JP2007319989A - ロボットおよびロボットを用いた扉開閉方法 - Google Patents

Abstract

【課題】移動機構部の駆動力のみで扉を開閉するのが困難な場合であっても、扉を開閉することを可能とする。
【解決手段】ロボット１は、車輪を回転させて位置を移動する移動部２００と、扉を開けるためのハンド部２０５と、ハンド部２０５の位置を変えるためのアーム部２０３と、扉に自重により発生する力をさらに加えるように重心位置を移動させたるための傾斜姿勢を決定し、決定された傾斜姿勢にもとづいてハンド部２０５、移動部２００およびアーム部２０３の動きを制御する制御部１０とを備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、ロボットおよびロボットを用いた扉開閉方法に関し、特に、通路や部屋の出入口にある扉を開閉するロボットおよびロボットを用いた扉開閉方法に関するものである。

従来、工場などの扉の管理が可能な空間では、移動型ロボット（以下、「ロボット」という）をセンサにより検知することで、扉を自動的に開閉していた。

一方、部屋の出入口や建物の通路にある扉は自動化されていないものもあり、ロボット自らその扉の開放を行う必要があった。

産業用のロボットなどにおいては、車輪の駆動により発生する駆動力で扉を押していた（例えば、特許文献１を参照）。
特開昭６３−７７６７８号公報

しかしながら、静止している扉を動かそうとすると、扉の蝶番や引戸と地面との接触面に静止摩擦力が働く。温度や湿度、気圧などの環境は季節や日時に応じて変化するため、摩擦力もその影響を受けて変化し一定ではない。また、静止摩擦力は、静止していないときの摩擦力より大きいという特徴がある。従来のロボットでは、移動機構により発生する駆動力のみで扉を押していたため、この静止摩擦力に対して力が不足している場合には扉が開かないという課題があった。

また、扉の速度を大きくして早く扉を開けたい場合であっても、移動機構の駆動力不足の場合には、所定の速度を出すことができないという課題があった。

特に、家庭や公共施設で使用されるロボットでは小型化や消費電力低減の要望が強く、移動機構の駆動用モータの選択にも制限があり、モータとしてトルクが小さいものを採用した場合は、扉を押す力が不足することもあった。

本発明は、このような課題を解決するものであり、移動機構の駆動力のみで扉を開閉するのが困難な場合であっても、扉を開閉することを可能とするロボットおよびそれを用いた扉開閉方法を提供することを目的とする。

本発明のロボットは、移動するための移動部と、扉を開けるための位置可変としたハンド部と、自重により発生する力を扉に加えるように重心位置を移動させるための傾斜姿勢を決定し、傾斜姿勢にもとづいてハンド部と移動部の動きを制御する制御部とを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、ロボットの自重により発生する力を扉に加えるようにロボットを傾斜させることで押す力を補うことができ、扉を開閉することができる。

また、制御部は、扉を押すときは重心位置を扉に接近する方向へ移動させ、また、扉を引くときは重心位置を扉より遠ざかる方向へ移動させるように傾斜姿勢を決定するようにしてもよい。

これによれば、さらに、扉を押し開けするときでも、扉を引き開けするときでも、自重により発生する力を扉に加えることができる。

また、扉からの扉反力を検出する扉反力検出部と、重力作用を検出する重力作用検出部とをさらに備え、制御部は、扉反力と重力作用とに応じて傾斜姿勢を制御するようにしてもよい。

これによれば、さらに、扉反力とロボットを傾斜させた場合の、重力作用に応じて、扉に加える力を制御することができる。

また、ロボットの重心位置を移動させるための重心位置可変機構部をさらに備えてもよい。

これによれば、さらに、扉に加える力を調整できる。

また、制御部は、扉反力と重力作用に応じて傾斜姿勢を制御するようにしてもよい。

これによれば、さらに、扉反力と重力作用に応じて扉を押す力を調整することができる。

また、制御部は、扉を開ける際に、移動部と地面との間で相対移動が生じないように傾斜姿勢を制御してもよい。

これによれば、さらに移動部と地面との間で相対移動が生じないように制御できるため、移動部と地面との間を静止摩擦で支えることができより力を扉に伝えることができる。

また、移動部が車輪機構であり、車輪機構を固定する車輪ロック固定機構を有し、扉を開ける際に移動部を移動させることにより傾斜姿勢を決定し、車輪機構部を車輪ロック機構を用いて車輪を固定した後に、ハンド部と移動部の相対位置を変えることにより傾斜姿勢をさらに傾けることとしてもよい。

これによれば、移動部の車輪をロックするため車輪に発生できる最大駆動力以上の力が作用しても回転することはない。すなわち、車輪をロックさせることにより、実質移動部の車輪は最大駆動力よりも大きなトルクを出せることになる。よって車輪の最大駆動力でも扉を開くのが困難な場合であっても、扉を開けるときに移動部を移動させて傾斜姿勢を保ち、移動部をその位置に固定した後にハンド部と移動部の相対位置を変えることで傾斜姿勢をさらに傾けることにより扉を開くことができる。

また、扉を開けるときにロボットを傾斜させるか否かを判断する判断部をさらに備えてもよい。

これによれば、さらに、移動部の駆動力のみで扉を開閉するのが困難であると判断されたときだけ、ロボットを傾斜させ、扉に加える力を補うことができる。

また、扉の重量または慣性モーメントの少なくとも一つを学習する学習部をさらに備え、制御部は、学習部における学習結果にもとづいて扉を開閉するように制御するようにしてもよい。

これによれば、さらに、ロボットは扉に加える力が不足するか否かを判断でき、ロボットの傾斜動作の有無を判断できる。

本発明の扉開閉方法は、移動するための移動部と、扉を開けるためのハンド部とを備えたロボットを用いた開扉および閉扉の少なくともいずれか一方を行う方法であって、自重により発生する力を扉に加えるように重心位置を移動させるための傾斜姿勢を決定する姿勢決定ステップと、傾斜姿勢にもとづいてハンド部と移動部の動きを制御する制御ステップを備えたことを特徴とする。

この方法によれば、ロボットの自重により発生する力を扉に加えるようにロボットを傾斜させることで押す力を補うことができ、移動機構による駆動力のみでは開扉または閉扉が困難な場合であっても、扉を開けることができ、また、扉を閉めることができる。

また、制御ステップは、扉を押すときは重心位置を扉に接近する方向へ移動させ、また、扉を引くときは重心位置を扉より遠ざかる方向へ移動させるように傾斜姿勢を決定するようにしてもよい。

これによれば、さらに、扉を押し開けするときでも、扉を引き開けするときでも、自重により発生する力を扉に加えることができる。

また、制御ステップは、扉を開けるときに移動部を移動させることにより傾斜姿勢を決定し、移動部をその位置に固定した後にハンド部と移動部の相対位置を変えることにより傾斜姿勢をさらに傾けることを特徴とするようにしてもよい。

これによれば、より大きな力を発生して扉開閉動作を行うことができる。

本発明によれば、移動機構部の駆動力のみで扉を開閉するのが困難な場合であっても、扉を開閉することを可能とするロボットおよびそれを用いた方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１であるロボットは、移動するための移動部と、扉を開けるためのハンド部と、ハンド部の位置を変えるためのアーム部と、ロボットの自重により発生する力を扉に加えるようにロボットの重心位置を変えるための傾斜姿勢を決定し、傾斜姿勢になるようにハンド部と移動部とアーム部の動きを制御する制御部とを備えたことを特徴とする。

これにより、移動部での駆動力が不足した場合であっても、扉を開けることができる。

以下、本発明の実施の形態１であるロボットについて、図１を用いて説明する。

図１は本発明の実施の形態１のロボット１の構成を示す構成図である。以後、同じ機能要素については同じ符号を用い、重複した説明を省略する。

図１において、ロボット１は、位置を移動するための移動部２００と、扉を開けるためのハンド部２０５と、ハンド部２０５の位置を変えるためのアーム部２０３と、ロボット１の自重により発生する力を扉に加えるように、その姿勢を傾けることによって重心位置を移動させるための傾斜姿勢を決定し、傾斜姿勢にもとづいてハンド部２０５と移動部２００とアーム部２０３の動きを制御する制御部１０とを備えている。

さらに、ロボット１は、扉を認識する扉認識部２０７と、扉からの扉反力を検出する扉反力検出部２０４と、重力作用を検出する重力作用検出部２０６とを備えている。

制御部１０は、扉に対してロボット１の自重による力が加えられるようにロボット１の傾斜姿勢を決定し、傾斜姿勢になるようにハンド部２０５、移動部２００およびアーム部２０３に指令を与えることで動きを制御する。制御部１０の詳細な説明は後述する。

筐体２０は、ロボット１に係る部材、回路を搭載するためのものである。ここで、図１に示している、ロボット１の重心２０２の位置はロボット１の姿勢により移動する。たとえば、ハンド部２０５とアーム部２０３を備えた筐体２０を傾けることで、重心２０２の位置は移動する。

移動部２００は、複数の車輪２０１を有し、制御部１０からの指示にもとづいて、モータの回転により車輪を回転させることで、ロボット１を移動させたり、ロボット１を目標となる姿勢まで傾斜させたりする。移動部２００は、それぞれの車輪２０１を同時に回転させることにより、前進、後進を行う。また、移動部２００は、それぞれの車輪２０１の左右の回転を異ならせることで、ロボット１の向きを変えることができる。

ハンド部２０５は、制御部１０からの指示にもとづいて、扉を開閉するためのものであり、取っ手をはさんだり、取っ手に引っ掛けたり、取っ手を握ったりすることができる。ハンド部２０５は、扉を開閉することができる形状、機能があればよく、どのような機構であってもよい。

アーム部２０３は、制御部１０からの指示にもとづいて、扉を開閉するときにアーム部２０３の略先端部に備えたハンド部２０５の位置を移動させる。なお、アーム部２０３は、ここでは三つの関節による直列式の構造としたが、この関節の数や長さ、構造はこれに限定されるものではない。

扉反力検出部２０４は、扉反力を検知するための力センサやひずみゲージ、圧力センサなどを使って扉からの反力を検知する。

なお、アーム部２０３を有しないロボット１の場合、扉反力検出部２０４は、アーム部２０３の先端に限定されない。たとえば、移動部２００が扉と接触し得る構造の場合には、その扉との接触部位に扉反力検出部２０４を備えてもよい。

重力作用検出部２０６は、傾斜計や複数軸加速度センサなどの略重力方向検知センサで構成することができ、センサ信号にもとづいて重力作用を検出する。重力作用検出部２０６は、たとえば、移動部２００に設置された場合は、移動部２００と重力方向の相対角を検出する。このように重力作用検出部２０６の取り付けられている部位と重力方向の相対角を検出することができる。

扉認識部２０７は、カメラで構成され、扉を認識する。扉認識部２０７を筐体２０の上に備えているが、この位置に限定されるものではない。筐体２０の中心でもよいし、ハンド部２０５に装着するようにしてもよい。

つぎに、ロボット１の制御部１０について図２を用いて詳細に説明する。図２は、制御部１０の構成を示すブロック図である。

図２において、制御部１０は、全体姿勢決定部２１０と、学習部２１１と、ハンド指示部２１２と、ハンド制御部２１３と、アーム指示部２１４と、アーム制御部２１５と、移動指示部２１６と、移動制御部２１７とを備えている。

全体姿勢決定部２１０は、扉に対してロボット１の自重による力が加えられるようにロボット１の目標姿勢を決定し、目標姿勢に向けた傾斜姿勢に応じた動きの指示をハンド指示部２１２、アーム指示部２１４、移動指示部２１６および固定指示部２５０を介してハンド制御部２１３、移動制御部２１７、アーム制御部２１５および固定支持部２５０に与える。

また、全体姿勢決定部２１０は、扉認識部２０７より扉情報２２０を取得する。ここで、扉情報２２０とは、扉の形状、扉の角度、扉の角速度、扉の角加速度、扉の位置、扉の速度、扉の加速度の情報である。

また、全体姿勢決定部２１０は、扉反力検出部２０４より扉反力情報２２１を取得する。ここで、扉反力情報２２１とは、扉とロボット１との間で発生している力、すなわち、扉からロボット１に対して働く力の大きさ、その力の方向の情報である。

また、全体姿勢決定部２１０は、重力作用検出部２０６より重力作用情報２２２を取得する。ここで、重力作用情報２２２とは、たとえば、移動部２００に重力作用検出部２０６が取り付けられている場合は、移動部２００と重力方向との相対角の情報である。

また、全体姿勢決定部２１０は、ハンド部２０５からハンド情報２３３を取得する。ハンド情報２３３とは、ハンド制御部２１３からハンド部２０５に出力された指令値、ハンド部２０５の開閉情報、ハンド部２０５によって扉の取っ手を把持しているかどうかの把持情報、扉に加えているトルクの情報である。

また、全体姿勢決定部２１０は、アーム部２０３よりアーム情報２３４を取得する。アーム情報２３４とは、アーム制御部２１５からアーム部２０３へ出力された指令値、各関節の角度、各関節の角速度、各関節の角加速度、関節の位置、関節の速度、関節の加速度、各関節に発生しているトルクの情報である。

また、全体姿勢決定部２１０は、移動部２００より車輪情報２３５を取得する。車輪情報２３５とは、移動制御部２１７から移動部２００に出力された指令値、車輪の角度、車輪の角速度、車輪の角加速度、車輪へのトルクの情報である。

全体姿勢決定部２１０は、これらの取得した扉情報２２０、扉反力情報２２１、重力作用情報２２２、ハンド情報２３３、アーム情報２３４、車輪情報２３５にもとづいてロボット１の傾斜姿勢を決定する。

ここで、全体姿勢決定部２１０は、上記情報にもとづいて、ロボット１の重心位置を計算することができるので、重力作用情報２２２を用いて、重力によって発生する力やモーメントの大きさを認識することができる。そのため、認識結果に基づいて、傾斜姿勢を決定し、傾斜姿勢に応じた動きの指示をハンド指示部２１２、アーム指示部２１４、移動指示部２１６および固定支持部２５０のそれぞれに与える。

なお、全体姿勢決定部２１０は、学習部２１１と接続され、学習部２１１の学習結果に応じて、目標姿勢を決定するようにしてもよい。

ここで、学習部２１１は、データベースを有し、扉認識部２０７で認識された扉の大きさ、重量、慣性モーメント、扉の配置や地図のデータを事前に登録データとして持ち、扉の開閉動作時に検出された扉情報２２０、扉反力情報２２１、重力作用情報２２２、ハンド情報２３３、アーム情報２３４および移動部の情報である車輪情報２３５の情報を履歴情報として蓄積しており、そのデータベースにもとづいて扉の開閉を行う。

また、温度や湿度、気圧などの環境は季節や日時に応じて変わり摩擦力もそれに応じて変化する。そのため、季節や日時、温度、湿度、気圧という環境情報を同時に蓄積する。以上のデータを元に、たとえば、学習部２１１は扉を開閉する場合の環境情報の近いものを抽出し、その動作データを取り出して全体姿勢決定部２１０に伝達するとしてもよい。

これらの情報を使うことで、ロボット１は、さらに扉に加える力を調整することができる。

ハンド指示部２１２は、全体姿勢決定部２１０から取得した指示に応じてハンド部２０５への指令値２２５を生成し、ハンド制御部２１３に出力する。

ハンド制御部２１３は、受け取った指令値２２５に応じてハンド部２０５を制御する。ハンド制御部２１３は、ハンド部２０５から、ハンドの開閉情報、扉の取っ手を把持しているかどうかの把持情報、扉に加えている回転トルクの情報を取得することで、ハンド部２０５を制御する。

アーム指示部２１４は、全体姿勢決定部２１０から取得した指示に応じてアーム部２０３への指令値２２８を生成し、アーム制御部２１５に指令する。アーム制御部２１５は、受け取った指令値２２８に応じてアーム部２０３を制御する。アーム制御部２１５は、アーム部２０３から、各関節の角度、各関節の角速度、各関節の角加速度、各関節の位置、各関節の速度、各関節の加速度、各関節に発生しているトルクの情報を取得することで、アーム部２０３の制御を行う。

移動指示部２１６は、全体姿勢決定部２１０から取得した指示に応じて移動部２００への指令値を生成し、移動制御部２１７に指令する。移動制御部２１７は、受け取った指令値２３１に応じて移動部２００を制御する。移動制御部２１７は、移動部２００から、車輪の角度、車輪の角速度、車輪の角加速度、車輪へのトルクの情報を取得することで、移動部２００の制御を行う。

固定指示部２５０は、全体姿勢決定部２１０から取得した指示に応じて移動部２００への指令値を生成し、固定制御部２５０に指令する。固定制御部２５２は、受け取った指令値２５１に応じて移動部２００をその位置でロック制御を行う。

つぎに、ロボット１による開扉動作について、図３を用いて説明する。図３は、ロボット１による開扉動作を説明するフローチャートである。

ロボット１による開扉動作には、ロボット１を傾斜させる場合と、ロボット１を傾斜させない場合とがある。それぞれの動作の詳細は後述する。

ロボット１は、扉認識部２０７により、扉を認識する（Ｓ１０１）。

つぎに、ロボット１は、扉認識部２０７で扉があることが認識された場合、その認識された扉についての学習結果データが、学習部２１１にあるかどうかを判断する（Ｓ１０２）。ここで、ロボット１は、学習結果がある場合は、ステップＳ１０３に進む。一方、ロボット１は、学習結果がない場合、ロボット１を傾斜させない動作を行う（Ｓ１０６）。

つぎに、ロボット１は、ステップＳ１０２において学習結果があると判断されたとき、学習結果によりロボット１を傾斜させる動作を行うかどうかを判断する（Ｓ１０３）。ロボット１は、学習結果からロボット１を傾斜させる動作が必要ないと判断したときは、ロボット１を傾斜させない動作を行う（Ｓ１０６）。一方、ロボット１は、学習結果からロボット１を傾斜させる動作が必要であると判断したときは、ロボット１を傾斜させる動作を行う（Ｓ１０４）。

つぎに、ロボット１を傾斜させない動作において、開扉が成功したか否かを判断し（Ｓ１０７）、成功した場合は動作を終了する。

一方、ロボット１は、開扉が成功しなかった場合は、ロボット１を傾斜させる動作を行う（Ｓ１０４）。

つぎに、ロボット１は、開扉が成功したか否かを判断し（Ｓ１０５）、成功した場合は動作を終了する。一方、ロボット１は、開扉が成功しなかった場合は、開扉ができなかったことを利用者に知らせたりする（Ｓ１０８）。

なお、開扉が成功しなかった場合は、その位置で停止するようにしてもよい。

また、安全性を考慮して傾斜姿勢の傾きに上限を設けるようにしてもよい。

つぎに、ロボット１を傾斜させないときの開扉動作について図４および図５を用いて詳細に説明する。

図４は、ロボット１を傾斜させることなく開扉する際の動作を説明する説明図である。ここで、ロボット１は、閉じている扉３５０を押し開けるものとする。

ロボット１は、扉認識部２０７により扉３５０を認識し、扉３５０へ接近する。

つぎに、ロボット１は、扉３５０の取っ手３５１を扉認識部２０７で認識しながら、アーム部２０３を移動させ、ハンド部２０５で取っ手３５１を把持する。

つぎに、ロボット１は、取っ手３５１の種類に応じて取っ手３５１を把持したハンド部２０５を回転させ、扉３５０のロックを解除する。

つぎに、図５（ａ）、図５（ｂ）を用いて、ロボット１による扉の移動目標値について説明する。図５（ａ）はロボット１による扉の移動目標値を説明する説明図、図５（ｂ）は扉の移動角度と時間との関係を説明する説明図である。

図５（ａ）において、ロボット１は、扉３５０を開ける場合の目標位置θ_ｅｎｄを示す。この目標位置θ_ｅｎｄは扉３５０の大きさや扉３５０の環境に依存し、ロボット１が通過する場合にどの程度開ける必要があるかによって決まる。

図５（ｂ）は、扉３５０を移動させる場合の、目標位置θ_ｅｎｄまでの扉の移動角度値θ（ｔ）と時間ｔとの関係を表している。ここで、時間ｔｄにおいて、扉３５０は目標位置θ_ｅｎｄまで移動することとする。扉３５０の移動のプロフィールは、たとえば５次関数で与えることが可能である。これにより、ロボット１は、図５（ｂ）に示すような、移動角度のプロフィールに、扉３５０の移動量が追従するように移動部２００を制御し、扉３５０を押し開けることができる。

また、学習部２１１に、ロボット１の本体を傾斜させないときの学習結果がある場合は、その学習結果データにもとづいて、ロボット１の本体を傾斜せずに容易に扉３５０を開けることができる。ここで、学習結果データとは、当該扉３５０を開けることができたときの移動部２００やアーム部２０３やハンド部２０３の制御情報や、扉目標となる移動角度値θ（ｔ）などである。これにより、扉３５０に加える力が不足するか否かを判断し、ロボット１の傾斜の必要性の有無を判断できる。

つぎに、ロボット１において、車輪２０１の駆動力のみでは扉３５０を押す力が不足している場合の動作について、図６と図７を用いて説明する。

図６（ａ）は、ロボット１を傾斜させる前の状態を説明する説明図、図６（ｂ）はロボット１を傾斜させたときの状態を説明する説明図、図７はロボット１の重心によるモーメントを説明する説明図である。

図６（ａ）は、ロボット１を傾斜される前の状態を説明する説明図、図６（ｂ）はロボット１を傾斜させたときの状態を説明する説明図、図７はロボット１の重心によるモーメントを説明する説明図である。

図６（ａ）において、ロボット１を傾斜させない状態ではロボット１の重心２０２に重力が作用してもロボット１には回転モーメントを発生しない。この状態においてハンド部２０５で扉３５０を押すとロボット１は時計方向の回転モーメントを受け、モーメントが大きいと扉３５０を開くことができない。場合によっては、ロボット１はハンド部２０５で扉３５０を押すことにより発生した時計方向のモーメントによって転倒することもある。このようなとき、ロボット１はロボット１を傾斜させ、その自重によりさらに扉３５０を押す力を加えるようにする。すなわち、重心２０２の位置を扉３５０に接近する方向へ移動させることにより、予めロボット１は反時計方向の回転モーメントを発生させるので、ロボット１は転倒することを防止できる。

図６（ａ）に示すように、ロボット１は、まずロボット１を傾斜させない姿勢で扉３５０の取っ手３５１を把持する。

つぎに、ロボット１は、ハンド部２０５をロボット１の側にひきつけるようにアーム部２０３を制御しつつ、移動部２００を後退移動する。これにより、図６（ｂ）に示すように、ロボット１は、ロボット１の重心２０２の位置を扉３５０側に接近するように移動し、扉３５０をさらに押すように接地点３５２を中心に傾斜姿勢をおこない、扉３５０に力を加えている。

このとき、図７に示すように、ロボット１の重心２０２が移動したことによりモーメント力が発生している。ここで、点線はロボット１の姿勢を示している。

車軸３５３から重心２０２までの距離をＬとし、車軸３５３より取っ手３５１までの距離をＬ１とする。鉛直方向からの重心２０２方向のずれ角をθ、鉛直方向からの取っ手３５１方向のずれ角をθ_１とする。ロボット１の質量をＭとし、重力加速度をｇとすれば、重心２０２にかかる重力はＭｇとなる。重力Ｍｇによって車軸３５３まわりにモーメントが発生し、もし扉３５０が固定されていると仮定するとそのモーメントにつり合うための力をＦ（扉開閉力）、車軸３５３での駆動トルクをＴとすれば、式（１）のようになる。

Ｆ・Ｌ１・ｃｏｓθ１＝Ｍｇ・Ｌ・ｓｉｎθ−Ｔ （１）
また、ロボット１が図７の状態で平衡状態にあるときは、（２）式が成立する。

Ｆ＝Ｔ／ｒ （２）
ただし、ｒは車輪２０１の半径を示す。

（２）式よりロボット１において、扉３５０を押す力は、力の作用・反作用の関係から移動部２００での車輪２０１の回転による駆動力以上にはならない。

したがって、車輪の駆動トルクＴだけでは、(２)式で表されるＦ以上のドア開閉力を出すことができない。そのため、ロボット１は、扉３５０を開けることができない場合もある。

そこで、移動部２００の車輪２０１をロックさせると、車輪２０１に発生できる最大駆動力以上の力が作用しても回転することはない。車輪２０１と床との摩擦力は十分大きいと考えられるので、車輪２０１をロックさせることにより、実質移動部２００の車輪２０１は最大駆動力よりも大きなトルクを出せることになる。

（１）、（２）式より、扉開閉力Ｆについて解くと、

筐体２０をさらに傾け重心をずらすと、鉛直方向からの重心２０２方向のずれ角θ、および鉛直方向からの取っ手３５１方向のずれ角θ_１はそれぞれ大きくできるので、（３）式より扉開閉力Ｆをさらに大きくできる。

このロボット１を傾斜させるときに、全体姿勢決定部２１０は、重力作用検出部２０６から重心２０２における重力作用の方向を取得し、さらに、ハンド部２０５、アーム部２０３、移動部２００から情報を取得することで目標姿勢を決定し、目標姿勢における重心位置とその重心における重力作用方向を計算する。ロボット１は、計算した重心２０２の位置と重力の作用方向にもとづいて目標姿勢に向けた傾斜姿勢を逐次計算し、傾斜姿勢に応じた動きの指示をハンド制御部２１３、移動制御部２１７およびアーム制御部２１５に与える。

また、同時に、扉認識部２０７の情報を合わせて、扉３５０の位置や速度を計算することができる。また、扉反力検出部２０４からの反力情報より現在の反力が認識される。

図５に示すように、扉の移動目標値と計算された扉の位置や速度より、反力を増やすか減らすかを決定し、式（１）の関係式にもとづいて、重心２０２における重力作用の方向を制御することで、図５（ｂ）に示すプロフィールにしたがって、扉３５０を開けることができる。

これにより、ロボット１は、自重により発生する力を扉３５０に加えることができ、移動部２００の車輪２０１はロックさせているので、車輪２０１に発生できる最大駆動力以上の力が作用しても回転することはない。車輪２０１と床との摩擦力は十分大きいと考えられるので、車輪２０１をロックさせることにより、移動部２００の車輪２０１で発生する駆動力以上の力を扉３５０に加えることが可能となる。よって、車輪２０１の駆動力のみで扉の開閉が困難な場合であっても、扉３５０を開けることができる。

また、自重により扉に加えられた力は扉反力検出部２０４で検知できるので、検知された扉反力の大きさに応じて車輪のロックの有無を切り替える制御を行ってもよい。車輪のロックの有無を切り替えれば、扉開閉速度の調整範囲を広げることができる。

また、車輪２０１だけでなくアーム２０３の関節もロックすることとしてもよい。そうすることで、より大きな効果を得ることができる。

つぎに、扉３５０を引いて開ける場合の動作について、図８を用いて説明する。図８は、ロボット１によって扉３５０を引き開けるときの動作を説明する説明図である。

図８に示すように、ロボット１は、扉を引き開けるときは重心位置を扉より遠ざかるように、接地点３５２を中心に傾斜姿勢を決定する。

なお、扉３５０を閉める場合にも、同様にロボット１を傾斜させて重心２０２を移動させることで、扉に力を加えるようにしてもよい。これにより、引き開けする扉でも、ロボット１の自重により発生する力を扉３５０に加えることができる。また、ロボット１は、扉を開けるだけでなく、扉を閉じることも可能となる。

また、ロボット１は、学習部２１１の情報を利用するだけでなく、扉３５０の側に備えられたＩＣタグやＲＦタグなどの識別装置から扉３５０の扉情報２２０をロボット１に備えた受信装置で受信し、その扉情報にもとづいて制御部１０はロボットの制御を行うようにしてもよい。

なお、扉３５０の開閉が成功しなかった場合、ロボット１は異常状態と判断してもよい。異常状態としては、人が扉３５０の反対側で押さえている状態、何かが扉３５０を妨害している状態などが考えられる。ロボット１は、扉３５０に加重する力の上限と下限をあらかじめ設定しておき、ロボット１の傾斜を徐々に行うときに扉反力検出部２０４で上限と下限の力を検出し、異常を判断するようにしてもよい。

また、扉３５０は通り抜けするものだけでなく、押入れやクローゼットなどの収納スペースであってもよい。同様に、ロボット１を傾斜させることで、同様の効果を得ることができる。

以上のように、本発明の実施の形態１によれば、移動機構による駆動力のみで扉を開閉するのが困難な場合であっても、扉を開閉することができる。

また本実施の形態の場合は、車輪機構の場合を示したが、多脚機構やクローラなどの機構としてもよい。本実施例で示したように、扉を開ける際に、移動部と地面との間で相対移動が生じないように、例えばクローラの回転部や脚の足首の関節をロックする機構を設けるなどして、傾斜姿勢を制御することで同様の効果を得ることができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、ロボット１が左右に開く引き戸タイプの扉を開ける場合の実施例について説明する。引き戸は、玄関や通路の扉だけではなく、押入れの襖などにも用いられている。

以下、図９、図１０および図１１を用いて説明する。図９（ａ）はロボット１を傾斜させないときの開扉動作を説明する説明図、図９（ｂ）はロボット１を傾斜させるときの開扉動作を説明する説明図、図１０引き戸の動きを説明する説明図、図１１は引き戸の扉の移動変位と時間の関係を説明する説明図である。以下、本発明の実施の形態１と同様の部分については、同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図９（ａ）において、ロボット１は、扉が引き戸３６０であるため、引き戸３６０の開扉方向に対して、ロボット１の進行方向が平行となるようにロボット１の向きを制御する。

つぎに、ロボット１は、引き戸３６０の取っ手３６１を扉認識部２０７で認識しながら、アーム部２０３を移動させ、ハンド部２０５で取っ手３６１を引っ掛ける。

つぎに、図９（ｂ）に示すように、ロボット１は、ハンド部２０５をロボット１の側にひきつけるようにアーム部２０３を制御しつつ、ロボット１の接地点３５２を中心に傾斜させ、重心２０２を移動する。ロボット１は、ロボット１を傾斜させた状態で、車輪２０１を回転させて前進する。これにより、ロボット１は、引き開けタイプの扉と同様に、引き戸３６０を引き開ける場合には重心位置を取っ手３６１から遠ざかるように傾斜姿勢を決定する。

この傾斜姿勢により、ロボット１は、ロボット１の自重により発生する力を引き戸３６０にさらに加えることができる。

ここで、引き戸３６０は、図１０に示すように、壁３６２に沿ってスライドするように動く。ロボット１は、図１１に示すプロフィールにしたがって引き戸３６０を距離ｄ（ｔ）だけ変位するように制御する。図１１において、横軸は時間ｔ、縦軸は扉移動変位ｄ（ｔ）を示している。

以上のように、本発明の実施の形態２によれば、ロボット１は、扉の種類を判断し、扉の種類に応じてロボット１の向きを変えることができる。

また、ロボット１を傾斜させることで、ロボット１の自重を扉に加えることができ、引き戸の場合であっても、移動部２００のトルク不足を補って扉を開けることができる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３では、ロボット２の重心の位置を変更可能な重心位置可変機構部を備えたときの実施例について説明する。

以下、図１２を用いて重心位置可変機構部について説明する。

図１２（ａ）は本発明の実施の形態３における前後に位置を移動させる重心位置可変機構部３７０を説明する説明図、図１２（ｂ）は上下に位置を移動させる重心位置可変機構部３７１を説明する説明図である。以下、本発明の実施の形態１と同様の部分については、同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図１２（ａ）に示すように、ロボット２は、重心位置可変機構部３７０と重心位置可変機構部３７０を制御する制御部３０とを備えている。

重心位置可変機構部３７０は、略水平方向に移動する機構があり、制御部３０からの動きの指示により進行方向に対して前後に位置を移動させる。

アーム部２０３と、扉反力検出部２０４およびハンド部２０５とが重心位置可変機構部３７０と一体になっている場合は、重心位置可変機構部３７０の位置の移動にともなって、一緒に移動し、重心２０２はロボット１の略水平方向に移動する。

また、アーム部２０３と、扉反力検出部２０４およびハンド部２０５とが重心位置可変機構部３７０と一体になっていない場合でも、ロボット２の質量Ｍに対して、重心位置可変機構部３７０の質量の比率が多ければ容易に重心２０２を略水平方向に移動させることができる。

これにより、略水平方向への重心２０２の移動が、鉛直方向からの重心２０２方向のずれ角θを直接的に制御することができる。

なお、ロボット２は、重心位置可変機構部３７０で重心位置を略水平方向に移動する機構としたがこれに限定されるものではない。重心位置を略鉛直方向に上下に移動させるようにしてもよい。たとえば、図１２（ｂ）に示すように、重心位置可変機構部３７１としてもよい。重心位置可変機構部３７１は、ロボット２に対して略鉛直方向に移動させるための機構である。

アーム部２０３と、扉反力検出部２０４およびハンド部２０５とが重心位置可変機構部３７０と一体になっている場合は、重心位置可変機構部３７０の移動にともなって、一緒に移動し、重心２０２はロボット２の略垂直方向に移動する。

また、アーム部２０３と、扉反力検出部２０４およびハンド部２０５とが重心位置可変機構部３７０と一体になっていない場合でも、ロボット２の質量Ｍに対して、重心位置可変機構部３７１の質量の比率が多ければ容易に重心２０２を略垂直方向に移動させることができる。これにより、図７に示したのと同様に、略鉛直方向の重心２０２の移動が、車軸３５３から重心２０２までの距離Ｌを直接的に制御することができる。また、制御部３０は、式（１）にもとづいて制御する。

以上のように、重心位置可変機構部３７０、重心位置可変機構部３７１のいずれによっても、ロボット２を傾斜させたときに、扉にさらに加える力を調整することができる。

つぎに、制御部３０について詳細に説明する。

制御部３０において、本発明の実施の形態１の制御部１０と異なる点は、重心位置可変機構指示部４００と、重心位置可変機構制御部４０１とを新たに備え、重心位置可変機構部３７０を制御可能とした点である。

これにより、ロボット２の傾斜姿勢と、重心位置可変機構部３７０の移動位置に応じて、扉に加える力を調整できるものである。

重心位置可変機構部３７０は、重心位置可変機構制御部４０１によって制御されている。重心位置可変機構部３７０の情報は全体姿勢決定部２１０に伝えられる。重心位置可変機構部３７０の情報とは、重心位置可変機構制御部４０１から重心位置可変機構部３７０への指令値や重心位置可変機構部３７０の位置、重心位置可変機構部３７０の速度、重心位置可変機構部３７０の加速度である。

重心位置可変機構指示部４００は、全体姿勢決定部２１０から取得した指示に応じて重心位置可変機構部３７０への指令値を生成し、重心位置可変機構制御部４０１に出力する。

重心位置可変機構制御部４０１は、重心位置可変機構部３７０から重心位置可変機構部３７０の位置、重心位置可変機構部３７０の速度、重心位置可変機構部３７０の加速度を取得し、重心位置可変機構部３７０の位置の移動を制御する。

なお、全体姿勢決定部２１０は、重心位置可変機構部３７０からの情報をさらに取得して、ロボット２の目標姿勢を決定するようにしてもよい。

また、ロボット２の開扉動作は、本発明の実施の形態１の開扉動作に、さらに、重心位置可変機構部３７０による重心２０２の移動動作を追加してもよいし、重心位置可変機構部３７０による重心２０２の移動動作のみでもよい。

また、ロボット２は、重心位置を重心位置可変機構部３７０により略水平方向に移動させるようにしたが、重心位置可変機構部３７１を用い略鉛直方向に重心位置を移動させるようにしてもよい。これによっても、重心位置可変機構部３７０と同様に、扉に加える力を調整できる。

以上のように、本発明の実施の形態３によれば、ロボット２の傾斜姿勢と、重心位置可変機構部３７０の移動位置の両方、または、少なくともいずれか一方に応じて、扉に加える力を調整できる。同様に、ロボット２の傾斜姿勢と、重心位置可変機構部３７１の移動位置の両方、または、少なくともいずれか一方に応じて、扉に加える力を調整できる。

なお、本発明の実施の形態における制御部における制御機能は、集積回路等を用いたハードウェアにより実施してもよいし、中央処理装置、デジタル信号処理装置を用いて動作するソフトウェアにより実施してもよい。

本発明によるロボットおよびそれを用いた方法によれば、通路や部屋の出入口にある扉を開けることができ、特に、駆動力のみで扉を開閉するのが困難な場合であっても、扉を開閉することが可能なロボットおよびそれを用いた方法として有用である。

本発明の実施の形態１におけるロボットの構成を示す構成図 同制御部の構成を示すブロック図 同ロボットによる開扉動作を説明するフローチャート 同ロボットを傾斜させることなく開扉する際の動作を説明する説明図 （ａ）同ロボットによる扉の移動目標値を説明する説明図（ｂ）扉の移動角度と時間との関係を説明する説明図 （ａ）同ロボットを傾斜させる前の状態を説明する説明図（ｂ）同ロボットを傾斜させたときの状態を説明する説明図 同ロボットの重心によるモーメントを説明する説明図 同ロボットによって扉を引き開けるときの動作を説明する説明図 （ａ）本発明の実施の形態２におけるロボットを傾斜させないときの開扉動作を説明する説明図（ｂ）同ロボットを傾斜させるときの開扉動作を説明する説明図 同引き戸の動きを説明する説明図 同引き戸の扉の移動変位と時間の関係を説明する説明図 （ａ）本発明の実施の形態３における前後に位置を移動させる重心位置可変機構部を説明する説明図（ｂ）同上下に位置を移動させる重心位置可変機構部を説明する説明図 同ロボットの制御部の構成を示すブロック図

符号の説明

１，２ ロボット
１０，３０ 制御部
２０ 筐体
２００ 移動部
２０１ 車輪
２０２ 重心
２０３ アーム部
２０４ 扉反力検出部
２０５ ハンド部
２０６ 重力作用検出部
２０７ 扉認識部
２１０ 全体姿勢決定部
２１１ 学習部
２１２ ハンド指示部
２１３ ハンド制御部
２１４ アーム指示部
２１５ アーム制御部
２１６ 移動指示部
２１７ 移動制御部
２５０ 固定指示部
２５２ 固定制御部
３５０ 扉
３５１，３６１ 取っ手
３５２ 接地点
３５３ 車軸
３６０ 引き戸
３７０，３７１ 重心位置可変機構部
４００ 重心位置可変機構指示部
４０１ 重心位置可変機構制御部

Claims (12)

1. 移動するための移動部と、
   扉を開けるための位置可変としたハンド部と、
   自重により発生する力を前記扉に加えるように重心位置を移動させるための傾斜姿勢を決定し、前記傾斜姿勢にもとづいて前記ハンド部と前記移動部の動きを制御する制御部と、
   を備えたことを特徴とするロボット。
2. 前記制御部は、前記扉を押すときは前記重心位置を前記扉に接近する方向へ移動させ、また、前記扉を引くときは前記重心位置を前記扉より遠ざかる方向へ移動させるように前記傾斜姿勢を決定することを特徴とする請求項１に記載のロボット。
3. 前記扉からの扉反力を検出する扉反力検出部と、
   重力作用を検出する重力作用検出部と、
   をさらに備え、
   前記制御部は、前記扉反力と前記重力作用に応じて前記傾斜姿勢を制御することを特徴とする請求項１に記載のロボット。
4. 前記ロボットの前記重心位置を移動させるための重心位置可変機構部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のロボット。
5. 前記制御部は、扉反力と重力作用とに応じて前記傾斜姿勢を制御することを特徴とする請求項４に記載のロボット。
6. 前記制御部は、前記扉を開ける際に、前記移動部と地面との間で相対移動が生じないように前記傾斜姿勢を制御することを特徴とする
   請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のロボット。
7. 前記移動部が車輪機構であり、
   前記車輪機構を固定する車輪ロック固定機構を有し、
   前記扉を開ける際に前記移動部を移動させることにより傾斜姿勢を決定し、前記車輪機構部を車輪ロック機構を用いて車輪を固定した後に、前記ハンド部と前記移動部の相対位置を変えることにより傾斜姿勢をさらに傾けることを特徴とする請求項６に記載のロボット。
8. 前記扉を開けるときに前記ロボットを傾斜させるか否かを判断する判断部をさらに備えたことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のロボット。
9. 前記扉の重量または慣性モーメントの少なくとも一つを学習する学習部をさらに備え、
   前記制御部は、前記学習部における学習結果にもとづいて前記扉を開閉するように制御することを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のロボット。
10. 移動するための移動部と、
    扉を開けるためのハンド部と、
    を備えたロボットを用いた開扉および閉扉の少なくともいずれか一方を行う方法であって、
    自重により発生する力を前記扉に加えるように重心位置を移動させるための傾斜姿勢を決定する姿勢決定ステップと、
    前記傾斜姿勢になるように前記ハンド部と前記移動部の動きを制御する制御ステップを備えたことを特徴とする扉開閉方法。
11. 前記制御ステップは、前記扉を押すときは前記重心位置を前記扉に接近する方向へ移動させ、また、前記扉を引くときは前記重心位置を前記扉より遠ざかる方向へ移動させるように前記傾斜姿勢を決定することを特徴とする請求項１０に記載の扉開閉方法。
12. 前記制御ステップは、前記扉を開けるときに前記移動部を移動させることにより傾斜姿勢を決定し、前記移動部をその位置に固定した後にハンド部と前記移動部の相対位置を変えることにより傾斜姿勢をさらに傾けることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の扉開閉方法。

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