に到達してからの待ち時間、の少なくとも６つのパラメータよりなるデータ列の複数個、により指定するものである。
【００１９】
また、本発明の請求項１０にかかるロボットシステムは、請求項７ないし９のいずれかに記載のロボットシステムにおいて、上記姿勢状態監視システムは、上記両膝アクチュエータに流れる変移電流の、一つの繰り返しパターンを通しての、各ステップにおける値の加算値、の正負が正常時と異なる場合、該ロボットは倒れているとみなし、ロボットが倒れていると判断したとき、上記加算値と正常値との差が大きい場合はその差に応じたパターンの動作を、判断できない場合は、特定のパターンの動作を実行し、特定時間内にその動作が完了するかどうかでうつ伏せか、あお向けかを判断するものである。
【００２０】
また、本発明の請求項１１にかかるロボットシステムは、請求項１０に記載のロボットシステムにおいて、上記うつ伏せか、あお向けかの判断結果に応じて、起き上がりパターンを選んで起き上がるものである。
【００２１】
また、本発明の請求項１２にかかるロボットシステムは、請求項１０または１１に記載のロボットシステムにおいて、上記姿勢状態監視システムが、上記変移電流の一つの繰り返しパターンを通しての加算値を得る際の、各動作で比較対象となる正常値データは、正常な動作を繰り返して得るものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１に、本実施の形態１によるロボットシステムにおける、角度センサ付きのアクチュエータユニットを示す。
ロボットが自分の体のイナーシャを有効に利用するためには、そのイナーシャに運動エネルギーを供給する必要があり、そのためにアクチュエータが高速で強力なことが不可欠の条件となる。０はギヤボックスで、１のモータの減速比を１／１６におさえ、駆動軸で起動トルク２ｋｇ・ｃｍ以上、１ｋｇ・ｃｍの連続負荷で駆動から一周まで３００ｍｓｅｃ程度の速度を得ている。３の角度センサは、駆動軸の回転と１対１に対応する。
【００２３】
図２は、試作したロボットの構造を示し、図８はその斜視図を示す。人間の足首と膝にあたる部分にそれぞれアクチュエータ１３〜１６を配してあるが、腰にあたる部分はシャフトで連結されているのみで駆動するものは何もない。
【００２４】
図３に本発明の実施の形態１によるロボットシステムの全体構成図を示す。
図３において、１３〜１６はロボットを構成する骨構造の所要位置に設けられたアクチュエータユニットで、図２のロボットの一例に示す左右足首と左右膝の関節を構成する。以下簡単のために、足首をＡ（Ａｎｋｌｅ）、膝をＫ（Ｋｎｅｅ）、右をＲ、左をＬとして、各ユニットをＫＲ、ＫＬ、ＡＲ、ＡＬであらわす。図中のＭはモータ、Ｓは角度センサをそれぞれ示している。
【００２５】
２１〜２４は、各アクチュエータユニット１３〜１６に対して独立に働く高速のフィードバック姿勢制御システムであり、数ミリ秒の応答速度をもち、アクチュエータの駆動軸をメカニカルな限界速度で目標データに移動収束させる。
【００２６】
１８は、上記高速フィードバック姿勢制御システム２１〜２４に対し、与えるべきドライブ電流を、電流監視システム１８−２を介して、上記高速フィードバック姿勢制御システム２１〜２４に与える、電源よりなるドライブ電流供給部である。
【００２７】
１７−２は、ロボットの各動作における、上記各アクチュエータユニット１３〜１６の通常電流値を保持する通常電流値保持手段である。
【００２８】
１０−２は電流監視システムで、Ｐｏｗｅｒ（電源）１８から各アクチュエータ１３〜１６に供給される電流の瞬時値を監視し、ＣＰＵ８に伝える。
【００２９】
１０−１は、上記各ユニット１３〜１６のアクチュエータに流れる電流から、姿勢が正常な状態かどうかを示す状態データ１７−１を出力する姿勢状態監視システムである。
【００３０】
ＣＰＵ（中央演算処理装置）８は、通常電流値保持手段１７−２において保持された通常電流値と、電流監視システム１０−２で検出した内部感覚としての電流と、姿勢状態監視システム１０−１が出力する状態データ１７−１とを入力とし、各アクチュエータユニットの角度と、その角度に至るスピードと、その角度に至ってからの待ち時間と、の目標データ９を、パラメータとして、上記各高速フィードバック姿勢制御システム２１〜２４を介して上記各アクチュエータユニット１３〜１６に与えるものである。
【００３１】
１００は、その出力をＣＰＵ８に対して入力する次姿勢を決定する次姿勢決定手段であり、コンソール等の入力でもよいものである。
【００３２】
また、上記各高速フィードバック姿勢制御システム２１〜２４と、上記各アクチュエータユニット１３〜１６とで、ロボットの姿勢を安定に保持するための姿勢保持ループ３１を構成しており、上記各高速フィードバック姿勢制御システム２１〜２４と、上記姿勢状態監視システム１０−１と、上記中央演算処理装置８とで、ロボットの姿勢を遷移させるための姿勢遷移ループ３２を構成しており、上記通常電流値保持手段１７−２と、上記電流監視システム１０−２と、上記中央演算処理装置８とで、ロボットの姿勢を補正するための姿勢補正ループ３３を構成している。
【００３３】
次に、本実施の形態によるロボットシステムの動作について説明する。
本ロボットシステムは、複数個のアクチュエータユニット１３〜１６と、高速フィードバック姿勢制御システム２１〜２４と、該高速フィードバック姿勢制御システムに電流監視システム１８−２を介してドライブ電流を与えるドライブ電流供給部１８と、ロボットの各動作における各アクチュエータユニットの通常電流値を保持する通常電流値保持手段１７−２と、各ユニットのアクチュエータに流れる電流を内部感覚として検出する電流監視システム１０−２と、上記各ユニットのアクチュエータに流れる電流から姿勢が正常な状態かどうかを判断する姿勢状態監視システム１０−１と、上記通常電流値保持手段において保持された通常電流値と、上記電流監視システムで検出した内部感覚としての電流と、上記姿勢状態監視システムが出力する状態データとを入力とし、各アクチュエータユニットの角度と、その角度に至るスピードと、その角度に至ってからの待ち時間と、の目標データを、上記各アクチュエータユニットに与えるＣＰＵ８とを備え、かつ、図３中の破線で囲まれる、各高速ＦＢ姿勢監視システム２１〜２４と、アクチュエータユニット１３〜１６とにより、姿勢保持ループ３１を構成し、一点鎖線で囲まれる、各高速ＦＢ姿勢監視システム１１〜１４と、姿勢状態監視システム１０−１と、ＣＰＵ８とにより、姿勢遷移ループ３２を構成し、二点鎖線で囲まれる、ＣＰＵ８と、電流データ１７−２と、電流監視システム１０−２とにより、姿勢補正ループ３３を構成し、常態においても空中等においてもイナーシャを使って、姿勢の遷移、および姿勢の制御を行い、かつ、各アクチュエータユニットに流れる電流を用いて姿勢の補正を行い、常に正常な姿勢を保持することを可能としたものである。
【００３４】
かかる本ロボットシステムの動作について、そのソフトウェアによるコントロールアルゴリズムを含めて、以下に、説明する。
本ロボットシステムは、その他に従い、ＷＡＬＫ＿ＦＷＤ（前進歩行）、ＪＵＭＰ＿ＦＷＤ（前進ジャンプ）、ＴＯＥ＿ＳＴＡＮＤ（爪先立ち）、ＪＵＭＰ＿ＵＰ（うつぶせになった状態からの起き上がり）、等の動作を行うものであるが、これらのアクチュエータをソフトウェアでコントロールして動作させる基本的な（ＣＰＵによる）コントロールアルゴリズムは、
１）一定の周期（試作では１／２０秒）でマネジャーを呼び出す、
２）マネジャーはその時点で、上記動作の指定入力により名前で指定された動作、に対応するデータリストを呼び出し、データリストで指定された順に指定内容を指定回数実行する。連続動作の場合には、その動作の名前を記述したリストを受け取り、そのリストの順に動作を実行させる、
３）各アクチュエータの電流を「内部感覚」として監視し、データに一時的な補正をかける、というものである。
【００３５】
ここで、各アクチュエータを駆動することによる動作の指定はＡＲ，ＡＬ，ＫＲ，ＫＬの各々の目標角度、そこへ至る速度、目標に到達してからの待ち時間、の少なくとも６つのパラメータを指定する。データの最後に繰り返し回数を指定する。
【００３６】
以下、本ロボットの代表的な動作について説明する。
１）  前進ジャンプ（ＪＵＭＰ＿ＦＷＤ）の動作
図４は、前進ジャンプの動作を、図示するものである。細い矢印は次の姿勢へ向かっての動作方向を、太い矢印は重心の運動方向をそれぞれ示す。
１は初期姿勢である。２でかがみこんで、３で膝から上が伸び上がり、４で足首で蹴り、５で前上方へ飛び出す。６では、安定した６−１の空中姿勢と、６−２の着地姿勢を得るように足首と膝の関節を全体の回転力を打ち消すように動かし、着地後、７でゆっくりと膝から上を細い矢印の方向にもどすことで、静的なバランスを回復し、次のジャンプにそなえる。
【００３７】
上記ＪＵＭＰ＿ＦＷＤ（前進ジャンプ）の動作、に対応するデータ例を以下に示す。
ＪＵＭＰ＿ＦＷＤ（前進ジャンプ）
１    ９３  ９３  １０２  １０２  ３２  ０
２    ８１  ８１  ９２  ９２  ６４  ０
３    ８１  ８１  １３６  １３６  １２８  ０
４    １２１  １２１  １３６  １３６  １２８  ０
５    １２８  １２８  １０４  １０４  １２８  ０
６    ９４  ９４  ９２  ９２  １２８  １
７    ９４  ９４  １０２  １０２  １２８  ０
Ｅ    ５
【００３８】
２）  爪先立ち（ＴＯＥ＿ＳＴＡＮＤ）の動作
図５は、爪先立ちの動作を、図示するものである。
１は初期姿勢である。２で膝から上を前方に起こし、それに応じて足首を閉じて静的なバランスを前方へ崩すと、太い白い矢印で示す前方への回転力が生じる。３の爪先立ちでバランスする位置まで動いた時に、膝から上を屈む方向に、足首を開く方向に高速で戻すことで、前方への回転力を打ち消して静的なバランスを取り直し、４の爪先で屈んだ状態となり、そこで一旦安定する。そのあと足首と膝を一気に伸ばすことで立ち上がりの各点で生じる静的なバランスの崩れを全体の慣性によって押さえ込んで全体としてはバランスを保ったまま伸び上がり、５の最終的な爪先立ち姿勢に至る。
【００３９】
上記ＴＯＥ＿ＳＴＡＮＤ（爪先立ち）の動作、に対応するデータ例を以下に示す。
１    １０５  １０５  １１９  １１９  １６  ０
２    ８８  ８８  １３６  １３６  ２  ０
３    １０４  １０４  １２１  １２１  １２８  ０
４    １０４  １０４  １１９  １１９  ６４  ２０
５    １２７  １２７  １７２  １７２  １２８  ３０
６    ９５  ９５  ９８  ９８  ３２  ０
７    ９０  ９０  ６０  ６０  ３２  ０
８    １３７  １３７  ７０  ７０  １６  ０
Ｅ    ０
【００４０】
２）うつぶせになった状態からの起き上がり動作
図６は、うつぶせになった状態からの起き上がり動作を、図示するものである。
１のうつ伏せ状態から、足首を閉じる方向にして足の実質長を最小限に短くし、膝をまげて足を持ち上げ、２の状態になる。次に膝を伸ばし、３−１で瞬時に止めると、白い太い矢印で示すように起き上がる方向への慣性力が生じ、３−３で足先が地面に着き、膝から上が起き上がった状態になる。４で、膝を高速で最小限に閉じて瞬時に止め、５で、足首を伸ばすと、再度起き上がり方向の回転力が生じる。６で、さらに膝と足首を開き、回転力を利用して後方へ飛び上がり、７の起き上がった姿勢になる。８で、静的なバランス状態となる。
【００４１】
上記ＪＵＭＰ＿ＵＰ（起き上がり）の動作、に対応するデータ例を以下に示す。
１    １９５  １９５  １８５  １８５  １６  １０
２    ７４  ７４  ７４  ７４  ３２  １０
３    ７４  ７４  １２１  １２１  ６４  ３
４    ７４  ７４  ５５  ５５  ６４  ０
５    ７４  ７４  １２１  １２１  １２８  ０
６    １１８  １１８  １２９  １２９  １２８  ０
７    １１８  １１８  １１２  １１２  １２８  ０
８    ９０  ９０  １０３  １０３  １２８  ２０
Ｅ    ０
【００４２】
３）立っている状態での内部感覚による補正
図７は、以下のとおりの、立っている状態での内部感覚による補正、の動作を図示するものである。
１は、平らなところに立っている。このときの足首関節に流れている電流を内部感覚として記憶しており、２のように地面が後方に傾いているところに立つと、電流値はそれよりも減少するので、それを正常値に戻すように膝の関節を開く方向に動かして安定な姿勢を保つ。逆に、４のように地面が前方に傾いていると足首の電流は増加するので、膝の関節を閉じる方向に動かして、５の安定な姿勢を保つ。
この補正の動作の詳細は、実施の形態２において、説明する。
【００４３】
４）基本動作の組み合わせよりなる連続動作
以下に、これらの基本動作を組み合わせて連続な動作をさせる場合のリストの一例を示す。名前の後ろの数値は先述の動作のデータシート中の繰り返し回数を一時的に書き換える。
ｉｎｔｒｏ  ０
ｗａｌｋ＿ｆｗｄ  ３
ｓｔａｎｄ＿ｕｐ  ０
ｒｕｎ  ６
ｓｔａｎｄ＿ｕｐ  ３
ｔｏｅ＿ｓｔｎｄ  ０
ｒｅｓｔ  ０
ｓｅｅ＿ｉｆ  ０
ｓｔａｎｄ＿ｕｐ  ２
ｆａｌｌ  ０
ｇｅｔｕｐ＿１  ０
ｊｕｍｐ＿ｕｐ  ０
ｓｔａｎｄ＿ｕｐ  ３
ｒｅｓｔ  ０
ｅｎｄ  ０
【００４４】
（実施の形態１の変形例）
上述の説明は、２足歩行について行ったが、１足でも多足でも同様で手、腕、首等あらゆる部位について適用できる。左右の連結部のアクチュエータを省略する必要はない。アクチュエータユニットは支配的な要素ではなく、高速で動いて強力なものであれば何でもよい。また各ユニットに独立な高速フィードバック制御システムはアナログでもデジタルでもよく、ＣＰＵもその種類を選ばない。マイコンレベルで十分使用できる。すべての関節は常に姿勢保持ループで制御されている必要はなく、過剰な力がかかった場合や動作に応じて従属的に動く必要がある場合などは、フリーになってもかまわない。姿勢指示データの並び順に意味はない。
データそのものは数値の並びで、これを入力するのにＧＵＩを使用するか否かは単なる数値入力方法のバリエーションである。
【００４５】
（実施の形態２）
本実施の形態２によるロボットシステムは、上記実施の形態１における姿勢補正システムを、“立っている状態での内部感覚による補正”の場合について、より詳細に説明するためのものであるが、その構造は、図２に示す上記実施の形態１のそれと同様である。すなわち、人間の足首と膝にあたる部分にそれぞれアクチュエータ１３〜１６を配してあるが、腰にあたる部分はシャフトで連結されているのみで、駆動するものは何もない。
【００４６】
以下、前進歩行を例として説明する。前進歩行の動作は前進歩行のみに特に有効ということはない。足首のスナップで足を浮かせ、膝に上向きの速度を与えてそのイナーシャを使ってさらに膝を曲げて足首を引き上げる。同時に反対側の足を移動したい方向へ適度に傾けることで、蹴り上げた側の浮いている足は腰のシャフトを中心にして傾けられた方向へ振り子運動を起こす。蹴り上げた足の上方向の慣性力が０になると同時に、膝を伸ばし足を地面に下ろす。この動作を交互に連続して行うことで歩行する。このように慣性力をも含めて動的なバランスをとるため、走る、ジャンプする、といった両足ともに地上を離れる場合でも、空中での姿勢制御、姿勢補正を行うことができる。
【００４７】
これらのアクチュエータをソフトウェアでコントロールして動作させる。  基本的なコントロールアルゴリズムは、
１）一定の周期（試作では１／２０秒）でマネジャーを呼び出す。
２）マネジャーは、その時点で名前で指定された動作に対応するデータリストを呼び出し、データリストで指定された順に、指定内容を指定回数実行する。連続動作の場合には、その動作の名前を記述したリストを受け取り、そのリストの順に動作を実行させる。
３）各アクチュエータの電流を「内部感覚」として監視し、データに一時的な補正をかける。
【００４８】
動作の指定は、ＡＲ（１５），ＡＬ（１６），ＫＲ（１３），ＫＬ（１４）の各々の目標角度、そこへ至る速度、目標に到達してからの待ち時間、の６つのパラメータを指定する。データの最後に、繰り返し回数を指定する。
【００４９】
補正をかけるには、まず動きのない動作、例えば上記の例では立っている状態で、まず補正をかけ、その補正値を使って各動作に対して各アクチュエータへの指示値を一時的に補正する。
図７に、立っている状態での内部感覚による補正を示す。
１は平らなところに立っている。このときの足首関節に流れている電流を、内部感覚の正常値として記憶しており、２のように、地面が後方に傾いているところに立つと、電流値はそれよりも減少するので、それを正常値に戻すように、膝の関節を開く方向に動かして姿勢を安定させる。逆に、４のように地面が前方に傾いていると足首の電流は増加するので、膝の関節を閉じる方向に動かして姿勢を安定させる。このとき、ＣＰＵ８は、一時的にＡＬ，ＡＬ，ＫＲ，ＫＬのすべての角度データにその電流の増減分に適当な重みをつけて角度を加減する。
【００５０】
以下、ＷＡＬＫ＿ＦＷＤ（前進歩行）のデータ補正例を示す。
Ａｃ（Ａｎｋｌｅ），Ｋｃ（Ｋｎｅｅ）は、それぞれの重みをつけられた補正値（＋／−）である。ここでの数値は、便宜上のものである。
名前：ＷＡＬＫ＿ＦＷＤ（前進歩行）
2004243491.tif 000003
Ｎｏの最後のＥはデータシートの終わりで、数字は繰り返し回数である。図４〜７は説明を省略する。
【００５１】
（実施の形態２の変形例）
上述した例は、２足歩行の前進歩行の場合について説明したが、他の動作でも、あるいは１足でも多足でも同様で、手、腕、首等あらゆる部位について適用できる。あらゆる部位に相応の重みをかけて補正をかけることができる。また、静的な補正に留まらず、動作時の電流蓄積値の変移を見て動作をしながら、暫時補正値を更新していくこともできる。
【００５２】
（実施の形態３）
本実施の形態３は、上記実施の形態２で述べた姿勢補正システムにおいて、ロボットの検査対象の状態を表す代表値を用いて、その姿勢の補正を行うようにしたものである。
本実施の形態３における、ソフトウェアによるコントロールアルゴリズムは、
１）一定の周期（試作では１／２０秒）でマネジャーを呼び出す。
２）マネジャーはその時点で名前で指定された動作に対応するデータリストを呼び出し、データリストで指定された順に指定内容を指定回数実行する。連続動作の場合には、その動作の名前を記述したリストを受け取り、そのリストの順に動作を実行させる。
３）各アクチュエータの電流を「内部感覚」として監視し、データに一時的な補正をかける。
というものであるが、これと平行して、一つの動作（例えば前進歩行）のとき繰り返されるパターンが一つ終了するたびにその間に流れた全電流を加算する。基本的にロボットは、最もバランスがとれた状態になろうとするようにコントロールされるので、この加算された総合電流は動作の種類に応じて一般的に一つの値に収束する。ところが何か外力が加わったり、倒れたりした場合にはこの数値が大きくずれる。その変化を検出することで、ロボットが倒れていることを自ら知ることができる。
【００５３】
さらに、その異常をあらわす数値（状態データ１７−１）はその構造と重力の方向に依存するので、倒れている状態によってほとんどの場合異なった値を示す。この値の違いをあらかじめデータベース化しておいて、スカラーでの比較を行い自分のおかれている状態を自ら判断し、その状態からの最適な起き上がりシーケンスを選んで起き上がる。
【００５４】
動作の指定は、ＡＲ，ＡＬ，ＫＲ，ＫＬの各々の目標角度、そこへ至る速度、目標に到達してからの待ち時間の６つのパラメータを指定する。
ＷＡＬＫ＿ＦＷＤ（前進歩行）の例で示す。ここでの数値は、便宜上のものである。
名前：ＷＡＬＫ＿ＦＷＤ（前進歩行）
2004243491.tif 000004
Ｎｏの最後のＥはデータシートの終わりで、数字は繰り返し回数である。
【００５５】
このときの両足首アクチュエータに流れる変移電流のステップ２から１０までの加算値を１動作終了毎に求めると、正常時はその値が常に正となるので、これが負の値を示す場合は倒れているとみなす。また、両膝アクチュエータに流れる変移電流の上記ステップ２〜１０での加算値を同じく１動作終了毎に求めると、正常時はその値が同様に常に正となるので、これが負の値を示す場合も倒れているとみなす。倒れていると判断したら、特殊なパターン、例えば上記の例では膝を最高速で曲げる動作を実行し、特定時間内にその動作が完了するかどうかでうつ伏せかあお向けかを判断し、対応する起き上がりパターンを選んで起き上がる。各動作で比較対象となる正常値データは、正常な動作を繰り返して得る。（図４〜図７についての説明は省略）
【００５６】
（実施の形態３の変形例）
上述の説明は、２足歩行の前進歩行の場合について行ったが、他の動作でも、あるいは１足でも多足でも同様で、手、腕、首等あらゆる部位について適用できる。左右の連結部のアクチュエータを省略する必要はない。アクチュエータユニットは支配的な要素ではなく、高速で動いて強力なものであれば何でもよい。また各ユニットに独立な高速フィードバック制御システムはアナログでもデジタルでもよく、ＣＰＵもその種類を選ばない。マイコンレベルで十分使用できる。データの扱いについては、ベクトルであってもテンソルであってもかまわない。加算対象のアクチュエータはどのように選んでもいいし、重みをつけて加算して全体を一つの値としてもかまわない。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように、この発明にかかるイナーシャと内部感覚を使って動くロボットシステムによれば、ロボットを構成する骨構造の所要位置に設けられた、イナーシャを利用するのに十分高速で力があり、回転角センサを備えた、複数個のアクチュエータユニットと、各アクチュエータユニットを必要な角度に保つためのユニットごとに独立の高速フィードバック姿勢制御システムと、上記高速フィードバック姿勢制御システムに対し、ドライブ電流を、電流監視システムを介して、与えるドライブ電流供給部と、ロボットの各動作における、上記各アクチュエータユニットの通常電流値を保持する通常電流値保持手段と、各ユニットのアクチュエータに流れる電流を、内部感覚として、検出する電流監視システムと、上記各ユニットのアクチュエータに流れる電流から、姿勢が正常な状態かどうかを判断する姿勢状態監視システムと、該ロボットの動作を指定する入力を入力するための動作指定入力手段と、該動作指定入力手段からの動作指定入力と、上記通常電流値保持手段において保持された通常電流値と、上記電流監視システムで検出した内部感覚としての電流と、上記姿勢状態監視システムが出力する状態データとを入力とし、各アクチュエータユニットの角度と、その角度に至るスピードと、その角度に至ってからの待ち時間と、の目標データを、上記各アクチュエータユニットに与える中央演算処理装置とを、備え、上記各アクチュエータユニットとで、姿勢保持ループを構成し、上記各高速フィードバック姿勢制御システムと、上記姿勢状態監視システムと、上記中央演算処理装置とで、姿勢遷移ループを構成し、上記通常電流値保持手段と、上記電流監視システムと、上記中央演算処理装置とで、姿勢補正ループを構成し、常態においても空中等においてもイナーシャを使って姿勢の遷移、および姿勢の制御を行い、かつ、各アクチュエータユニットに流れる電流を用いて姿勢の補正を行い、常に正常な姿勢を保持することを可能としたものとしたので、従来の静的（スタティック）な動きによるバランス歩行を中心とした２足歩行技術と異なり、ジャンプ等のダイナミックな動きの歩行等を行うことのできるロボットシステムを提供できる効果がある。
【００５８】
また、この発明にかかる内部感覚を使って動くロボットシステムによれば、各ユニットのアクチュエータに流れる内部感覚としての電流と、各動作における通常電流値とを比較して、その結果に応じて、姿勢遷移ループにより、姿勢遷移の補正されたタイミング、距離、速度、保持時間を与えて、姿勢の補正を行うようにしたので、姿勢の補正を随時行うことができるとともに、姿勢保持ループとともに、あらゆる状態で正常な姿勢を保持することを可能とすることができる効果が得られる。したがって、例えば、坂道など傾斜する地面に対して動くときにも、その傾斜に応じた動きを容易に実現することができる。
【００５９】
また、この発明にかかるロボットシステムによれば、ロボットの検査対象の状態を表す代表値を用いて姿勢の補正を行うようにしたので、移動ロボットについてはひっくり返ることを避けて通ることはできないが、ひっくり返った状態を単純な方法で知ることができるため、特別なセンサを必要とせず、シンプルなシステムで起き上がりを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施の形態１における、角度センサ付アクチュエータユニットを示す図である。
【図２】図２は本実施の形態１における、ロボットの一例を示す図である。
【図３】図３は本実施の形態１における、ロボットシステムの全体構成を示す図である。
【図４】図４は本発明の実施の形態１による、ジャンプ動作を示す図である。
【図５】図５は爪先立ちの動作を示す図である。
【図６】図６はうつぶせになった状態からの起き上がり動作を示す図である。
【図７】図７は立っている状態での内部感覚による補正の動作を示す図である。
【図８】図８は上記実施の形態１におけるロボットを示す斜視図である。
【符号の説明】
ＫＲ、ＫＬ、ＡＲ、ＡＬ  右膝、左膝、右足首、左足首
Ｍ            モータ
Ｓ            角度センサ
０            ギャボックス
１            モータ
３            角度センサ
４〜７        アクチュエータ
８            ＣＰＵ（中央演算処理装置）
９            目標データ
１０−１      姿勢状態監視システム
１０−２      電流監視システム
１３〜１６    アクチュエータユニット
１７−１      状態データ
１７−２      電流データ
１８          ドライブ電流供給部
２１〜２４    高速のフィードバックループ
３１          姿勢保持ループ
３２          姿勢遷移ループ
３３          姿勢補正ループ
【図１】
2004243491.tif 000005
【図２】
2004243491.tif 000006
【図３】
2004243491.tif 000007
【図４】
2004243491.tif 000008
【図５】
2004243491.tif 000009
【図６】
2004243491.tif 000010
【図７】
2004243491.tif 000011
【図８】
2004243491.tif 000012