JP2003271243A

JP2003271243A - コミュニケーションロボット

Info

Publication number: JP2003271243A
Application number: JP2002073745A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Imai; 倫太今井; Keiko Miyashita; 敬宏宮下; Hiroshi Ishiguro; 浩石黒; Takayuki Kanda; 崇行神田
Original assignee: ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Current assignee: ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Priority date: 2002-03-18
Filing date: 2002-03-18
Publication date: 2003-09-26
Anticipated expiration: 2022-03-18
Also published as: JP4063560B2

Abstract

(57)【要約】【構成】コミュニケーションロボット１０は台車１
２を含み、この台車１２は車軸１６上に取り付けられた
２つの車輪１８ａおよび１８ｂ（同軸２輪）によって支
持される。台車１２の上に、人型上半身機構１４を載置
する。コンピュータないしＣＰＵは、同軸２輪倒立振子
モデルとして車輪１８および腰関節２８を制御する。【効果】転倒の可能性を排除でき、特に幼児や小児に
対しても危険が少ないコミュニケーションロボットを提
供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、コミュニケーション
ロボットに関し、特にたとえば、移動台車上に載置され
た人型上半身機構を有するコミュニケーションロボット
に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の従来のロボットでは、３つ以上
の車輪をバランスよく配置することによって、その台車
すなわち上半身機構が倒れるのを防止している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のロボッ
トのこのような車輪の配置による支持には限界があり、
上半身の動きや、あるいは強い力で押された衝撃によっ
て倒れてしまう危険がある。この問題は、コミュニケー
ションロボットがコミュニケートする対象が特に幼児や
小児の場合には、重大な結果を惹起するおそれがある。

【０００４】それゆえに、この発明の主たる目的は、転
倒を防止できる、コミュニケーションロボットを提供す
ることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】第１の発明に従ったミュ
ニケーションロボットは、複数の軸を持つ上半身機構を
台車上に載置したコミュニケーションロボットであっ
て、台車に設けられる実質的に１本の車軸、車軸上に間
隔を隔てて設けられる２つの車輪、および上半身機構の
状態に応じて車輪の回転を制御する車輪制御手段を備え
る、コミュニケーションロボットである。

【０００６】この場合、車輪は車輪モータで回転駆動さ
れ、車輪制御手段は、車輪モータを制御する車輪モータ
制御手段を含む。

【０００７】また、上半身機構は重力方向に対してこの
上半身機構を傾動できるようにする腰関節を含み、さら
に上半身機構の重力方向に対する倒れ角速度を検出する
倒れ角速度検出手段、車輪の回転角速度を検出する回転
角速度検出手段、倒れ角速度および回転角速度に基づい
て状態変数を計算する状態変数計算手段、状態変数に従
って前記車輪に与えるトルクを計算するトルク計算手段
を備え、車輪モータ制御手段は、車輪に計算したトルク
が与えられるように車輪モータを制御するようにしても
よい。

【０００８】さらに、上半身機構に設けられるタッチセ
ンサ、上半身機構の傾動角度を変更する腰モータ、およ
びタッチセンサによって検出した押し方向に腰関節を動
かすように腰モータを制御する腰モータ制御手段をさら
に備えることもできる。

【０００９】そして、腰関節が可動限界に達したかどう
か検出する検出手段、および検出手段が腰関節が可動限
界に達したことを検出したとき、押し方向ヘ台車が移動
するように車輪を制御する第２車輪制御手段をさらに設
けてもよい。

【００１０】なお、胸部はパラレルリンクを介して腰関
節に連結され得る。

【００１１】第２の発明に従ったコミュニケーションロ
ボットは、台車および台車上に載置される上半身機構を
備え、上半身機構は腰支持部と胸部とを有し、さらに腰
支持部に設けられる第１円板、胸部に設けられる第２円
板、第1円板および第２円板の中心を連結する第１連結
部材、第1円板および第２円板を連結する第２連結部
材、および第１円板を回転駆動する腰モータを備える、
コミュニケーションロボットである。

【００１２】

【作用】第１の発明に従ったミュニケーションロボット
では、同軸２輪倒立振子の運動方程式に従って、たとえ
ば上半身機構の重力方向に対する倒れ角速度に基づいて
倒立振子の重心と車軸とを結ぶ直線と鉛直線とのなす角
度を推定する。そして、この推定値（角度）と上記倒れ
角速度と車輪の回転角速度とが状態変数となり、この状
態変数に基づいて、トルク計算手段が車輪に与えるトル
クを計算し、車輪制御手段は、車輪に計算したトルクが
与えられるように車輪モータを制御する。

【００１３】さらに、上半身機構に設けられるタッチセ
ンサ、腰関節の回転角度を変更する腰モータ、およびタ
ッチセンサによって検出した押し方向に腰関節を動かす
ように腰モータを制御する腰モータ制御手段をさらに備
えるコミュニケーションロボットにおいて、検出手段が
腰関節が可動限界に達したことを検出すると、第２の車
輪制御手段が、その押し方向ヘ台車が移動するように車
輪を制御する。それによって、同軸２輪倒立振子制御系
において、転倒が防止される。

【００１４】第２の発明に従ったコミュニケーションロ
ボットでは、第１円板すなわち腰支持部と第２円板すな
わち胸部とがパラレルリンクを介して連結されていて、
したがって、腰モータによって第１円板を回転または回
動すると、その第１円板の回転と共に第２円板が回転
す。したがって、１つの腰モータによって腰関節を傾動
させるだけで、その傾動に応じて胸部も変位させること
ができる。

【００１５】

【発明の効果】この発明によれば、同軸２輪で支持した
台車を用いることによって、コミュニケーションロボッ
トの転倒が防止できる。

【００１６】また、第２の発明によれば、１つのモータ
で腰関節および胸部を共に変位させることができるの
で、上半身機構に設けるモータの数を減じることがで
き、したがって、ロボットの重心を低くすることができ
る。したがって、倒立振子制御を安定し易くすることが
できる。

【００１７】この発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳
細な説明から一層明らかとなろう。

【００１８】

【実施例】図１および図２を参照して、この発明の一実
施例のコミュニケーションロボット（以下、単に「ロボ
ット」ということがある。）１０は、台車１２を含み、
この台車１２上に、人型の上半身機構１４が載置され
る。このロボット１０は、全体として、台車１２の移動
に応じて自律移動する。

【００１９】台車１２の下部には、図１で点線で示すよ
うに、車軸１６が内蔵され、車軸１６の左右端にはそれ
ぞれ車輪１８ａおよび１８ｂが回転可能に取付られる。
この車輪１８ａおよび１８ｂは、それぞれ、図６に示す
直流モータによって構成される車輪モータ８０によって
個別に回転駆動される。したがって、台車１２すなわち
ロボット１０を前後左右任意の方向に動かすことができ
る。ただし、図６では、簡単化のために、１つの車輪モ
ータ８０のみを図示している。また、図１実施例では、
１本の車軸１６に２つの車輪１８ａおよび１８ｂ（まと
めて「１８」で示すことがある。）が取り付けられてい
るが、左右の車輪１８ａおよび１８ｂを、一直線に整列
さた２本の車軸にそれぞれ取り付けるようにしてもよ
い。

【００２０】台車１２の上部外面には、多角形柱のセン
サ取付パネル２０が設けられ、このセンサ取付パネル２
０の各面には、それぞれ超音波距離センサ２２が取り付
けられる。この超音波距離センサ２２は、取付パネル２
０すなわちロボット１０の周囲の主として人との間の距
離を計測するものである。ただし、後述の図６では、複
数の超音波距離センサを参照符号「２２」で包括的に示
す。

【００２１】なお、図示しないが、この台車１２の前面
には、衝突センサ（図６において、参照番号「９４」で
示す。）が取り付けられ、この衝突センサ９４（図６）
は、台車１２への人や他の障害物の接触を検知する。そ
して、ロボット１０の移動中に障害物や人との接触を検
知すると、図６に示すＣＰＵ６６は、直ちに車輪１８ａ
および１８ｂの駆動を停止し、ロボット１０の移動を急
停止させて、人や障害物との衝突を未然に防ぐようにし
ている。

【００２２】なお、ロボット１０の背の高さは、この実
施例では、人、特に子供に威圧感をあたえることがない
ように、１００ｃｍ程度とされている。ただし、この背
の高さは任意に変更可能である。

【００２３】台車１２の上には、ベース２４によって、
上述の上半身機構１４が取り付けられる。この上半身機
構１４のベース２４は人間の身体に対応させれば、脚の
上端あたりの部位に相当し、このベース２４の上には、
人間の身体では臀部に相当する腰支持部２６が固着され
る。

【００２４】腰支持部２６の上には、３自由度の腰関節
２８を介して、胴体部３０が連結される。胴体部３０
は、図３を参照して後に説明するようにパラレルリンク
を構成し、したがって、腰支持部２６と胸部３２とがパ
ラレルリンクによって連結される。

【００２５】胸部３２の上端前方には、人間でいえば肩
に相当する、左右の腕取付面３８ａおよび３８ｂが形成
される。そして、腕取付面３８ａおよび３８ｂには、そ
れぞれ、肩関節４０ａおよび４０ｂによって、上腕４２
ａおよび４２ｂが取り付けられる。肩関節４０ａおよび
４０ｂは、それぞれ３軸の自由度を有する。上腕４２ａ
および４２ｂのそれぞれの先端には、肘関節４４ａおよ
び４４ｂを介して、前腕４６ａおよび４６ｂが取り付け
られる。肘関節４４ａおよび４４ｂは、それぞれ、２つ
のの軸廻りにおいて、前腕４６ａおよび４６ｂの角度を
制御できる。さらに、前腕４６ａおよび４６ｂのそれぞ
れの自由端には、手部分４８ａおよび４８ｂが自由度な
しに固定的に設けられる。この手部分４８ａおよび４８
ｂには、それぞれ、１本の指（人差し指に相当する）５
０ａおよび５０ｂが、折り畳みかつ伸張可能に設けられ
る。したがって、この指５０ａおよび５０ｂを使った指
差し動作により、目的地を示す、注意を喚起する等のコ
ミュニケーションをとることができる。

【００２６】なお、図示しないが、胸部３２の肩関節４
０ａおよび４０ｂを含む肩の部分や上述の上腕４２ａお
よび４２ｂならびに前腕４６ａおよび４６ｂには、それ
ぞれ、タッチセンサが設けられていて、これらのタッチ
センサは、人がロボット１０のこれらの部位に接触した
かどうかを検知する。これらのタッチセンサも図６にお
いて参照番号９２で包括的に示す。

【００２７】胸部３２のの中央上方には、首関節（図示
せず）を介して、頭部５２が取り付けられる。この首関
節は、３つの自由度を有し、各軸廻りに角度制御可能で
ある。頭部５２には、目に相当する位置に眼カメラ５４
が設けられる。つまり、このロボット１０では、人間と
同様に、頭部５２を上下左右に振ることができるととも
に、眼カメラ５４も人間の眼球運動と同じく上下左右に
動かせる。なお、眼カメラ５４は、ロボット１０に接近
した人の顔や他の部分を撮影してその映像信号を取り込
む。そして、眼カメラ５４は、たとえばＣＣＤやＣＭＯ
Ｓのように個体撮像素子を用いるカメラであってよい。

【００２８】ここで、図３を参照して、胴体部３０で構
成するパラレルリンクについて詳細に説明する。腰支持
部２６内には軸５６によって回転可能に支持された円板
５８が設けられ、他方、胸部３２内には軸６０によって
回転可能に支持された円板６２が設けられる。この円板
５８の中心と円板６２の中心とが胴体部３０によって連
結され、第１のリンクが形成される。つまり、胴体部３
０は、たとえば中空筒状体であり、その内壁によって第
１円板５８の中心と第２円板の中心とを、それぞれの円
板が回転または回動できるように支持する。つまり、胴
体部３０が第１連結部材として機能する。また、円板５
８上の点５８ａと円板６２上の点６２ａとの間に、第２
連結部材として機能するロッド６４が連結される。つま
り、円板５８および６２とロッド６４とによって第２の
リンクが形成される。第１のリンクと第２のリンクとが
パラレルリンクを構成し、したがって、腰支持部２６と
胸部３２とがパラレルリンクを介して連結されることに
なる。

【００２９】そして、円板５８すなわち軸５６は、腰モ
ータ８４（図６）に連結され、それによって矢印Ａまた
はＢ方向に回転ないし回動される。そして、円板５８が
矢印ＡまたはＢ方向へ回転すると、その回転がロッド６
４によって円板６２へ伝達され、したがって、円板６２
が矢印ＣまたはＤ方向へ回転ないし回動される。胸部３
２はこの円板６２に固着されている。したがって、円板
６２が上述のように矢印ＣまたはＤ方向に回転ないし回
動すると、胸部３２はその回転または回動につれて、上
に向きまたは下に向く。

【００３０】つまり、この実施例では、ロボット１０の
機構の単純化と低重心化を図るために、腰モータ８４に
よって、腰関節２８だけでなく、パラレルリンクを介し
て胸部３２も動かすようにしている。したがって、この
実施例では、図４に示すように、腰をかがめると胸部３
２も下を向き、逆に図５に示すように腰を伸ばすと胸部
も上を向くという、人間の自然な動作に近い動作を実現
するができる。

【００３１】なお、上述のパラレルリンクにおいては２
つの構造があり、一方は、２つのリンク（連結部材）が
交差する構造であり、他方は、２つのリンクが交差しな
い構造である。図４および図５は前者の構造の場合を示
している。そして、後者の構造の場合には、腰を曲げて
も伸ばしても胸部の向きに大きな変化を生じない。実施
例では前者を用いたが、後者を用いてもよいことは勿論
である。

【００３２】なお、上で述べたように、腰関節２８は２
自由度であり、そのうちの１つの軸が腰モータ８４によ
って制御される軸５８であり、他の軸は、いずれも図示
しないが、腰支持部２６を水平面内で回転させる垂直軸
である。

【００３３】図１に示すロボット１０の制御系の構成が
図６のブロック図に示される。図６に示すように、この
ロボット１０は、全体の制御のためにマイクロコンピュ
ータまたはＣＰＵ６６を含み、このＣＰＵ６６には、バ
ス６８を通して、メモリ７０，モータ制御ボード７２お
よびセンサ入力／出力ボード７４が接続される。

【００３４】メモリ７０は、図示しないが、ＲＯＭやＲ
ＡＭを含み、ＲＯＭにはこのロボット１０の制御プログ
ラムが予め書き込まれているとともに、スピーカ（図示
せず）から発生すべき音声または声の音声データが格納
されている。ＲＡＭは、一時記憶メモリとして用いられ
るとともに、ワーキングメモリとして利用され得る。

【００３５】モータ制御ボード７２は、たとえばＤＳＰ
(Digital Signal Processor)で構成され、電磁ブレーキ
７８や他のモータ８０，８４，８６および８８を制御す
る。電磁ブレーキ７８は、上記腰関節２８（３自由度）
に設けられていて、電源をオフすると各軸の関節をその
ときの状態（姿勢）で固定するブレーキである。そし
て、図１および図２に示す車輪１８ａおよび１８ｂを駆
動する車輪モータ８０にはエンコーダ８２が付属され、
したがって、ＣＰＵ６６は、モータ制御ボード７２を介
して、車輪モータ８０を駆動するとともに、エンコーダ
８２からエンコーダ信号（パルス）を取り込むことがで
きる。そのため、このエンコーダ８２およびＣＰＵ６６
によって、車輪の回転角速度を検出するための手段を構
成する。

【００３６】さらに、モータ制御ボード７２は、ＣＰＵ
６６からの制御データを受け、肩関節４０の３軸のそれ
ぞれの角度を制御する３つのモータと肘関節４４の角度
を制御する１つのモータとの計４つのモータ８６（図６
ではまとめて、「腕モータ」として示す。）の回転角度
を調節する。モータ制御ボード７２は、また、指５０
（図１）を収納または伸張するための指モータ８８を制
御する。

【００３７】なお、この実施例の上述のモータは、車輪
モータ８０を除いて、制御を簡単化するためにそれぞれ
ステッピングモータまたはパルスモータであるが、車輪
モータ８０と同様に、直流モータであってよい。

【００３８】センサ入力／出力ボード７４も、同様に、
ＤＳＰで構成され、各センサやカメラからの信号を取り
込んでＣＰＵ６６に与える。すなわち、超音波距離セン
サ２２の各々からの反射時間に関するデータがこのセン
サ入力／出力ボード７４を通して、ＣＰＵ６６に入力さ
れる。さらに、この図６では、図１との関連で説明した
上述のタッチセンサは、まとめて「タッチセンサ９２」
として表され、それらのタッチセンサ９２からの信号が
センサ入力／出力ボード７４を介して、ＣＰＵ６６に与
えられる。センサ入出力ボード７４には、衝突センサ９
４が接続され、ＣＰＵ６６は、衝突センサ９４からの信
号によって、ロボット１０が人や他の障害物に衝突した
かどうか検出することができる。

【００３９】さらに、上述の腰関節２８には、図１では
図示していないが、外力の測定と環境に対するロボット
１０の姿勢の検出とに用いる３軸加速度センサ９６が設
けられる。したがって、ＣＰＵ６６は、センサ入出力ボ
ード７４を介して、加速度センサ９６からのセンサ信号
を受ける。後述のように、ＣＰＵ６６は、この加速度セ
ンサ９６からの信号に基づいてロボット１０に加えられ
た外力を推定し、その外力に応じたトルクを車輪１８に
生じさせるように、車輪モータ８０を制御するととも
に、重力加速度ベクトルを計測することによってロボッ
トの姿勢を検出する。つまり、この３軸加速度センサ９
６とコンピュータまたはＣＰＵ６６とによって倒れ角速
度検出手段を構成する。

【００４０】また、先の図１では図示していないが、上
で述べた各モータにおける角度制御のために、各モータ
と対でポテンショメータが設けられ、図６では一括して
ポテンショメータ９８として示す。具体的には、ポテン
ショメータは、首関節の３つのモータ、各肩関節モー
タ、各肘関節モータ、腰関節の３つのモータ等に付属し
て設けられる。したがって、ＣＰＵ６６は、各ポテンシ
ョメータからの位置信号に基づいて、ロボット１０の現
在の姿勢を推定することができる。

【００４１】なお、図示しないが、この実施例のロボッ
ト１０には、必要に応じて、人間とのコミュニケーショ
ンのためのスピーカやマイクを設けてもよい。

【００４２】上述のように、この実施例のロボット１０
では、同軸上に取り付けられた２つの車輪１８ａおよび
１８ｂを制御することによって、ロボット１０の転倒を
防止するとともに、その自律移動を制御するようにして
いる。この実施例では、同軸２輪上の倒立振子として制
御する。

【００４３】詳しくいうと、この実施例のロボット１０
に適用されている同軸２輪倒立振子を図７に示すように
表し、その倒立振子の運動方程式を導く。図７は倒立振
子を車輪１８と上半身機構１４を表す質点が長さｌで質
量が無視できる棒でつながれているものとしてモデル化
する。ここで、Ｍ_w，Ｍ_b，Ｉ_w，Ｉ_bは，それぞれ、車輪
１８と上半身機構１４の質量と慣性モーメントを表す。
また、ｒ，μ_g，μ_sは、それぞれ車輪の半径，車輪表面
と床面との粘性係数，車軸１６廻りの粘性係数を表す。
θ，φ，βは，それぞれ車輪の回転角度，上半身の回転
角度，上半身に対する車輪の相対回転角度を表す。

【００４４】この倒立振子の運動エネルギＴは

【００４５】

【数１】

【００４６】となる。また、位置エネルギＵと散逸エネ
ルギＤは、

【００４７】

【数２】

【００４８】

【数３】

【００４９】となる。また、この系に加わる非保存力
は、上半身機構１４から車軸１６に与えられるトルクτ
であるので、一般座標β，θとしてグランジュの運動方
程式をたてると

【００５０】

【数４】

【００５１】

【数５】

【００５２】となる。したがって、上式（１），
（２），（３）および式（４），（５）から

【００５３】

【数６】

【００５４】

【数７】

【００５５】

【数８】

【００５６】

【数９】

【００５７】

【数１０】

【００５８】

【数１１】

【００５９】

【数１２】

【００６０】ただし、ａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ

【００６１】

【数１３】

【００６２】

【数１４】

【００６３】

【数１５】

【００６４】

【数１６】

【００６５】ただし、入力ｕ（ｔ）＝ｒである。

【００６６】このようにして、実施例のロボット１０の
状態方程式ｙが求まる。

【００６７】

【数１７】

【００６８】となる。このとき、状態ベクトルを零ベク
トルに収束させるフィードバック系は

【００６９】

【数１８】

【００７０】で表すことができる。

【００７１】これは状態フィードバック制御系であり、
たとえばリカッチ方程式などを利用して適当なゲイン行
列Ｋを決定すれば、状態ベクトルを必ず零ベクトルに収
束させることができる。

【００７２】なお、上半身機構１４の重心の位置がわか
らない場合には、出力方程式は式(19)で与えられる。

【００７３】

【数１９】

【００７４】このようにして、実施例のロボット１０が
同軸２輪倒立振子として制御され得ることが理解でき
る。つまり、この倒立振子制御は、基本的に、車輪１８
と上半身機構１４の重心とを結ぶ直線と鉛直線とのなす
角度φを０（ゼロ）に収束させる制御である。ただし、
この角度φが０（ゼロ）なら静止で、φ＞０なら前進移
動、φ＜０なら後退移動である。そして、実施例のロボ
ット１０では車輪１８ａおよび１８ｂを回転させて前進
移動または後退移動を制御するので、移動制御のために
はも車輪１８の回転角速度／θも制御する必要がある。
なお、ここで記号「／」は、上の式における記号「・」
と同じ１回微分を表す記号であり、「／／」は２回微分
すなわち上の式での「・・」と同じ意味を表す記号であ
る。

【００７５】なお、ロボット１０において、上半身機構
１４が動くとそれの質量分布が変わるため、上半身機構
１４の重心位置は動的に変化する。このような重心位置
は、ロボット１０の各パーツ（部品）の質量分布（たと
えば、モータがどこに配置されていて減速ギヤの位置は
どこで、それぞれどれだけの質量で、などのような情報
から計算した）と姿勢とに基づいて計算で求めることも
可能ではある。ただし、このように重心位置を計算しな
がらロボット１０を制御する場合、その重心位置を正確
に計算するためのコストが非常な高くなってしまう。し
たがって、以下のでは、上半身機構１４の重心位置を観
測（計算）しない場合の動作を説明する。

【００７６】図８は実施例のロボット１０の移動制御動
作を示すフロー図であり、図９はロボット１０の直立制
御動作を示すフロー図である。実際には、図８のフロー
図および図９のフロー図が並列に動作している状態でロ
ボット１０が動く。

【００７７】電源（図示せず）がオンされると、図８の
フロー図に基づく制御が開始され、最初のステップＳ１
では、ＣＰＵ６６、電磁ブレーキ７８を解除して、ロボ
ット１０を動くことができるような状態にする。続くス
テップＳ３では、ＣＰＵ６６は、他のプログラムから、
移動速度指令値／θｄを受け取る。そして、ステップＳ
５において、ＣＰＵ６６は、３軸加速度センサ９６から
のセンサ信号に基づいて、上半身機構１４の回転角度／
φを計測する。次のステップＳ７では、ＣＰＵ６６は、
車輪モータ８０に付属しているエンコーダ８２からの回
転信号に基づいて、車輪１８の回転角度／θを計測す
る。

【００７８】そして、ステップＳ９において、上述のよ
うにして求めた／φおよび／θから、低次元オブザーバ
によって、角度φの推定値∧φ（ただし、記号「∧」は
ハットである。）を求める。この推定値∧φおよび回転
角度／φおよび／θが倒立振子モデルの状態変数であ
り、ステップＳ１１において、これらの状態変数∧φ，
／φおよび／θに応じて、車輪１８に与えるトルクτを
計算する。そして、ステップＳ１３で、ＣＰＵ６６はそ
のようにして求めたトルクτを車輪１８が受けるように
車輪モータ８０を制御する制御データを、モータ制御ボ
ード７２へ与える。それに応じて、車輪１８がそのトル
クτで回転する。このようにして、状態変数をフィード
バックすることによって上半身機構１４の回転角度φあ
るいは車輪１８の回転角度θを任意の値へ収束させるこ
とができる。つまり、移動速度指令値／θｄをＣＰＵ６
６に与えることによって、ロボット１０をその指令値で
移動させることができる。

【００７９】次に、図９を参照して、この図９のフロー
図は、ロボット１０が押された場合に転倒を防止する動
作を示す。図９のフロー図は、図６に示すタッチセンサ
９２がオンしたとき、開始される。タッチセンサ９２が
オンすると、ＣＰＵ６６は、ステップＳ２１において、
反応したタッチセンサ９２は上半身機構１４上に配置さ
れているものかどうか、すなわち、上半身機構１４に設
けられたタッチセンサが反応したのかどうか判断する。
このステップＳ２１において“ＹＥＳ”なら、次のステ
ップＳ２３において、ＣＰＵ６６は、腰関節２８を押さ
れた方向へ動かすように、腰モータ８４を制御する。詳
しくいうと、たとえば肩に設けられたタッチセンサが前
から押されたとすると、ＣＰＵ６６は、胸部３２が後方
（図３の矢印Ｃ方向）へ傾倒するように、腰モータ８４
を駆動する。そして、次のステップＳ２５において、Ｃ
ＰＵ６６は、ステップＳ２３での傾倒が腰関節２８の可
動限界に達したかどうか判断する。このステップＳ２５
において“ＮＯ”が判断されると、ステップＳ３１にお
いて、タッチセンサ９２がまだ反応しているかどうか判
断する。タッチセンサが未だ反応し続けていれば、すな
わち、ロボット１０が外力によって押され続けていれ
ば、先のステップＳ２３に戻って、腰関節２８の制御を
継続する。

【００８０】ロボット１０が押され続けて、もし、腰関
節の可動限界に達したことがステップＳ２５で検出され
ると、次のステップＳ２７において、ＣＰＵ６６は、押
された方向と同じ方向の速度指令値を倒立振子制御系の
／θへ出力する。したがって、このステップＳ２７にお
いて、図８のような移動制御が行われ、図８のステップ
Ｓ１３と同様に、その指令値/θに応じたトルクを車輪
１８に与える。したがって、ロボット１０は押された方
向へ移動する。

【００８１】その後、ステップＳ２９において、ＣＰＵ
６６はタッチセンサ９２が未だ反応したいるかどうか、
判断する。“ＹＥＳ”なら、ステップＳ２７に戻り、
“ＮＯ”なら、先のステップＳ３１において“ＮＯ”の
場合と同様に、ステップＳ３３に進み、ステップＳ３３
では、ＣＰＵ６６は、腰モータ８４等を制御して、ロボ
ット１０の姿勢を、この図９のルーチンの開始時の姿
勢、すなわち、元の姿勢に戻す。このようにして、倒立
振子制御を利用して、ロボット１０が押された場合の転
倒が回避される。

【００８２】なお、上半身機構１４の重心が計測（計
算）できる場合には、図８に相当する移動制御は図１０
に示すフロー図に従って実行される。すなわち、電源
（がオンされると、最初のステップＳ４１では、ＣＰＵ
６６は、電磁ブレーキ７８（図６）を解除して、ロボッ
ト１０を動くことができるような状態にする。

【００８３】続くステップＳ４３では、ＣＰＵ６６は、
３軸加速度センサ９６（図６）からの信号に基づいて上
半身機構１４の回転角度φ（+α：αは上半身の姿勢に
よって決まる値）およびそれの１回微分値／φを計測す
る。そして、次のステップＳ４５において、ＣＰＵ６６
は、図６に示すポテンショメータ９８からの信号に基づ
いて、各関節の角度を調節し、それに応じたロボット１
０のそのときの姿勢から上記αを計算する。その後、ス
テップＳ４７において、ＣＰＵ６６は、車輪モータ８０
のエンコーダ８２からの信号に基づいて、車輪の回転角
度／θを計測する。

【００８４】そして、ステップＳ４９において、上述の
ようにして求めた角度φ、／φおよび／θから、車輪１
８に与えるトルクτを計算する。すなわち、角度φ、／
φおよび／θから低次元オブザーバによって、角度φの
推定値∧φを求め、この∧φ、／φおよび／θに応じた
トルクτを計算する。そして、ステップＳ５１で、ＣＰ
Ｕ６６はそのようにして求めたトルクτを車輪１８に与
えるように、車輪モータ８０を制御する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例のコミュニケーションロボ
ットを示す正面図である。

【図２】図１実施例のコミュニケーションロボットを示
す左側面図である。

【図３】図１実施例のパラレルリンクを詳細に示す図解
図である。

【図４】図３実施例のパラレルリンクの作用（腰をかが
めた状態）を示す図解図である。

【図５】図３実施例のパラレルリンクの作用（腰を伸ば
した状態）を示す図解図である。

【図６】図１実施例の制御系を示すブロック図である。

【図７】図１実施例における同軸２輪の倒立振子制御の
原理を示す図解図である。

【図８】図１実施例における重心を計測しない場合の移
動制御の動作を示すフロー図である。

【図９】図１実施例における重心を計測しない場合の転
倒防止制御動作を示すフロー図である。

【図１０】図１実施例における重心を計測する場合の移
動制御の動作を示すフロー図である。

【符号の説明】

１０ …コミュニケーションロボット１２ …台車１４ …上半身機構１６ …車軸１８（１８ａ，１８ｂ） …車輪２６ …腰支持部２８ …腰関節３０ …リンク部３２ …胸部５８，６２ …円板６４ …リンク６６ …ＣＰＵ７２ …モータ制御ボード７４ …センサ入出力ボード８０ …車輪モータ８２ …エンコーダ８４ …腰モータ８６ …指モータ９２ …タッチセンサ９６ …３軸加速度センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石黒浩京都府相楽郡精華町光台二丁目２番地２株式会社国際電気通信基礎技術研究所内 (72)発明者神田崇行京都府相楽郡精華町光台二丁目２番地２株式会社国際電気通信基礎技術研究所内Ｆターム(参考） 2C150 CA01 CA02 CA04 DA06 DA24 DA26 DA27 DA28 EB01 EC03 EC15 EC25 EC29 ED02 ED10 ED22 ED39 ED42 ED52 EF07 EF16 EF22 EF23 EF33 EF36 3C007 AS36 CS08 KS22 KS23 KS31 KS36 KT01 KX02 KX05 LT06 LW04 MS27 MT14 WA03 WA16 5H301 AA01 AA10 BB14 CC08 DD01 GG06 GG09 GG10 LL01 LL08 LL11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の軸を持つ上半身機構を台車上に載置
したコミュニケーションロボットであって、前記台車に設けられる実質的に１本の車軸、前記車軸上に間隔を隔てて設けられる２つの車輪、およ
び前記上半身機構の状態に応じて前記車輪の回転を制御
する車輪制御手段を備える、コミュニケーションロボッ
ト。
【請求項２】前記車輪を回転する車輪モータをさらに備
え、前記車輪制御手段は、前記車輪モータを制御する車輪モ
ータ制御手段を含む、請求項１記載のコミュニケーショ
ンロボット。
【請求項３】前記上半身機構は重力方向に対してこの上
半身機構を傾動できるようにする腰関節を含み、さらに
前記上半身機構の前記重力方向に対する倒れ角速度を検
出する倒れ角速度検出手段、前記車輪の回転角速度を検出する回転角速度検出手段、前記倒れ角速度および前記回転角速度に基づいて状態変
数を計算する状態変数計算手段、前記状態変数に従って前記車輪に与えるトルクを計算す
るトルク計算手段を備え、前記車輪モータ制御手段は、前記車輪に前記計算したト
ルクが与えられるように前記車輪モータを制御する、請
求項２記載のコミュニケーションロボット。
【請求項４】前記上半身機構に設けられるタッチセン
サ、前記上半身機構の傾動角度を変更する腰モータ、および
前記タッチセンサによって検出した押し方向に前記腰関
節を動かすように前記腰モータを制御する腰モータ制御
手段をさらに備える、請求項３記載のコミュニケーショ
ンロボット。
【請求項５】前記腰関節が可動限界に達したかどうか検
出する検出手段、および前記検出手段が前記腰関節が前
記可動限界に達したことを検出したとき、前記押し方向
ヘ前記台車が移動するように前記車輪を制御する第２車
輪制御手段をさらに備える、請求項４記載のコミュニケ
ーションロボット。
【請求項６】前記腰関節を支持する腰支持部、および前
記腰支持部にパラレルリンクを介して連結される胸部を
さらに備える、請求項３ないし５のいずれかに記載のコ
ミュニケーションロボット。
【請求項７】前記胸部に取り付けられる腕と、前記腕の
先端に取り付けられる手と、前記手に設けられて折り畳
み／伸張可能な指をさらに備える、請求項６記載のコミ
ュニケーションロボット。
【請求項８】台車および前記台車上に載置される上半身
機構を備えるコミュニケーションロボットであって、前記上半身機構は腰支持部と胸部とを有し、さらに前記
腰支持部に設けられる第１円板、前記胸部に設けられる第２円板、前記第1円板および前記第２円板の中心を連結する第１
連結部材、前記前記第1円板および前記第２円板を連結する第２連
結部材、および前記第１円板を回転駆動する腰モータを
備える、コミュニケーションロボット。