(57)【要約】【課題】  従来はジャンプ中におけるロボット状態変化については離床か着床かの判断のみで扱われており、ロボット離床、着床期間においてどのような規範に基づいて姿勢の補正を行うかが課題である。【解決手段】  ロボットは加速度センサ９を有する。ロボットの足部６には裏面が地面に接地する足基底部が、地面に接地しているか否かを検出するスイッチを有する。脚部５には関節アクチュエータが設けられており、その関節角は関節角制御手段により制御される。スイッチにより検出された、足基底部が離床した後着床した瞬間の加速度センサ９の加速度検出値に基づいて、ロボット内に設けられた姿勢制御部は、ロボットの着地衝撃が軽減される方向への重心位置補正を行い、補正された重心位置となる目標関節角の制御信号を生成して、目標関節角に追従するよう関節アクチュエータを駆動制御する。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上体部と下体部とからなり、前記上体部は、少なくとも胴体部と、その胴体部の上部に取り付けられた頭部と、前記胴体部の両側面に可動自在に取り付けられた一対の腕部とからなり、前記下体部は、前記胴体部に一端が取り付けられた一対の脚部と、前記脚部の他端に可動自在に取り付けられ裏面が地面に接地する足基底部を備えた一対の足部とからなり、前記脚部は任意の角度に制御可能な複数の関節アクチュエータが連結した構造とされ、前記関節アクチュエータの動作を制御して所望の姿勢を形成する脚式二足ロボットであって、
前記胴体部内に設置された、前記ロボットの動きに応じた加速度を検出する加速度検出手段と、
前記足基底部に設けられた、前記足基底部の着床又は離床状態を検出するスイッチ手段と、
前記スイッチ手段により前記足基底部が離床状態から着床状態へ変化したことを検出した時のタイミングの、前記加速度検出手段の加速度検出値に基づき、前記ロボットの着地衝撃が軽減される方向へ姿勢を制御するための制御信号を生成する姿勢制御手段と、
前記姿勢制御手段により生成された前記制御信号に基づいて、前記複数の関節アクチュエータの関節角をそれぞれ制御する関節角制御手段と
を有することを特徴とする脚式二足ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は脚式二足ロボットに係り、特に脚部の関節アクチュエータの実時間角度制御により、人間などの二足歩行動物の身体メカニズムや動作を実現する脚式二足ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
２つの可動脚を備えた下肢と、その下肢の上方に配設された上体とで構成され、下肢の運動により各種の動作パターンを実現する脚式二足ロボットは、４足又は６足などの脚式ロボットに比べて不安定で姿勢制御や歩行制御が難しいが、階段の昇降や障害物の乗り越えなどの柔軟な動作が可能である。このような特徴を持つ脚式二足ロボットは、歩行、走行、ジャンプなどの動作パターンを実行した際に、ロボットが離床動作した後に着床する時の床面から受ける衝撃を緩和するように制御されることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１記載の脚式二足ロボットは、離床、着床期の重心位置を補正すべく、関節の屈伸動作によりロボットの姿勢を対応させ、関節アクチュエータのインピーダンスの可変により、離床時の姿勢安定化と着床時の衝撃を緩和させるものである。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１３８２７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の特許文献１記載の従来の脚式二足ロボットでは、離床、着床期間に、ロボットの関節伸展を利用し重心位置変更により姿勢安定化と着床衝撃緩和の手法について説明されているが、例えばジャンプ中におけるロボット状態変化については離床か着床かの判断のみで扱われており、ロボット離床、着床期間においてどのような規範に基づいて姿勢の補正を行うかの具体的手法について明示されていない。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みなされたもので、完全に着床に至る直前のロボットの加速度に基づいて姿勢補正を行うことにより、運動性能安定化を実現し得る脚式二足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】
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明は上体部と下体部とからなり、上体部は、少なくとも胴体部と、その胴体部の上部に取り付けられた頭部と、胴体部の両側面に可動自在に取り付けられた一対の腕部とからなり、下体部は、胴体部に一端が取り付けられた一対の脚部と、脚部の他端に可動自在に取り付けられ裏面が地面に接地する足基底部を備えた一対の足部とからなり、脚部は任意の角度に制御可能な複数の関節アクチュエータが連結した構造とされ、関節アクチュエータの動作を制御して所望の姿勢を形成する脚式二足ロボットであって、
胴体部内に設置された、ロボットの動きに応じた加速度を検出する加速度検出手段と、足基底部に設けられた、足基底部の着床又は離床状態を検出するスイッチ手段と、スイッチ手段により足基底部が離床状態から着床状態へ変化したことを検出した時のタイミングの、加速度検出手段の加速度検出値に基づき、ロボットの着地衝撃が軽減される方向へ姿勢を制御するための制御信号を生成する姿勢制御手段と、姿勢制御手段により生成された制御信号に基づいて、複数の関節アクチュエータの関節角をそれぞれ制御する関節角制御手段とを有することを特徴とする。
【０００８】
この発明では、ロボットが離床した後着床する瞬間のタイミングをスイッチ手段で検出し、そのスイッチ手段の検出時点における加速度検出手段の加速度検出値に基づいて、姿勢制御手段によりロボットの着地衝撃が軽減される方向へ姿勢を制御するための制御信号を生成して関節角制御手段に供給するようにしたため、ロボットが完全に着床した時のロボットの着地衝撃が軽減される方向への重心位置補正を行うことができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ロボットが離床した後着床する瞬間の加速度検出値に基づいて、ロボットの着地衝撃が軽減される方向への姿勢制御を行い、姿勢制御により補正された重心位置となる目標関節角に関節アクチュエータを制御することにより、ロボットが完全に着床した時のロボットの着地衝撃が軽減される方向への重心位置補正が行われ、その結果、必要最小限の姿勢補正により、安定した着地を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。図１（ａ）、（ｂ）は本発明になる脚式二足ロボットの一実施の形態の正面図、左側面図を示す。同図（ａ）、（ｂ）に示すように、この実施の形態の脚式二足ロボットは、胴体部１と、胴体部１の下部に可動自在に取り付けられた腰部２と、胴体部１の両側面に可動自在に取り付けられた２つの腕部３と、胴体部１の上部に取り付けられた頭部４とからなる上体部７と、２つの脚部５と、脚部５の他端に可動自在に取り付けられた２つの足部６とからなる下体部８とから構成されている。
【００１１】
脚部５の、足部６が取り付けられた端部とは反対側端部は腰部２に可動自在に取り付けられている。ロボット全体の重心は概ね胴体部１の中心付近にあり、その付近に重心方向加速度を検出するための加速度センサ９が付設されている。上記の各部は、自由度を持った関節で連結され、２つの脚部５のそれぞれは図２に示すように股関節ヨウ軸１０、股関節ロール軸１１、股関節ピッチ軸１２、膝ピッチ軸１３、足首ロール軸１４、足首ピッチ軸１５の計６軸の自由度を持つ。
【００１２】
一方、図３に示すように、足部６は概ね長方形の足基底部１６が、足基底部１６と足上部構造１７との間の概略４隅に配置されたストローク型のプッシュスイッチ１８を介して接地面鉛直方向にスイッチ１８のストローク可動を許容するよう、足上部構造１７に保持された構造とされている。スイッチ１８はその可動範囲において適度な弾性を持っており、ロボットが遊脚中はその弾性により足基底部１６を足上部構造１７から一定量離すだけの付勢力を保持している。
【００１３】
これにより、ロボットの全重量が足部６にかからないロボットの離床時は図３（ａ）に１８ａで示すように、スイッチ１８のアクチュエータ部が最大距離突出してスイッチオフ状態にあり、着地の瞬間は同図（ｂ）に１８ｂで示すように、スイッチ１８のアクチュエータ部が若干押されることによりスイッチ１８がオンとなり、着地（接地）完了するとロボットの全重量が足部６にかかるために、同図（ｃ）に１８ｃで示すように、スイッチ１８のアクチュエータ部は最大距離押されたスイッチオン状態となる。なお、スイッチ１８の構造そのものは、本発明の要旨とは直接の関係はないので、その説明を省略する。
【００１４】
また、本実施の形態では、例えば胴体部１内に信号処理装置が内蔵されている。図４はこの信号処理装置の一実施の形態のブロック図を示す。同図において、姿勢制御部２１はロボットの姿勢を制御するための姿勢制御信号を出力する。センサ処理装置２２は、スイッチ１８がオンした時点の加速度センサ９の加速度情報を記憶して姿勢制御部２１へ出力する。関節角制御部２３は関節アクチュエータ２４の関節角を制御する。また、関節アクチュエータ２４は、胴体部１と腕部３とを連結する関節、上体部７と下体部８とを連結する関節、図２に示した２つの脚部５に設けられた股関節ヨウ軸１０、股関節ロール軸１１、股関節ピッチ軸１２、膝ピッチ軸１３、足首ロール軸１４、足首ピッチ軸１５などからなり、制御信号によりそれらの角度（関節角）が制御される構成とされている。制御された関節角は、関節角制御部２３にフィードバックされる。
【００１５】
次に、本実施の形態の動作について説明する。ここでは、動作の一例として鉛直上方向へのジャンプ着地動作について述べる。すなわち、図１に示したロボット２０が図５（ａ）に示すように、ジャンプして両足が地面２１から離れた後、自重により自然落下して図５（ｂ）に示すように着地（着床）し、続いて、本実施の形態では図５（ｃ）に示すように、脚部５を更に屈曲して重心位置補正をする。
【００１６】
このジャンプ着地動作の場合、図５（ｃ）に示した重心位置補正動作を行わない時のロボットの速度とスイッチ１８のスイッチタイミングとは、図６（ａ）に示すようになる。すなわち、ロボットが図５（ａ）に示すようにジャンプし、両足が地面より離れて離床時に得られた初速度に応じ上昇する間は、ロボットの速度は図６（ａ）にIで示すように正方向に増加するが、その後自重により自然落下状態に入ると速度は負方向に増加し、時刻ｔ２の接地完了後も着地時の衝撃を吸収しきれずに減衰振動する。なお、スイッチ１８は、図６（ａ）にIIで示すように、接地の瞬間の時刻ｔ１で図３（ｂ）に示したオン状態となり、以後図３（ｃ）に示すオン状態が継続する。
【００１７】
これに対し、本実施の形態では、ロボットが図５（ａ）に示すようにジャンプし両足が地面より離れ離床時に得られた初速度に応じ上昇する間は、ロボットの速度は図６（ｂ）にIIIで示すように正方向に増加し、その後自重により自然落下状態に入ると速度は負方向に増加する点は重心位置補正を行わない時と同様であるが、本実施の形態では、図６（ｂ）に示す時刻ｔ２でロボットが図５（ｂ）に示すように足裏が着地を始めると、図３に示した足基底部１６の一部または全体が押され、足基底部１６と足上部構造１７との間の概略４隅に配置された４つのスイッチ１８のいずれか一つ又は複数が同時に、図３（ｂ）に示したオン状態となる。この４つのスイッチ１８のうち最初にオンしたスイッチのオン時刻を図６（ｂ）にｔ１で示す。スイッチ１８のスイッチタイミングは図６（ｂ）にIIで示され、これは図６（ａ）のスイッチタイミングと同じである。
【００１８】
本実施の形態のロボット内の図４のブロック図中のセンサ処理装置２２は、４つのスイッチ１８のうち最初のスイッチがオンした時刻ｔ１で加速度センサ９の値（加速度情報）を記憶し、姿勢制御部２１へ出力する。この時の加速度センサ９の値（加速度情報）は、ロボットが完全に着床に至る寸前のロボット落下速度を意味する。
【００１９】
次に、ロボットの姿勢制御部２１は、予め設定された姿勢に対し重心が着地衝撃を吸収する方向へ、すなわちロボットがしゃがむ体勢になるよう、検出したスイッチ１８のオン時刻ｔ１での落下速度に応じた重心位置補正量を決定する。これに基づき、姿勢制御部２１は関節角制御部２３に供給する脚部関節角目標値を再設定する。関節角制御部２３は再設定された脚部関節角目標値に追従するよう、関節アクチュエータ２４（ここでは、図２に示した脚部５の６軸１０〜１５のうち、１１〜１５）の関節角を制御する。関節アクチュエータ２４の実関節角は関節角制御部２３にフィードバックされ、関節アクチュエータ２４が正確に目標値に制御され、ロボットがしゃがむ体勢となるようにされ、着地衝撃を吸収させる。
【００２０】
以上の動作により、ロボットは着床時の落下速度に応じた着床後の安定規範となる重心位置補正を得、図５（ｃ）に示すような安定かつ適度なしゃがみこみ動作を実現できる。これにより、ロボットの速度は時刻ｔ２以降、図６（ｂ）にIIIで示すように、短時間で０に収束する。このように、本実施の形態によれば、ロボットは離床、着床のタイミングをロボットの構造により明確に定めロボットが持つ加速度センサ９によりロボットが完全に着床に至る直前のロボット速度を検出することにより、ロボットが必要最小限の姿勢補正により、安定した着地を実現できる。
【００２１】
なお、本実施の形態では、ロボットがジャンプした後、完全着床（床反力を全て受けるタイミング）する前に、着床時の落下速度に応じた着床後の安定規範となる重心位置補正量を得る点に特徴があり、その重心位置補正量による関節アクチュエータ２４の制御を完全着床時に終えるものではなく、実際にはその制御は完全着床後も続くが、ロボットの速度は時刻ｔ２以降、図６（ｂ）にIIIで示すように、短時間で０に収束する。
【００２２】
なお、本発明は以上の実施の形態に限定されるものではなく、以下の各種の実施例を含むものである。
【実施例１】
【００２３】
図７は本発明になる脚式二足ロボットの実施例１の概略外観図を示す。本実施例の脚式二足ロボット２５は、体操競技を実現するロボットであり、例えば鉄棒２６を使って体操選手の高度の技を真似したり、あるいは人間ではできないような技を行った後の着地は難しく、通常のロボットであればよろけるか転倒することもしばしばある。しかし、本実施例の脚式二足ロボット２５は、着地は基本的には膝などの関節により衝撃を緩衝して行い、その直後の着地時の微妙なバランスの比較的長い期間内において、重心移動を行うことにより、倒れにくくすることができる。
【実施例２】
【００２４】
図８は本発明になる脚式二足ロボットの実施例２の概略外観図を示す。本実施例の脚式二足ロボット２８は、足部の下にスプリング２９を持っていて、スプリング２９の弾性力を利用してジャンプするロボットである。本実施例の脚式二足ロボット２８は、着地直後からはスプリング２９が最大に縮むまでの比較的長い期間内において、重心移動を最適位置に行うことができ、これにより倒れにくくすることができる。
【実施例３】
【００２５】
図９は本発明になる脚式二足ロボットの実施例３の概略外観図を示す。本実施例の脚式二足ロボット３０は、トランポリン３１を用いて演技するロボットである。脚式二足ロボット３０は、ジャンプしてから足部がトランポリン３１に着床してから、次にトランポリン３１からジャンプするまでの期間は、トランポリン３１が着地の衝撃により最下点に達してから復元する力を利用するため、比較的長い時間がある。
【００２６】
この時間を利用して脚式二足ロボット３０は、落下速度に応じた重心位置補正量を決定し、これに基づき、脚部関節角目標値を再設定し、再設定された目標関節角に追従するよう図２に示した６軸１０〜１５を持つ脚部５を制御することにより、重心移動を次のジャンプに備えた最適位置に行うことができる。なお、脚式二足ロボット３０は、足部だけでなく、尻部や上体部にもスイッチ１８に相当するスイッチを設けることも考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施の形態の正面図及び左側面図である。
【図２】図１中の脚部の一例の詳細構成を示す図である。
【図３】図１中の脚部の一例の構造説明図である。
【図４】本発明のロボット内に設けられる信号処理装置の一実施の形態のブロック図である。
【図５】本発明の一実施の形態の鉛直上方向へのジャンプ着地動作を示す図である。
【図６】ロボット速度とスイッチタイミングとの関係を重心位置補正なしの従来と重心位置補正ありの本発明の実施の形態とを対比して示す図である。
【図７】本発明ロボットの実施例１の概略外観図である。
【図８】本発明ロボットの実施例２の概略外観図である。
【図９】本発明ロボットの実施例３の概略外観図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  胴体部
２  腰部
３  腕部
４  頭部
５  脚部
６  足部
７  上体部
８  下体部
９  加速度センサ
１０  股関節ヨウ軸
１１  股関節ロール軸
１２  股関節ピッチ軸
１３  膝ピッチ軸
１４  足首ロール軸
１５  足首ピッチ軸
１６  足基底部
１７  足上部構造
１８  プッシュスイッチ
２１  姿勢制御部
２２  センサ処理装置
２３  関節角制御部
２４  関節アクチュエータ
【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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