(57)【要約】【課題】多脚ロボットが万一転倒した場合でも、その転倒姿勢を自力で矯正できること。【解決手段】胴部１１と、この胴部に設置され関節１３〜１５を備えたリンク機構により構成される複数本の脚１２と、胴部に設けられ脚の動作を制御する制御ユニット２２と、を有する多脚ロボット１０において、制御ユニットは、多脚ロボットの転倒時に、胴部に対し垂直方向上方に位置する上側脚１２Ａを、鉛直方向下方に位置する下側脚１２Ｂが動作し得るように、床または地面１に押し付け動作させて胴部１１の姿勢を上方へ変化させるよう構成されたものである。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴部と、この胴部に設置され関節を備えたリンク機構により構成される複数本の脚と、前記胴部に設けられ前記脚の動作を制御する制御ユニットと、を有する多脚ロボットにおいて、
前記制御ユニットは、前記多脚ロボットの転倒時に、前記胴部に対し鉛直方向上方に位置する上側脚を、鉛直方向下方に位置する下側脚が動作し得るように、床または地面に押し付け動作させる制御指令を前記上側脚に対して送信するよう構成されたことを特徴とする多脚ロボット。
【請求項２】
前記胴部には、この胴部の姿勢を検出する姿勢センサが設けられ、
制御ユニットは、前記姿勢センサからの情報に基づいて転倒を認識すると共に、転倒時に前記姿勢センサからの情報に基づいて前記脚のうち少なくとも１つを前記上側脚に設定するよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の多脚ロボット。
【請求項３】
制御ユニットは、多脚ロボットの転倒時に下側脚を動作させる制御指令を前記下側脚に送信し、この動作制御時の情報から前記下側脚の動作不良を判断したときに、上側脚を床または地面に押し付け動作させる制御指令、または前記下側脚の動作軌道を変更させる制御指令を送信するよう構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の多脚ロボット。
【請求項４】
制御ユニットは、胴部の起き上がり方向に対して前記胴部の重心よりも遠い位置に下側脚の作用点を設定すべく前記下側脚を動作させる制御指令を送信し、この状態で前記下側脚を、前記起き上がり方向と反対方向に回転動作させるよう構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の多脚ロボット。
【請求項５】
制御ユニットは、胴部の起き上がり動作完了後に上側脚及び下側脚を床または地面に接触させて立ち上がり動作を行う際に、姿勢センサからの情報に基づき前記胴部の姿勢が不安定かどうかを判断し、不安定であると判断したときに前記上側脚と前記下側脚の少なくとも１本の脚に対して、前記床または地面に接触する位置を変更させるような制御指令を送信することを特徴とする請求項４に記載の多脚ロボット。
【請求項６】
胴部と、この胴部に設置され関節を備えたリンク機構により構成される複数本の脚と、を有する多脚ロボットの転倒姿勢矯正方法において、
前記胴部の姿勢に基づいて転倒を検出するステップと、
前記転倒を検出した際に、前記姿勢に基づいて前記複数本の脚のうち少なくとも１本を上側脚に設定するステップと、
前記上側脚を、床または地面に押し付け動作させて前記胴部の姿勢を上方へ変化させるステップと、
前記胴部の前記姿勢を上方に変化させた状態で、前記複数本の脚のうち前記上側脚に設定されていない下側脚の少なくともいずれかを動作させるステップと、
を備えることを特徴とする多脚ロボットの転倒姿勢矯正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、多脚ロボット、及び多脚ロボットの転倒姿勢矯正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力プラントにおける放射線量の高い原子炉建屋内や災害現場など、人が近づくことが困難な環境下においては、調査や作業を行うために遠隔自動機が用いられる。中でも多脚ロボットは、重量物を搭載した状態で自らの姿勢を変化させて重心位置を制御することで、不整地や階段を歩行して移動することができる。しかしながら、多脚ロボットは重心位置が高いため転倒する可能性も高い。万一転倒した場合、多脚歩行ロボットを起こすための作業が新たに発生してしまう。
【０００３】
このような問題に対し、特許文献１に記載のロボット技術では、エンターテイメント用の４脚歩行型のロボットが、横転した際に、胴体部の下側の前後の脚を互いに開く方向に回転させた後、胴体から離反する方向に回転させることで起き上がる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４５１８２２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、災害現場等で人に代わって調査や作業を行うロボットは、人と同等かそれ以上の質量を有し、ロボットを構成する胴部と脚のうち、胴部にも相応の質量が存在する。このようなロボットが転倒した場合に、脚を使って自力で胴部を起こすためには、起き上がる方向に対して胴部の重心位置より遠い位置に作用点を作り、胴部を回転させて起こす方法がある。この場合には、例えば脚を折り曲げて膝関節部を作用点としたり、ロボットの脚先を作用点とするため、転倒した状態でも脚を動かす必要がある。
【０００６】
しかしながら、上述のようにロボットの胴部にも相応の質量が存在しているため、地面と胴部の間で脚を動かすことは困難である。また、脚自体も地面に接触した状態となっており、脚を動作させることが困難な状況になる場合がある。
【０００７】
本発明における実施形態の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、多脚ロボットが万一転倒した場合でも、その転倒姿勢を自力で矯正できる多脚ロボット及びその転倒姿勢矯正方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態における多脚ロボットは、胴部と、この胴部に設置され関節を備えたリンク機構により構成される複数本の脚と、前記胴部に設けられ前記脚の動作を制御する制御ユニットと、を有する多脚ロボットにおいて、前記制御ユニットは、前記多脚ロボットの転倒時に、前記胴部に対し鉛直方向上方に位置する上側脚を、鉛直方向下方に位置する下側脚が動作し得るように、床または地面に押し付け動作させる制御指令を前記上側脚に対して送信するよう構成されたことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の実施形態における多脚ロボットの転倒姿勢矯正方法は、胴部と、この胴部に設置され関節を備えたリンク機構により構成される複数本の脚と、を有する多脚ロボットの転倒姿勢矯正方法において、前記胴部の姿勢に基づいて転倒を検出するステップと、前記転倒を検出した際に、前記姿勢に基づいて前記複数本の脚のうち少なくとも１本を上側脚に設定するステップと、前記上側脚を、床または地面に押し付け動作させて前記胴部の姿勢を上方へ変化させるステップと、前記胴部の前記姿勢を上方に変化させた状態で、前記複数本の脚のうち前記上側脚に設定されていない下側脚の少なくともいずれかを動作させるステップと、を備えることを特徴とする方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の実施形態によれば、多脚ロボットが万一転倒した場合でも、その転倒姿勢を自力で矯正できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る多脚ロボットを示す斜視図。
【図２】図１の多脚ロボットにおける制御ユニットの構成等を示すブロック図。
【図３】図１の多脚ロボットにおける転倒状態を示す側面図。
【図４】図１の多脚ロボットにおける胴部持ち上げ動作を示す側面図。
【図５】図１の多脚ロボットにおける胴部起き上げ動作を示す側面図。
【図６】図１の多脚ロボットにおける転倒姿勢矯正動作を示し、（Ａ）は多脚ロボットの転倒状態、（Ｂ）は胴部持ち上げ動作、（Ｃ）は下側脚の引き上げ動作をそれぞれ示すシーケンス図。
【図７】図１の多脚ロボットにおける転倒姿勢矯正動作を示し、（Ａ）は胴部起き上げ動作、（Ｂ）は多脚ロボットの腹這い状態、（Ｃ）は全脚接地状態をそれぞれ示すシーケンス図。
【図８】図１の多脚ロボットにおける転倒姿勢矯正動作を示し、（Ａ）は立ち上がり初期動作、（Ｂ）は立ち上がり動作、（Ｃ）は多脚ロボットの起立状態をそれぞれ示すシーケンス図。
【図９】図６〜図８における転倒姿勢矯正動作を実行するための制御ユニットの手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
図１は、本実施形態に係る多脚ロボットを示す斜視図である。また、図２は、図１の多脚ロボットにおける制御ユニットの構成等を示すブロック図である。図１に示す多脚ロボット１０は、胴部１１に２本以上、例えば４本の脚１２が設けられ、これらの脚１２は、複数の関節１３〜１５を備えたリンク機構として構成される。
【００１３】
つまり、脚１２は、胴部１１の下部のコーナー部分に第１関節１３が取り付けられ、この第１関節１３に第１リンク１６を介して第２関節１４が連結され、この第２関節１４に第２リンク１７を介して第３関節１５が連結され、この第３関節１５に第３リンク１８が連結されて、リンク機構として構成される。第３リンク１８の先端に、例えば半球形状の脚先１９が設けられる。
【００１４】
第１関節１３の回転軸Ａと第２関節１４の回転軸Ｂとは互いに直交し、第３関節１５の回転軸Ｃは、第２関節１４の回転軸Ｂと平行に設けられる。これら第１関節１３、第２関節１４及び第３関節１５の選択的な回転により、多脚ロボット１０は、Ｘ軸に沿う前後方向への移動、Ｙ軸に沿う左右方向への移動、Ｚ軸回りの旋回移動が可能になる。これらの関節１３〜１５は、図示しない電動モータ、エンコーダ、減速機、歯車及び軸受を具備する関節駆動機構により構成される。
【００１５】
各関節１３〜１５には、回転限界近傍に図示しないリミットスイッチなどが配置されることで、過回転による関節駆動機構の損傷が防止される。また、各関節１３〜１５には、これらの関節１３〜１５のそれぞれの回転角度（絶対角度）を計測するアブソリュート式エンコーダやポテンショメータなどの脚関節角度センサ２０（図２）が設置されている。更に、脚１２の脚先１９には、この脚先１９に作用する荷重（力）及びモーメントを計測する例えば３軸または６軸の脚先力センサ２１（図２）が設置されて、脚先１９が床または地面１に接触（いわゆる接地）したことが検知される。
【００１６】
胴部１１は、図１及び図２に示すように、制御ユニット２２、加速度センサ２３及び角速度センサ２４を内部に有し、加速度センサ２３及び角速度センサ２４が姿勢センサとして構成される。
【００１７】
加速度センサ２３は、胴部１１の水平２方向及び垂直１方向の合計３方向（３軸）の加速度を計測する。また、角速度センサ２４は例えばジャイロセンサであり、胴部１１のロール、ビーチ及びヨーの３軸の角速度を計測する。これらの加速度センサ２３、角速度センサ２４によりそれぞれ計測される加速度及び角速度によって、胴部１１の傾斜角度（姿勢角）、つまり多脚ロボット１０の姿勢が計測される。
【００１８】
制御ユニット２２は、図２に示すように、制御部２５、計測用インターフェイス部２６及び脚モータ駆動部２７を備え、多脚ロボット１０の歩行移動と転倒姿勢矯正動作（後述）とを含む動作全般に関する処理を実行する。
【００１９】
つまり、制御ユニット２２の制御部２５は、加速度センサ２３、角速度センサ２４．脚関節角度センサ２０及び脚先力センサ２１からの計測データを、計測用インターフェイス部２６を経て取り込んで処理する。また、制御ユニット２５の制御部２５は、脚モータ駆動部２７を経て複数本の脚１２の各関節１３〜１５へ制御指令を送信し、これらの各関節１３〜１５のモータを駆動制御して、複数本の脚１２の動作を個別に制御する。
【００２０】
更に、制御ユニット２２の制御部２５は、図３に示すように多脚ロボット１０が転倒（図３では横転）したときに、加速度センサ２３及び角速度センサ２４からの計測データに基づいて多脚ロボット１０の転倒を認識すると共に、このときの加速度センサ２３及び角速度センサ２４からの計測データに基づいて胴部１１に対して鉛直方向上方に位置する少なくとも１つの上側脚１２Ａと、鉛直方向下方に位置する残りの下側脚１２Ｂとを判別して認識し設定する。そして、制御ユニット２２の制御部２５は、多脚ロボット１０の転倒状態からの転倒姿勢矯正動作を、図４〜図９を用いて以下のように実行する。
【００２１】
制御ユニット２２の制御部２５は、まず、加速度センサ２３及び角速度センサ２４の計測データから胴部１１の姿勢角を得て、図３及び図６（Ａ）に示す多脚ロボット１０の転倒姿勢を認識（検出）すると共に、上側脚１２Ａと下側脚１２Ｂを判別し、判別結果に基づいてそれぞれの脚を上側脚１２Ａまたは下側脚１２Ｂと設定する（Ｓ１）。
【００２２】
制御ユニット２２の制御部２５は、図３及び図６（Ａ）に示す転倒姿勢で下側脚１２Ｂを微小動作させるべく制御指令を送信し（Ｓ２）、この微小動作制御時の情報に基づいて、この微小動作の可否を判断する（Ｓ３）。微小動作時の情報としては、例えば、下側脚１２Ｂの関節１３〜１５の少なくとも１個を動作させるモータ電流値、または脚関節角度センサ２０により計測された下側脚１２の関節１３〜１５の少なくとも１個の関節角度などである。
【００２３】
制御ユニット２２の制御部２５は、ステップＳ３において下側脚１２Ｂの微小動作が不良であると判断したときには、図４及び図６（Ｂ）に示すように、上側脚１２Ａの脚先１９を床または地面１に接触させ、この状態で上側脚１２Ａを床または地面１に押し付け動作させる制御指令を送信して、胴部１１の姿勢を上方へ変化、つまり胴部１１を持ち上げる（Ｓ４）。この胴部１１の持ち上げる動作により、胴部１１の下方に、下側脚１２Ｂが床もしくは地面１または胴部１１に干渉することなく動作し得る空間２８が形成される。
【００２４】
制御ユニット２２の制御部２５は、ステップＳ４の後に、胴部１１を持ち上げてその姿勢を上方に変化させた状態で、胴部１１の下方の空間２８において少なくとも下側脚１２Ｂを微小動作させるような制御指令を送信する（Ｓ２）。制御ユニット２２の制御部２５は、ステップＳ３において下側脚１２の微小動作が良好であると判断したときに、図４及び図６（Ｃ）に示すように、下側脚１２Ｂの第２関節１４を回転駆動して、この下側脚１２Ｂの第３関節１５を胴部１１下方の空間２８内で胴部１１の下方位置まで引き上げ動作させる制御指令を送信する（Ｓ５）。
【００２５】
この下側脚１２Ｂの引き上げ動作時の情報に基づいて、制御ユニット２２の制御部２５は、動作に異常があるか否かを判断する（Ｓ６）。この場合の引き上げ動作時の情報は、下側脚１２Ｂの関節１３〜１５の少なくとも１個を動作させるモータ電流値、脚関節角度センサ２０により計測された下側脚１２Ｂの関節１３〜１５の少なくとも１個の関節角度、または加速度センサ２３及び角速度センサ２４の計測データによる胴部１１の姿勢角である。
【００２６】
ステップＳ６の動作に異常があると判断した場合に、制御ユニット２２の制御部２５は、下側脚１２Ｂの引き上げ動作の軌道を変更させる制御指令を送信して、下側脚１２Ｂによる引き上げ動作を再び実行する（Ｓ５）。
【００２７】
制御ユニット２２の制御部２５は、下側脚１２Ｂの引き上げ動作完了後に、図５及び図７（Ａ）に示すように、胴部１１の起き上がり方向Ｏに対して、バッテリ３０（後述）を含む胴部１１の重心Ｇよりも遠い位置に、下側脚１２Ｂの作用点Ｆを設定すべく上側脚１２Ａ及び下側脚１２Ｂを動作させる制御指令を送信する。この状態で、制御ユニット２２の制御部２５は、下側脚１２Ｂの例えば第１関節１３を駆動させて、下側脚１２Ｂを胴部１１の起き上がり方向Ｏに対する反対方向Ｐに回転動作させて、胴部１１の起き上げ動作を実行する（Ｓ７）。
【００２８】
胴部１１の起き上げ動作完了後に、図７（Ｂ）に示すように、多脚ロボット１０は胴部１１の底部、正確には胴部１１の底部に設置された着座構造体を兼用するバッテリ３０の底部が床または地面１に着座して、腹這い状態になる（Ｓ８）。この多脚ロボット１０の腹這い状態は、胴部１１に設置された加速度センサ２３及び角速度センサ２４の計測データから得た胴部１１の姿勢角により判断される。
【００２９】
次に、制御ユニット２２の制御部２５は、図７（Ｃ）に示すように、多脚ロボット１０の腹這い状態で上側脚１２Ａ及び下側脚１２Ｂの全ての脚１２の脚先１９を床または地面１に接触させ（Ｓ９）、この接触状態を脚先力センサ２１からの計測データにより確認する。その後、制御ユニット２２の制御部２５は、図８（Ａ）に示すように、全ての脚１２の第２関節１４及び第３関節１５を微小角度だけ回転させて、胴部１１を微小量上昇させる多脚ロボット１０の立ち上がり初期動作を行う（Ｓ１０）。
【００３０】
制御ユニット２２の制御部２５は、ステップＳ１０の立ち上がり初期動作時に、多脚ロボット１１に設置された加速度センサ２３及び角速度センサ２４からの計測データに基づいて、胴部１１の姿勢角が変動して胴部１１の姿勢が不安定になったか否かを判断する（Ｓ１１）。胴部１１の姿勢が不安定になったと判断したときには、制御ユニット２２の制御部２５は、多脚ロボット１０の立ち上がり初期動作を中止し、胴部１１を下降させて多脚ロボット１０を再び腹這い状態にした後、全ての脚１２のうちの少なくとも１本の脚１２の脚先１９が床または地面１に接触する位置を変更させるような制御指令を送信して、多脚ロボット１０の立ち上がり初期動作を再度実行する。
【００３１】
制御ユニット２２の制御部２５は、ステップＳ１０における多脚ロボット１０の立ち上がり初期動作時に、胴部１１の姿勢角に変動がないと判断したときには、図８（Ｂ）に示すように、全ての脚１２の第２関節１４及び第３関節１５の関節角度を漸次拡大させるべく、これらの第２関節１４及び第３関節１５を回転駆動して多脚ロボット１０の立ち上がり動作を実行し（Ｓ１２）、図８（Ｃ）に示すように多脚ロボット１０を起立状態とする。
【００３２】
以上のように構成されたことから、本実施形態によれば次の効果を奏する。
図３〜図５に示すように、多脚ロボット１０の転倒時に、上側脚１２Ａを床または地面１に押し付け動作させて胴部１１の姿勢を上方へ変化させ、胴部１１の下方に、下側脚１２Ｂが動作可能な空間２８を形成する。このため、下側脚１２Ｂが床もしくは地面１、または胴部１１と緩衝することがなく動作可能となり、胴部１１の起き上がり方向Ｏに対して、バッテリ３０を含めた胴部１１の重心Ｇよりも遠い位置で下側脚１２Ｂを上記起き上がり方向Ｏと反対方向Ｐに回転駆動することで、多脚ロボット１０が万一転倒した場合でも、その転倒姿勢を自力で確実に調整することができる。
【００３３】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３４】
１…床または地面、１０…多脚ロボット、１１…胴部、１２…脚、１２Ａ…上側脚、１２Ｂ…下側脚、１３…第１関節、１４…第２関節、１５…第３関節、１９…脚先、２２…制御ユニット、２３…加速度センサ、２４…角速度センサ、２５…制御部、２８…空間、Ｆ…作用点、Ｇ…重心、Ｏ…起き上がり方向、Ｐ…反対方向。
【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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