JP2001157972A

JP2001157972A - 脚式移動ロボット

Info

Publication number: JP2001157972A
Application number: JP33894399A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Hattori; 裕一服部
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2001-06-12

Abstract

(57)【要約】【課題】少ない起き上がり動作パターンを以って転倒
状態から自律的に起き上がることができる。【解決手段】脚式移動ロボットは、仰向け状態で転倒
した場合であっても、自然に横転に近付く状態に移行す
るので、転倒姿勢が限定され、サポートすべき起き上が
り動作パターン数を削減することができる。また、起き
上がり動作が不可能になる姿勢を忌避することが可能と
なり、システムの信頼性が向上する。また、システムが
判断すべき状況の範囲が限定されるので、転倒時の姿勢
判断等に必要なセンサ類や組込みプログラムの要求仕様
を削減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、生体のメカニズム
や動作をモデル化して構成されるリアリスティックなロ
ボットに係り、特に、ヒトやサルなどの脚式移動型動物
の身体メカニズムをモデル化した脚式移動型ロボットに
関する。

【０００２】更に詳しくは、本発明は、歩行動作などの
最中に転倒してしまった場合であっても自力で起き上が
ることができる脚式移動型ロボットに係り、特に、少な
い動作パターンを以って転倒状態から自律的に起き上が
ることができる脚式移動型ロボットに関する。

【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ＲＯＢＯＴ
Ａ（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（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｒｏｂ
ｏｔ）であった。

【０００４】最近では、ヒトやサルなどの２足直立歩行
を行う動物の身体メカニズムや動作を模した脚式移動ロ
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。２足直立による脚式移動は、クローラ
式や、４足又は６足式などに比し不安定で姿勢制御や歩
行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路上
に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な
歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を
実現できるという点で優れている。

【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（ｈｕｍａｎｏｉｄｒ
ｏｂｏｔ）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】人間形若しくは人間型と呼ばれるロボット
を研究・開発する意義を、例えば以下の２つの視点から
把握することができよう。

【０００７】１つは、人間科学的な視点である。すなわ
ち、人間の下肢及び／又は上肢に似た構造のロボットを
作り、その制御方法を考案して、人間の歩行動作をシミ
ュレートするというプロセスを通じて、歩行を始めとす
る人間の自然な動作のメカニズムを工学的に解明するこ
とができる。このような研究成果は、人間工学、リハビ
リテーション工学、あるいはスポーツ科学など、人間の
運動メカニズムを扱う他のさまざまな研究分野の進展に
大いに還元することができるであろう。

【０００８】もう１つは、人間のパートナーとして生活
を支援する、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を行うロボットの開発で
ある。この種のロボットは、人間の生活環境のさまざま
な局面において、人間から動作や作法などを教わりなが
ら個々に個性の相違する人間又は環境への適応方法を学
習し、機能面でさらに成長していく必要がある。このと
き、ロボットが「人間形」すなわち人間と同じ形又は同
じ構造をしている方が、人間とロボットとのスムースな
コミュニケーションを行う上で有効に機能するものと考
えられる。

【０００９】例えば、踏んではならない障害物を避けな
がら部屋を通り抜ける方法を実地においてロボットに教
示するような場合、クローラ式や４足式ロボットのよう
に教える相手が自分と全く違う構造をしているよりも、
同じような格好をしている２足歩行ロボットの方がユー
ザ（作業員）ははるかに教え易く、またロボットにとっ
ても教わり易い筈である（例えば、高西著「２足歩行ロ
ボットのコントロール」（自動車技術会関東支部＜高塑
＞Ｎｏ．２５，１９９６ＡＰＲＩＬ）を参照のこと）。

【００１０】人間の作業空間や居住空間のほとんどは、
２足による直立歩行という人間が持つ身体メカニズムや
行動様式に合わせて形成されている。言い換えれば、人
間の住空間は、車輪その他の駆動装置を移動手段とした
現状の機械システムが移動するのには多くの障壁が存在
する。ところが、機械システムすなわちロボットが様々
な人的作業を代行し、さらに人間の住空間に深く浸透し
ていくためには、ロボットの移動可能範囲が人間のそれ
とほぼ同じであることが好ましい。これが、脚式移動ロ
ボットの実用化が大いに期待されている所以でもある。
人間型の形態を有していることは、ロボットが人間の住
環境との親和性を高める上で必須であると言える。

【００１１】人間型ロボットの用途の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。

【００１２】また、人間型ロボットの他の用途として、
難作業の代行などの生活支援というよりも、生活密着
型、すなわち人間との「共生」という用途が挙げられ
る。この種のロボットは、ヒトやサルなどの２足の直立
歩行を行う動物が本来持つ、全身協調型の動作メカニズ
ムを忠実に再現し、その自然に円滑な動作を実現するこ
とを至上の目的とする。また、ヒトやサルなどの知性の
高い直立動物をエミュレートする以上、四肢を用いた動
作の表現力が豊かであることが望ましい。さらに、予め
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、相手の言葉や態度（「褒める」とか「叱る」、
「叩く」など）に呼応した、生き生きとした動作表現を
実現することも要求される。この意味において、ヒトを
模したエンターティンメント・ロボットは、まさに「人
間型ロボット」と呼ぶに相応しい。

【００１３】既に周知のように、人体は数百の関節すな
わち数百に上る自由度を備えている。限りなくヒトに近
い動作を脚式移動ロボットに付与するためには、ほぼ同
じ自由度を与えることが好ましいが、これは技術的には
極めて困難である。何故ならば、１つの自由度に対して
少なくとも各１つのアクチュエータを配設する必要があ
るが、数百のアクチュエータをロボットという機械装置
上に実装することは、製造コストの点からも、重量やサ
イズなど設計の観点からも不可能に等しい。また、自由
度が多いと、その分だけロボットの位置・動作パターン
制御や姿勢安定制御等のための計算量が指数関数的に増
大してしまう。

【００１４】このため、人体よりもはるかに少ない数十
程度の関節自由度で人間型ロボットを構成するのが一般
的である。したがって、少ない自由度を用いてより自然
な動作を如何にして実現するかが、人間型ロボットの設
計・制御において重要な課題の１つといえる。

【００１５】また、２足直立歩行を行う脚式移動ロボッ
トは、柔軟な歩行・走行動作（例えば階段の昇降や障害
物の乗り越え等）を実現できる点で優れている反面、脚
の本数が少なくなるとともに、重心位置が高くなるた
め、その分だけ姿勢制御や安定歩行制御が難しくなる。

【００１６】２足の脚式移動ロボットに関する姿勢制御
や安定歩行に関する技術は既に数多提案されている。こ
こで言う安定な「歩行」とは、「転倒することなく、脚
を使って移動すること」と定義することができよう。

【００１７】ロボットの姿勢安定制御は、ロボットの転
倒を回避する上で非常に重要である。何故ならば、転倒
は、ロボットが実行中の作業を中断することを意味し、
且つ、転倒状態から起き上がって作業を再開するために
相当の労力や時間が払われるからである。また、何より
も、転倒によって、ロボット本体はもちろん、場合によ
っては転倒するロボットと衝突する相手側の物体にも、
致命的な損傷を与えてしまう危険があるからである。し
たがって、脚式移動ロボットの設計・開発において、姿
勢安定制御や歩行時の転倒防止は最も重要な課題の１つ
である。

【００１８】歩行ロボットの転倒という事態を未然に回
避するためには最大限の努力を払うべきである。しかし
ながら、とりわけ脚の本数が少ない２足歩行ロボットの
場合、研究段階からようやく実用化の第１歩を踏み出そ
うという状況下にあるに過ぎず、転倒の可能性を完全に
消去することはできない。

【００１９】したがって、転倒を未然に防ぐ対策を講じ
るだけではなく、転倒時の損害を最小限に抑えるととも
に、転倒後の作業の復旧、すなわちロボットの起き上が
り若しくは立ち上がり動作の信頼性を向上させること
が、脚式歩行ロボットの早期実用化のためには肝要であ
る。

【００２０】ロボットが様々な障害物や不測の事態を包
含する人間の住環境下で動作する上で、「転倒」は不可
避である。そもそも人間自体が転倒するものである。し
たがって、ロボットが転倒した状態から自律的に起き上
がる動作パターンを備えていることは、脚式移動ロボッ
トの完全自動化を実現するための必須の条件であると言
っても過言ではない。

【００２１】また、ひとえにロボットが「転倒する」と
いっても、転倒した姿勢は様々である。例えば２足の脚
式移動ロボットの場合、うつ伏せ、仰向け、横向きなど
複数の転倒状態がある。一部の転倒状態からしか起き上
がることができない（例えばうつぶせからしか起き上が
らない）というのでは、自律的な起き上がりやロボット
の完全自動化を標榜するには不充分である。

【００２２】例えば、本出願人に既に譲渡されている特
願平１１−３３２９３４号明細書（整理番号：９９００
８７３７）には、歩行動作などの最中に転倒してしまっ
た場合であっても自律的に起き上がることができる、優
れた脚式移動型ロボット及びその制御メカニズムについ
て開示されている。

【００２３】同明細書に開示された脚式移動ロボット
は、下肢部と、体幹部と、上肢部と、頭部とで構成され
るが、体幹部はロール、ピッチ、ヨーの各軸の自由度を
備えており、任意の転倒姿勢において、体幹部が持つこ
れらの関節自由度をフルに活用することにより、円滑且
つ容易に起き上がり動作を実現することができる。

【００２４】例えば、脚式移動ロボットがうつ伏せ姿勢
で転倒した場合（図８）、両肩関節ピッチ軸、両肘関節
ピッチ軸、体幹部ピッチ軸、股関節ピッチ軸、膝部ピッ
チ軸、及び足首関節ピッチ軸の各々を変位させて、ロボ
ットの重心Ｇの位置を上方に徐々に持ち上げた後（図
９）、体幹部ピッチ軸及び膝関節ピッチ軸を最大限の変
位とし、体幹部及び膝部を可能な限り屈曲させて重心Ｇ
と足底までの距離を腕部の長さ以下とすることによっ
て、両膝部を両腕部の間に挿入させる（図１０）。この
結果、ＺＭＰ（ＺｅｒｏＰｏｉｎｔＭｏｍｅｎｔ）
が足平の着床領域内に完全に収容されるので、腕部を床
面から離すことが可能となり、ロボットはこの状態から
立ち上がることができる（図１１）。

【００２５】また、脚式移動ロボットが仰向け状態で転
倒した場合には（図１２）、まず両股関節ピッチ軸を変
位させて上体を起こして腰部で着床する姿勢を形成し、
次いで、両肩関節を駆動させて両腕部によって着床する
姿勢を形成する（図１３）。さらに、両股関節ピッチ
軸、両膝部ピッチ軸、両足首ピッチ軸を動作させて、両
足平の足底で着床する姿勢を形成する（図１４）。その
後、体幹ピッチ軸を変位させると同時に、腕部と脚部各
々の着床部分の距離を短くしていくことで、ＺＭＰを足
底着床領域内に移動させて、腕部と腰部を床面から離す
ことが可能な状態とし（図１５）、ロボットが立ち上が
ることができる（図１６）。

【００２６】また、脚式移動ロボットが横転状態で転倒
した場合には（図１７）、体幹部ヨー軸まわりの可動部
を利用することで転倒姿勢をうつ伏せ状態に変化させた
り（図１８及び図１９）、あるいは、先に体幹部ロール
軸を変位させてから（図２０）体幹部ヨー軸を変位させ
る（図２１）ことによりうつ伏せ状態に変化させ、さら
に、上述したうつ伏せ状態からの起き上がり動作パター
ン（図８〜図１１）を実行することで立ち上がることが
できる。

【００２７】要するに、同明細書に記載の脚式移動ロボ
ットは、うつ伏せ、仰向け、横転など様々な転倒姿勢か
らも、起き上がることができる動作パターンをサポート
している。この結果、ロボットは、歩行動作など作業の
最中に敢え無く安定性を失してしまい、様々な姿勢や状
態で転倒したとしても、自律的且つ確実に起き上がるこ
とができる。

【００２８】しかしながら、同明細書に記載の脚式移動
ロボットのように、うつ伏せ、仰向け、横転という多岐
にわたる起き上がり動作パターンを予め用意しておくこ
とは、現状の技術水準を勘案すると、一般的に困難であ
る。何故ならば、ロボットがサポートすべき動作パター
ン数に応じてメモリ容量が増大し、また、制御が複雑化
してしまうので機上に搭載する演算装置や機構などハー
ドウェアへの負担が過大となってしまうからである。

【００２９】人間の場合であれば、柔軟な関節、質量に
比して高出力の筋力、自身の姿勢や周囲状況の判断力、
状態に対応した運動パターンの生成などの能力を備えて
いる。したがって、たとえ不測の事態のために転倒した
場合であっても、任意の転倒姿勢からでも容易且つ円滑
に起き上がり、元の安定姿勢や作業状態を回復すること
ができる。

【００３０】これに対し、一般的な脚式移動ロボットの
場合、機械的な問題により、関節可動角度や負荷に対す
る充分な駆動力を確保することが困難若しくは不可能で
あることが多い。装置内の質量分布、関節自由度を構成
するアクチュエータの出力トルクや駆動速度によっては
特定の動作が不可能であったり、動作実行上の困難を伴
う。

【００３１】また、姿勢判断の問題により、転倒した状
況を適確に判断することが困難である、多くのセンサー
が必要になる（この結果、製作コストが増大する）。そ
もそもロボットにとって不測は不測の事態であり、転倒
後の姿勢を完全に制御することは極めて困難である。

【００３２】また、現状の技術水準では動作生成や選択
に限界があり、転倒時の姿勢判断に応じた立ち上がり動
作パターンを生成することが困難である。また、状況が
多岐にわたるため、あらかじめ数多くの動作パターンを
用意し、あるいは転倒した現場で生成することは、技術
的及び経済的な側面から困難なことが多い。

【００３３】人間の自由度構成は、前後対称的ではな
い。例えば、下肢や上肢は、基本的には、胴体に対して
前方に円滑に変位するように構成されている。これは、
人間の身体メカニズムが前進歩行を前提として構成され
ていることにも依拠するものである。脚式移動ロボット
も、一般には前後非対称に構成され、例えば、膝関節を
後方に向かって振り上げることはできても、前側には変
位することができない。

【００３４】下肢や上肢はが胴体に対して前方に円滑に
変位するように構成される結果として、仰向け姿勢より
もうつ伏せ姿勢からの起き上がり動作の方がより容易と
なる。何故ならば、下肢や上肢を床面に押し当てながら
起き上がることにより、重心位置を用意に持ち上げるこ
とができるからである。

【００３５】したがって、前進移動を前提とし前後非対
称に構成された脚式移動ロボットの場合も、当然、うつ
伏せ姿勢からの起き上がりの方が容易で、仰向け姿勢は
苦手ということになる。現実の生体のメカニズムとは離
れて、脚式移動ロボットを前後対称的に製作することも
可能であるが、設計上、及び経済上の負担が過大となっ
てしまう。

【００３６】また、脚式移動ロボットは、四肢及び体幹
からなるロボット本体以外に、制御ボックスを搭載する
ことが一般的である。これは、全ての演算・制御回路や
電源系統をロボット本体内に組み込むことは、実装技術
上極めて困難若しくは不可能だからである。また、専用
の制御ボックスを設置した方が、メンテナンス、充電、
バッテリ交換などの作業時にユーザ・アクセスも容易で
ある。

【００３７】ロボットの外観構成を考慮すると、前面で
はなく背面に制御ボックスを接地することが好ましい。
しかしながら、背面に制御ボックスを設置すると、仰向
け状態での重心位置がさらに低くなってしまう結果、さ
らに高い出力トルクが必要となるなど、仰向け姿勢から
の起き上がり動作がますます困難になる。

【００３８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ヒト
やサルなどの脚式移動型動物の身体メカニズムをモデル
化した、優れた脚式移動型ロボットを提供することにあ
る。

【００３９】本発明の更なる目的は、歩行動作などの作
業の最中に転倒してしまった場合であっても自力で起き
上がることができる、優れた脚式移動型ロボットを提供
することにある。

【００４０】本発明の更なる目的は、少ない起き上がり
動作パターンを以って転倒状態から自律的（すなわち外
部からの物理的な補助なしに）に起き上がることができ
る、優れた脚式移動型ロボットを提供することにある。

【００４１】本発明の更なる目的は、仰向け姿勢で転倒
した場合であっても円滑に起き上がることができる、優
れた脚式移動型ロボットを提供することにある。

【００４２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を参
酌してなされたものであり、下肢による脚式移動が可能
な安定姿勢と、下肢による脚式移動が転倒姿勢とを有す
るタイプの脚式移動ロボットであって、前記転倒姿勢は
転倒方向が異なる２以上の転倒姿勢を含み、所定の転倒
姿勢における着床状態を不安定にし若しくは他の転倒姿
勢への移行を容易にする外装部を具備することを特徴と
する脚式移動ロボットである。

【００４３】所定の転倒姿勢における着床状態が不安定
となる結果、自然に（すなわちロボット自体の駆動なし
に）他の転倒姿勢に移行させることができる。すなわ
ち、所定の転倒姿勢を規制することができる訳である。
この結果、脚式移動ロボットは、所定の転倒姿勢におけ
る起き上がり動作パターンをサポートする必要がなくな
る。

【００４４】前記外装部は、前記所定の転倒姿勢におい
て着床する部位に装着されて用いられる。このとき、外
装部の内部に制御機器などの電装部品を収容しておくこ
とにより、機械的強度が低いとされる電装部品を転倒時
の衝撃から保護することができる。

【００４５】また、前記外装部は、前記所定の転倒姿勢
において着床する部位に装着された凸曲面形状の部材で
構成されてもよい。この凸曲面の曲率半径を、前記所定
の転倒姿勢における前記脚式移動ロボット全体の重心の
高さに比し充分小さくしておくことにより、外装部にお
ける着床状態はより不安定となって他の転倒姿勢へ移行
することが容易となるので、本発明の効果が高まるであ
ろう。

【００４６】また、前記外装部は、前記脚式移動ロボッ
トが仰向け姿勢において着床する背面側に装着されてい
てもよい。この場合、脚式移動ロボットが起き上がるこ
とが苦手とされる仰向け姿勢が不安定な状態となり、横
転姿勢若しくはうつ伏せ姿勢への移行を容易にすること
ができる。この結果、脚式移動ロボットは、仰向け姿勢
からの起き上がり動作パターンをサポートする必要がな
くなったり、関節アクチュエータの必要トルクを抑える
など、要求仕様を低減させ、製造コストを削減すること
ができる。

【００４７】

【作用】本発明に係る脚式移動ロボットは、仰向け状態
で転倒した場合であっても、自然に横転若しくは横転に
近付く状態に移行してしまう。したがって、転倒姿勢を
規制することが可能となり、サポートすべき起き上がり
動作パターン数を削減することができる。また、転倒姿
勢を規制することにより、起き上がり動作が不可能にな
る姿勢を忌避することが可能となり、システムの信頼性
が向上する。

【００４８】また、一部の転倒姿勢の可能性を規制する
ことによって、システムが判断しなければならない状況
の範囲を限定することが可能となる。例えば、転倒時の
予測される姿勢を限定することによって、姿勢判断等に
必要なセンサ類への要求仕様を削減することができ、よ
り容易且つ安価に脚式移動ロボットを設計・製作するこ
とができる。

【００４９】また、姿勢判断を行う組込みプログラムの
要求仕様も削減することができるので、開発コスト削
減、開発期間短縮、システムの信頼性向上などを達成す
ることができる。

【００５０】また、転倒姿勢の可能性を規制することに
よって、システムがサポートすべき起き上がり動作パタ
ーンの種類や数を削減すことができる。例えば、起き上
がり動作パターンをあらかじめ用意しておく場合には、
動作パターン数の削減により、開発期間の短縮、コスト
削減が可能となる。

【００５１】また、ハードウェアの負担を軽減し、シス
テムの信頼性が向上する。他方、転倒時の状況に応じて
起き上がり動作パターンを生成する場合も、転倒姿勢が
少なくなる分、生成すべき動作パターン数が減ることに
なり、ロボットに搭載すべき演算装置の負担が軽減し、
製作コストの節約、運転時におけるシステムの信頼性向
上などを達成することができる。

【００５２】また、転倒姿勢の可能性を規制することに
よって、起き上がり動作を実行するために必要な各アク
チュエータの出力トルク、動作範囲などへの要求仕様を
削減することができる。この結果、設計の自由度が増
し、開発期間の短縮や製作コストの削減を実現すること
ができる。

【００５３】また、転倒姿勢の可能性を規制することに
よって、起き上がり動作期間中におけるロボットの消費
エネルギを節約し、バッテリの負担を軽減することがで
きる。この結果、バッテリ駆動時間が延長され、より長
時間に連続運転が可能となり、ロボットの作業時間、作
業空間、作業内容等を拡張することができる。また、必
要なバッテリ容量も軽減されるので、バッテリの軽量化
などにより設計の自由度が向上する。また、バッテリへ
の要求仕様が低くなるので、バッテリ単価低減、システ
ム製作コストや運転コストの削減が可能となる。

【００５４】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例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。

【００５５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施例を詳解する。

【００５６】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」の脚式ロボット１００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、人間型ロボット１００は、脚
式移動を行う左右２足の下肢部１０１と、体幹部１０２
と、左右の上肢部１０３と、頭部１０４と、制御ユニッ
ト１０５、カバー部１０６とで構成される。

【００５７】左右各々の下肢部１０１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１０２の略最下端にて連結されている。ま
た、左右各々の上肢部１０３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１０２の上方の
左右各側縁にて連結されている。また、頭部１０４は、
首関節によって体幹部１０２の略最上端中央に連結され
ている。

【００５８】制御ユニット１０５は、この脚式移動ロボ
ット１００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。また、制御ユニット１０５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。また、図１及び図２に示す例で
は、脚式移動ロボット１００が制御ユニット１０５を背
中に背負うような格好となっている。

【００５９】本実施例に係る脚式移動ロボット１００の
特徴は、その背面部において、制御ユニット１０５を覆
うカバー部１０６を有することと、このカバー部１０６
自体が持つ外観形状にある。

【００６０】カバー部１０６は、充分な強度及び剛性を
備えており、例えば脚式移動ロボット１００が後方に転
倒した場合であっても、衝突する相手側（例えば床面）
から受ける衝撃に絶えるとともに、内部に収容した制御
ユニット１０５を保護する役割を持つ。

【００６１】また、カバー部１０６は、凸形状の曲面を
有する。このため、脚式移動ロボット１００が後方に転
倒して図３に示すように仰向け状態に陥った場合であっ
ても、仰向け姿勢のままでで安定することができない。
言い換えれば、四肢や体幹部ヨー軸などを変位させて、
重心位置を移動させる、あるいはモーメントを発生する
ことによって、転倒姿勢の安定が崩れて、その他の転倒
姿勢に移行することができる。

【００６２】例えば、脚式移動ロボット１００が仰向け
の状態で、左肩関節ピッチ軸や左股関節ピッチ軸等を高
速駆動させて、左上肢部及び／又は左下肢部を上方に持
ち上げた場合、モーメントの発生により体幹部が旋回し
て、図４に示すような横転姿勢に容易に移行することが
できる。

【００６３】また、脚式移動ロボット１００が仰向けの
状態で、左肩関節ピッチ軸や左股関節ピッチ軸等を高速
駆動させて、右上肢部及び／又は右下肢部を上方に持ち
上げた場合、モーメントの発生により体幹部が旋回し
て、図５に示すような横転姿勢に容易に移行することが
できる。

【００６４】要するに、カバー部１０６が所定の曲率を
持つため、図２に示す仰向け姿勢のままでは安定するこ
とができず、図４又は図５に示すように横転姿勢に労せ
ずして移行することができる訳である。この結果、脚式
移動ロボット１００は、仰向け姿勢から起き上がるため
の動作パターンについて準備する必要がなくなり、設計
が容易となる。

【００６５】さらに、脚式移動ロボット１００の仰向け
姿勢がより不安定となものとなるように、カバー部１０
６の曲率を設定することが好ましい。

【００６６】図６（ａ）には、仰向け姿勢での脚式移動
ロボット１００の重心の高さに対し、カバー部１０６の
曲率半径が長い場合を図解している。この場合、四肢の
変位などにより重心移動やモーメントが発生し、仰向け
姿勢が一時的に安定性を失って旋回しても、復元力が働
き、元の仰向け姿勢に戻ってしまう。例えば図６（ｂ）
に示すように、仰向け状態のロボット１００が相当程度
に旋回しても、重心Ｇはカバー部１０６の外周を外れる
ことはなく、元の図６（ａ）に示す姿勢に戻ってしま
う。

【００６７】また、図７（ａ）には、仰向け姿勢での脚
式移動ロボット１００の重心の高さに対し、カバー部１
０６の曲率半径を充分短く形成している場合について図
解している。

【００６８】この場合、四肢の変位などにより重心移動
やモーメントが発生して、仰向け姿勢が一時的に安定性
を失って旋回すると、その軌道がカバー部１０６の外周
を容易に越えてしまい、横転姿勢に到達することができ
る。例えば図７（ｂ）に示すように、仰向け状態のロボ
ット１００が相当程度旋回すると、重心Ｇはカバー部１
０６の外周を外れてしまい、仰向け姿勢を逸脱すること
ができる。

【００６９】［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。すなわち、例示とい
う形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈
されるべきではない。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。

【００７０】

【発明の効果】以上詳記したように、本発明によれば、
歩行動作などの作業の最中に転倒してしまった場合であ
っても自力で起き上がることができる、優れた脚式移動
型ロボットを提供することができる。

【００７１】また、本発明によれば、少ない起き上がり
動作パターンを以って転倒状態から自律的（すなわち外
部からの物理的な補助なしに）に起き上がることができ
る脚式移動型ロボットを提供することができる。

【００７２】また、本発明によれば、仰向け姿勢で転倒
した場合であっても円滑に起き上がることができる、優
れた脚式移動型ロボットを提供することができる。

【００７３】また、本発明によれば、仰向け姿勢からの
起き上がり動作パターンを持たない若しくは該動作パタ
ーンを生成することなしに仰向け姿勢から起き上がるこ
とができる、優れた脚式移動ロボットを提供することが
できる。

【００７４】本発明に係る脚式移動ロボットは、仰向け
状態で転倒した場合であっても、自然に横転若しくは横
転に近付く状態に移行する。したがって、転倒姿勢を限
定することが可能となり、サポートすべき起き上がり動
作パターン数を削減することができる。また、転倒姿勢
を限定することにより、起き上がり動作が不可能になる
姿勢を忌避することが可能となり、システムの信頼性が
向上する。

【００７５】また、転倒姿勢の可能性を制限することに
よって、転倒時にシステムが判断しなければならない状
況の範囲を限定することが可能となる。例えば、転倒時
の予測される姿勢を限定することによって、姿勢判断等
に必要なセンサ類への要求仕様を削減することができ、
より容易且つ安価に脚式移動ロボットを設計・製作する
ことができる。また、姿勢判断を行う組込みプログラム
の要求仕様も削減することができるので、開発コスト削
減、開発期間短縮、システムの信頼性向上などを達成す
ることができる。

【００７６】また、転倒姿勢の可能性を制限することに
よって、システムがサポートすべき起き上がり動作パタ
ーンの種類や数を削減すことができる。例えば、起き上
がり動作パターンをあらかじめ用意しておく場合には、
動作パターン数の削減により、開発期間の短縮、コスト
削減が可能となる。

【００７７】また、ハードウェアの負担を軽減し、シス
テムの信頼性が向上する。他方、転倒時の状況に応じて
起き上がり動作パターンを生成する場合も、転倒姿勢が
少なくなる分、生成すべき動作パターン数が減ることに
なり、ロボットに搭載すべき演算装置の負担が軽減し、
製作コストの節約、運転時におけるシステムの信頼性向
上などを達成することができる。

【００７８】また、転倒姿勢の可能性を制限することに
よって、起き上がり動作を実行するために必要な各アク
チュエータの出力トルク、動作範囲などへの要求仕様を
削減することができる。この結果、設計の自由度が増
し、開発期間の短縮や製作コストの削減を実現すること
ができる。

【００７９】また、転倒姿勢の可能性を制限することに
よって、起き上がり動作期間中におけるロボットの消費
エネルギを節約し、バッテリの負担を軽減することがで
きる。この結果、バッテリ駆動時間が延長され、より長
時間に連続運転が可能となり、ロボットの作業時間、作
業空間、作業内容等を拡張することができる。

【００８０】また、必要なバッテリ容量も軽減されるの
で、バッテリの軽量化などにより設計の自由度が向上す
る。また、バッテリへの要求仕様が低くなるので、バッ
テリ単価低減、システム製作コストや運転コストの削減
が可能となる。

【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１０
０を前方から眺望した様子を示た図である。

【図２】本発明の実施に供される脚式移動ロボット１０
０を後方から眺望した様子を示た図である。

【図３】脚式移動ロボット１００が仰向け姿勢で転倒し
ている様子を示した図である。

【図４】仰向け姿勢の脚式移動ロボット１００が旋回し
て横転姿勢に移行する様子を示した図である。

【図５】仰向け姿勢の脚式移動ロボット１００が旋回し
て横転姿勢に移行する様子を示した図である。

【図６】仰向け姿勢での重心高さに比しカバー部１０６
の曲率半径を長く形成した場合において、脚式移動ロボ
ット１００が仰向け姿勢から横転姿勢に向かって旋回す
る様子を模式的に示した図である。

【図７】仰向け姿勢での重心高さに比しカバー部１０６
の曲率半径を充分短く形成した場合における脚式移動ロ
ボット１００が仰向け姿勢から横転姿勢に向かって旋回
する様子を模式的に示した図である。

【図８】脚式移動ロボットがうつ伏せ姿勢から起き上が
る様子を示した図である（従来例）。

【図９】脚式移動ロボットがうつ伏せ姿勢から起き上が
る様子を示した図である（従来例）。

【図１０】脚式移動ロボットがうつ伏せ姿勢から起き上
がる様子を示した図である（従来例）。

【図１１】脚式移動ロボットがうつ伏せ姿勢から起き上
がる様子を示した図である（従来例）。

【図１２】脚式移動ロボットが仰向け姿勢から起き上が
る様子を示した図である（従来例）。

【図１３】脚式移動ロボットが仰向け姿勢から起き上が
る様子を示した図である（従来例）。

【図１４】脚式移動ロボットが仰向け姿勢から起き上が
る様子を示した図である（従来例）。

【図１５】脚式移動ロボットが仰向け姿勢から起き上が
る様子を示した図である（従来例）。

【図１６】脚式移動ロボットが横転姿勢から起き上がる
様子を示した図である（従来例）。

【図１７】脚式移動ロボットが横転姿勢から起き上がる
様子を示した図である（従来例）。

【図１８】脚式移動ロボットがうつ伏せ姿勢から起き上
がる様子を示した図である（従来例）。

【図１９】脚式移動ロボットが横転姿勢から起き上がる
様子を示した図である（従来例）。

【図２０】脚式移動ロボットが横転姿勢から起き上がる
様子を示した図である（従来例）。

【図２１】脚式移動ロボットが横転姿勢から起き上がる
様子を示した図である（従来例）。

【符号の説明】

１００脚式移動ロボット１０１下肢部１０２体幹部１０３上肢部１０４頭部１０５制御ユニット１０６カバー部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下肢による脚式移動が可能な安定姿勢と、
下肢による脚式移動が転倒姿勢とを有するタイプの脚式
移動ロボットであって、前記転倒姿勢は転倒方向が異な
る２以上の転倒姿勢を含み、所定の転倒姿勢における着
床状態を不安定にし若しくは他の転倒姿勢への移行を容
易にする外装部を具備することを特徴とする脚式移動ロ
ボット。
【請求項２】前記外装部は、前記所定の転倒姿勢におい
て着床する部位に装着されていることを特徴とする請求
項１に記載の脚式移動ロボット。
【請求項３】前記外装部は、前記所定の転倒姿勢におい
て着床する部位に装着され、且つ、内部に制御機器等の
電装部品を収容していることを特徴とする請求項１に記
載の脚式移動ロボット。
【請求項４】前記外装部は、前記所定の転倒姿勢におい
て着床する部位に装着された凸曲面形状の部材で構成さ
れることを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボッ
ト。
【請求項５】前記外装部は、前記所定の転倒姿勢におい
て着床する部位に装着された凸曲面形状の部材で構成さ
れ、前記所定の転倒姿勢における前記脚式移動ロボット
全体の重心の高さに比し前記凸曲面の曲率半径は充分小
さく形成されていることを特徴とする請求項１に記載の
脚式移動ロボット。
【請求項６】前記外装部は、前記脚式移動ロボットが仰
向け姿勢において着床する背面側に装着されて、仰向け
姿勢を不安定な状態にして横転姿勢若しくはうつ伏せ姿
勢への移行を容易にすることを特徴とする請求項１に記
載の脚式移動ロボット。