(57)【要約】２足歩行ロボット１の直立姿勢時における脚部リンク２の床面接地端から肩関節までの高さを、作業対象物群の床面からの高さを平均して得た平均値Ｈａｖｇとそれらの標準偏差σに基づいて設定された範囲（Ｈａｖｇ＋１／２σ）内の値、具体的には、７００ｍｍから１０００ｍｍ程度の範囲内の値となるように決定する。これにより、肩関節の床面からの設置高さを作業対象物群の高さに応じて最適に決定することができ、よって既存の作業空間内における作業の効率を向上させることができる。
2002040226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも上体と、前記上体に股関節を介して揺動可能に連結される２本の脚部リンクと、前記上体に肩関節を介して揺動可能に連結される２本の腕部リンクとを備え、前記脚部リンクを揺動させて作業空間内の床面上を歩行すると共に、少なくとも前記腕部リンクを駆動させて前記作業空間内の作業対象物群に対する作業を行う２足歩行ロボットにおいて、
前記２足歩行ロボットの直立姿勢時における前記脚部リンクの床面接地端から前記肩関節までの高さを、前記作業対象物群の床面からの高さを平均して得た平均値とそれらの標準偏差σに基づいて設定された範囲内の値とすることを特徴とする２足歩行ロボット。
【請求項２】
前記範囲が、７００ｍｍから１０００ｍｍであることを特徴とする請求の範囲第１項記載の２足歩行ロボット。
【請求項３】
前記腕部リンクは、少なくとも前記上体に前記肩関節を介して揺動可能に連結される上腕リンクと、前記上腕リンクに肘関節を介して揺動可能に連結される下腕リンクとからなると共に、前記上腕リンクの長さを前記標準偏差σに基づいて設定することを特徴とする請求の範囲第１項または第２項記載の２足歩行ロボット。
【請求項４】
少なくとも上体と、前記上体に股関節を介して揺動可能に連結される２本の脚部リンクと、前記上体に肩関節を介して揺動可能に連結されると共に、端部にハンドを有する２本の腕部リンクとを備え、前記脚部リンクを揺動させて作業空間内の床面上を歩行すると共に、少なくとも前記腕部リンクを駆動させて前記作業空間内の作業対象物群に対する作業を行う２足歩行ロボットにおいて、
前記２足歩行ロボットの直立姿勢時において前記肩関節が特異点姿勢をとるときの前記脚部リンクの床面接地端から前記ハンドまでの高さを、前記作業対象物群の床面からの高さを平均して得た平均値とそれらの標準偏差σに基づいて設定された範囲外の値とすることを特徴とする２足歩行ロボット。
【請求項５】
少なくとも上体と、前記上体に股関節を介して揺動可能に連結される２本の脚部リンクと、前記上体に肩関節を介して揺動可能に連結されると共に、端部にハンドを有する２本の腕部リンクと、前記上体に首関節を介して揺動可能に連結されると共に、撮像デバイスからなる視覚センサを有する頭部とを備え、前記脚部リンクを揺動させて作業空間内の床面上を歩行すると共に、少なくとも前記撮像デバイスによって撮像された画像から得た前記作業空間内の情報に基づき、前記腕部リンクを駆動させて前記作業空間内の作業対象物群に対する作業を行う２足歩行ロボットにおいて、
前記２足歩行ロボットの直立姿勢時において前記腕部リンクを前記床面と平行な水平方向に位置させたときの前記ハンドと前記撮像デバイスを結ぶ光軸が、前記水平方向に対して５度から４５度の範囲内の角度をなすように前記撮像デバイスを設置することを特徴とする２足歩行ロボット。
【請求項６】
前記２足歩行ロボットの直立姿勢時における前記脚部リンクの床面接地端から前記肩関節までの高さを７００ｍｍから１０００ｍｍの範囲内とすると共に、前記肩関節と前記撮像デバイスの前記床面からの高さの差が、１５０ｍｍから２５０ｍｍの範囲内となるように前記撮像デバイスを設置することを特徴とする請求の範囲第５項記載の２足歩行ロボット。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は２足歩行ロボットに関し、具体的には２足歩行ロボットのサイズの決定技術に関し、より具体的には、肩関節などの床面からの設置高さを作業対象物群の高さに応じて最適に決定し、よって既存の作業空間内における作業の効率化を図るようにした２足歩行ロボットに関する。
背景技術
本出願人は、より人間に近い歩行動作を可能とした２足歩行ロボットの実現を目指し、世界に先駆けて従来より研究・開発している。そして、先に提案してきた２足歩行ロボットを通じて、平地および登坂・降坂での安定した歩行、片足立ち、さらには階段や段差の昇降などを可能とし、既存の種々の歩行環境に対応可能な２足歩行ロボットを具現化した。
また、上体に連結された腕部により、ドライバー（ネジ回し）やレンチ（スパナ）を用いたネジやナットの締結などといった作業も可能とし、さらには、脚部と腕部の動作の有機的な連携により、ドアの開閉・通過や台車の手押しなどといった複雑な作業を行わせることをも可能とした。これらの動作は、脚腕協調を高次元で実現した結果であると共に、人間との親和性を大きく向上させる一つの大きな要因と成り得るものであると言うことができる。
このように、本出願人が研究・開発している２足歩行ロボットは、既存の作業空間（家庭や工場など）において人間に代わって種々の作業を実行し、かつ、人間との共存を現実のものとする可能性を世界で初めて示唆した。
ところで、本出願人は、前記した２足歩行ロボットの研究・開発にあたり、より人間に近い歩行動作のみならず、外観もより人間らしくするために、その身長（直立姿勢時の鉛直方向における全長）を成人の平均身長に近い１６００ｍｍから１８００ｍｍ程度としていた。
また、従来から２足歩行ロボットに関する技術としては種々のものが提案されており、そのサイズについても様々な提言がなされている。例えば、論文『全身感覚行動統合研究用人間型ロボットＨ６の開発』（第５回ロボティクスシンポジウム）や『ヒューマノイドロボット才華３の動作実験』（第１８回日本ロボット学会学術講演会）などにおいては、既存の作業空間内で活動可能、あるいは小型軽量化といった側面から、身長を１２００ｍｍから１３００ｍｍ程度とした２足歩行ロボットが提案されている。
本出願人が従来より採用してきた１６００ｍｍから１８００ｍｍ程度の身長を有する２足歩行ロボットを既存の作業空間において作業させようとすると、いくつかの不具合な点が生じる。その一つとして、バッテリ消費量が挙げられる。また、身長が大きくなればそれに伴って重量が増加するが、家庭内や工場などで人間との共存を考えたとき、重量はなるべく軽い方が望ましい。
また、既存の作業空間、特に家庭内環境における作業対象物の多くは、人間工学的に成人のみならず子供、車椅子使用者などにとっても使い易い高さに位置しており、成人の平均身長を近似したサイズ（具体的にはそれにより決定される肩関節の高さ、より具体的には肩関節の高さにより決定される腕部リンク揺動範囲（高さ））が作業対象物群の高さに必ずしも適しているとは言えなかった。さらに、人間とのより良い調和性を考えると、ロボットは人間が親しみ易いサイズであった方が好ましく、この点からいっても成人の平均身長を近似したサイズが必ずしも適しているとは言いきれなかった。
他方、上記した従来技術などに示される１２００ｍｍから１３００ｍｍ程度、あるいはそれに近い身長とすることで、軽量化および親しみ易さといった点については改善することができる。しかしながら、上記した従来技術などにおいては、実際に作業を行わせるにあたっての関節の高さや腕部リンクの長さなどサイズ的な留意点については何ら考慮するに至っていなかったのが現状であり、実際にこのような２足歩行ロボットに作業を行わせようとした場合、単にスケールダウンしたのみでは、作業対象物群との高さ関係が最適化されておらず、作業効率が低いと共に、以下のような種々の留意点を改善することなく残存させてしまうといった問題があった。
例えば、一般にロボットの多自由度アーム（２足歩行ロボットにおいては脚部リンクおよび腕部リンク、特にここで問題になるのは腕部リンクの肩関節）にはその動きが規制される特異点が存在するが、作業性を考慮した場合、この特異点が頻度の高い作業時に発生することを避けねばならない。
また、各種作業を行うにあたっては、視覚センサにより作業対象物の位置を正確に認識する必要があるため、視覚センサと作業対象物の相対位置関係について十分考慮する必要がある。
発明の開示
従って、本発明の目的は上記した不都合を解消し、肩関節などの床面からの設置高さを作業対象物群の高さに応じて最適に決定し、よって既存の作業空間内における作業の効率を向上させることができるようにした２足歩行ロボットに関する。
上記した課題を解決するために、請求の範囲第１項においては、少なくとも上体と、前記上体に股関節を介して揺動可能に連結される２本の脚部リンクと、前記上体に肩関節を介して揺動可能に連結される２本の腕部リンクとを備え、前記脚部リンクを揺動させて作業空間内の床面上を歩行すると共に、少なくとも前記腕部リンクを駆動させて前記作業空間内の作業対象物群に対する作業を行う２足歩行ロボットにおいて、前記２足歩行ロボットの直立姿勢時における前記脚部リンクの床面接地端から前記肩関節までの高さを、前記作業対象物群の床面からの高さを平均して得た平均値とそれらの標準偏差σに基づいて設定された範囲内の値とするように構成した。
２足歩行ロボットの直立姿勢時における脚部リンクの床面接地端から肩関節までの高さを、作業対象物群の床面からの高さを平均して得た平均値とそれらの標準偏差σに基づいて設定された範囲内の値とするように構成したことから、肩関節の床面からの設置高さを作業対象物群の高さに応じて最適に決定することができ、よって既存の作業空間内における作業の効率を向上させることができる。
より具体的には、作業対象物群の高さに応じて肩関節高さを最適化することで、肩関節を介して連結される腕部リンクの揺動可能範囲（高さ）を最適に決定することができ、よって作業対象物群に対する作業性を向上させることができる。
請求の範囲第２項にあっては、前記範囲が、７００ｍｍから１０００ｍｍであるように構成した。
肩関節の高さの範囲が、７００ｍｍから１０００ｍｍであるように構成したので、特に家庭環境における作業対象物群、即ち、成人から子供、車椅子使用者などが使い易い高さに位置した作業対象物群に対する作業性を向上させることができる。また、肩関節の床面からの高さを規定することにより、ロボット全体の身長を含めたサイズが付随的にある程度決定される。上記のように、肩関節の高さの範囲を７００ｍｍから１０００ｍｍとすれば、ロボットの身長は、人間を模す限り大凡１０００ｍｍから１３００ｍｍ程度となるため、親しみ易い外観を呈した２足歩行ロボットの提供にもつながる。
請求の範囲第３項にあっては、前記腕部リンクは、少なくとも前記上体に前記肩関節を介して揺動可能に連結される上腕リンクと、前記上腕リンクに肘関節を介して揺動可能に連結される下腕リンクとからなると共に、前記上腕リンクの長さを前記標準偏差σに基づいて設定するように構成した。
腕部リンクは、少なくとも上体に肩関節を介して揺動可能に連結される上腕リンクと、上腕リンクに肘関節を介して揺動可能に連結される下腕リンクとからなると共に、上腕リンクの長さを作業対象物群の高さの標準偏差σに基づいて設定するように構成したので、上腕リンクの長さを作業対象物群の高さに応じて最適に決定することができ、より一層作業対象物群に対する作業性を向上させることができる。
より具体的には、作業対象物群の高さの分布密度が高い高さ領域において上腕リンクの自由度を向上させることのできる上腕リンク長さに設定することで、作業対象物群に対する作業性をより一層向上させることができる。
請求の範囲第４項にあっては、少なくとも上体と、前記上体に股関節を介して揺動可能に連結される２本の脚部リンクと、前記上体に肩関節を介して揺動可能に連結されると共に、端部にハンドを有する２本の腕部リンクとを備え、前記脚部リンクを揺動させて作業空間内の床面上を歩行すると共に、少なくとも前記腕部リンクを駆動させて前記作業空間内の作業対象物群に対する作業を行う２足歩行ロボットにおいて、前記２足歩行ロボットの直立姿勢時において前記肩関節が特異点姿勢をとるときの前記脚部リンクの床面接地端から前記ハンドまでの高さを、前記作業対象物群の床面からの高さを平均して得た平均値とそれらの標準偏差σに基づいて設定された範囲外の値とするように構成した。
２足歩行ロボットの直立姿勢時において肩関節が特異点姿勢をとるときの脚部リンクの床面接地端からハンドまでの高さを、作業対象物群の床面からの高さを平均して得た平均値とそれらの標準偏差σに基づいて設定された範囲外の値とするように構成した、具体的には、作業対象物群の高さの分布密度が高い領域において、肩関節の特異点姿勢を形成しないように構成したので、作業対象物群の高さの分布密度が高い領域における腕部リンクの自由度を向上させることができ、よって作業対象物群に対する作業性をより一層向上させることができる。
請求の範囲第５項にあっては、少なくとも上体と、前記上体に股関節を介して揺動可能に連結される２本の脚部リンクと、前記上体に肩関節を介して揺動可能に連結されると共に、端部にハンドを有する２本の腕部リンクと、前記上体に首関節を介して揺動可能に連結されると共に、撮像デバイスからなる視覚センサを有する頭部とを備え、前記脚部リンクを揺動させて作業空間内の床面上を歩行すると共に、少なくとも前記撮像デバイスによって撮像された画像から得た前記作業空間内の情報に基づき、前記腕部リンクを駆動させて前記作業空間内の作業対象物群に対する作業を行う２足歩行ロボットにおいて、前記２足歩行ロボットの直立姿勢時において前記腕部リンクを前記床面と平行な水平方向に位置させたときの前記ハンドと前記撮像デバイスを結ぶ光軸が、前記水平方向に対して５度から４５度の範囲内の角度をなすように前記撮像デバイスを設置する如く構成した。
２足歩行ロボットの直立姿勢時において腕部リンクを床面と平行な水平方向に位置させたときのハンドと撮像デバイスを結ぶ光軸が、水平方向に対して５度から４５度の範囲内の角度をなすように撮像デバイスを設置する如く構成した、換言すれば、撮像デバイスにより作業対象物群を撮像する角度を５度から４５度の範囲内の角度に規定することにより、常に安定した画像認識を可能とすることができ、よって作業対象物群に対する作業性をより一層向上させることができる。
請求の範囲第６項にあっては、前記２足歩行ロボットの直立姿勢時における前記脚部リンクの床面接地端から前記肩関節までの高さを７００ｍｍから１０００ｍｍの範囲内とすると共に、前記肩関節と前記撮像デバイスの前記床面からの高さの差が、１５０ｍｍから２５０ｍｍの範囲内となるように前記撮像デバイスを設置するように構成した。
２足歩行ロボットの直立姿勢時における脚部リンクの床面接地端から肩関節までの高さを７００ｍｍから１０００ｍｍの範囲内とすると共に、肩関節と撮像デバイスの床面からの高さの差が、１５０ｍｍから２５０ｍｍの範囲内となるように撮像デバイスを設置するように構成したので、特に家庭環境における作業対象物群、即ち、成人から子供、車椅子使用者などが使い易い高さに位置した作業対象物群に対する作業性を向上させることができる。また、肩関節と撮像デバイスの床面からの高さの差を上記のように規定することにより、常に安定した画像認識を可能とすることができ、よって作業対象物群に対する作業性をより一層向上させることができる。さらに、ロボットの身長が大凡１０００ｍｍから１３００ｍｍ程度となり、親しみ易い外観を呈した２足歩行ロボットの提供にもつながる。
発明を実施するための最良の形態
以下、添付図面を参照して本発明の一つの実施の形態に係る２足歩行ロボットを説明する。
第１図は本発明の一つの実施の形態に係る２足歩行ロボット（以下単に「ロボット」という）１の正面図、第２図はその側面図である。
第１図に示すように、ロボット１は、２本の脚部リンク２を備えると共に、その上方には上体（基体）３が設けられる。上体３の上部には頭部４が形成されると共に、上体３の両側には２本の腕部リンク５が連結される。また、第２図に示すように、上体３の背部には格納部６が設けられ、その内部には制御ユニット（後述）およびロボット１の関節を駆動する電動モータ（駆動源。後述）のバッテリ電源（図示せず）などが収容される。尚、第１図および第２図に示すロボット１は、内部構造を保護するためのカバーが取着されたものを示す。
第３図を参照して上記したロボット１の内部構造を関節を中心に説明する。
図示の如く、ロボット１は、左右それぞれの脚部リンク２に６個の関節を備える。
１２個の関節は、腰部の脚回旋用の鉛直軸（Ｚ軸あるいは重力軸）まわりの関節１０Ｒ，１０Ｌ（右側をＲ、左側をＬとする。以下同じ）、股（腰部）のロール方向（Ｘ軸まわり）の関節１２Ｒ，１２Ｌ、股（腰部）のピッチ方向（Ｙ軸まわり）の関節１４Ｒ，１４Ｌ、膝部のピッチ方向（Ｙ軸まわり）の関節１６Ｒ，１６Ｌ、足首のピッチ方向（Ｙ軸まわり）の関節１８Ｒ，１８Ｌ、および同ロール方向（Ｘ軸まわり）の関節２０Ｒ，２０Ｌから構成される。脚部リンク２の下部には足平（足部）２２Ｒ，２２Ｌが取着される。
即ち、脚部リンク２は、股関節（腰関節）１０Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）、膝関節１６Ｒ（Ｌ）、および足関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）から構成される。股関節と膝関節は大腿リンク２４Ｒ（Ｌ）で、膝関節と足関節は下腿リンク２６Ｒ（Ｌ）で連結される。
脚部リンク２は股関節を介して上体３に連結されるが、第３図では上体３を上体リンク２８として簡略的に示す。前記したように、上体３には腕部リンク５が連結される。
腕部リンク５は、肩部のピッチ方向の関節３０Ｒ，３０Ｌ、同ロール方向の関節３２Ｒ，３２Ｌ、腕の回旋用の鉛直軸まわりの関節３４Ｒ，３４Ｌ、肘部のピッチ軸まわりの関節３６Ｒ，３６Ｌ、手首回旋用の鉛直軸まわりの関節３８Ｒ，３８Ｌから構成される。手首の先にはハンド（エンドエフェクタ）４０Ｒ，４０Ｌが取着される。
即ち、腕部リンク５は、肩関節３０Ｒ（Ｌ），３２Ｒ（Ｌ），３４Ｒ（Ｌ）、肘関節３６Ｒ（Ｌ）および手首関節３８Ｒ（Ｌ）から構成される。また肩関節と肘関節とは上腕リンク４２Ｒ（Ｌ）で、肘関節とハンドとは下腕リンク４４Ｒ（Ｌ）で連結される。
また、頭部４は、鉛直軸まわりの首関節４６およびそれと直交する軸で頭部４を回転させる頭部揺動機構４８を介して上体３に連結される。
上記の構成により、脚部リンク２は左右の足について合計１２の自由度を与えられ、歩行中にこれらの１２個の関節を適宜な角度で駆動することで、足全体に所望の動きを与えることができ、任意に３次元空間を歩行させることができる。また、腕部リンク５も左右の腕についてそれぞれ５つの自由度を与えられ、これらの関節を適宜な角度で駆動することで所望の作業を行わせることができる。さらに、頭部４は２つの自由度を与えられ、これらの関節あるいは揺動機構を適宜な角度で駆動することにより所望の方向に頭部４を向けることができる。
尚、足関節の下方の足部２２Ｒ（Ｌ）には公知の６軸力センサ５０が取着され、ロボットに作用する外力の内、接地面からロボットに作用する床反力の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚとモーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとを検出する。
また、頭部４の適宜位置には、２つの撮像デバイス（ＣＣＤカメラ。画素数２５万）５２ａ（一つのみ示す）からなる平行光軸式の視覚センサ５２が搭載され、頭部４の回転に応じた方向の作業空間を撮像する。
さらに、上体３には傾斜センサ５４が設置され、鉛直軸に対する傾きとその角速度を検出する。また各関節の電動モータはその出力を減速・増力する減速機を介して前記したリンク２４，２６Ｒ（Ｌ）などを相対変位させると共に、その回転量を検出するロータリエンコーダ（図示せず）が設けられる。
前記したとおり、格納部６の内部にはマイクロコンピュータからなる制御ユニット６０などが収納され、６軸力センサ５０などの出力（図示の便宜のためロボット１の右側についてのみ図示する）は、制御ユニット６０に送られる。
第４図は制御ユニット６０の構成を詳細に示すブロック図である。
図示の如く、制御ユニット６０はマイクロ・コンピュータから構成される。そこにおいて傾斜センサ５４などの出力はＡ／Ｄ変換器（図に「Ａ／Ｄ」と示す）６２でデジタル値に変換され、その出力はバス６４を介してＲＡＭ６６に送られる。また各関節において電動モータに隣接して配置されるエンコーダの出力は、カウンタ６８を介してＲＡＭ６６内に入力される。
制御ユニット６０内にはＣＰＵからなる演算装置７０が設けられ、演算装置７０は、ＲＯＭ７２に格納されているデータおよびセンサ出力に基づいて各関節の駆動に必要な制御値（操作量）を算出してＤ／Ａ変換器（図に「Ｄ／Ａ」と示す）７４と各関節に設けられたアクチュエータ駆動装置（アンプ）７６を介して各関節を駆動する電動モータに出力する。尚、視覚センサ５２の出力は、図示しない画像処理装置に入力され、適宜な処理を施され後、外界情報、具体的には作業空間および作業対象物の位置情報として制御ユニット６０に入力されて各関節の駆動量（制御値）の決定などに使用される。
次いで第５図から第８図を参照し、この実施の形態に係るロボット１における肩関節の位置（高さ）などについて説明する。
第５図は、ロボット１の肩関節の床面からの高さなどを示す正面図である。
第５図の説明を続ける前に、第６図を参照してこの実施の形態に係るロボット１の作業対象物について説明する。この実施の形態に係るロボット１は、主に家庭環境（ここでいう「家庭環境」とは、オフィスなども含めた広義のものとする。）において軽作業を行うことを目的とする。家庭環境における軽作業の対象物として、例えば第６図に示すようなものが挙げられる。尚、第６図に示す作業対象物とその床面からの高さの関係は、建築用のＪＩＳ（日本工業規格）により推奨されているもの一部であり、第６図に示すもののほかに、例えばコートハンガーなど、数多くの家庭環境内において使用される据え付け品などの推奨高さが規定されている。
第６図からわかるように、家庭環境における作業対象物は、ある特定の高さ範囲、具体的には７００ｍｍから１１００ｍｍの範囲に数多く分布している。ここで、これら作業対象物群の高さの平均値Ｈａｖｇをとると、約８６２ｍｍとなる（尚、この平均値には第６図に示す作業対象物以外にも種々の物品の推奨高さが含まれる）。また、これらの分布の標準偏差σを公知の標準偏差算出式を用いて導くと、約３０５ｍｍとなる（平均値Ｈａｖｇと同様に第６図に示す作業対象物に限らない）。即ち、平均値Ｈａｖｇ±１／２標準偏差σ（７０９．５ｍｍ〜１０１４．５ｍｍ）の範囲内に作業対象物が集中していると言える。尚、この傾向は、工場などの人間が活動する空間において当然ながら数多く見られる。
次いで、作業対象物群に応じたロボット１の肩関節の床面からの高さ（別言すれば、脚部リンク２の床面との接地端、即ち足平２２Ｌ（Ｒ）の底面からの高さ）について考察する。肩関節の床面からの高さが決定されると、ロボット１が人間を模した２足歩行ロボットであれば、その身長や腕部リンク５の長さなどの取り得る範囲が外観的な観点から限定されてくる。腕部リンクの長さが大凡決定されれば、肩関節および肘関節の揺動範囲から、腕部リンク全体の揺動範囲、より具体的にはハンド４０Ｌ（Ｒ）の作業領域も決定される。
発明者らは、これらに鑑みて研究・実験を重ねた結果、肩関節の床面からの高さを概ね「作業対象物群高さの平均値Ｈａｖｇ±１／２標準偏差σ」とすることで、一般的な可動範囲を有する関節を用い、直立姿勢のまま作業対象物群の集中する高さ範囲全般にハンド４０Ｌ（Ｒ）を位置させることができ、よって作業性を向上させることができると共に、関節にも過剰な負担をかけるおそれがないことを知見した。
また、「作業対象物群高さの平均値Ｈａｖｇ±１／２標準偏差σ」とは、上記したように７０９．５ｍｍ〜１０１４．５ｍｍの範囲内であり、略７００ｍｍ〜１０００ｍｍ程度ということができる。肩関節の高さが７００ｍｍ〜１０００ｍｍ程度になれば、通常、人間を模した場合、その身長は１０００ｍｍ〜１３００ｍｍ程度となる。これは、小学校低学年位に相当する身長であり、従って、肩関節の高さを７００ｍｍ〜１０００ｍｍに設定することにより、家庭環境における作業性が高く、かつ親しみ易く人間社会との親和性を有した外観（サイズ）を呈するロボットを提供することができる。
尚、前述したように腕部リンク５は上腕リンク４２Ｌ（Ｒ）および下腕リンク４４Ｌ（Ｒ）ならびに複数の関節からなる。また、上腕リンク４２Ｌ（Ｒ）と下腕リンク４４Ｌ（Ｒ）の長さの比は、人間を模した場合、大略１対１となる。従って、上腕リンク４２Ｌ（Ｒ）の長さを「１／２標準偏差σ」よりも長くなるように設定することで、結果的に腕部リンク５の長さを「標準偏差σ」よりも長くすることができる。このため肩関節を上記した「作業対象物群高さの平均値Ｈａｖｇ±１／２標準偏差σ」の範囲内に設けることで、ハンド４０Ｌ（Ｒ）を円滑に、かつ確実に作業対象物群に到達させることがき、作業対象物群への作業性をより一層向上させることができる。
以上の理由により、この実施の形態に係るロボット１は、第５図に示すように、肩関節の床面からの高さを９１０ｍｍに設定した。これにより、家庭環境における作業性が高く、かつ親しみ易く人間社会との親和性を有した外観（身長１２１０ｍｍ）とすることができる。
次いで第７図を参照して腕部リンク５、より具体的には肩関節の特異点姿勢の設定について説明する。
前記したように、肩関節は、関節３０Ｒ（Ｌ），３２Ｒ（Ｌ），３４Ｒ（Ｌ）からなる３自由度の関節である。このような多自由度の関節では、その動きが制約される特異点姿勢が存在するとは前述の通りである。従って、この特異点姿勢を作業対象物群の範囲内に存在させないことが好ましい。
このため、この実施の形態に係るロボット１においては、特異点姿勢を、作業対象物群の範囲内、即ち「作業対象物群高さの平均値Ｈａｖｇ±１／２標準偏差σ」に存在させないように構成した。具体的には、作業対象物群高さの最大値である「作業対象物群高さの平均値Ｈａｖｇ＋１／２標準偏差σ」（１０１４．５ｍｍ）よりもハンド４０Ｌ（Ｒ）が高い位置（１０３５ｍｍ）に駆動されたときに存在するように設定した。このように設定することで、ロボット１の作業対象物群に対する作業性をより一層向上させることができる。尚、特異点姿勢の設定手法に関しては、本出願人が先に提案した特開平１１−１８８６６８号公報にその詳細が記載されているので、ここでの説明は省略する。
次いで、第８図を参照して肩関節と撮像デバイス５２ａの位置関係、および撮像デバイス５２ａとハンド４０Ｌ（Ｒ）の角度について説明する。
同図は、水平方向に伸ばした状態における腕部リンク５（右側（右腕）を示す）と視覚センサ５２、より正確には撮像デバイス５２ａ（一つのみ図示する）との位置関係を簡略的に示した説明図である。
同図の説明の前に、先ず、視覚センサ５２の光軸と撮像対象の角度と、画像認識率との関係について簡単に説明する。視覚センサ５２の光軸と撮像対象の角度（視覚センサ５２の光軸と撮像対象の水平方向とがなす角）が大きくなる（即ち仰角あるいは俯角が大きくなる）と画像認識率が低下する。具体的には、角度０を中心とした正規分布を示す。尚、発明者らは種々の実験を重ね、実用に耐え得る角度はおよそ±４５度（仰角４５度から俯角４５度まで）であることを知見している。従って、視覚センサ５２の光軸と撮像対象の角度を±４５度の範囲内に収めることが前提となる。
ところで、撮像デバイス５２ａの取り付け高さを決定するに際しては、上記したように、その光軸と撮像対象、即ち作業対象物（第８図に符合１００で示す）の角度が±４５度の範囲内に収まるように留意しなければならない。ところが、作業対象物群を対象とすると、一義的に決定することはできない。一方、作業対象物に実際に触れて作業を行うのはハンド４０Ｌ（Ｒ）であることから、ハンド４０Ｌ（Ｒ）を作業対象物と見做すことで、作業対象物に対する撮像デバイス５２ａの光軸の角度が±４５度の範囲内になるような、撮像デバイス５２ａの設置高さを決定することができる。
第８図の説明に戻ると、同図に示すように、腕部リンク５は、１８０ｍｍの上腕リンク４２Ｌ（Ｒ）、１８５ｍｍの下腕リンク４４Ｌ（Ｒ）および１４０ｍｍのハンド４０Ｌ（Ｒ）からなり、長さ５０５ｍｍを有する。また、撮像デバイス５２ａのレンズ面は、肩関節の鉛直軸から水平距離で８０ｍｍ程度離間した位置にある。
従って、撮像デバイス５２ａから作業対象物１００までの水平距離は４２５ｍｍとなる。この水平距離に基づき、作業対象物１００（ハンド４０Ｌ（Ｒ））に対する撮像デバイス５２ａの光軸の角度が±４５度の範囲内になるように、肩関節からの鉛直方向距離（床面からの高さの差）を決定する。この実施の形態においては、鉛直方向距離を１７５ｍｍとし、よってハンド４０Ｌ（Ｒ）を水平方向に位置させたときのハンド４０Ｌ（Ｒ）に対する撮像デバイス５２ａの光軸の角度、具体的には俯角が２２．４度となるように設置した。
俯角が２２．４度のため、より上方の作業対象物（仰角４５度まで）はもちろん、より下方の作業対象物（俯角４５度まで）も正確に認識することができる。上記したように撮像デバイス５２ａからハンド４０Ｌ（Ｒ）までの水平距離は４２５ｍｍであるから、理論上は肩関節との高さの差が＋６００（４２５＋１７５）から−２５０（４２５−１７５）ｍｍまでの作業対象物を正確に認識することが可能となる。
実際には腕部リンク５が上方あるいは下方に駆動されるほど、ハンド４０Ｌ（Ｒ）が上体に近付くことから、撮像デバイス５２ａからハンド４０Ｌ（Ｒ）までの水平距離が短くなり、上記の範囲内の作業対象物を正確に認識することは困難になるが、いずれにしても、「作業対象物群高さの平均値Ｈａｖｇ±１／２標準偏差σ」の範囲内に関しては正確に認識することができる。このため、常に安定した画像認識を可能とすることができ、よって作業対象物群に対する作業性をより一層向上させることができる。
また、上述の「作業対象物群高さの平均値Ｈａｖｇ±１／２標準偏差σ」の範囲内の作業対象物群を正確に認識するには、前記したハンド４０Ｌ（Ｒ）に対する撮像デバイス５２ａの光軸の角度を、＋５度から＋４５度（俯角が５度から４５度）の範囲内に設定すればよいことを発明者らは知見している。なお、＋５度以下が存在しないのは、撮像デバイス５２ａが頭部４、即ち肩関節よりも上部にに搭載されているためである。尚、上記した角度は、この実施の形態に係るロボット１において、肩関節と撮像デバイス５２ａの前記床面からの高さの差を略１５０ｍｍから２５０ｍｍとすることで実現することができる。
この実施の形態にかかるロボット１にあっては、前記したとおり、作業対象物群の床面からの高さに応じて肩関節の高さを決定する、具体的には、肩関節の高さを７００ｍｍ〜１０００ｍｍに設定することにより、家庭環境における作業性が高く、かつ親しみ易く人間社会との親和性を有した外観（サイズ）を呈するロボットを提供することができる。
また、特異点姿勢を、作業対象物群の範囲内、即ち「作業対象物群高さの平均値Ｈａｖｇ±１／２標準偏差σ」に存在させないように構成したので作業対象物群に対する作業性をより一層向上させることができる。
また、ハンド４０Ｌ（Ｒ）に対する撮像デバイス５２ａの光軸の角度を、＋５度から＋４５度の範囲内に設定したので、常に安定した画像認識を可能とすることができ、よって作業対象物群に対する作業性をより一層向上させることができる。
この実施の形態では上記の如く、少なくとも上体３と、前記上体３に股関節１０，１２，１４Ｒ，Ｌを介して揺動可能に連結される２本の脚部リンク２と、前記上体３に肩関節３０，３２，３４Ｒ，Ｌを介して揺動可能に連結される２本の腕部リンク５とを備え、前記脚部リンク２を揺動させて作業空間内の床面上を歩行すると共に、少なくとも前記腕部リンク５を駆動させて前記作業空間内の作業対象物群に対する作業を行う２足歩行ロボット１において、前記２足歩行ロボット１の直立姿勢時における前記脚部リンク２の床面接地端（足平２２Ｒ，Ｌの底面）から前記肩関節までの高さを、前記作業対象物群の床面からの高さを平均して得た平均値Ｈａｖｇとそれらの標準偏差σに基づいて設定された範囲（Ｈａｖｇ＋１／２σ）内の値とするように構成した。
このように、２足歩行ロボットの直立姿勢時における脚部リンクの床面接地端から肩関節までの高さを、作業対象物群の床面からの高さを平均して得た平均値とそれらの標準偏差σに基づいて設定された範囲内の値とするように構成したことから、肩関節の床面からの設置高さを作業対象物群の高さに応じて最適に決定することができ、よって既存の作業空間内における作業の効率を向上させることができる。
より具体的には、作業対象物群の高さに応じて肩関節高さを最適化することで、肩関節を介して連結される腕部リンクの揺動可能範囲（高さ）を最適に決定することができ、よって作業対象物群に対する作業性を向上させることができる。
また、前記範囲が、７００ｍｍから１０００ｍｍであるように構成した。
このように、肩関節の高さの範囲が、７００ｍｍから１０００ｍｍであるように構成したので、特に家庭環境における作業対象物群、即ち、成人から子供、車椅子使用者などが使い易い高さに位置した作業対象物群に対する作業性を向上させることができる。また、肩関節の床面からの高さを規定することにより、ロボット全体の身長を含めたサイズが付随的にある程度決定される。上記のように、肩関節の高さの範囲を７００ｍｍから１０００ｍｍとすれば、ロボットの身長は、人間を模す限り大凡１０００ｍｍから１３００ｍｍ程度となるため、親しみ易い外観を呈した２足歩行ロボットの提供にもつながる。
また、前記腕部リンク５は、少なくとも前記上体３に前記肩関節を介して揺動可能に連結される上腕リンク４２Ｒ，Ｌと、前記上腕リンクに肘関節３６Ｒ，Ｌを介して揺動可能に連結される下腕リンク４４Ｒ，Ｌとからなると共に、前記上腕リンクの長さを前記標準偏差σに基づいて設定するように構成した。
このように、腕部リンクは、少なくとも上体に肩関節を介して揺動可能に連結される上腕リンクと、上腕リンクに肘関節を介して揺動可能に連結される下腕リンクとからなると共に、上腕リンクの長さを作業対象物群の高さの標準偏差に基づいて設定するように構成したので、上腕リンクの長さを作業対象物群の高さに応じて最適に決定することができ、より一層作業対象物群に対する作業性を向上させることができる。
より具体的には、作業対象物群の高さの分布密度が高い高さ領域において上腕リンクの自由度を向上させることのできる上腕リンク長さに設定することで、作業対象物群に対する作業性をより一層向上させることができる。
また、少なくとも上体３と、前記上体３に股関節１０，１２，１４Ｒ，Ｌを介して揺動可能に連結される２本の脚部リンク２と、前記上体３に肩関節３０，３２，３４Ｒ，Ｌを介して揺動可能に連結されると共に、端部にハンド４０Ｒ，Ｌを有する２本の腕部リンク５とを備え、前記脚部リンク２を揺動させて作業空間内の床面上を歩行すると共に、少なくとも前記腕部リンク５を駆動させて前記作業空間内の作業対象物群に対する作業を行う２足歩行ロボット１において、前記２足歩行ロボット１の直立姿勢時において前記肩関節が特異点姿勢をとるときの前記脚部リンク２の床面接地端（足平２２Ｒ，Ｌの底面）から前記ハンドまでの高さを、前記作業対象物群の床面からの高さを平均して得た平均値Ｈａｖｇとそれらの標準偏差σに基づいて設定された範囲（Ｈａｖｇ＋１／２σ）外の値とするように構成した。
このように、２足歩行ロボットの直立姿勢時において肩関節が特異点姿勢をとるときの脚部リンクの床面接地端からハンドまでの高さを、作業対象物群の床面からの高さを平均して得た平均値とそれらの標準偏差σに基づいて設定された範囲外の値とするように構成した、具体的には、作業対象物群の高さの分布密度が高い領域において、肩関節の特異点姿勢を形成しないように構成したので、作業対象物群の高さの分布密度が高い領域における腕部リンクの自由度を向上させることができ、よって作業対象物群に対する作業性をより一層向上させることができる。
また、少なくとも上体３と、前記上体３に股関節１０，１２，１４Ｒ，Ｌを介して揺動可能に連結される２本の脚部リンク２と、前記上体３に肩関節３０，３２，３４Ｒ，Ｌを介して揺動可能に連結されると共に、端部にハンド４０Ｒ，Ｌを有する２本の腕部リンク５と、前記上体３に首関節４６Ｒ，Ｌを介して揺動可能に連結されると共に、撮像デバイス５２ａからなる視覚センサ５２を有する頭部４とを備え、前記脚部リンク２を揺動させて作業空間内の床面上を歩行すると共に、少なくとも前記撮像デバイス５２ａによって撮像された画像から得た前記作業空間内の情報に基づき、前記腕部リンク５を駆動させて前記作業空間内の作業対象物群に対する作業を行う２足歩行ロボット１において、前記２足歩行ロボット１の直立姿勢時において前記腕部リンク５を前記床面と平行な水平方向に位置させたときの前記ハンド４０Ｒ，Ｌと前記撮像デバイス５２ａを結ぶ光軸が、前記水平方向に対して５度から４５度の範囲内の角度をなすように前記撮像デバイス５２ａを設置する如く構成した。
このように、２足歩行ロボットの直立姿勢時において腕部リンクを床面と平行な水平方向に位置させたときのハンドと撮像デバイスを結ぶ光軸が、水平方向に対して５度から４５度の範囲内の角度をなすように撮像デバイスを設置する如く構成した、換言すれば、撮像デバイスにより作業対象物群を撮像する角度を５度から４５度の範囲内の角度に規定することにより、常に安定した画像認識を可能とすることができ、よって作業対象物群に対する作業性をより一層向上させることができる。
また、前記２足歩行ロボット１の直立姿勢時における前記脚部リンク２の床面接地端から前記肩関節までの高さを７００ｍｍから１０００ｍｍの範囲内とすると共に、前記肩関節と前記撮像デバイス５２ａの前記床面からの高さの差が、１５０ｍｍから２５０ｍｍの範囲内となるように前記撮像デバイス５２ａを設置するように構成した。
このように、２足歩行ロボットの直立姿勢時における脚部リンクの床面接地端から肩関節までの高さを７００ｍｍから１０００ｍｍの範囲内とすると共に、肩関節と撮像デバイスの床面からの高さの差が、１５０ｍｍから２５０ｍｍの範囲内となるように撮像デバイスを設置するように構成したので、特に家庭環境における作業対象物群、即ち、成人から子供、車椅子使用者などが使い易い高さに位置した作業対象物群に対する作業性を向上させることができる。また、肩関節と撮像デバイスの床面からの高さの差を上記のように規定することにより、常に安定した画像認識を可能とすることができ、よって作業対象物群に対する作業性をより一層向上させることができる。さらに、ロボットの身長が大凡１０００ｍｍから１３００ｍｍ程度となり、親しみ易い外観を呈した２足歩行ロボットの提供にもつながる。
産業上の利用可能性
本発明によれば、作業対象物群の床面からの高さに応じて２足歩行ロボットの肩関節の高さを決定する、具体的には、肩関節の高さを７００ｍｍ〜１０００ｍｍに設定することにより、家庭環境における作業性が高く、かつ親しみ易く人間社会との親和性を有した外観（サイズ）を呈するロボットを提供することができる。また、特異点姿勢を、作業対象物群の範囲内、即ち「作業対象物群高さの平均値Ｈａｖｇ±１／２標準偏差σ」に存在させないように構成したので作業対象物群に対する作業性をより一層向上させることができる。さらに、ハンドに対する撮像デバイスの光軸の角度を、＋５度から＋４５度の範囲内に設定したので、常に安定した画像認識を可能とすることができ、よって作業対象物群に対する作業性をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の一つの実施の形態に係る２足歩行ロボットの正面図である。
第２図は、第１図に示す２足歩行ロボットの右側面図である。
第３図は、第１図に示す２足歩行ロボットの内部構造を関節を中心に全体的に示す概略図である。
第４図は、第３図に示す制御ユニットの詳細を示すブロック図である。
第５図は、第１図に示す２足歩行ロボットの肩関節の高さなどを示す正面図である。
第６図は、第１図に示す２足歩行ロボットが作業の対象とする作業対象物群の高さを示す説明図である。
第７図は、第１図に示す２足歩行ロボットの肩関節の特異点姿勢の高さなどを示す正面図である。
第８図は、第１図に示す２足歩行ロボットの肩関節と視覚センサの高さの関係などを示す部分側面図である。
【図１】
2002040226.tif 000003
【図２】
2002040226.tif 000004
【図３】
2002040226.tif 000005
【図４】
2002040226.tif 000006
【図５】
2002040226.tif 000007
【図６】
2002040226.tif 000008
【図７】
2002040226.tif 000009
【図８】
2002040226.tif 000010
【国際調査報告】
2002040226.tif 000011
2002040226.tif 000012