(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも足首ロール軸と股関節ロール軸と体幹ロール軸を含む複数の関節自由度を備える脚式ロボットの姿勢制御装置であって、
前記脚式ロボットは、機体の立脚時においてＺＭＰをＺＭＰ安定領域の中心付近に配置した基本姿勢として、膝を比較的屈曲させて路面適応性並びに外力適応性を高めた基本歩行姿勢を備え、
足首ロール軸、股関節ロール軸、又は体幹ロール軸のうち少なくとも１つの関節角度の原点を前記基本歩行姿勢から単脚支持最前期の間に設定する原点設定手段と、
前記基本歩行姿勢から関節が変位して単脚支持最前期に向かうまでの間に、前記原点設定手段により原点が設定された関節軸の関節角度が原点を通過するときに原点チェックを行なう機体診断手段と、
を具備することを特徴とする脚式ロボットの姿勢制御装置。
【請求項２】
前記脚式ロボットの胴体はさらに体幹ピッチ軸の関節自由度を備えるとともに、機体の立脚時においてＺＭＰをＺＭＰ安定領域の中心付近に配置した基本姿勢として膝を伸展させてエネルギ消費量を抑制した基本立ち姿勢をさらに備え、
前記原点設定手段は、前記体幹ロール軸の原点を前記基本歩行姿勢から単脚支持期最前期の間に設定するとともに、前記体幹ピッチ軸の原点を前記基本立ち姿勢と前記基本歩行姿勢の間に設定し、
前記機体診断手段は、基本歩行姿勢から単脚支持最前期の間という歩行予備動作期間中に前記体幹ロール軸の原点チェックを行なうとともに、歩行停止毎に前記体幹ピッチ軸の原点チェックを行なう、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式ロボットの姿勢制御装置。
【請求項３】
少なくとも足首ピッチ軸と膝ピッチ軸と股関節ピッチ軸と体幹ピッチ軸を含む複数の関節自由度を備える脚式ロボットの姿勢制御装置であって、
前記脚式ロボットは、機体の立脚時においてＺＭＰをＺＭＰ安定領域の中心付近に配置した基本姿勢として、膝を伸展させてエネルギ消費量を抑制した基本立ち姿勢と、膝を比較的屈曲させて路面適応性並びに外力適応性を高めた基本歩行姿勢を備え、
足首ピッチ軸、膝ピッチ軸、股関節ピッチ軸、又は体幹ピッチ軸のうち少なくとも１つの関節角度の原点を前記基本立ち姿勢と前記基本歩行姿勢の間に設定する原点設定手段と、
前記基本立ち姿勢から前記基本歩行姿勢に向かうまでの間に、前記原点設定手段により原点が設定された関節軸の関節角度が原点を通過するときに原点チェックを行なう機体診断手段と、
を具備することを特徴とする脚式ロボットの姿勢制御装置。
【請求項４】
前記脚式ロボットは脚部において、足首ロール軸及び股関節ロール軸の関節自由度をさらに備え、
前記原点設定手段は、前記足首ロール軸及び股関節ロール軸の原点を前記基本歩行姿勢から単脚支持期最前期の間に設定するとともに、前記足首ピッチ軸、膝ピッチ軸、股関節ピッチ軸の原点を前記基本立ち姿勢と前記基本歩行姿勢の間に設定し、
前記機体診断手段は、基本歩行姿勢から単脚支持最前期の間という歩行予備動作期間中に前記足首ロール軸及び股関節ロール軸の原点チェックを行なうとともに、歩行停止毎に前記足首ピッチ軸、膝ピッチ軸、股関節ピッチ軸の原点チェックを行なう、
ことを特徴とする請求項３に記載の脚式ロボットの姿勢制御装置。
【請求項５】
前記機体診断手段は、機体が床上姿勢のときに、原点のチェック対象となる関節角を、前記原点設定手段により設定された原点を探索する方向に駆動させて、関節角が原点を通過することによって原点チェックを行なう、
ことを特徴とする請求項１又は３のいずれかに記載の脚式ロボットの姿勢制御装置。
【請求項６】
前記機体診断手段が原点チェックにより関節軸の原点を確認できないというエラーが発生したことに応答して機体を停止する手段をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１又は３のいずれかに記載の脚式ロボットの姿勢制御装置。
【請求項７】
少なくとも足首ロール軸と股関節ロール軸と体幹ロール軸を含む複数の関節自由度を備える脚式ロボットの姿勢制御方法であって、
前記脚式ロボットは、機体の立脚時においてＺＭＰをＺＭＰ安定領域の中心付近に配置した基本姿勢として、膝を比較的屈曲させて路面適応性並びに外力適応性を高めた基本歩行姿勢を備え、
足首ロール軸、股関節ロール軸、又は体幹ロール軸のうち少なくとも１つの関節角度の原点を前記基本歩行姿勢から単脚支持最前期の間に設定する原点設定ステップと、
前記基本歩行姿勢から関節が変位して単脚支持最前期に向かうまでの間に、前記原点設定ステップにおいて原点が設定された関節軸の関節角度が原点を通過するときに原点チェックを行なう機体診断ステップと、
を具備することを特徴とする脚式ロボットの姿勢制御方法。
【請求項８】
前記脚式ロボットの胴体はさらに体幹ピッチ軸の関節自由度を備えるとともに、機体の立脚時においてＺＭＰをＺＭＰ安定領域の中心付近に配置した基本姿勢として膝を伸展させてエネルギ消費量を抑制した基本立ち姿勢をさらに備え、
前記原点設定ステップでは、前記体幹ロール軸の原点を前記基本歩行姿勢から単脚支持期最前期の間に設定するとともに、前記体幹ピッチ軸の原点を前記基本立ち姿勢と前記基本歩行姿勢の間に設定し、
前記機体診断ステップでは、基本歩行姿勢から単脚支持最前期の間という歩行予備動作期間中に前記体幹ロール軸の原点チェックを行なうとともに、歩行停止毎に前記体幹ピッチ軸の原点チェックを行なう、
ことを特徴とする請求項７に記載の脚式ロボットの姿勢制御方法。
【請求項９】
少なくとも足首ピッチ軸と膝ピッチ軸と股関節ピッチ軸と体幹ピッチ軸を含む複数の関節自由度を備える脚式ロボットの姿勢制御方法であって、
前記脚式ロボットは、機体の立脚時においてＺＭＰをＺＭＰ安定領域の中心付近に配置した基本姿勢として、膝を伸展させてエネルギ消費量を抑制した基本立ち姿勢と、膝を比較的屈曲させて路面適応性並びに外力適応性を高めた基本歩行姿勢を備え、
足首ロール軸、足首ピッチ軸、膝ピッチ軸、股関節ピッチ軸、又は体幹ピッチ軸のうち少なくとも１つの関節角度の原点を前記基本立ち姿勢と前記基本歩行姿勢の間に設定する原点設定ステップと、
前記基本立ち姿勢から前記基本歩行姿勢に向かうまでの間に、前記原点設定ステップにおいて原点が設定された関節軸の関節角度が原点を通過するときに原点チェックを行なう機体診断手段と、
を具備することを特徴とする脚式ロボットの姿勢制御方法。
【請求項１０】
前記脚式ロボットは脚部において、足首ロール軸及び股関節ロール軸の関節自由度をさらに備え、
前記原点設定ステップでは、前記足首ロール軸及び股関節ロール軸の原点を前記基本歩行姿勢から単脚支持期最前期の間に設定するとともに、前記足首ピッチ軸、膝ピッチ軸、股関節ピッチ軸の原点を前記基本立ち姿勢と前記基本歩行姿勢の間に設定し、
前記機体診断ステップでは、基本歩行姿勢から単脚支持最前期の間という歩行予備動作期間中に前記足首ロール軸及び股関節ロール軸の原点チェックを行なうとともに、歩行停止毎に前記足首ピッチ軸、膝ピッチ軸、股関節ピッチ軸の原点チェックを行なう、
ことを特徴とする請求項９に記載の脚式ロボットの姿勢制御方法。
【請求項１１】
前記機体診断ステップでは、機体が床上姿勢のときに、原点のチェック対象となる関節角を、前記原点設定ステップにおいて設定された原点を探索する方向に駆動させて、関節角が原点を通過することによって原点チェックを行なう、
ことを特徴とする請求項７又は９のいずれかに記載の脚式ロボットの姿勢制御方法。
【請求項１２】
前記機体診断ステップにおいて原点チェックにより関節軸の原点を確認できないというエラーが発生したことに応答して機体を停止するステップをさらに備えることを特徴とする請求項７又は９のいずれかに記載の脚式ロボットの姿勢制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多数の関節自由度を持つ脚式ロボットの姿勢制御装置及び姿勢制御方法に係り、特に、複数の可動脚を備えた脚式移動脚式ロボットの姿勢制御装置及び姿勢制御方法に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、エンターテインメント型のロボットのように、定型的な作業に限らず多種多様な機体動作を行なう脚式ロボットの姿勢制御装置及び姿勢制御方法に係り、特に、複数の基本姿勢をベースにして機体動作を制御する脚式ロボットの姿勢制御装置及び姿勢制御方法に関する。
【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、イヌやネコのように４足歩行の動物の身体メカニズムやその動作を模したペット型ロボット、あるいは、ヒトのような２足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた「人間形」若しくは「人間型」と呼ばれるロボット（humanoid robot）など、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。
【０００５】
ヒトの生体メカニズムや動作をエミュレート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様々な場面における人的活動の支援などを行うことができる。
【０００６】
脚式移動ロボットの用途の１つとして、産業活動・生産活動等における各種の難作業の代行が挙げられる。例えば、原子力発電プラントや火力発電プラント、石油化学プラントにおけるメンテナンス作業、製造工場における部品の搬送・組立作業、高層ビルにおける清掃、火災現場その他における救助といったような危険作業・難作業の代行などである。
【０００７】
また、脚式移動ロボットの他の用途として、上述の作業支援というよりも、生活密着型、すなわち人間との「共生」あるいは「エンターティンメント」という用途が挙げられる。この種のロボットは、ヒトあるいはイヌ（ペット）、クマなどの比較的知性の高い脚式歩行動物の動作メカニズムや四肢を利用した豊かな感情表現を忠実に再現する。また、あらかじめ入力された動作パターンを単に忠実に実行するだけではなく、ユーザ（あるいは他のロボット）から受ける言葉や態度（「褒める」とか「叱る」、「叩く」など）に対して動的に対応した、生き生きとした応答表現を実現することも要求される。
【０００８】
従来の玩具機械は、ユーザ操作と応答動作との関係が固定的であり、玩具の動作をユーザの好みに合わせて変更することはできない。この結果、ユーザは同じ動作しか繰り返さない玩具をやがては飽きてしまうことになる。これに対し、インテリジェントなロボットは、対話や機体動作などからなる行動を自律的に選択することから、より高度な知的レベルでリアリスティックなコミュニケーションを実現することが可能となる。この結果、ユーザはロボットに対して深い愛着や親しみを感じる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
自動機械は、一般に、電源投入後、自己診断処理や初期化処理を経て通常の動作状態となる。また、その動作や行動は、あらかじめ規定されている状態遷移（ステートマシン）に従って制御される。
【００１０】
ロボットにおいてステートマシンで規定されている各状態は、基本姿勢としての性質を持つ。例えば、基本姿勢となるポーズすなわち機体上の各関節角をあらかじめ定めておき、各基本姿勢間を繋ぐような各関節角の軌道を計算して、アクションすなわち機体動作を作成することができる。そして、複数のアクションを直列的あるいは並列的に組み合わせることにより、インタラクションなどの意味を備えたビヘイビアすなわち行動を編集することができる。
【００１１】
ロボットを始めとする自動機械における基本姿勢は、動作の開始点、分岐点、終了点など機械制御において重要な意味を持つ。
【００１２】
従来の産業用途のロボットは、その動作は比較的少数の定型的な動作の繰り返ししか行なわない。したがって、機体設計を特定の目的に限定して最適化することができるし、数少ない基本姿勢で済む。
【００１３】
これに対し、上述したエンターテインメント型の脚式移動ロボットの場合、単なる歩行などの脚式作業の他に、跳躍やダンスなど多岐にわたる動作を行なう。また、脚だけでなく、胴体や上肢などを含めたさまざまな動作を行なう。このため、動作の開始点、分岐点、終了点として、どのような姿勢を基本姿勢として位置付けるかは、機体制御の効率化を考えても重要な問題である。
【００１４】
２足直立姿勢や「休め」のポーズなど、見た目でロボットの基本姿勢を定義することもできる。しかしながら、機体の安定性や、消費エネルギ、次の状態への遷移を考慮して基本姿勢を設定しなければ、制御には不利である。
【００１５】
安定性の低い姿勢を基本姿勢に設定した場合、常に姿勢安定制御を実行しなければならず、計算機への負荷は過大である。また、基本姿勢においても、常に姿勢維持のために関節軸アクチュエータがトルクを発生しなければならなくなり、消費電力の浪費になる。
【００１６】
本発明は上述したような技術的課題を鑑みたものであり、その目的は、エンターテインメント型のロボットのように、定型的な作業に限らず多種多様な機体動作を好適に行なうことができる、優れた脚式ロボットの姿勢制御装置及び姿勢制御方法を提供することにある。
【００１７】
本発明のさらなる目的は、複数の基本姿勢をベースにして機体動作を効率的に制御することができる、優れた脚式ロボットの姿勢制御装置及び姿勢制御方法を提供することにある。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、機体の安定性や、消費エネルギ、次の状態への遷移を考慮して基本姿勢を設定して機体運動を好適に制御することができる、優れた脚式ロボットの姿勢制御装置及び姿勢制御方法を提供することにある。
【００１９】
【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、その第１の側面は、複数の関節自由度を備えるとともに複数の基本姿勢間の遷移により機体動作を制御する脚式ロボットの姿勢制御装置又は方法であって、
脱力した仰向け又はうつ伏せ姿勢で静止状態を維持する基本床上姿勢にて駆動電源を投入する電源投入手段又はステップと、
前記基本床上姿勢にて機体の初期化処理を行なう初期化手段又はステップと、床上姿勢において機体の傾斜確認及び／又は各関節自由度における原点探索を行なう原点探索手段又はステップと、
を具備することを特徴とする脚式ロボットの姿勢制御装置又は方法である。
【００２０】
ここで、前記原点探索手段又はステップは、前記基本床上姿勢において探索対象となる関節角を原点探索方向に駆動させて原点を通過することによって原点チェックを行なうことができる。
【００２１】
したがって、本発明の第１の側面に係る脚式ロボットの姿勢制御装置又は方法によれば、脚式移動ロボットの基本仰向け姿勢でオペレータが電源を投入すると、その姿勢のままハードウェアの診断やソフトウェアの初期化、機体の原点チェックなどの起動シーケンスを行なった後、所定の起き上がりモーション・シーケンスに従って基本立ち姿勢に自動的に遷移するので、起動時の作業負担が軽減される。そして、一旦基本立ち姿勢を形成すると、これを姿勢遷移の基準にして、歩行やダンスなど、脚部を始め全身の各部の自由度を活用した各種のパフォーマンスを行なうことが可能となる。
【００２２】
また、本発明の第１の側面に係る脚式ロボットの姿勢制御装置又は方法によれば、基本仰向け姿勢のまま前記原点探索手段により原点チェックを行なうが、この時点で原点チェックに失敗したことに応答して前記機体起き上がり手段の起動を停止することにより、起き上がり動作時又は起き上がり後に機体が転倒するという事態を未然に防止することができる。
【００２３】
起き上がり後の脚式移動ロボットは、機体のＺＭＰをＺＭＰ安定領域の中心付近に配置した基本的な立脚姿勢をとる。基本立脚姿勢として、膝の曲げ角を小さくしてエネルギ消費量を抑制した基本立ち姿勢と、膝の曲げ角を比較的大きくして路面適応性並びに外力適応性を高めた基本歩行姿勢を規定している。基本歩行姿勢では膝の曲げ角を大きくした分だけエネルギ消費量が増大するが、歩行やその他の脚式動作への移行を円滑且つ効率的に行なうことができる。
【００２４】
また、本発明の第２の側面は、複数の基本姿勢間の遷移により機体動作を制御する脚式ロボットの姿勢制御装置又は方法であって、
基本姿勢近傍の関節角度に原点を設定する原点設定手段又はステップと、
基本姿勢から関節が変位して原点を通過するときに原点チェックを行なう機体診断手段又はステップと、
を具備することを特徴とする脚式ロボットの姿勢制御装置又は方法である。
【００２５】
そして、前記機体診断手段又はステップが原点チェックに失敗したことに応答して、機体動作を停止させるようにすることによって、その後の脚式動作において機体が転倒・落下するという事態を未然に防止することができる。
【００２６】
本発明の第２の側面に係る脚式移動ロボットは、機体の立脚時においてＺＭＰをＺＭＰ安定領域の中心付近に配置した基本姿勢として、膝の曲げ角を小さくしてエネルギ消費量を抑制した基本立ち姿勢と、膝の曲げ角を比較的大きくして路面適応性並びに外力適応性を高めた基本歩行姿勢を備えている。
【００２７】
また、脚式移動ロボットは脚部において、足首ピッチ軸、足首ロール軸、膝ピッチ軸、股関節ロール軸、股関節ピッチ軸の関節自由度を備えている。そして、前記原点設定手段又はステップは、前記足首ロール軸及び股関節ロール軸の原点を前記基本歩行姿勢から単脚支持期最前期の間に設定するとともに、前記足首ピッチ軸、膝ピッチ軸、股関節ピッチ軸の原点を前記基本立ち姿勢と前記基本歩行姿勢の間に設定してもよい。
【００２８】
このような場合、前記機体診断手段又はステップは、立脚側への機体のＺＭＰを移動させる歩行予備動作期間中に前記足首ロール軸及び股関節ロール軸の原点チェックを行なうことができるとともに、歩行停止毎に前記足首ピッチ軸、膝ピッチ軸、股関節ピッチ軸の原点チェックを行なうことができる。
【００２９】
また、脚式移動ロボットの胴体はさらに体幹ピッチ軸及び体幹ロール軸の関節自由度を備えていてもよい。そして、前記原点設定手段又はステップは、前記体幹ロール軸の原点を前記基本歩行姿勢から単脚支持期最前期の間に設定するとともに、前記体幹ピッチ軸の原点を前記基本立ち姿勢と前記基本歩行姿勢の間に設定してもよい。
【００３０】
このような場合、前記機体診断手段又はステップは、立脚側への機体のＺＭＰを移動させる歩行予備動作期間中に前記体幹ロール軸の原点チェックを行なうことができるとともに、歩行停止毎に前記体幹ピッチ軸の原点チェックを行なうことができる。
【００３１】
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。
【００３２】
【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。
【００３３】
Ａ．脚式移動ロボットの物理的構成
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、脚式移動ロボットは、胴体部と、頭部と、左右の上肢部と、脚式移動を行う左右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。
【００３４】
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。
【００３５】
制御部は、この脚式移動ロボット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。
【００３６】
このように構成された脚式移動ロボットは、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われる。すなわち、
【００３７】
（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
【００３８】
脚式移動ロボット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。
【００３９】
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。
【００４０】
図３には、この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ている。同図に示すように、脚式移動ロボットは、２本の腕部と頭部を含む上肢と、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。
【００４１】
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及び２Ｂと、首関節ロール軸３という３自由度を有している。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
但し、エンターティンメント向けの脚式移動ロボット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。
【００４６】
上述したような脚式移動ロボットが持つ各自由度は、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に求められている駆動系自身の受動的特性を得ている。
【００４７】
Ｂ．脚式移動ロボットの制御システム構成
図４には、本発明に実施に供される脚式移動ロボット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、脚式移動ロボットは、全体の動作の統括的制御やその他のデータ処理を行う制御ユニット２０と、入出力部４０と、駆動部５０と、電源部６０とで構成される。以下、各部について説明する。
【００４８】
入出力部４０は、入力部として脚式移動ロボットの目に相当するＣＣＤカメラ４１や、耳に相当するマイクロフォン４２、また、出力部として、口に相当するスピーカ４３、あるいは点滅の組み合わせや点灯のタイミングにより顔の表情を形成するＬＥＤインジケータ（目ランプ）４４などを装備している。これら出力部は、音声出力やＬＥＤの点滅などを用いて、機体動作以外の形式でもロボット装置１からのユーザ・フィードバックを表現することができる。
【００４９】
また、ロボットが外部環境を取得するために、頭部や背中などの部位に配設されてユーザの接触を感知するタッチ・センサ４５（あるいは五感に相当するその他の各種のセンサ）を含む。
【００５０】
また、ロボットが機体で実行する動作や行動の状況を取得するために、接地センサ４６や加速度センサ４７を備えている。接地センサ４６は、左右の足部の足底に配設されて、床反力などを検出して、現在着床中かどうかを判別するようになっている。加速度センサ４７は、機体の傾斜・姿勢計測に用いられる。加速度センサ４７を設置した場所で世界座標系を取得することができる。例えば、左右の両脚に加速度センサ４７を設けることにより、立脚から判る世界座標系を使って期待の運動制御や姿勢制御を行なうことができる。また、機体の腰部に加速度センサ４７を配設することにより、世界座標上の腰位置を基準にして姿勢安定制御を行なうことが可能となる。なお、加速度センサ４７の代わりに、傾斜センサとジャイロの組み合わせによっても機体の傾斜を計測することができる。
【００５１】
駆動部５０は、制御部２０が指令する所定の運動パターンに従って脚式移動ロボットの機体動作を実現する機能ブロックであり、行動制御による制御対象である。駆動部５０は、脚式移動ロボットの各関節における自由度を実現するための機能モジュールであり、それぞれの関節におけるロール、ピッチ、ヨーなど各軸毎に設けられた複数の駆動ユニットで構成される。各駆動ユニットは、所定軸回りの回転動作を行うモータ５１と、モータ５１の回転位置を検出するエンコーダ５２と、エンコーダ５２の出力に基づいてモータ５１の回転位置や回転速度を適応的に制御するドライバ５３の組み合わせで構成される。各関節軸モータ５１には、低減速ギア直結で、ドライバ５３内蔵型のＡＣサーボ・モータが使用されている（前述）。
【００５２】
電源部６０は、その字義通り、脚式移動ロボット内の各電気回路などに対して給電を行う機能モジュールである。本実施形態に係る脚式移動ロボットは、バッテリを用いた自律駆動式であり、電源部６０は、充電バッテリ６１と、充電バッテリ６１の充放電状態を管理する充放電制御部６２とで構成される。
【００５３】
充電バッテリ６１は、例えば、複数本のリチウムイオン２次電池セルをカートリッジ式にパッケージ化した「バッテリ・パック」の形態で構成される。
【００５４】
また、充放電制御部６２は、バッテリ６１の端子電圧や充電／放電電流量、バッテリ６１の周囲温度などを測定することでバッテリ６１の残存容量を把握し、充電の開始時期や終了時期などを決定する。充放電制御部６２が決定する充電の開始及び終了時期は制御ユニット２０に通知され、ロボット装置１が充電オペレーションを開始及び終了するためのトリガとなる。
【００５５】
図５には、制御ユニット２０の構成をさらに詳細に図解している。同図に示すように、制御ユニット２０は、メイン・コントローラとしてのＣＰＵ（Central Processing Unit）２１が、メモリやその他の各回路コンポーネントや周辺機器とバス接続された構成となっている。バス２７は、データ・バス、アドレス・バス、コントロール・バスなどを含む共通信号伝送路である。バス２７上の各装置にはそれぞれに固有のアドレス（メモリ・アドレス又はＩ／Ｏアドレス）が割り当てられている。ＣＰＵ２１は、アドレスを指定することによってバス２８上の特定の装置と通信することができる。
【００５６】
ＲＡＭ（Random Access Memory）２２は、ＤＲＡＭ（Dynamic RAM）などの揮発性メモリで構成された書き込み可能メモリであり、ＣＰＵ２１が実行するプログラム・コードをロードしたり、実行プログラムによる作業データの一時的な保存のために使用される。
【００５７】
実行されるプログラム・コードには、脚式移動ロボットの電源投入時に実行する起動シーケンス・プログラムや、脚式移動ロボットの運動系の動作を制御する動作制御プログラムなどが挙げられる。また、本実施形態では、運動系の動作制御は、姿勢安定性や消費電力、状態遷移を考慮した複数の基本姿勢を規定して、これら基本姿勢に基づく状態遷移により行なわれる。起動シーケンス・プログラムや運動系の動作制御の詳細については後述に譲る。
【００５８】
ＲＯＭ（Read Only Memory）２３は、プログラムやデータを恒久的に格納する読み出し専用メモリである。また、不揮発性メモリ２４は、例えばＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable ROM）のように電気的に消去再書き込みが可能なメモリ素子で構成され、逐次更新すべきデータを不揮発的に保持するために使用される。逐次更新すべきデータには、暗号鍵やその他のセキュリティ情報、出荷後にインストールすべき装置制御プログラムなどが挙げられる。
【００５９】
機体動作のプラットフォームを構築するための装置制御プログラムは、ＲＯＭ２３やＥＥＰＲＯＭ２４などの不揮発性記憶領域にマッピングされる。このうちハードウェア固有の制御プログラムはＲＯＭ２３内にあらかじめ用意され、ハードウェア変更に伴うプログラム・モジュール部分はＥＥＰＲＯＭ２４に追記するようにしてもよい。本実施形態では、このプラットフォーム領域では、複数の基本姿勢をベースにして機体動作を効率的に制御するようになっている（後述）。また、脚式移動ロボットは、立ち姿勢などにおいて、歩行や跳躍、ダンスなど全身動作を利用した各種のパフォーマンスを行なうが、その装置制御プログラムは、プラットフォーム上で動作するアプリケーションとして位置付けられる。これらアプリケーション・プログラムは、外部記憶からＲＡＭ２２上に随時ロードされ、ＣＰＵ２１によって実行される。
【００６０】
インターフェース２５は、制御ユニット２０外の機器と相互接続し、データ交換を可能にするための装置である。インターフェース２５は、例えば、カメラ４１やマイクロフォン４２、スピーカ４３との間でデータ入出力を行う。また、インターフェース２５は、駆動部５０内の各ドライバ５３−１…との間でデータやコマンドの入出力を行う。
【００６１】
また、インターフェース２５は、ＲＳ（Recommended Standard）−２３２Ｃなどのシリアル・インターフェース、ＩＥＥＥ（Institute of Electrical and electronics Engineers）１２８４などのパラレル・インターフェース、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）インターフェース、ｉ−Ｌｉｎｋ（ＩＥＥＥ１３９４）インターフェース、ＳＣＳＩ（Small Computer System Interface）インターフェース、ＰＣカードやメモリ・スティックを受容するメモリ・カード・インターフェース（カード・スロット）などのような、コンピュータの周辺機器接続用の汎用インターフェースを備え、ローカル接続された外部機器との間でプログラムやデータの移動を行うようにしてもよい。
【００６２】
さらに、制御ユニット２０は、無線通信インターフェース２６やネットワーク・インターフェース・カード（ＮＩＣ）２７、赤外線通信（ＩｒＤＡ）インターフェースなどを含み、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈのような近接無線データ通信や、ＩＥＥＥ  ８０２．１１ｂのような無線ネットワーク、あるいはインターネットなどの広域ネットワークを経由して、外部のさまざまなホスト・コンピュータとデータ通信を行うことができる。
【００６３】
このような脚式移動ロボットとホスト・コンピュータ間におけるデータ通信により、遠隔の計算機資源を用いて、脚式移動ロボットの複雑な動作制御を演算したり、リモート・コントロールすることができる。
【００６４】
Ｃ．脚式移動ロボットの起動シーケンス
一般に、自動機械は、電源投入後、所定の自己診断や初期化処理を経て、通常の動作状態を回復することができる。情報機器のように機械運動系を持たない装置、据置き型の多軸自動機械であれば、起動時における装置の姿勢を考慮する必要はなく、装置本体を安定した場所に設置した状態（若しくは基本姿勢）で、オペレータが電源スイッチを投入するだけでよい。
【００６５】
これに対し、図１〜図３に示すような直立歩行型の脚式移動ロボットの場合、歩行などの機体運動を考慮した場合における基準となる姿勢は、２足で立ち上がった立ち姿勢である。例えば、立ち姿勢の中では最も安定した状態（すなわち不安定性の極小点）を基本立ち姿勢にすることができる。しかし、このような基本立ち姿勢は、その姿勢を安定に維持するためには、姿勢安定制御の実行、制御指示による脚部などの関節軸モータのトルク生成が必要であり、これらの駆動のための電力消費を伴う。言い換えれば、無電源状態では立ち姿勢は決して安定ではない。
【００６６】
そこで、本実施形態では、脚式移動ロボットの基本仰向け姿勢（若しくは基本うつ伏せ姿勢）を定義して、この基本仰向け姿勢でオペレータが電源を投入すると、脚式移動ロボットは、基本仰向け姿勢のまま、ハードウェアの診断やソフトウェアの初期化、機体（各関節アクチュエータ）の原点チェックなどの起動シーケンスを行なった後、所定の起き上がりモーション・シーケンスに従って基本立ち姿勢に自動的に遷移するようにした。一旦基本立ち姿勢を形成すると、これを姿勢遷移の基準にして、歩行やダンスなど、脚部を始め全身の各部の自由度を活用した各種のパフォーマンスを行なうことが可能となる。
【００６７】
基本仰向け姿勢、すなわち立ち姿勢でない脱力姿勢からの機体の起動オペレーションが可能となることから、オペレータの作業負担は著しく軽減される。
【００６８】
図６には、本実施形態に係る脚式移動ロボットの起動シーケンスをフローチャートの形式で示している。この起動シーケンスは、実際には、制御ユニット２０内のＣＰＵ２１が所定のプログラム・コードを実行するという形態で実現される。
【００６９】
機体を基本仰向け姿勢にして、電源スイッチを操作して電源を投入する。これに応答して、制御ユニット２０内では、自己診断テストなどを経てオペレーティング・システムが起動する（ステップＳ１）。図７には、基本仰向け姿勢の脚式移動ロボットを示している。
【００７０】
次いで、機体のハードウェア構成（関節アクチュエータの接続関係など）を記述した所定の構成情報ファイルを用いて、脚式移動ロボットの実機ハードウェア構成をチェックする（ステップＳ２）。
【００７１】
次いで、脚式移動ロボットの基本的な行動パターンやその組み合わせからなる複合パターンを記述したモーション・ファイルを、外部記憶装置から（あるいはネットワーク経由で）読み込んで登録する（ステップＳ３）。
【００７２】
次いで、各センサのキャリブレーションを行なった後（ステップＳ４）、加速度センサ４７を用いて世界座標系を確認してから（ステップＳ５）、各関節アクチュエータの原点チェックを行なう（ステップＳ６）。原点チェックは、ハードウェア原点探索指令を各関節アクチュエータに発行して、アクチュエータ側ではハードウェア原点の探索を行なうことにより構成される。原点チェック後、関節アクチュエータは、関節サーボのゲインを最低状態（受動的な駆動状態）にして、サーボを付勢する。
【００７３】
原点を取得した後、制御システムは、これを基にソフトウェア原点を設定して、サーボ制御を行なうことが可能となる。機体を駆動させるときには、まず、関節サーボ・ゲインを高ゲインに設定する（ステップＳ７）。
【００７４】
そして、所定の起き上がり動作ルーチンに従って機体を駆動して、図７に示すような基本仰向け姿勢からの起き上がりモーションを実行して、図８に示すような基本立ち姿勢に遷移する（ステップＳ８）。
【００７５】
基本立ち姿勢は、立ち状態で最も安定した状態であり、姿勢安定制御のための計算機負荷や消費電力が最小又は極小となるような姿勢である。例えば、図８に示すように膝を伸展させて、直立状態を保つためのモータ・トルクを最小限に抑えている。
【００７６】
他方、基本立ち姿勢は、姿勢安定性に優れているがこのまま歩行など脚式作業に移行するためには最適化されていない。そこで、脚式作業を開始する際には、まず、関節サーボ・ゲインを中ゲインに再設定してから（ステップＳ９）、図９に示すような基本歩行姿勢に遷移する（ステップＳ１０）。後述するように、脚式移動ロボットは基本歩行姿勢を中心にして各種の立ち姿勢パフォーマンスへと効率的に遷移することができる。
【００７７】
図８と図９の比較からも判るように、基本立ち姿勢において、股関節、膝関節、並びに足首関節の各ピッチ軸１２、１４、１５を駆動して、機体の重心位置を少し落とす格好にすることによって、基本歩行姿勢に遷移する。基本歩行姿勢では、一方の脚を持ち上げて単脚支持期への遷移を円滑に行なうことができる。但し、膝を屈曲させた分だけ、この姿勢を維持するためのトルクが余分に必要とならことから、基本立ち姿勢に比し消費電力は増大する。
【００７８】
Ｃ．脚式移動ロボットの原点チェック動作
関節アクチュエータに絶対座標系の測定器を用いた場合には、上記のステップＳ６における原点チェックを省略することもできる。但し、相対座標系の測定器を用いることにより、アクチュエータ周辺部品を小型・軽量化することができ、その分だけ機体設計が容易になる。
【００７９】
本実施形態に係る脚式移動ロボットの原点は、両脚支持での立位、仰向け、そしてうつ伏せの各姿勢状態において、安全かつ安定にハードウェア原点の探索動作を行なえる場所に設定されている。
【００８０】
原点チェックは、ハードウェア原点探索指令を各関節アクチュエータに発行して、アクチュエータ側ではハードウェア原点の探索を行なうことにより構成される。ハードウェア原点の探索は、基本姿勢において関節アクチュエータを駆動させて、原点を通過することによって行なわれる。
【００８１】
図７に示す基本仰向け姿勢において、原点探索している様子を図１０に示している。同図に示すように、各関節アクチュエータを作動させて、探索対象となる関節角を少し屈曲してハードウェア原点を通過することによって原点チェックが行なわれる。
【００８２】
また、図１１には基本うつ伏せ姿勢のロボットを示し、図１２にはこの基本うつ伏せ姿勢において原点探索を行なっている様子を示している。基本仰向け姿勢の場合も、同様に、探索対象となる関節角を少し屈曲してハードウェア原点を通過することによって原点チェックが行なわれる。
【００８３】
後述するように、本実施形態に係る脚式移動ロボットは、複数の基本姿勢を基準にして機体動作を行なう。この基本姿勢の近傍にハードウェア原点を配置することにより、ある基本姿勢から他の基本姿勢に遷移する過程を利用して、任意のタイミングで原点チェック動作を実行することができる。このような場合、基本的な実機動作に隠れて原点チェック処理を行なうことができるので、ユーザは意識する必要がない。
【００８４】
例えば、基本歩行姿勢（図９を参照のこと）と、歩行を開始するための単脚支持期最前期の間に、脚部の各関節アクチュエータのハードウェア原点を配設しておくことにより、最初の歩行開始時に確実に原点チェックを行なうことができる。また、最初の歩行開始時に原点チェックしてエラーが発生した場合には、歩行動作を中断することにより、歩行後の機体の転倒などの不測の損害を回避することができる。
【００８５】
本実施形態に係る脚式移動ロボットでは、脚部を構成する各関節アクチュエータにおいて、以下に示すハードウェア原点の設定を必須としている。
【００８６】
【表１】
0003813102.tif 000002
【００８７】
足首ロール軸１６や股関節ロール軸１３に関しては、歩行時の姿勢安定制御のための最も高い精度が要求される。そこで、基本歩行姿勢から単脚支持最前期の間という歩行予備動作中にこれらロール軸の原点を設定することにより、歩行予備動作中に原点チェックすることができる。また、原点チェックによりエラーを検出できれば歩行動作に遷移する前に機体を停止して安全を確保することができる。勿論、毎歩行予備動作において原点チェックを行なうこともできる。
【００８８】
図１３及び図１４には、脚式移動ロボットの基本歩行姿勢と単脚支持期最前期の間を利用して原点チェックを行なっている様子を示している。
【００８９】
歩き出し時には、必ずＺＭＰを軸足（立脚）の足底に移動させなければならない。図１３及び図１４に示す例では、左足を軸足としており、左右両方の股関節ロール軸１３並びに足首ロール軸１６が回転して、ＺＭＰ（この場合は機体重心と等価）が左足底に移動させている。これらの各ロール軸アクチュエータのハードウェア原点を基本歩行姿勢と単脚支持期最前期の間に配置しておくことにより、歩行開始のための前処理に相当する股関節ロール軸１３並びに足首ロール軸１６の各関節アクチュエータ駆動を利用してその原点探索を行なうようになっている。
【００９０】
なお、図示しないが、右足を軸足として歩行（単脚支持）を開始する場合も、図１３に示した場合と同様の関節アクチュエータ動作により歩行開始前の原点チェックを行なうことができる。
【００９１】
また、足首ピッチ軸１５や膝関節ピッチ軸１４、股関節ピッチ軸１２などのピッチ軸は、基本立ち姿勢と基本歩行姿勢の間に原点を設定することにより、歩行停止毎に原点確認を行なうことができる。また、原点チェックによりエラーを検出できれば歩行準備に相当する期間に機体を停止して安全を確保することができる。
【００９２】
基本立ち姿勢から基本歩行姿勢に遷移する際には、図８と図９の比較からも判るように、基本立ち姿勢において、股関節、膝関節、並びに足首関節の各ピッチ軸１２、１４、１５を駆動して、機体の重心位置を少し落とす格好にすることによって、基本歩行姿勢に遷移する（前述）。これら各ピッチ軸アクチュエータのハードウェア原点を基本立ち姿勢と基本歩行姿勢の間に配置しておくことにより、歩行開始のための前処理に相当する股関節、膝関節、並びに足首関節の各ピッチ軸１２、１４、１５の各関節アクチュエータ駆動を利用してその原点探索を行なうようになっている。
【００９３】
また、体幹の関節アクチュエータにおいては、以下に示すようなハードウェア原点の設定を推奨する。
【００９４】
【表２】
0003813102.tif 000003
【００９５】
例えば、体幹ロール軸１０に関しては、基本歩行姿勢から単脚支持最前期の間という歩行予備動作中にこれらロール軸の原点を設定することにより、歩行予備動作中に原点チェックすることができる。また、体幹ピッチ軸９に関しては、基本立ち姿勢と基本歩行姿勢時の間に原点を設定することにより、歩行停止毎に原点確認を行なうことができる。
【００９６】
また、上肢の関節アクチュエータにおいては、以下に示すようなハードウェア原点の設定を推奨する。
【００９７】
【表３】
0003813102.tif 000004
【００９８】
腕部に関しては、肩関節ピッチ軸４及びロール軸５のハードウェア原点は、基本立ち姿勢時とソフトウェア原点の間に設定することが好ましい。また、上腕ヨー軸６のハードウェア原点は、基本立ち姿勢時とソフトウェア原点の間にあることが好ましい。また、肘関節ピッチ軸７のハードウェア原点は、基本立ち姿勢時とソフトウェア原点の間にあることが好ましい。また、手首関節ヨー軸８に関しては、ソフトウェア原点とハードウェア原点を一致させてもよい。
【００９９】
なお、脚式移動ロボットの基本立ち姿勢は、ソフトウェア原点とは相違する。図１５には、脚式移動ロボットが機体のすべての関節アクチュエータがソフトウェア原点に設定された状態で立脚している様子を示している。また、図１６には脚式移動ロボットが仰向けになっている状態で関節アクチュエータがソフトウェア原点に設定されている様子を、図１７には脚式移動ロボットがうつ伏せになっている状態で関節アクチュエータがソフトウェア原点に設定されている様子を、それぞれ示している。
【０１００】
脚式移動ロボットの姿勢制御は、世界座標系に対する機体座標系（若しくは、機体の各部位毎に設定されるローカル座標系）を利用して行なわれる。このような場合、各関節アクチュエータへの駆動制御信号は、基本的には機体座標系に対する運動を指示する指令値となる。ソフトウェア原点は、このような機体制御システムの都合により定められるものであり、必ずしも、姿勢の安定性や、消費エネルギ、次の状態への遷移を考慮したものではない。
【０１０１】
図１５〜図１７に示す例では、頭部、胴体部、上肢及び下肢はいずれも、鉛直方向に伸張した状態でソフトウェア原点が設定されている。これは、姿勢の安定性や、消費エネルギ、次の状態への遷移を考慮した基本立ち姿勢（図８を参照のこと）とは明らかに相違する。
【０１０２】
Ｄ．脚式移動ロボットの運動系基本状態遷移
本実施形態に係る脚式移動ロボットの制御システムは、複数の基本姿勢を定義する。各々の基本姿勢は、機体の安定性や、消費エネルギ、次の状態への遷移を考慮して定義されており、基本姿勢間の遷移という形態により機体運動を効率的に制御することができる。
【０１０３】
図１８には、本実施形態に係る脚式移動ロボットの運動系が持つ基本状態繊維を示している。同図に示すように、脚式移動ロボットは、基本仰向け姿勢、基本立ち姿勢、基本歩行姿勢、基本座り姿勢、基本うつ伏せ姿勢がそれぞれ仰向け時、立脚時、歩行準備時、着席時、及びうつ伏せ時における機体の安定性や、消費エネルギ、次の状態への遷移を考慮して定義されている。
【０１０４】
これら基本姿勢は、機体の動作制御プログラムのプラットフォームに位置付けられ、ＲＯＭ２３やＥＥＰＲＯＭ２４などの不揮発性記憶領域にマッピングされる。また、脚式移動ロボットは、立ち姿勢などにおいて、歩行や跳躍、ダンスなど全身動作を利用した各種のパフォーマンスを行なうが、その装置制御プログラムは、プラットフォーム上で動作するアプリケーションとして位置付けられる。これらアプリケーション・プログラムは、外部記憶からＲＡＭ２２上に随時ロードされ、ＣＰＵ２１によって実行される。
【０１０５】
基本仰向け姿勢は、図７に示した通りである。既に述べたように、機体への電源投入時に基本仰向け姿勢をとり、転倒などの心配がなく機械運動的に最も安定した状態からの起動を行うことができる。
【０１０６】
また、脚式移動ロボットは、起動時（図６を参照のこと）だけでなくシステム動作の終了時も基本仰向け姿勢に復帰するようになっている。したがって、機械運動学的に機体が最も安定した状態で作業を開始するとともに、最も安定した状態で作業を終了することから、脚式移動ロボットの動作オペレーションは自己完結的となる。
【０１０７】
勿論、機体の転倒時においても、床上での所定のモーションを経て一旦基本仰向け姿勢に戻った後に、規定の立ち上がり動作を実行することにより、基本立ち姿勢を介して、作業中断時の元の姿勢を回復することができる。
【０１０８】
また、本実施形態に係る脚式移動ロボットは、床上での基本姿勢として、基本仰向け姿勢の他に、図１１に示したような基本うつ伏せ姿勢を備えている。この基本うつ伏せ姿勢は、基本仰向け姿勢と同様に、機械運動学的に機体が最も安定した状態であり、電源が遮断された脱力状態においても姿勢安定性を維持することができる。例えば、脚式作業において不測の外力などにより期待が転倒した場合、仰向け又はうつ伏せのいずれの状態で落下するか不明なので、本実施形態では、このように２通りの床上基本姿勢を規定している。
【０１０９】
基本うつ伏せ姿勢の状態で各関節アクチュエータを少しだけ駆動させることにより、探索対象となる関節角を少し屈曲してハードウェア原点を通過することによって原点チェックが行なわれる（図１２を参照のこと）。
【０１１０】
基本仰向け姿勢と基本うつ伏せ姿勢の間は、各種の床上姿勢を経て可逆的に遷移することができる。逆に言えば、これら基本仰向け姿勢と基本うつ伏せ姿勢を基準にして各種の床上姿勢へ円滑に状態遷移することができる。
【０１１１】
基本仰向け姿勢は、機械運動学的には最も安定した基本姿勢であるが、脚式作業を考慮した場合、円滑な状態遷移を行うことはできない。そこで、図８に示すような基本立ち姿勢が定義されている。基本立ち姿勢を定義することで、その後の脚式作業へ滞りなく移行することができる。
【０１１２】
基本立ち姿勢は、立ち状態で最も安定した状態であり、姿勢安定制御のための計算機負荷や消費電力が最小又は極小となるような姿勢であり、膝を伸展させることにより直立状態を保つためのモータ・トルクを最小限に抑えている。この基本立ち姿勢から各種の立ち姿勢へ円滑に状態遷移して、たとえば上肢を利用したダンス・パフォーマンスなどを実演することができる。
【０１１３】
他方、基本立ち姿勢は、姿勢安定性に優れているがこのまま歩行など脚式作業に移行するためには最適化されていない。そこで、本実施形態に係る脚式移動ロボットは、立脚状態の他の基本姿勢として、図９に示すような基本歩行姿勢を定義している。
【０１１４】
基本立ち姿勢において、股関節、膝関節、並びに足首関節の各ピッチ軸１２、１４、１５を駆動して、機体の重心位置を少し落とす格好にすることによって、基本歩行姿勢に遷移する。基本歩行姿勢では、通常の歩行動作を始めとして各種の脚式動作への遷移を円滑に行なうことができる。但し、膝を屈曲させた分だけ、この姿勢を維持するためのトルクが余分に必要とならことから、基本歩行姿勢は、基本立ち姿勢に比し消費電力は増大する。
【０１１５】
基本立ち姿勢は、機体のＺＭＰ位置はＺＭＰ安定領域の中心付近にあり、膝の曲げ角が小さくエネルギ消費量が低い姿勢である。これに対し、基本歩行姿勢では、ＺＭＰ位置が安定領域の中心付近にあるが、高い路面適応性、高い外力適応性を確保するために膝の曲げ角を比較的大きくとっている。
【０１１６】
また、本実施形態に係る脚式移動ロボットでは、さらに基本座り姿勢が定義されている。この基本座り姿勢（図示しない）では、所定の椅子に腰掛けたときに、姿勢安定制御のための計算機負荷や消費電力が最小又は極小となるような姿勢である。前述した、基本仰向け姿勢、基本うつ伏せ姿勢、並びに基本立ち姿勢からは、可逆的に基本姿勢へ遷移することができる。また、基本座り姿勢並びに基本立ち姿勢からは、各種の座り姿勢へと円滑に移行することができ、座り姿勢で例えば状態のみを用いた各種のパフォーマンスを実演することができる。
【０１１７】
Ｅ．その他の状態
本実施形態に係る脚式移動ロボットは、前項で説明したような基本姿勢以外にも、安全な機体動作を保証するために幾つかの主要な状態が定義されているので、ここで説明しておく。
【０１１８】
抱き上げ時の脱力状態は、オペレータがロボットを抱き上げたときに、関節アクチュエータが脱力して受動駆動を行う状態を指す。アクチュエータに低減速器が直結されていることに加えて、抱き上げを検出したことに応答して各関節アクチュエータに最低ゲインを設定したり、出力トルクを最小値に設定することにより、脱力状態を実現することができる。
【０１１９】
脚式移動ロボットが抱き上げられたかどうかは、脚部に設置されている床反力センサの出力がゼロになったこととの加速度センサがＺ軸上方向の加速度を検出したことによって判断することができる。
【０１２０】
また、突発的転倒や、機体の落下時においても、このような脱力状態に遷移することにより、床面への着床時に印加される衝撃力が関節軸やアクチュエータ出力軸に伝播しなくなるようにして、機体へのダメージを最小限に抑えることができる。
【０１２１】
また、機体の暴走時やその他の不測の事態に遭遇したときに備えて、脚式移動ロボットは緊急停止機能を備えている。例えば機体に配設されている緊急停止ボタン（図示しない）を操作することにより、サーボ・ゲインを低下させた安全停止状態に陥る。
【０１２２】
また、図２に示したように、脚式移動ロボットの胴体後方の略上端縁には、オペレータが機体を把持するためのハンドルが設けられている。このハンドルには、オペレータが把持したことを検知することができるタッチ・センサが配設されている。そして、ハンドルの握りを検出するとシステムに対し脱力指示を発行して、上述した脱力状態に遷移させる。したがって、オペレータは、機体動作を緊急停止したいときに簡易な操作方法としてハンドルを握って脚式移動ロボットを持ち上げればよい。
【０１２３】
この脱力状態から機体動作を復帰させるためには、脚式移動ロボットを基本仰向け姿勢に配置すればよい。脚式移動ロボットは、所定の起き上がり動作を実行することにより、基本立ち姿勢を経て所望の脚式作業を回復することができる。
【０１２４】
［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。
【０１２５】
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う機械装置であるならば、例えば玩具等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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、エンターテインメント型のロボットのように、定型的な作業に限らず多種多様な機体動作を好適に行なうことができる、優れた脚式ロボットの姿勢制御装置及び姿勢制御方法を提供することができる。
【０１２８】
また、本発明によれば、複数の基本姿勢をベースにして機体動作を効率的に制御することができる、優れた脚式ロボットの姿勢制御装置及び姿勢制御方法を提供することができる。
【０１２９】
また、本発明によれば、機体の安定性や、消費エネルギ、次の状態への遷移を考慮して基本姿勢を設定して機体運動を好適に制御することができる、優れた脚式ロボットの姿勢制御装置及び姿勢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】本発明に実施に供される脚式移動ロボットの制御システム構成を模式的に示した図である。
【図５】制御ユニット２０の構成をさらに詳細に示した図である。
【図６】本実施形態に係る脚式移動ロボットの起動シーケンスをフローチャートである。
【図７】基本仰向け姿勢の脚式移動ロボットの様子を示した図である。
【図８】基本立ち姿勢の脚式移動ロボットの様子を示した図である。
【図９】基本歩行姿勢の脚式移動ロボットの様子を示した図である。
【図１０】基本仰向け姿勢において原点探索をしている様子を示した図である。
【図１１】基本うつ伏せ姿勢の脚式移動ロボットの様子を示した図である。
【図１２】基本うつ伏せ姿勢において原点探索をしている様子を示した図である。
【図１３】脚式移動ロボットの基本歩行姿勢と単脚支持期最前期の間を利用して原点チェックを行なっている様子を機体正面から示した図である。
【図１４】脚式移動ロボットの基本歩行姿勢と単脚支持期最前期の間を利用して原点チェックを行なっている様子を機体右斜め前方から示した図である。
【図１５】脚式移動ロボットが機体のすべての関節アクチュエータがソフトウェア原点に設定された状態で立脚している様子を示した図である。
【図１６】脚式移動ロボットが仰向けになっている状態で関節アクチュエータがソフトウェア原点に設定されている様子を示した図である。
【図１７】脚式移動ロボットがうつ伏せになっている状態で関節アクチュエータがソフトウェア原点に設定されている様子を示した図である。
【図１８】本実施形態に係る脚式移動ロボットの運動系が持つ基本状態遷移を示した図である。
【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…膝関節ロール軸
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
２０…制御ユニット
４０…入出力部
４１…カメラ，４２…マイクロフォン
４３…スピーカ，４４…ＬＥＤインジケータ
４５…タッチ・センサ，４６…接地センサ
４７…加速度センサ
５０…駆動部
５１…モータ，５２…エンコーダ
５３…ドライバ
６０…電源部
６１…充電バッテリ，６２…充放電制御部
【図１】
0003813102.tif 000005
【図２】
0003813102.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003813102.tif 000010
【図７】
0003813102.tif 000011
【図８】
0003813102.tif 000012
【図９】
0003813102.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0003813102.tif 000016
【図１３】
0003813102.tif 000017
【図１４】
0003813102.tif 000018
【図１５】
0003813102.tif 000019
【図１６】
0003813102.tif 000020
【図１７】
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【図１８】
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