(57)【要約】【課題】  滑走面の条件変化に対応して自身で動作を制御し、所定のターン経路に沿って安定して滑走できるスキーロボットを提供する。【解決手段】  胴体部と、該胴体部の下方に設けられた左右の股関節を介して上記胴体部の荷重を支持する左右２本の脚部とを有し、雪面または同様の低摩擦斜面を滑走させるため、該脚部の接地面にそれぞれスキー板を装着したスキーロボットにおいて、上記股関節に上記脚部を内外転させる股関節内外転軸を設け、上記スキーロボットのいずれかの部位に滑走中のスキーロボットの方位と速度を計測できる計測装置を設け、上記胴体部にコントローラを設け、上記計測装置からの検出量に基いて、上記コントローラが上記股関節内外転軸を制御可能なことを特徴とするスキーロボット。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴体部と、該胴体部の下方に設けられた左右の股関節を介して上記胴体部の荷重を支持する左右２本の脚部とを有し、雪面または同様の低摩擦斜面を滑走させるため、該脚部の接地面にそれぞれスキー板を装着したスキーロボットにおいて、
上記股関節に上記脚部を内外転させる股関節内外転軸を設け、
上記スキーロボットのいずれかの部位に滑走中のスキーロボットの方位と速度を計測できる計測装置を設け、
上記胴体部にコントローラを設け、上記計測装置からの検出量に基いて、上記コントローラが上記股関節内外転軸を制御可能なことを特徴とするスキーロボット。
【請求項２】
胴体部と、該胴体部の下方に設けられた左右の股関節を介して上記胴体部の荷重を支持する左右２本の脚部とを有し、雪面または同様の低摩擦斜面を滑走させるため、該脚部の接地面にそれぞれスキー板を装着したスキーロボットにおいて、
上記脚部には、脚部を屈曲可能とする膝関節を設け、
上記股関節には股関節を屈曲させる股関節屈曲軸を、上記膝関節には膝関節を屈曲させる膝関節屈曲軸を設け、
上記スキーロボットのいずれかの部位に滑走中のスキーロボットの方位と速度を計測できる計測装置を設け、
上記胴体部にコントローラを設け、上記計測装置からの検出量に基いて、上記コントローラが上記股関節屈曲軸と上記膝関節屈曲軸を制御可能なことを特徴とするスキーロボット。
【請求項３】
胴体部と、該胴体部の下方に設けられた左右の股関節を介して上記胴体部の荷重を支持する左右２本の脚部とを有し、雪面または同様の低摩擦斜面を滑走させるため、該脚部の接地面にそれぞれスキー板を装着したスキーロボットにおいて、
上記脚部には、脚部を屈曲可能とする膝関節を設け、
上記股関節には上記脚部を内外転させる股関節内外転軸と上記股関節を屈曲させる股関節屈曲軸を設け、上記膝関節には膝関節を屈曲させる膝関節屈曲軸を設け、
上記スキーロボットのいずれかの部位に滑走中のスキーロボットの方位と速度を計測できる計測装置を設け、
上記胴体部にコントローラを設け、上記測定装置からの検出量に基いて、上記コントローラが任意の上記股関節内外転軸、上記股関節屈曲軸、上記膝関節屈曲軸を制御可能なことを特徴とするスキーロボット。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のスキーロボットにおいて、
前記脚部と前記スキー板の接続部に荷重センサを設け、
上記荷重センサからの検出量に基いて、前記コントローラが任意の前記股関節内外転軸、前記股関節屈曲軸、前記膝関節屈曲軸を制御可能なことを特徴とするスキーロボット。
【請求項５】
胴体部と、該胴体部の下方に設けられた左右の股関節を介して上記胴体部の荷重を支持する左右２本の脚部とを有し、雪面または同様の低摩擦斜面を滑走させるため、該脚部の接地面にそれぞれスキー板を装着したスキーロボットにおいて、
上記股関節に上記脚部を内外転させる股関節内外転軸を設け、
上記脚部と上記スキー板の接続部に荷重センサを設け、
上記胴体部にコントローラを設け、
上記荷重センサからの検出量に基いて、上記コントローラが上記股関節内外転軸を制御可能なことを特徴とするスキーロボット。
【請求項６】
胴体部と、該胴体部の下方に設けられた左右の股関節を介して上記胴体部の荷重を支持する左右２本の脚部とを有し、雪面または同様の低摩擦斜面を滑走させるため、該脚部の接地面にそれぞれスキー板を装着したスキーロボットにおいて、
上記脚部には、脚部を屈曲可能とする膝関節を設け、
上記股関節には股関節を屈曲させる股関節屈曲軸を、上記膝関節には膝関節を屈曲させる膝関節屈曲軸を設け、
上記脚部と上記スキー板の接続部に荷重センサを設け、
上記胴体部にコントローラを設け、
上記荷重センサからの検出量に基いて、上記コントローラにより上記股関節屈曲軸と上記膝関節屈曲軸を制御可能なことを特徴とするスキーロボット。
【請求項７】
胴体部と、該胴体部の下方に設けられた左右の股関節を介して上記胴体部の荷重を支持する左右２本の脚部とを有し、雪面または同様の低摩擦斜面を滑走させるため、該脚部の接地面にそれぞれスキー板を装着したスキーロボットにおいて、
上記脚部には、脚部を屈曲可能とする膝関節を設け、
上記股関節には上記脚部を内外転させる股関節内外転軸と上記股関節を屈曲させる股関節屈曲軸を設け、上記膝関節には膝関節を屈曲させる膝関節屈曲軸を設け、
上記脚部と上記スキー板の接続部に荷重センサを設け、
上記胴体部にコントローラを設け、
上記荷重センサからの検出量に基いて、上記コントローラにより任意の上記股関節内外転軸、上記股関節屈曲軸、上記膝関節屈曲軸を制御可能なことを特徴とするスキーロボット。
【請求項８】
請求項２から請求項４、請求項６と請求項７のいずれかに記載のスキーロボットにおいて、
前記脚部に脚部の下肢部を旋回させる大腿部回転軸を設け、
前記コントローラは、前記計測装置、および／または、前記荷重センサからの検出量に基いて、前記大腿部回転軸を制御可能なことを特徴とするスキーロボット。
【請求項９】
請求項１から請求項４と請求項８のいずれかに記載のスキーロボットにおいて、前記計測装置は少なくとも速度センサと方位センサを備えることを特徴とするスキーロボット。
【請求項１０】
請求項４に記載の構成になるスキーロボットを制御する方法において、前記測定装置で斜面上の滑走方向を検出すると共に前記スキー板の滑走速度を検出し、これらの検出量とターン半径からスキーロボットに作用する遠心力を求めて、該遠心力と前記荷重センサから求めた重力との合力からスキーの回転に必要なスキー板の角付け角およびスキーロボットの姿勢を制御することを特徴とするスキーロボットの姿勢制御方法。
【請求項１１】
請求項１から請求項４、請求項８、請求項９のいずれかに記載の構成になるスキーロボットを制御する方法において、前記スキーロボットの滑走中の現在位置を求めると共に該現在位置と予め設定した所定のターン位置との間の距離を求め、該距離に対応してスキー板のエッジ角度を増減させてそのエッジを反転することにより、ターン切換えを行うことを特徴とするスキーロボットのターン切換え制御方法。
【請求項１２】
請求項４請求項８のいずれかに記載の構成になるスキーロボットを制御する方法において、前記スキーロボットの前記脚部下端の足部に設けた前記荷重センサから求めたそれぞれの検出量を用いることにより前記スキーロボットの各関節を動作させて、左右の上記足部がそれぞれ所定の荷重になるように左右方向へ重心移動を行って左右荷重のバランス制御を行う、または上記足部の前後がそれぞれ所定の荷重になるように前後方向へ重心移動を行って前後荷重のバランス制御を行うことを特徴とするスキーロボットの荷重バランス制御方法。
【請求項１３】
請求項１から請求項４、請求項８、請求項９のいずれかに記載の構成になるスキーロボットを制御する方法において、前記コントローラは、滑走中の前記スキーロボットの速度を求め、この速度が所定の値より大きい／小さいときには、各関節を動作させて、減速制御／増速制御を行うことを特徴とするスキーロボットの速度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スキーターンを行うロボットに関し、特には自身で動作を制御し所定のターン経路に沿って滑走を行えるスキーロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スキー技術の要をなすターン技術は、スキーの運動が非常に高速であり、かつ腰、膝等の関節の微妙な動きを必要とするため、スキーヤーの関節動作からこれを詳細に解析することは非常に困難であった。このため、ロボットにスキー板を履かせてスキー操作を行わせ、ターン技術を原理的に解析してスキー操作技術の上達、スキー用品の進歩などに役立てるためにスキーロボットが研究されてきた。
【０００３】
例えば特許文献１には、絨毯面などからなる斜面をラジコン操作により大腿部の回旋動作を制御してプルークボーゲン、シュテムターン、パラレルターン、ウエーデルンなどのアルペンスキーの技術で滑走しうるスキーロボットが開示されている。即ち、このスキーロボットには、腰部材の両側に設けた脚部材下端に前後方向に長いスキー部材が取り付けられている。またこの各脚部材は、その上側部位において下方に傾斜する軸線を中心として左方向あるいは右方向に同時に回動可能（内旋および外旋が可能）となるように前記腰部材に取り付けてなり、該各脚部材を、各々独立したサーボモータを用いて作動させ得るように構成している。そして、左右のサーボモータをラジコンによって独立的に作動させ、スキーロボットを所要動作で滑走させるものである。この構成からスキーロボットは、遠隔操作によって各々のスキー部材に関して回旋と角付けとを独立的に同時に行わせることができ、しかも回旋角度や角付け角度を独立的かつ微妙に調整することが可能であるとしている。
【０００４】
また従来スキーロボットとしては、予め決められた動作プログラムに従って所定の関節を動作させてスキーターンを行わせるものもあった。例えば、非特許文献１には、股関節の内外転動作のみを行うスキーロボットが紹介されている。このスキーロボットは、胴体部の下方左右にサーボモータにより内外転動作のみを自在とした股関節と、この股関節下部にそれぞれスキー板を足に履かせた左右２本の脚部とを有したロボットである。そしてこのロボットには、一定の斜度をもち表面に雪を敷いた滑走台の上でスキーターンを行わせており、またそのターン駆動制御は、所定のターン軌跡を創生するよう予め股関節の角度の変化動作を組んでおいた動作プログラムにより股関節を内外転のみ駆動して行われているものである。
【０００５】
また例えば、非特許文献２には、胴体部の下方左右の股関節にサーボモータ駆動の内外転軸と、左右の股関節にそれぞれ支承された脚部の大腿部にサーボモータ駆動の回旋軸とを設け、左右２本の脚部下端にそれぞれスキー板を履かせた構成のスキーロボットを開示している。このスキーロボットは、プログラム動作により脚部の内外転運動と、大腿部の回旋運動とを行わせてスキーターンを実現させている。そして、上記２軸の関節動作とスキー板に発生する力、ターン運動を照らし合わせてそれらの関係を分析している。
【０００６】
【特許文献１】特開昭６１−１２２８８１号公報（第２−３頁、第１図）
【非特許文献１】米山猛・香川博之「スキーロボットターンと作用力」日本機械学会論文集（Ｃ編）、６４巻６２３号（１９９８−７）、ｐ．２３６９、ｐ．２３７０、fig.３
【非特許文献２】米山猛・香川博之・舟橋奈津子「スキーロボットを用いたターン動作と作用力に関する研究」日本機械学会、スポーツ工学シンポジウム講演論文集、NO.０１−２２（２００１−１１）、ｐ．１２６、ｐ．１２７、fig.１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
スキーヤーが実際に自然環境下で滑降する場合、その滑走面である雪面の物理的条件、即ち、滑走斜面の傾斜角度や凹凸の大小、並びに粉雪、ざらめ雪、アイスバーン、新雪、深雪などの積雪状態は、刻々と変化する。このためスキーヤーは、これらの次々と変化する滑降条件に対しスキー操作により自己の滑走速度や滑走方向、滑走姿勢などを臨機応変に変化させて対応している。よってこのスキーヤーのスキー操作に似せようとすると、スキーロボットは、斜面の角度や凹凸、斜面とスキー板との摩擦係数などの物理的条件の変化にタイムリーに対応して自身の動作速度や動作状態を変化させ、スキー板の滑走速度や滑走方向、および自身の姿勢を制御できねばならない。しかしながら、確かに従来のスキーロボットには、関節を制御してスキー動作を行わせるロボットは存在したものの、自身の滑走状態を把握しながら、自らが動作の制御を行えるものではなかった。
【０００８】
たとえば、特許文献１に記載のスキーロボットは、各種の関節動作でターンが可能であること、およびその中でも大腿部の回旋動作が効果的な動作であることなどを示している。しかし、ロボット操作は、マニュアルによる操作と実演に限られており、ロボットが自己判断により自身でスキー操作を行っている技術ではない。
【０００９】
また従来、例えば非特許文献１、または非特許文献２に開示されたロボットのように、予め決められた動作プログラムに従って関節を動作させてスキーターンを行わせるスキーロボットもあった。これらの内で前者の非特許文献１に紹介されたスキーロボットは、一定の斜度をもち表面に雪を敷いた滑走台の上でスキーターンを行っており、またそのターン駆動制御は、所定のターン軌跡を追従するよう予め股関節の角度の変化動作を組込んでおいた動作プログラムにより股関節の内外転のみを駆動して行っているものである。次いで後者の非特許文献２のスキーロボットは、胴体部の左右股関節に内外転軸と、左右股関節に支承された脚部の大腿部に回旋軸とを設けた構成であり、やはりプログラム動作によりこれら脚部の内外転運動と、大腿部の回旋運動とを行わせてスキーターンを実現させている。このようにこれらのスキーロボットは、前もって入力設定されたプログラム動作により所定の関節を制御して定められたスキー動作を行うものであり、滑降時に自己判断により自身で滑走を制御していない。
【００１０】
以上述べた理由から、従来のスキーロボットでは、滑降斜面の物理的条件変化の激しい状況の中で、常に安定して滑走することは極めて難しい。即ち、従来のロボット制御方法では、斜面の角度が変化したり、斜面とスキー板との摩擦係数が変化したりすると、その都度、即座に、ターンのプログラムを予め探索しておいた転倒しないための条件（変化後に適応する条件）でのプログラムに変更する必要がある。しかし、この条件設定は至難であるばかりかその変更にも即応性がない。よって、この従来のスキーロボットでは、コースを定めないフリー滑走は勿論、ターン切換え位置を指定したターン軌道の滑走もこれを安定して行うことができない。また例えば、予め立てられたポールの間をターンするコースなど所定のターン経路を設定しその通過速度を競うスキー競技などでは、そのスキー動作をロボットの実演解析によりスキルアップするのが有効であると考えられるが、この高速かつ複雑なスキーターン動作を従来型のロボットで実現させることは不可能であると言える。
【００１１】
本発明は前述の問題点に着目してなされたもので、滑走面の条件変化に対応して自身で動作を制御し、所定のターン経路に沿って安定して滑走できるスキーロボットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、第１発明は、胴体部と、該胴体部の下方に設けられた左右の股関節を介して上記胴体部の荷重を支持する左右２本の脚部とを有し、雪面または同様の低摩擦斜面を滑走させるため、該脚部の接地面にそれぞれスキー板を装着したスキーロボットにおいて、
上記股関節に上記脚部を内外転させる股関節内外転軸を設け、
上記スキーロボットのいずれかの部位に滑走中のスキーロボットの方位と速度を計測できる計測装置を設け、
上記胴体部にコントローラを設け、上記計測装置からの検出量に基いて、上記コントローラが上記股関節内外転軸を制御可能なことを特徴とする。
上記「計測装置」とは、滑走中のスキーロボットの方位と速度を測定できる様々な装置をいい、方位センサや速度センサのみならず、３軸加速度計を含むものとする。また、後述するロボットを外部からビデオカメラにより撮影した画像から検出し無線によってロボットにフィードバックする実施形態の場合、このフィードバックするための装置が計測装置に該当する。
【００１３】
また、スキーロボットの用途に応じて、第２発明は、胴体部と、該胴体部の下方に設けられた左右の股関節を介して上記胴体部の荷重を支持する左右２本の脚部とを有し、雪面または同様の低摩擦斜面を滑走させるため、該脚部の接地面にそれぞれスキー板を装着したスキーロボットにおいて、
上記脚部には、脚部を屈曲可能とする膝関節を設け、
上記股関節には股関節を屈曲させる股関節屈曲軸を、上記膝関節には膝関節を屈曲させる膝関節屈曲軸を設け、
上記スキーロボットのいずれかの部位に滑走中のスキーロボットの方位と速度を計測できる計測装置を設け、
上記胴体部にコントローラを設け、上記計測装置からの検出量に基いて、上記コントローラが上記股関節屈曲軸と上記膝関節屈曲軸を制御可能なことを特徴とする。
【００１４】
更に、第３発明は、胴体部と、該胴体部の下方に設けられた左右の股関節を介して上記胴体部の荷重を支持する左右２本の脚部とを有し、雪面または同様の低摩擦斜面を滑走させるため、該脚部の接地面にそれぞれスキー板を装着したスキーロボットにおいて、
上記脚部には、脚部を屈曲可能とする膝関節を設け、
上記股関節には上記脚部を内外転させる股関節内外転軸と上記股関節を屈曲させる股関節屈曲軸を設け、上記膝関節には膝関節を屈曲させる膝関節屈曲軸を設け、
上記スキーロボットのいずれかの部位に滑走中のスキーロボットの方位と速度を計測できる計測装置を設け、
上記胴体部にコントローラを設け、上記測定装置からの検出量に基いて、上記コントローラが任意の上記股関節内外転軸、上記股関節屈曲軸、上記膝関節屈曲軸を制御可能なことを特徴とする。
【００１５】
また、第４発明は、上記したスキーロボットにおいて、前記脚部と前記スキー板の接続部に荷重センサを設け、
上記荷重センサからの検出量に基いて、前記コントローラが任意の前記股関節内外転軸、前記股関節屈曲軸、前記膝関節屈曲軸を制御可能なことを特徴とする。これにより、スキーヤーの動作に近いスキー操作が可能となる。
【００１６】
第５発明は、胴体部と、該胴体部の下方に設けられた左右の股関節を介して上記胴体部の荷重を支持する左右２本の脚部とを有し、雪面または同様の低摩擦斜面を滑走させるため、該脚部の接地面にそれぞれスキー板を装着したスキーロボットにおいて、
上記股関節に上記脚部を内外転させる股関節内外転軸を設け、
上記脚部と上記スキー板の接続部に荷重センサを設け、
上記胴体部にコントローラを設け、
上記荷重センサからの検出量に基いて、上記コントローラが上記股関節内外転軸を制御可能なことを特徴とする。
【００１７】
第６発明は、胴体部と、該胴体部の下方に設けられた左右の股関節を介して上記胴体部の荷重を支持する左右２本の脚部とを有し、雪面または同様の低摩擦斜面を滑走させるため、該脚部の接地面にそれぞれスキー板を装着したスキーロボットにおいて、
上記脚部には、脚部を屈曲可能とする膝関節を設け、
上記股関節には股関節を屈曲させる股関節屈曲軸を、上記膝関節には膝関節を屈曲させる膝関節屈曲軸を設け、
上記脚部と上記スキー板の接続部に荷重センサを設け、
上記胴体部にコントローラを設け、
上記荷重センサからの検出量に基いて、上記コントローラにより上記股関節屈曲軸と上記膝関節屈曲軸を制御可能なことを特徴とする。
【００１８】
第７発明は、胴体部と、該胴体部の下方に設けられた左右の股関節を介して上記胴体部の荷重を支持する左右２本の脚部とを有し、雪面または同様の低摩擦斜面を滑走させるため、該脚部の接地面にそれぞれスキー板を装着したスキーロボットにおいて、
上記脚部には、脚部を屈曲可能とする膝関節を設け、
上記股関節には上記脚部を内外転させる股関節内外転軸と上記股関節を屈曲させる股関節屈曲軸を設け、上記膝関節には膝関節を屈曲させる膝関節屈曲軸を設け、
上記脚部と上記スキー板の接続部に荷重センサを設け、
上記胴体部にコントローラを設け、
上記荷重センサからの検出量に基いて、上記コントローラにより任意の上記股関節内外転軸、上記股関節屈曲軸、上記膝関節屈曲軸を制御可能なことを特徴とする。
【００１９】
第８発明は、上記したスキーロボットにおいて、
前記脚部に脚部の下肢部を旋回させる大腿部回転軸を設け、
前記コントローラは、前記計測装置、および／または、前記荷重センサからの検出量に基いて、前記大腿部回転軸を制御可能なことを特徴とする。
【００２０】
また、第９発明は、上記したスキーロボットにおいて、前記計測装置は少なくとも速度センサと方位センサを備えることを特徴とする。これにより、簡易・安価に本発明を実施することが可能となる。
【００２１】
第１０発明は、上記した構成になるスキーロボットを制御する方法において、前記方位センサで斜面上の滑走方向を検出すると共に前記速度センサで前記スキー板の滑走速度を検出し、これらの検出量とターン半径からスキーロボットに作用する遠心力を求め、該遠心力と前記荷重センサから求めた重力との合力からスキーの回転に必要なスキー板の角付け角およびスキーロボットの姿勢を制御する方法としている。
【００２２】
また第１１発明は、上記した構成になるスキーロボットを制御する方法において、前記スキーロボットの滑走中の現在位置を求めると共に該現在位置と予め設定した所定のターン位置との間の距離を求め、該距離に対応してスキー板のエッジ角度を増減させてそのエッジを反転することによりターン切換えを行う制御方法としている。
【００２３】
第１２発明は、上記した構成になるスキーロボットを制御する方法において、前記スキーロボットの前記脚部下端の足部に設けた前記荷重センサから求めたそれぞれの検出量を用いることにより前記スキーロボットの各関節を動作させて、左右の上記足部がそれぞれ所定の荷重になるように左右方向へ重心移動を行って左右荷重のバランス制御を行う、または上記足部の前後がそれぞれ所定の荷重になるように前後方向へ重心移動を行って前後荷重のバランス制御を行う制御方法としている。
【００２４】
第１３発明は、上記した構成になるスキーロボットを制御する方法において、前記コントローラは、滑走中の前記スキーロボットの速度を求め、この速度が所定の値より大きい／小さいときには、各関節を動作させて、減速制御／増速制御を行うことを特徴とするスキーロボットの速度制御方法としている。
【発明の効果】
【００２５】
第１発明から第９発明により、スキーロボットは備えた計測装置（方位センサ、速度センサ）並びに荷重センサにより、滑走状態に関する様々な情報を得て、その情報に基いて適宜スキー操作を行える。これにより、用途や目的に応じた様々な滑走が実現可能となる。
【００２６】
第１発明から第４発明によるとスキーロボットは、ロボット自身に搭載した速度センサ、方位センサによりロボット滑走時の各時点における滑走速度と滑走方向（斜面の最大傾斜ラインとのなす角度）を求めることができる。そして、自身のコントローラによりこの滑走速度と滑走方向のデータの積分からロボットの現在位置を求めることができる。更に、第４発明のスキーロボットは、コントローラにより（以降省略する）これらの検出量と荷重センサおよびロボットの各関節角度（ロボットの姿勢）とから所定位置における滑走中の荷重バランスの状態を知ることができ、次にロボットが取るべき転倒防止のための姿勢制御を行うことができる。これよりスキーロボットは、その滑走速度や滑走方向が斜面の角度や凹凸、斜面とスキー板との摩擦係数などの物理的条件やロボットの動作速度や動作状態によって変化しても、その時点で起こすべき次の動作を決めこれを自身でタイムリーに実行することができる。さらにロボットは、所定のターン軌道上での現在位置を求めると共にこれを認識してその都度次にとるべき姿勢ダイヤグラム（所定のターン軌跡を滑走するための関節角動作のダイヤグラム）を決定し、これに従った各関節の動作の制御を即座に実行することにより所定のターン軌道上を安定して滑走することができる。
【００２７】
第９発明によると、簡易・安価に本発明を実施することが可能となる。また、装置の小型化・軽量化により、スキーロボットの操作性が向上する。
【００２８】
また第１０発明によると、スキー板に設けた方位センサおよび速度センサからの検出量を演算してスキーロボットの重心位置での滑走方向および滑走速度を検出し、これらの検出量とターン半径からスキーロボットの重心に作用する遠心力を求める。そして、該遠心力と前記荷重センサから求めた重力との合力からスキーの回転に必要なスキー板の角付け角およびスキーロボットの姿勢を制御することができる。即ち、スキーロボットの重心からの作用力の方向が２本のスキー板の間を通るように股関節の内外転軸角度を操作して、スキー板のエッジ角度を合わせることで転倒しない姿勢を保つことができる。このように本発明のスキーロボットは、スキーヤーがターン時に内傾姿勢をとってエッジを立てこの時生じる遠心力に対抗するスキー操作に似せた動作が行えるので、倒れることなく安定してターンができる。
【００２９】
第１１発明によると、スキーロボットは、所定ターンの動作中にスキー板上の速度センサと方位センサとの検出量から滑走速度と滑走方向とをそれぞれ求め、また滑走速度と滑走方向との検出量の積分から滑走現在位置を計算で求める。そして、この現在位置と予め設定したターン位置（エッジ反転位置）との間の距離を求め、この距離に対応してスキー板のエッジ角度を増減させてそのエッジを反転することによりロボット自身でターン切換えを行うことができる。また、複数のターンを組み合わせた所定のターン軌道を滑走する場合も、ロボット自身が滑走状態を把握しながら次にとるべき姿勢ダイヤグラム（関節角動作のダイヤグラム）を作成することができ、このダイヤグラムに従って関節を操作することで複数のターンよりなる所定のターン経路に沿ってスキー操作ができる。例えばロボットは、所定のターン経路（予め立てられたポールの間をターンするコースなど）を滑走するように動作の制御が行える。
【００３０】
第１２発明によると、スキーロボットは、脚部下端の左右足部に荷重センサをそれぞれ設けているので、これらの検出量を用いることにより股関節の内外転軸を動作させ、左右の該足部がそれぞれ所定の荷重になるよう前記スキーロボットの左右方向へ重心移動を行って左右荷重のバランス制御を行うことができる。この左右荷重のバランス制御によりスキーロボットは、例えば両足荷重を均等にする制御を行うことにより、新雪、深雪など両足の均等荷重を必要とするターンを行える。また左右の荷重比を一定にする制御を用いて、外足に多くの荷重をかけてターンすることにより、切れのいい（エッジがずれない）高速ターンが可能となる。
【００３１】
一方、第４発明から第８発明などは、足部の前後にそれぞれ荷重センサを設けているので、これらの検出量を用いて足部の前後がそれぞれ所定の荷重になるよう股関節または膝関節の屈曲軸を動作させると共に前後方向へ重心移動を行って、前傾姿勢または後傾姿勢をとり前後荷重のバランス制御を行うこともできる。例えば、滑走中に滑走面の摩擦係数など抵抗が変化して急に減速（加速）した場合には、後傾姿勢（前傾姿勢）を即座にとって前後のバランスを取ることができる。また、滑走面の凹凸変化または傾斜変化が生じた場合においても、前後方向への重心移動を対応させて前後方向の姿勢制御ができる。またこの制御を応用して、ターンの前半で前荷重を後荷重より大きくすれば、スキー板の前部が押さえられるのでターンの始動（エッジの切込み）が容易になり、またターンの後半で後荷重を前荷重より大きくすれば、スキー板の前部が浮いて食い込んでいたエッジが外れ次のターンの切換え（エッジ切換え）が容易になる効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下本発明に係るスキーロボットの実施形態について図面を参照して説明する。
まず、本発明のスキーロボットの構成を図１、２を用いて説明する。ここに、図１は本発明に係るスキーロボットおよびセンサを示す図であり、図１（ａ）はその正面図を、図１（ｂ）はその側面図を示している。また、図２は本発明に係るスキーロボットの関節およびセンサの構成を示す簡略図である。図１、２に示すように、スキーロボット１は、胴体部４と、左右２本の脚部２と、この脚部２の下部にそれぞれ設けられた２本のスキー板３と、荷重センサ３１、方位センサ３２および速度センサ３３などの各センサとで構成されている。
【００３３】
（胴体部４）
胴体部４は、人体の上半身の重量配分を模した概略直方体の形状を成して配設され、その下部の左右には股関節２０（２０Ｌ，２０Ｒ：左側をＬ、右側をＲで示す。以下同様）がそれぞれ設けられている。またこの胴体部４には、前記各センサ（３１、３２、３３、）からの信号を受けて演算した指令値を各関節軸に設けられたサーボモータ（詳細図示せず）に出力して関節軸を駆動制御するコントローラ５が内装されている。
【００３４】
（コントローラ５）
コントローラ５は、前記演算を行うために、各センサ３０からの信号を受け取る受信部と、前記信号を用いて演算を行う処理部と、データとプログラムを記憶する記憶部と、サーボモータへの指令値をサーボモータに送る送信部とからなる。処理部としてＣＰＵを用い、記憶部としてＲＡＭを用いる。これらは既知の装置を用いて実現可能である。センサ３０とは、後述する荷重センサ３１、方位センサ３２、速度センサ３３など、スキーロボットに用いられる各種センサを含む用語である。その装置としては、汎用されているセンサを用いれば足りる。なお、この発明を実施するにあたり、荷重センサ３１、方位センサ３２、速度センサ３３のすべてを用いる必要は必ずしもなく、実施の目的に応じて、一つもしくは複数のセンサを組み合わせて実施してもよい。また、その他のセンサを追加して用いることも可能である。
【００３５】
（脚部２）
脚部２（２Ｌ，２Ｒ）は、前記股関節２０（２０Ｌ，２０Ｒ）を介してその下方に連結されたそれぞれの大腿部１３（１３Ｌ，１３Ｒ）と、その大腿部１３（１３Ｌ，１３Ｒ）の下端で膝関節１０（１０Ｌ，１０Ｒ）を介して連結された下肢部１４（１４Ｌ，１４Ｒ）と、この下肢部１４とスキー板３の間に設けられた足部１５（１５Ｌ，１５Ｒ）とで構成されている。
【００３６】
（スキー板３）
スキー板３（３Ｌ，３Ｒ）は、その長手方向を胴体部４に対し前後方向（進行方向）に向けて下肢部１４（１４Ｌ，１４Ｒ）の下端に足部１５（１５Ｌ，１５Ｒ）を介して装着されている。ここで下肢部１４（１４Ｌ，１４Ｒ）は、スキー板３上面の垂直線に対し前後方向に所定の前傾角度（望ましくは１０°±５°程度）をもって足部１５（１５Ｌ，１５Ｒ）に装着されている。またスキー板３の幅方向の両側面には、所定のターン半径が得られるような円弧でカットされたサイドカーブを有している。これは昨今のカービングスキー板を模したものであるが、大回りターンまたは小回りターンなどの用途目的に合わせてさまざまなサイドカーブを持たせても良いのは勿論である。
【００３７】
（荷重センサ３１）
荷重センサ３１（３１Ｌ、３１Ｒ）は、下肢部１４（１４Ｌ，１４Ｒ）と足部１５（１５Ｌ，１５Ｒ）との間に設けられた左右の足首部荷重センサ３１Ａ（３１ＡＬ、３１ＡＲ）と、足部１５（１５Ｌ，１５Ｒ）の前後でスキー板３（３Ｌ，３Ｒ）との間にそれぞれ足裏前部荷重センサ３１Ｂ（３１ＢＬ、３１ＢＲ）と、足裏後部荷重センサ３１Ｃ（３１ＣＬ、３１ＣＲ）とが設けられている。このように左右各３個の荷重センサ３１を設けたことにより、左右の足首部荷重センサ３１Ａ（３１ＡＬ、３１ＡＲ）の検出量から左右の荷重配分、即ち内足外足の荷重配分が検出でき、また足裏前部荷重センサ３１Ｂ（３１ＢＬ、３１ＢＲ）と足裏後部荷重センサ３１Ｃ（３１ＣＬ、３１ＣＲ）の各検出量から胴体部４の前傾姿勢、後傾姿勢が判別できる。
【００３８】
（方位センサ３２）
方位センサ３２（３２Ｌ、３２Ｒ）は、スキー板３（３Ｌ，３Ｒ）の前方上面に載置されている。この方位センサ３２により（下肢部の回旋角度が零の場合の）スキーロボット１の進行方向を認識できる。
【００３９】
（速度センサ３３）
速度センサ３３（３３Ｌ、３３Ｒ）は、図３に示すように、前記スキー板３（３Ｌ，３Ｒ）の速度をその検出部であるローラ３３Ａの回転量で読み取るため、該ローラ３３Ａを回転自在、かつ、ローラ取付軸３５を中心に揺動自在にすると共に前記スキー板３の後端部に突出させて滑走面に接地するよう設けられている。ここでスキーロボット１はその滑走各地点において、方位センサ３２の検出量より滑走方向（斜面の最大傾斜ラインとのなす角度）を、速度センサ３３の検出量より滑走速度を、また速度センサ３３と方位センサ３２との検出量の積分値より滑走位置をそれぞれ求めることができる。具体的には、滑走各地点において、方位センサ３２からの信号が電圧値の変化としてコントローラ５に送られる。速度センサ３３からの信号は、単位時間当たりの回転数が電圧値の変化としてコントローラ５に送られる。このように、各センサから送られる信号が検出量である。
【００４０】
（股関節２０）
股関節２０（２０Ｌ，２０Ｒ）は、股関節内外転軸２１（２１Ｌ，２１Ｒ）とその下方に設けられた股関節屈曲軸２２（２２Ｌ，２２Ｒ）とで構成されている。そして、前者の股関節内外転軸２１（２１Ｌ，２１Ｒ）は、前記胴体部４に対し前後方向（スキー進行方向）の中心軸を有しこの軸を中心として前記脚部２（２Ｌ，２Ｒ）を前記胴体部４の左右方向（スキー進行方向に対して直角方向）に内外転させるために股関節２０（２０Ｌ，２０Ｒ）に設けられている。また後者の股関節屈曲軸２２（２２Ｌ，２２Ｒ）は、前記股関節内外転軸２１（２１Ｌ，２１Ｒ）と軸直角に連結された中心軸を有しこの軸を中心として前記脚部２（２Ｌ，２Ｒ）を前後方向面内で屈曲させるために股関節２０（２０Ｌ，２０Ｒ）に設けられている。
【００４１】
（膝関節１０）
膝関節１０（１０Ｌ，１０Ｒ）は、大腿部回旋軸１１（１１Ｌ，１１Ｒ）とその下方に設けられた膝関節屈曲軸１２（１２Ｌ，１２Ｒ）とで構成されている。そして前者の大腿部回旋軸１１（１１Ｌ，１１Ｒ）は、前記下肢部１４を前記大腿部１３の長軸（長手方向の中心軸）回りに旋回自在とするためこの長軸に沿って大腿部１３内に設けられている。また後者の膝関節屈曲軸１２（１２Ｌ，１２Ｒ）は、前記大腿部回旋軸１１（１１Ｌ，１１Ｒ）とその下方で軸直角に連結されると共に前記下肢部１４（１４Ｌ，１４Ｒ）を前後方向面内で屈曲させるため膝関節１０（１０Ｌ，１０Ｒ）に設けられている。なおこれらの各軸はすべてサーボモータ（図示せず）で回動可能な構成となっている。
【００４２】
本発明のスキーロボット１は、前述の構成により以下のような制御を行うことができる。これらの制御を図４〜図１２を用いて下記に説明する。
【００４３】
（滑走速度の計測例）
図４は、本発明に係る速度センサから得られたスキーロボット１の滑走速度の計測例を示す図である。図のように速度センサ３３により刻々と変化しているスキー板、即ちスキーロボット１の滑走速度を検出できる。
【００４４】
（足荷重の計測例）
図５は、本発明に係るスキーロボットのターン中における左右足荷重の計測例を示す図である。図の荷重値は、スキーロボット１のターン中に左右それぞれのスキー板３にかかる荷重値を表していることになる。図によれば、左右のスキー板３にかかる荷重は時間経過と共にその大小が交互に入れ替っており、またその値はある値を境にして略線対称となっているのが見てとれる。この交番荷重の交差部分は右左ターンの切換え位置を示している。また、左（右）スキー板３の荷重値の極大時はその右（左）エッジ角が最大となる右（左）ターン時で、この際他方の右（左）スキー板３の荷重値はほぼ極小値を示していることから、外足側の左（右）スキー板３にほぼ全荷重がのり、片足荷重の状態に近くなっているのがわかる。
【００４５】
（関節角のダイヤグラム）
図６は、本発明に係るスキーロボットの関節角のダイヤグラム例を示す図である。このうち図６（ａ）は、股関節内外転軸２１の内外転角と大腿部回旋軸１１の回旋角とのダイヤグラム例を示している。この図では股関節内外転軸２１の内外転角は左右（＋−）に振れておりスキー板３のエッジ角を切換えて左右交互のターン切換えが行われているのがわかる。また大腿部回旋軸１１の回旋角は、このエッジ角切換えに対し少し遅らせたタイミングで回旋させることにより、前記エッジ角切換えでの左右のターンに連動させてスキー板３に左右交互の回旋を与えているのがわかる。また図６（ｂ）は、左右それぞれの脚部２の股関節屈曲軸２２と膝関節屈曲軸１２との屈曲角のダイヤグラム例を示している。図によれば、左右の脚部の屈曲角は時間経過と共にその大小が交互に入れ替っており、またその値はある値を境にして略線対称となっているのが見てとれる。この左右屈曲角曲線の交差部分は、左右の屈曲角が同じ（脚部２の脚長が同じ）であり脚部の左右方向の傾きがないことからスキー板３のエッジ角が零になった状態、即ち右左ターンの切換え位置を示している。また、左右いずれか一方の脚部２が最大の屈曲角となり脚長が最大に伸びた時（図中、ＭＰとして表記）、他方の脚部２は最小の屈曲角となり脚長が最小に縮まっている。これは、脚部の左右方向傾きが最大となった状態、即ちスキー板３のエッジ角が最大になった状態を表している。
【００４６】
（ターン制御方法の種類）
スキーロボット１に行わせるターン制御方法を、図７〜図１２を用いて説明する。これには、(1) ターン反転制御、(2) ターン半径の制御、(3) 姿勢（転倒防止）制御、(4) 荷重バランス制御、(5)速度制御などがある。これらの制御は、センサ３０からの信号を胴体部４に内蔵したコントローラ５で演算処理すると共に所定の動作をさせるための出力を所定の関節のサーボモータに与えこれを駆動させることで行われる。以下これらの制御について個々に説明する。
【００４７】
（(1) ターン反転制御）
ターン反転制御（ターン切換え制御）について、ターンの反転方法を示す図７を用いて説明する。スキーロボット１は、滑走中に常に自身の現在位置を算出している。この現在位置は、ある元の位置において、方位センサ３２による滑走方向データと速度センサ３３による滑走速度データとから、該元の位置から微小時間後の位置変位を求め、これをスタート位置から累積して求めている。図においてターン反転制御は、滑走中の現在位置Ｔｏと予め設定した所定のターン反転位置（ターン反転点）Ｔとの間の距離Ｘに対応してスキー板のエッジ角度αを操作してターン反転を行う。即ちスキーロボット１は、現在の左（右）ターン滑走中に現在位置Ｔｏと予め設定した所定のターン反転位置Ｔとの距離Ｘを求める。そして、このターン反転点Ｔからの距離が所定の規定値より小さくなった時点でスキー板３の左（右）エッジの反転前のエッジ角α１を減少させ始め、このターン反転位置でエッジ角は零（α＝０）となるようにする。そして、ターン反転位置Ｔを通過した後に、スキー板３の右（左）エッジの反転後のエッジ角α２（α２はα１に対し正負逆符号）に反転させ除々にこの反転後のエッジ角α２を増大させて、右（左）ターンを始動させる。なお、ターン反転位置Ｔの前後におけるエッジ角αの増減量は、ターン反転位置Ｔからの距離Ｘに比例した量で制御している。本制御におけるエッジ角αの増減は、二つの実施形態で実現可能である。一つは、股関節２０および膝関節１０の屈曲動作による左右両脚２Ｌ、２Ｒの屈曲差を用いた脚部２の傾け動作であり、もう一つは、股関節２０の内外転動作により行う。
【００４８】
「左右両脚の屈曲差」とは、右脚部２Ｒの屈曲の程度と左脚部２Ｌの屈曲の程度を不均一として、胴体部４から一方のスキー板３までの距離と、胴体部４から他方のスキー板３までの距離の差を意味する。左右両脚の屈曲差は、股関節屈曲部２２と膝関節屈曲部１２の屈曲の程度を適宜に設定することで実施可能である。その際、股関節と膝関節、左右の関節の屈曲の程度は、同じ比率にする必要はなく、各関節（２２Ｌ、２２Ｒ、１２Ｌ、１２Ｒ）のそれぞれを独立した値で制御してもよい。この脚部２の傾け動作を実施する場合、股関節屈曲部２２と膝関節屈曲部１２が必須の構成である。股関節内外転軸２１は、必須ではないものの、実施に望ましい構成である。
【００４９】
「股関節２０の内外転動作」とは、股関節２０に設けた股関節内外転軸２１を用い、この股関節内外転軸２１を左右に適宜回旋させることで、エッジ角αの増減を行う。この動作を行う場合、股関節屈曲部２２と膝関節屈曲部１２を屈曲させなくともよいし、適宜屈曲させてもよい。「股関節２０の内外転動作」の実施形態においては、股関節内外転軸２１が必須の構成であり、股関節屈曲部２２と膝関節屈曲部１２は、実施に望ましい構成といえる。
【００５０】
このターン反転制御を用いれば、スキーロボット１は自身で滑走状態を把握しながら予め指定した所定のターン軌道に沿ってターン切換えを行うことができる。また、複数のターンよりなるターン軌道を滑走する場合も、ロボット自身が滑走状態を把握しながら次にとるべき関節角動作のダイヤグラム（図６参照）を作成しこのダイヤグラムに従って関節を操作することでターン経路に沿ってスキー操作ができる。例えばロボットは、所定のターン経路（予め立てられたポールの間をターンするコースなど）を滑走するようにスキー動作の制御が行える。
【００５１】
((2) ターン半径の制御)
ターン半径の制御を図８により説明する。このターン半径（ターン弧の大きさ）を換える制御はエッジ角の変化速度を増減させて行っている。即ち図において、ターン半径Ｒがエッジ角αに依存し、ターン反転位置Ｔの前後のエッジ角αを変化させる速度を遅くすればターン半径は大きめに、速くすれば小さめになることを利用して、スキー板３のエッジ角の変化速度βを増減させて行っている。スキーロボット１は、前述のようにエッジ角αを変化させることによりターン反転を行うが、図８（ａ）に示すように、ターン反転位置Ｔの前の左（右）ターン滑走中においてエッジ角の変化速度βを所定のエッジ角減少速度β０とした場合、このターン半径Ｒは、所定のターン半径Ｒ０の円弧を描くものとする。そして、図８（ｂ）に示すように、ターン反転位置Ｔの前の左（右）ターン滑走中に、エッジ角変化速度β１を上記所定のエッジ角変化速度β０より小さくすれば、この場合のターン半径Ｒ１は上記所定のターン半径Ｒ０より大きくなる。また、これとは逆に（図示しないが）、ターン反転位置Ｔの前の左（右）ターン滑走中にエッジ角変化速度β１を上記所定のエッジ角変化速度β０より大きくすれば、この場合のターン半径Ｒ１は上記所定のターン半径Ｒ０より小さくなる。またさらに、ターン反転点位置Ｔの後の右（左）ターン滑走中においても、エッジ角変化速度とターン半径の大小の関係は前述と同様であるので、エッジ角変化速度を小さく（大きく）すれば、ターン半径は大きく（小さく）なる。
【００５２】
この実施形態は、ターン反転点位置Ｔの通過を契機として、エッジ角の変化速度を大きくする、もしくは、小さくすることを特徴とする実施形態である。
【００５３】
本制御におけるエッジ角の変化速度の増減は、前述の股関節２０および膝関節１０の屈曲動作による左右両脚２Ｌ、２Ｒの屈曲差を用いた脚部２の傾け動作、または股関節回転軸２１の内外転動作を加速または減速することにより行うことができる。さらに、左右方向の重心移動の速度を変化させてエッジ角変化速度を増減させてもターン半径のコントロールを行うことができる。
【００５４】
（(3) 姿勢制御）
姿勢（転倒防止）制御を、転倒防止制御の説明図である図９を参照してこれを説明する。この転倒防止制御は、スキーロボット１がターン動作により発生する遠心力に対抗してターン中心へ向かう方向への重心移動により向心力を発生させると共に、これらを釣合わせることで行っている。スキーロボット１は、次のようにして現状の姿勢をバランスさせる制御を行っている。即ちスキーロボット１はターン滑走中に、図９に示すように、自身の重心Ｇからの重力ベクトルＦｇを求めると共に、方位センサ３２、速度センサ３３からそれぞれ演算して得た滑走方向、滑走速度ｖと現在のエッジ角αから演算したターン半径ｒとから遠心力ベクトルＦｃ（ｍ×ｖ2／ｒ、ｍはスキーロボット１の質量）を求め、これら重力ベクトルＦｇと遠心力ベクトルＦｃから合ベクトルＦを求める。そして、スキーロボット１の重心Ｇからこの合ベクトルＦの方向に引いた直線が左右両スキー板３Ｌ，３Ｒの間の滑走面上位置Ｐを通るように、スキー板３Ｌ，３Ｒのエッジ角αを合わせる補正を行い、左右方向に重心Ｇの移動を行う。この際、補正前（現状）のエッジ角αは左右脚部２Ｌ，２Ｒの内外転角または左右脚部２Ｌ，２Ｒの屈曲差を用いた脚部２の傾き角から算出でき、またエッジ角αの増減操作は、股関節および膝関節の屈曲動作による左右脚部２Ｌ，２Ｒの屈曲差を用いた脚部２の傾け動作、または股関節の内外転動作により行える。このようにして、スキーロボット１の重心Ｇからの作用力（合ベクトルＦ）の方向が左右２本のスキー板３Ｌ，３Ｒの間を通るようにすれば、重心Ｇからの前記合ベクトルＦが両スキー板３Ｌ，３Ｒに作用する滑走面からの反力ベクトルＮと釣合う、言い換えれば、重心位置において、ターン動作により発生した遠心力ベクトルＦｃが、重心移動により発生させたこの反力ベクトルの遠心力方向の分力である向心力ベクトルＮｃと釣合うので、スキーロボット１は転倒しない。このように左右方向へ重心移動を行うことによりターン時にスキーヤーのように遠心力に対抗させる内傾姿勢がとれてターン中の姿勢が安定する。
【００５５】
なお、前述では、方位センサと速度センサとから求めた重力ベクトルと遠心力ベクトルとにより合ベクトルを算出したが、この方法によらずスキーロボット１に３軸加速度計を取り付けて、これより重心に作用する合ベクトルを直接求めてもよい。そしてこの場合も、重心からこの合ベクトルの方向に引いた直線が両スキーの間を通るようにエッジ角を合わせることで姿勢（転倒防止）制御を行えばよい。
【００５６】
（(4) 荷重バランス制御）
荷重バランス制御を説明する。この本発明の荷重バランス制御には、左右バランス制御と前後荷重のバランス制御とがある。これらのうち前者の制御は、左右バランス制御の説明図である図１０を、また後者の制御は、前後バランス制御の説明図である図１１を用いて以下説明する。
【００５７】
（左右の荷重バランス制御）
前者の左右荷重のバランス制御には、図１０に示すように、左右足部の荷重を均等にする制御と左右足部の荷重比を一定にする制御とがある。図１０（ａ）に示すように、先の左右足部の荷重を均等にする制御は、まず、左右のスキー板３Ｌ，３Ｒ上に取り付けた足首部荷重センサ３１ＡＬ，３１ＡＲの出力から左右のスキー板３Ｌ，３Ｒにかかる現在の足部左荷重ＷａＬおよび足部右荷重ＷａＲをそれぞれ求める（図５参照）。そして、図１０［ａ１］のように股関節の内外転動作によるか、または、図１０［ａ２］のように左右の股関節および膝関節の屈曲差を用いた脚部２の傾け動作（体の傾け）によるかの上体の左右重心移動により、これら左右のスキー板３Ｌ，３Ｒにかかる現在の荷重を均等にする制御を行う。即ち、外足のスキー板３Ｌ（ターン円弧の外側にあるスキー板）にかかる足部左荷重ＷａＬと内足スキー板３Ｒ（ターン円弧の内側にあるスキー板）にかかる足部右荷重ＷａＲとが均等（ＷａＬ＝ＷａＲ）になるように補正制御する。
【００５８】
また、図１０（ｂ）に示すように、後の左右足部の荷重比を一定にする制御は、図１０［ｂ１］のように、股関節の内外転動作によるか、または、図１０［ｂ２］のように、左右の股関節および膝関節の屈曲差を用いた脚部２の傾け動作（体の傾け）によるかの上体の左右重心移動により、左右のスキー板３Ｌ，３Ｒにかかる現在の足部左荷重ＷａＬ，足部右荷重ＷａＲをこれらの比が一定になる制御を行う。即ち、外足のスキー板３Ｌにかかる足部左荷重ＷａＬと内足スキー板３Ｒにかかる足部右荷重ＷＡＲとの比が一定の割合（ＷａＬ/ＷａＲ＝一定）になるように補正制御することで行われる。この左右足部を均等にする制御を用いれば、新雪、深雪など両足の均等荷重を必要とするターンに有効である。また左右足部の荷重比一定の制御を用いて外足に多くの荷重をかけてターンすれば、切れのいい高速ターンが可能となる。
【００５９】
（前後の荷重バランス制御）
後者の前後足部荷重のバランス制御を、図１１を用いて説明する。ところで前述のように左右スキー板３Ｌ，３Ｒには、足の前部に足裏前部荷重センサ３１Ｂ（３１ＢＬ、３１ＢＲ）と後部位置に足裏後部荷重センサ３１Ｃ（３１ＣＬ、３１ＣＲ）との荷重センサがそれぞれ取り付けられており（図１参照）、スキー板３の前部にかかる足部前荷重Ｗｂと後部にかかる足部後荷重Ｗｃとをそれぞれ求めることができる。そこで足部荷重の前後のバランス制御は、まずこれらの足裏前部荷重センサ３１Ｂと足裏後部荷重センサ３１Ｃとから現在のスキー板３の足部前荷重Ｗｂと足部後荷重Ｗｃを計測する。そしてこの計測値（検出量）に対応して、股関節の屈曲角を変化させて重心を前後に移動させ、図１１（ａ）のように足部前荷重Ｗｂが足部後荷重Ｗｃより大きく（Ｗｂ＞Ｗｃ前傾姿勢）、図１１（ｂ）のように足部前荷重Ｗｂが足部後荷重Ｗｃと均等に（Ｗｂ＝Ｗｃ中立姿勢）、または図１１（ｃ）のように足部前荷重Ｗｂが足部後荷重Ｗｃより小さく（Ｗｂ＜Ｗｃ後傾姿勢）なるようにそれぞれ補正制御している。この制御を応用すれば、上体を前後方向へ重心移動を行うことで必要に応じて前傾姿勢または後傾姿勢をとり両足の前後荷重のバランス制御を行うことができる。例えば、滑走中に雪質が変化してその抵抗が変わり急に減速（加速）した場合には、即座に後傾姿勢（前傾姿勢）をとって前後のバランスを取ることができる。また、滑走面の凹凸変化、または傾斜変化が生じた場合においても、前後方向への上体の重心移動を対応させて前後方向の姿勢制御ができる。またターン時に、その前半では前荷重が後荷重より大きくなるように、またその後半では後荷重が前荷重より大きくなるように、股関節の屈曲角を変化させて重心の前後移動を行うことで切れのあるターンを行うこともできる。上述の通り、このスキーロボットは、前部荷重センサ３１Ｂと足裏部荷重センサ３１Ｃとから得られた検出量に基いて、足部前荷重Ｗｂと足部後荷重Ｗｃとを算出し、その値が所定の比率となるように股関節の屈曲角を制御する。
【００６０】
（(5) 速度制御）
速度制御をこの制御の説明図である図１２を参照して説明する。この制御法には減速制御と増速制御とがある。まず減速制御には、図１２(ａ)に示すように、左右スキー板３をハの字に向け迎え角（滑走方向に対して板を交差させる角度）を作って滑走抵抗を増やす制御と、図１２(ｂ)に示すように、左右スキー板３の両方をそろえて滑走方向に対してスキー板の向きを交差させて迎え角を作り滑走抵抗を増やす制御とがある。また増速制御は、図１１(ｃ)に示すように、両スキー板３の方向を滑走方向に揃える（迎え角を零にする）ことによって滑走速度を増加させる。なおこれら速度制御で迎え角を操作する動作は、股関節の内外転動作や下肢部の回旋動作や股関節および膝関節の屈曲動作などのそれぞれの組合わせ動作または単独動作により行われる。
【００６１】
（滑走の事例）
滑走面にポールを設置したターン経路（コース）を滑走する事例を、この説明図である図１３を参照して説明する。スキーロボット１は、図において、ターン経路Ｌ滑走中にその現在位置Ａで荷重センサ３１および各関節角度（ロボットの姿勢）からスキー板３にかかる荷重バランスの状態を認識すると共に、次にスキーロボット１が取るべき姿勢およびスキー板３の角付け角を求める。一方前述のように、速度センサ３３と方位センサ３２との検出量を積分して上記ターン経路Ｌ上の現在位置Ａを求め、この現在位置Ａと滑走方向および次のポール位置Ｂとの関係から、次のポール４０を通過すべき次のターン経路Ｌを求める。そして、このターン経路Ｌと上記取るべき姿勢およびスキー板３の角付け角の関係から各関節角動作のダイヤグラム（姿勢ダイヤグラム）を作成する。続いてスキーロボット１は、前述した姿勢（転倒防止）制御、荷重バランス制御などの制御を適宜行い安定した滑走姿勢を保つと共に、前述したターン反転制御、ターン半径の制御、速度制御などの組み合わせ制御を用いて上記関節角動作のダイヤグラムに従い所定の各関節を制御しながら、上記次のポール位置Ｂ上を通過する。そしてその後、同様にして次々と残ったポール４０を通過してターン経路Ｌの全コースを完走する。
【００６２】
なお、速度制御の演算に際してはスキー板と滑走面との摩擦係数が必要となるが、これは予めスキーロボットに同じ滑走面を直滑降させその滑走距離と時間の関係から求めておく。
【００６３】
スキーロボットの滑走速度、滑走方位、および滑走位置のデータについては、本発明ではロボットが内装する各センサの検出により求めたが、これらデータは、ロボットを外部からビデオカメラにより撮影した画像から検出し無線によってロボットにフィードバックすることで求めてもよい。この実施形態の場合、無線によってフィードバックするための装置が、「計測装置」である。
【００６４】
本発明のスキーロボット１は、前述の様々なターン制御が可能なことから次に述べるような人のスキー操作に似せたスキー操作を行うことができる。即ちスキーロボット１は、股関節２０に設けた股関節内外転軸２１をサーボモータにより駆動して脚部２を内転または外転させることにより、股関節２０に設けた股関節屈曲軸２２や膝関節屈曲軸１２のサーボ駆動による屈曲運動を行いながら脚部２を左右に角度付けしスキー板３を角付けして、これら２本のスキー板が平行を保った状態でのパラレルターンが行える。
【００６５】
またこのスキーロボット１には、股関節２０に設けた股関節屈曲軸２２と膝関節１０として設けられた膝関節屈曲軸１２とをサーボ駆動により連動させて屈曲運動を行うことにより、脚部２の屈身動作または伸身動作をさせることもできる。即ち不整斜面、コブ斜面などの凹凸斜面の滑走時には、この脚部２の屈伸動作により上体の高さを一定に維持するように操作できる。またターン時には、脚部２の左右それぞれ個別の屈伸動作により内足を外足よりも屈曲させるなどそれぞれの脚長を調整して胴体部４を内傾させることにより、前述のように、ターン弧の大小に応じて生じた遠心力に対抗する向心力を得て内傾外向姿勢を保つことができる。こうして、ロボットは滑降面の物理的な条件変化に対応して常に安定してスキー滑降ができる。
【００６６】
またさらにスキーロボット１は、前述の脚部２の屈伸動作を行うことにより屈身抜重（沈み込み抜重）または伸身抜重（伸び上がり抜重）動作を行うことができる。そしてターン切換え時には、これらの屈伸それぞれの抜重動作を行ってスキー板への荷重を抜重し大腿部回転軸１１のサーボ駆動による下肢部１４のひねり操作を行い易くすることができる。この脚部２の屈伸動作を用いた抜重によるターン切換え技術は、特に小回りターンまたは急斜面でのターン切換え時に有効であり従来ロボットには行えなかったスキーヤー操作と同様な高度なターン切換え操作が可能となる。
【００６７】
また、この実施例によるスキーロボット１は、少なくとも、脚部２を内外転させる股関節内外転軸２１と、脚部２を屈曲させる股関節屈曲軸２２と、下肢部１４を旋回させる大腿部回転軸１１との左右各３軸計６軸（６自由度）を有している。よって、スキーターン動作の３要素である股関節の内外転、屈曲、回旋、を組み合わせた動作が行え、人間のスキー動作に類似した動作が可能である。即ち、前述のパラレルターンは勿論のこと大腿部回転軸１１のサーボ駆動により下肢部１４を回旋させて胴体部４の向きをスキー板３の向きに対して斜め方向に向けることができ、この作用によりプルークボーゲン、シュテムターンなどのターン動作も行える。さらに例えば小回りターンではターン前半は、スキー板３があまり撓まずスキー板３を回旋する力が殆どないためこの部分では脚部２のひねりが必要となるが、この脚部２のひねり操作が大腿部回転軸１１のサーボ駆動により可能となりスキーロボット１に小回りターンを行わせることもできる。
【００６８】
以上のようにスキーロボット１は、スキーヤーの動作に酷似した関節動作が可能なので、これを実滑走させてどの関節をどのように動かせば良い滑りができるかを検証することによりスキーヤーのターン技術上達の一助とすることができる。また、スキーヤーの様々な用途（レベル）を想定したスキー板を装着してそれぞれ所定のターン技術での性能テストを行うことにより、安定してより早く滑走できるスキー板の開発に寄与できるのはもちろん、各スキーヤーの用途に最適なスキー板の開発の手助けとなることも期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明に係るスキーロボットおよびセンサを示す図である。（ａ）正面図（ｂ）側面図
【図２】本発明に係るスキーロボットの関節およびセンサを示す簡略図である。
【図３】本発明に係る速度センサを示す図である。
【図４】本発明に係る速度センサから得られたスキーロボットの滑走速度の計測例を示す図である。
【図５】本発明に係るスキーロボットのターン中における左右足荷重の計測例を示す図である。
【図６】本発明に係るスキーロボットの関節角のダイヤグラム例を示す図である。          （ａ）内外転角と回旋角のダイヤグラム                                        （ｂ）股関節と膝の屈曲角のダイヤグラム
【図７】本発明に係るターンの反転制御の説明図である。
【図８】本発明に係るターン半径の制御の説明図である。                              （ａ）所定のエッジ角減少速度でのターン                                     （ｂ）所定のエッジ角減少速度より小さいエッジ角減少速度でのターン
【図９】本発明に係る姿勢（転倒防止）制御の説明図である。
【図１０】本発明に係る左右バランス制御の説明図である。                            （ａ）左右足部の荷重を均等に制御                                               [ａ１]内外転による重心移動                                                  [ａ２]左右の屈曲差による重心移動                                        （ｂ）左右足部の荷重比を一定に制御                                              [ｂ１]内外転による重心移動                                                  [ｂ２]左右の屈曲差による重心移動
【図１１】本発明に係る前後バランス制御の説明図である。                             （ａ）足部前荷重が足部後荷重より大きい                                      （ｂ）足部前荷重が足部後荷重と均等                                          （ｃ）足部前荷重が足部後荷重より小さい
【図１２】本発明に係る速度制御の説明図である。                                    （ａ）減速  （ｂ）減速  （ｃ）増速
【図１３】本発明に係るスキーロボットのポール設置のターン経路を滑走する例を示す図である。
【符号の説明】
【００７０】
１…スキーロボット、２、２Ｌ、２Ｒ…脚部、３、３Ｌ、３Ｒ…スキー板、４…胴体部、５…コントローラ、１０、１０Ｌ、１０Ｒ…膝関節、１１、１１Ｌ、１１Ｒ…大腿部回旋軸、１２、１２Ｌ、１２Ｒ…膝関節屈曲軸、１３、１３Ｌ、１３Ｒ…大腿部、１４、１４Ｌ、１４Ｒ…下肢部、１５、１５Ｌ、１５Ｒ…足部、２０、２０Ｌ、２０Ｒ…股関節、２１、２１Ｌ、２１Ｒ…股関節内外転軸、２２、２２Ｌ、２２Ｒ…股関節屈曲軸、３０…センサ、３１、３１Ｌ、３１Ｒ…荷重センサ、３１Ａ、３１ＡＬ、３１ＡＲ…足首部荷重センサ、３１Ｂ、３１ＢＬ、３１ＢＲ…足裏前部荷重センサ、３１Ｃ、３１ＣＬ、３１ＣＲ…足裏後部荷重センサ、３２、３２Ｌ、３２Ｒ…方位センサ、３３、３３Ｌ、３３Ｒ…速度センサ、３３Ａ…ローラ、３５…ローラ取付軸、４０…ポール、Ａ…現在位置、Ｂ…次のポール位置、Ｆ…合ベクトル、Ｆｃ…遠心力ベクトル、Ｆｇ…重力ベクトル、Ｇ…重心、Ｌ…ターン経路、ｍ…質量、Ｎ…反力ベクトル、Ｎｃ…向心力ベクトル、Ｐ…滑走面上位置、ｒ…ターン半径、Ｒ…ターン半径、Ｒ０…所定のターン半径、Ｒ１…ターン半径、Ｔ……ターン反転位置、Ｔ０…現在位置、ｖ…滑走速度、ＷａＬ…足部左荷重、ＷａＲ…足部右荷重、Ｗｂ…足部前荷重、Ｗｃ…足部後荷重、Ｘ…距離、α…エッジ角度、α１…反転前のエッジ角、α２…反転後のエッジ角、β…エッジ角の変化速度、β０…所定のエッジ角減少速度、β１…エッジ角減少速度。
【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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