JP2009107035A

JP2009107035A - 脚式移動体の操縦方法及び脚式移動体

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Publication number: JP2009107035A
Application number: JP2007278937A
Authority: JP
Inventors: Munehiko Maeda; 宗彦前田; Hajime Sakano; 肇坂野
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2009-05-21
Anticipated expiration: 2027-10-26
Also published as: JP5069538B2

Abstract

【課題】脚式移動体に動作をティーチングしたり実際に運用するのに当たって、脚式移動体を操縦する必要がある場合に、感覚的かつ容易に脚式移動体を操縦すること。
【解決手段】本体３と移動用走行輪５とを接続する走行輪アーム７のアーム部７１，７３を、ロータリアクチュエータ７５の回転により適宜個別に屈伸させることで、本体３の姿勢を変化させる脚式ロボット１において、本体３の上面３ａに、マトリクス状に配置した複数の力センサＵ１〜Ｕ９を取り付け、接触操作に伴う外力を検出した力センサＵ１〜Ｕ９からの出力信号に基づいて、本体３の姿勢の変化方向を決定し、その方向に本体３の姿勢を変更するためのロータリアクチュエータ７５，７７の回転方向を決定して、その回転方向にロータリアクチュエータ７５，７７を回転させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、本体と本体に連結されて移動面に接地される複数の可動脚ユニットとを有する脚式移動体に係り、特に、各可動脚ユニットの本体に対する連結角度をアクチュエータにより変化させて本体の姿勢を三次元方向に変化させるように操縦するための技術に関するものである。

従来より、無人の監視区域等において監視作業を行う自立走行型の産業用ロボット（移動体）が知られている。この種のロボットは、例えば、ＧＰＳ（全地球測位システム）により得た自らの位置を地図情報と照らし合わせながら、目的に応じたパターンで監視区域の移動面上における自立走行を行う。その際、地図情報に存在しない不測の障害物が移動面に存在した場合には、ロボットに搭載されたレーザスキャナ等の外界センサにより障害物を検出し、これとの干渉を避けるようにロボットを走行させる必要がある。

そこで、この種のロボットの中には、移動面に接地される可動脚ユニットを本体に複数連結してその連結角度をアクチュエータにより変化させることのできる脚式ロボットがある。この脚式ロボットでは、各可動脚ユニットの本体に対する連結角度を適宜個別に変化させることで、本体の姿勢を三次元方向に変化させることができる。よって、障害物が移動面に存在する場合は、外界センサにより検出したその位置に応じて本体の姿勢を三次元方向に変化させることで、障害物との干渉を避けて移動面上を移動することができる。

このような脚式ロボットには、アクチュエータにより連結角度を変化させることのできる所謂関節部が多数存在する。そのため、移動面上の障害物を回避できる姿勢を本体に取らせるためには、複数の関節部のアクチュエータを連携して動作させなければならない。よって、関節部のアクチュエータの制御内容は極めて複雑になる。

そこで、一般的には、本体が取るべき姿勢を何パターンが予め定めておき、外界センサにより検出した障害物の位置や大きさ等によって、どのパターンの姿勢を本体に取らせるべきかを判定するようにしている。このようにすることで、各関節部のアクチュエータの制御内容を定型化して、制御上の負担を軽減することができる。

そして、本体が取るべき姿勢のパターンは、ロボットティーチングによってロボットに教示、入力されるのが一般的である。このロボットティーチングは、例えば、ティーチングマンの各部の動作をモーションキャプチャ方式で取得して脚式ロボットのコントローラに入力することで実施することができる（例えば特許文献１，２）。
特開２００４−５８１６５号公報特開２００５−２７９８３４号公報

しかしながら、ティーチングマンによるロボットティーチングは、人間の動作をベースにするものであることから、人間の動作とは異なる動作を行う上述のような脚式ロボットのティーチングには不向きである。しかも、仮にそのような問題がないとしても、人間の動作とは異なる動作を人間が想定し再現してティーチングするのは、動作をイメージしづらく直感的に作業を行えないことから現実的ではない。よって、脚式ロボットに対するティーチングマンによるロボットティーチングは、作業に時間を要したり、作業のミスを生む原因ともなりかねない。

そこで、各関節部のアクチュエータのサーボロックを解除して人間が脚式ロボットを所望の姿勢に動かし、その姿勢における各関節部のアクチュエータの動作状態（位置）を取得して、ロボットティーチングを行うことも考えられる。しかし、人間が自ら脚式ロボットを所望の姿勢に動かすには、自ずと脚式ロボットの大きさや重量に対する制約があり、よほど限られた条件の下でしか行うことができない。

このような問題は、上述した脚式ロボットのような、運用時に自律動作する脚式移動体に所望の姿勢をティーチングする場合に限って起こるものではない。即ち、運用時に操縦されるタイプの移動体を操縦する際にも、人間の動作と異なる動作を移動体に行わせるのに、操縦者が上述したロボットティーチングにおけるティーチングマンと同様の問題に直面する可能性がある。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、上述した脚式移動体に動作をティーチングしたり実際に運用するのに当たって、脚式移動体を操縦する必要がある場合に、感覚的かつ容易に脚式移動体を操縦することができる脚式移動体の操縦方法と脚式移動体を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明の脚式移動体の操縦方法は、本体に連結されて移動面に接地される複数の可動脚ユニットの前記本体に対する連結角度をアクチュエータにより変化させることで、前記本体の三次元方向における姿勢が変化する脚式移動体を操縦する方法であって、前記本体に加わった三次元方向の外力の向きを電気的に検出し、前記電気的に検出した外力の向きに基づいて、その電気的に検出した外力の向きに応じた向きで前記本体の三次元方向の姿勢を変化させるための、前記各可動脚ユニットの前記本体に対する連結角度の変化量をそれぞれ割り出し、前記割り出したそれぞれの変化量で、前記各可動脚ユニットの前記本体に対する連結角度をそれぞれ前記アクチュエータにより変化させるようにしたことを特徴とする。

また、上記目的を達成するため、請求項４に記載した本発明の脚式移動体は、本体に連結されて移動面に接地される複数の可動脚ユニットの前記本体に対する連結角度をアクチュエータにより変化させることで、前記本体の三次元方向における姿勢が変化する脚式移動体であって、前記各可動脚ユニットの前記本体に対する連結角度をそれぞれ検出する複数の連結角度検出手段と、前記本体の表面に配設され、該表面に加わった三次元方向の外力の向きに応じた電気信号を出力する力センサと、前記力センサからの前記電気信号によって示される、前記本体の表面に加わった三次元方向の外力の向きと、前記各連結角度検出手段がそれぞれ検出する前記各可動脚ユニットの前記本体に対する連結角度とに基づいて、前記本体の表面に加わった外力の向きに応じた向きで前記本体の三次元方向の姿勢を変化させるための、前記各可動脚ユニットの前記本体に対する連結角度の変化量をそれぞれ割り出す連結角度変化量割出手段とを備え、前記連結角度変化量割出手段が割り出したそれぞれの変化量で、前記各可動脚ユニットの前記本体に対する連結角度をそれぞれ変化させることを特徴とする。

請求項１に記載した本発明の脚式移動体の操縦方法と、請求項４に記載した本発明の脚式移動体とによれば、本体に三次元方向の外力が加わると、その外力の向きが電気的に検出され、その検出結果に基づいて割り出された変化量だけ、複数の可動脚ユニットの本体に対する連結角度がアクチュエータにより変化し、これにより、本体に加わった外力の向きに応じた向きで本体の三次元方向の姿勢が変化することになる。

このため、操縦者が、本体の現在の姿勢をどのような姿勢に変化させるかを想定し、その変化後の本体の姿勢に向けて本体に外力を加えると共に、本体に加える外力の大きさを、本体の変化前後の姿勢の違いの度合い（距離）に応じた大きさとすることで、本体を所望の姿勢にすることができる。

よって、脚式移動体をティーチングや運用のために操縦する際に、各可動脚ユニットの本体に対する連結角度の変化量を直接計算したり想定しなくても、本体に対して外力を加えてその向きに応じた向きで本体の姿勢を変化させ、あるいは、その操作を複合的に行うことで、脚式移動体を感覚的かつ容易に操縦することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明による操縦方法を適用した脚式移動体の第１実施形態に係る脚式ロボットを示す概略構成図である。

そして、図１中引用符号Ａで示す移動面上を移動する第１実施形態の脚式ロボット１（請求項中の脚式移動体に相当）は、直方体状の本体３と、この本体３の下部に前後左右の走行輪アーム７（請求項中の可動脚ユニットに相当）を介してそれぞれ接続された、４つの移動用走行輪５と、本体３上に設置された雲台９，１１と、雲台９上に設置された外界センサ１３及び内界センサ１５と、雲台１１上に設置された監視用カメラ１７と、本体３に搭載された各種制御用のコントローラユニット１９とを有している。

前記各移動用走行輪５は、例えばアウタロータ式のインホイールモータ５１（図６参照）を内蔵している。各移動用走行輪５のインホイールモータ５１は、後述するコントローラユニット１９により個別に駆動制御される。

前記各走行輪アーム７は、第１実施形態では２つのアーム部７１，７３をロータリアクチュエータ７５により相互に連結して構成されており、一方のアーム部７１は移動用走行輪５に枢着され、他方のアーム部７３はロータリアクチュエータ７７を介して本体３に連結されている。

そして、各ロータリアクチュエータ７５，７７（請求項中のアクチュエータに相当）は、例えばＤＣサーボモータ等の高トルク型モータによって構成されており、回転角度量を示すエンコーダ信号を出力するロータリエンコーダ７５ａ，７７ａ（請求項中の連結角度検出手段に相当、図６参照）を内蔵している。各ロータリアクチュエータ７５，７７は、図１に示すホームポジションにおける屈伸形状を含む、目標とする脚式ロボット１（乃至本体３）の姿勢に合わせた形状に走行輪アーム７が屈伸するように、後述するコントローラユニット１９により個別に駆動制御される。

前記雲台９は、脚式ロボット１の進行方向Ｆにおける本体３の前方上部に固定して配置されており、この雲台９上に設置された外界センサ１３は、内部のポリゴンミラーによりレーザ光源からの測定光を脚式ロボット１の左右方向に走査させて脚式ロボット１の前方に出力する。

外界センサ１３が測定信号を出力している間、図１に示す脚式ロボット１の本体３は、ロータリアクチュエータ７５，７７の駆動による各走行輪アーム７の屈伸によって、脚式ロボット１の本体３の上面が移動面Ａに対して平行に位置する図１のホームポジションを中心として、チルト方向の上下に揺動される。

したがって、脚式ロボット１の本体３がチルト方向下方に揺動することで、脚式ロボット１の左右方向に走査されて外界センサ１３から出力される測定光は、脚式ロボット１の上下方向に走査されることになる。このため、外界センサ１３が出力する測定信号は結局、測定光の照射対象の三次元形状に応じたものとなる。

外界センサ１３から出力された測定光が照射された照射対象からの反射光は、外界センサ１３のポリゴンミラーによってフォトダイオードに向けて反射され、フォトダイオードにより受光される。

そして、フォトダイオードの出力信号から得られる測距値とポリゴンミラーの角度値に、そのタイミングにおける脚式ロボット１の左右方向における測定光の走査角度データを関連づけた内容の信号が、外界センサ１３から測定信号として出力される。

この測定信号は、コントローラ１９に入力されて解析され、この解析結果により、移動面Ａ上の障害物が検出される。コントローラ１９は、脚式ロボット１が検出した障害物の付近を移動する際、その障害物と衝突しない姿勢を本体３に取らせるために、各走行輪アーム７のロータリアクチュエータ７５，７７を適宜駆動制御する。

そのときの本体３の姿勢や外界センサ１３の傾き具合を検出するのが雲台９上の前記内界センサ１５である。この内界センサ１５は具体的には、例えばジャイロスコープや加速度センサで構成され、内界センサ１５による検出結果は、コントローラ１９において各種の制御に利用される。

図１に示す前記雲台１１は、不図示の伸縮用モータにより伸縮可能に構成されており、かつ、前記監視用カメラ１７をパン、チルト可能に支持するものである。前記監視用カメラ１７は、昼夜間を通して対応できるように、通常のカメラと赤外線カメラとをユニット化して構成されている。監視用カメラ１７で撮影された画像は、コントローラ１９から遠隔地の集中監視センタに送信され、そこでの遠隔監視作業に供される。

このように構成された脚式ロボット１の姿勢を人間がロボットティーチングする等のために、第１実施形態では、本体３の表面にシート状の多数の力センサが取り付けられている。詳しくは、本体３の上面３ａには、図２に平面図で示すように、３×３のマトリクス状に９個の力センサＵ１〜Ｕ９が取り付けられている。また、本体３の側面３ｂ，３ｃにも、図３に側面図で示すように、３×３のマトリクス状に９個の力センサＳ１〜Ｓ９，Ｓ１０〜Ｓ１８が取り付けられている。

さらに、本体３の前後面３ｄ，３ｅには、図４に正面図（背面図）で示すように、中央付近に１個の力センサＦ１，Ｂ１が取り付けられている。本体３の底面３ｆには、図５に底面図で示すように、前後方向のほぼ中央に、左右２個の力センサＤ１，Ｄ２が取り付けられている。

また、第１実施形態の脚式ロボット１では、各走行輪アーム７にも、図３に示すように、各アーム部７１，７３の前後方向の両側面にそれぞれ１つずつ、計４個の力センサＬ１〜Ｌ４が取り付けられている。

尚、これらの力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２，Ｌ１〜Ｌ４は、加わった外力に対する感度を有するものであれば、歪ゲージであっても、静電容量型のセンサであってもよく、あるいは、圧電効果素子を利用したものであってもよい。

前記コントローラユニット１９は、図６に脚式ロボット１の電気的な概略構成のブロック図で示すように、ＣＰＵ１９ａ、ＲＡＭ１９ｂ、ＲＯＭ１９ｃ、及び、不揮発性メモリＮＶＭを内蔵する本体１９Ａと、キーボード１９Ｂ及びモニタ１９Ｃとを有している。

前記キーボード１９Ｂは、コントローラユニット１９で実行させる処理のメニューを選択する場合等に操作されるもので、前記モニタ１９Ｃは、キーボード１９Ｂの操作による処理メニューの選択時等に、それに必要な画面やキーボード１９Ｂによる入力、選択内容を表示するためのものである。

また、前記本体１９ＡのＣＰＵ１９ａには、ＲＡＭ１９ｂ及びＲＯＭ１９ｃや、キーボード１９Ｂ及びモニタ１９Ｃ、不揮発性メモリＮＶＭの他、各移動用走行輪５のインホイールモータ５１のドライバ５１ａやロータリエンコーダ５１ｂ、各走行輪アーム７のロータリアクチュエータ７５，７７のドライバ７５ａ，７７ａやロータリエンコーダ７５ｂ，７７ｂ、及び、力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２，Ｌ１〜Ｌ４が接続されている。

尚、スペースの都合により、図６中では、インホイールモータ５１のドライバ５１ａやロータリエンコーダ５１ｂを、１つの移動用走行輪５の分だけ代表して記載しており、ＣＰＵ１９ａに接続されている他の移動用走行輪５のインホイールモータ５１のドライバ５１ａやロータリエンコーダ５１ｂは、図６中での記載を省略している。

同様の理由で、図６中では、ロータリアクチュエータ７５，７７のドライバ７５ａ，７７ａやロータリエンコーダ７５ｂ，７７ｂを、１つの走行輪アーム７の分だけ代表して記載しており、ＣＰＵ１９ａに接続されている他の走行輪アーム７のロータリアクチュエータ７５，７７のドライバ７５ａ，７７ａやロータリエンコーダ７５ｂ，７７ｂは、図６中での記載を省略している。

また、第１実施形態の脚式ロボット１では、各走行輪アーム７の各アーム部７１，７３の力センサＬ１〜Ｌ４を除く他の力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２が、請求項中の力センサに相当している。

前記ＲＡＭ１９ｂは、各種データ記憶用のデータエリア及び各種処理作業に用いるワークエリアを有しており、前記ＲＯＭ１９ｃには、ＣＰＵ１９ａに各種処理動作を行わせるための制御プログラムが格納されている。

前記不揮発性メモリＮＶＭには、本体３に取り付けられる各力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２において外力を検出した場合に、本体３の姿勢を変化させる方向を規定したテーブルが格納されている。このテーブルで方向を規定するのに用いる本体３の姿勢の変化方向としては、図２に示すヨー方向α、図３に示すピッチ方向β、図４に示すロール方向γと、脚式ロボット１の前後方向Ｘ、左右方向Ｙ、及び、上下方向Ｚがある。

また、不揮発性メモリＮＶＭには、各走行輪アーム７に取り付けられる各力センサＬ１〜Ｌ４において外力を検出した場合に、各アーム部７１，７３の姿勢を変化させる方向を規定したテーブルが格納されている。このテーブルでは、アーム部７１の姿勢の変化方向として、アーム部７１，７３の連結部分に設けたロータリアクチュエータ７５の回転方向が用いられる。また、アーム部７３の姿勢の変化方向として、アーム部７３と本体３との連結部分に設けたロータリアクチュエータ７７の回転方向が用いられる。これらの回転方向はいずれも、正転方向ＣＷ（図３中時計回り方向）と反転方向ＣＣＷ（図３中反時計回り方向）とで定義される。

そして、本体３の上面３ａに取り付けられた力センサＵ１〜Ｕ９に関するテーブルには、図７の説明図に示すように、各力センサＵ１〜Ｕ９が単独で外力を検出した場合の本体３の姿勢の変化方向と、２つの力センサＵ１〜Ｕ９が同時に外力を検出した場合の本体３の姿勢の変化方向（この場合は、各力センサＵ１〜Ｕ９にそれぞれ対応付けられた本体３の姿勢の変化方向をプラスした内容）とが、規定されている。

また、本体３の側面３ｂ，３ｃに取り付けられた力センサＳ１〜Ｓ９，Ｓ１０〜Ｓ１８に関するテーブルには、図８の説明図に示すように、各力センサＳ１〜Ｓ９，Ｓ１０〜Ｓ１８が単独で外力を検出した場合の本体３の姿勢の変化方向が、規定されている。尚、力センサＳ５による外力の検出に対しては、脚式ロボット１の左右方向Ｙへの姿勢変化が規定されているが、第１実施形態の脚式ロボット１は左右方向Ｙに直進する移動手段を持たないため、実際には非動作扱いとなる。

さらに、本体３の前後面３ｄ，３ｅに取り付けられた力センサＦ１，Ｂ１に関するテーブルには、図９の説明図に示すように、各力センサＦ１，Ｂ１が外力を検出した場合の本体３の姿勢の変化方向が、規定されている。

また、本体３の底面３ｆに取り付けられた力センサＤ１，Ｄ２に関するテーブルには、図１０の説明図に示すように、各力センサＤ１，Ｄ２が外力を検出した場合の本体３の姿勢の変化方向が、規定されている。

さらに、各走行輪アーム７の各アーム部７１，７３に取り付けられた力センサＬ１〜Ｌ４に関するテーブルには、図１１の説明図に示すように、各力センサＬ１〜Ｌ４が外力を検出した場合のロータリアクチュエータ７５，７７の回転方向が、規定されている。

そして、第１実施形態のコントローラ１９のＣＰＵ１９ａは、ＲＯＭ１９ｃに格納された制御プログラムに従い処理を実行することで、各走行輪アーム７のロータリアクチュエータ７５，７７のロータリエンコーダ７５ｂ，７７ｂから入力されるエンコーダ信号に基づいて、ロータリアクチュエータ７５，７７の現在の回転位置、ひいては、本体３に対するアーム部７１の連結角度やアーム部７１に対するアーム部７３の連結角度を把握するように構成されている。

次に、ＲＯＭ１９ｃに格納された制御プログラムに従いＣＰＵ１９ａが、脚式ロボット１の操縦に関する処理において行う、本体３や各走行輪アーム７のアーム部７１，７３に取り付けられる各力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２，Ｌ１〜Ｌ４による外力の検出に応じた、本体３や各走行輪アーム７のアーム部７１，７３の姿勢制御動作に関する処理を、図１２のフローチャートを参照して説明する。

コントローラユニット１９が起動しプログラムがスタートすると、ＣＰＵ１９ａは、各力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２，Ｌ１〜Ｌ４からの出力信号の有無、つまり、外力の検出に伴う信号レベルの変化の有無をスキャンし（ステップＳ１）、全ての力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２，Ｌ１〜Ｌ４からの出力信号がない場合は（ステップＳ１でＮ）、ステップＳ１をリピートする。

これに対して、いずれかの力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２，Ｌ１〜Ｌ４からの出力信号がある場合は（ステップＳ１でＹ）、その出力信号が、本体３に取り付けられた力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２からのものであるか否かを確認する（ステップＳ３）。

本体３に取り付けられた力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２からの出力信号である場合は（ステップＳ３でＹ）、出力信号の出力元の力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２に対応して不揮発性メモリＮＶＭの図７乃至図１０のいずれかのテーブルに規定されている方向に、本体３の姿勢を所定ピッチ変化させるための、各走行輪アーム７のロータリアクチュエータ７５，７７の回転方向及び回転量を、個別に決定する（ステップＳ５）。

この回転方向及び回転量の決定は、先に説明したように、各走行輪アーム７のロータリアクチュエータ７５，７７のロータリエンコーダ７５ｂ，７７ｂから入力されるエンコーダ信号に基づいてＣＰＵ１９ａが把握している、ロータリアクチュエータ７５，７７の現在の回転位置、つまり、本体３に対するアーム部７１の連結角度やアーム部７１に対するアーム部７３の連結角度を参照した上で、例えば逆運動学の理論に基づく既知のアルゴリズムを用いて行われる。

そして、決定した回転方向及び回転量で、各走行輪アーム７のロータリアクチュエータ７５，７７を個別に回転させ（ステップＳ７）、その後、ステップＳ１にリターンする。

また、出力信号が、本体３に取り付けられた力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２からの出力信号でない場合は（ステップＳ３でＮ）、出力信号の出力元の力センサＬ１〜Ｌ４に対応して不揮発性メモリＮＶＭの図１１のテーブルに規定されている方向に、予め定められた回転量だけ、力センサＬ１〜Ｌ４の取り付け先の走行輪アーム７のロータリアクチュエータ７５，７７を回転させ（ステップＳ９）、その後、ステップＳ１にリターンする。

尚、本体３の力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２からの出力信号の検出は、各面（上面３ａ、側面３ｂ、側面３ｃ、前面３ｄ、後面３ｅ、底面３ｆ）の力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２単位で行われる。そして、出力信号の検出は、（１）上面３ａの力センサＵ１〜Ｕ９、（２）側面３ｂ，３ｃの力センサＳ１〜Ｓ１８、（３）前後面３ｄ，３ｅの力センサＦ１，Ｂ１、（４）底面３ｆの力センサＤ１，Ｄ２の優先順位で行われる。

したがって、本体３の複数の面３ａ〜３ｆの力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２からの出力信号が同時に発生した場合は、出力信号の検出の優先順位が高い面３ａ〜３ｆの力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２からの出力信号の検出内容に応じた動作が、優先して実行される。

以上の説明からも明らかなように、第１実施形態においては、図１２のフローチャートにおけるステップＳ５が、請求項中の連結角度変化量割出手段に対応する処理となっている。

尚、コントローラユニット１９は、ＲＯＭに格納された制御プログラムをＣＰＵが実行することで上記の処理の全てを行うものであってもよく、一部の処理をＤＳＰ（Digital Signal Processor）により実行するものであってもよい。

上述のように構成された第１実施形態の脚式ロボット１では、本体３に取らせる姿勢のパターンをロボットティーチングによりコントローラユニット１９に教示、入力するのに当たって、ティーチングマン（図示せず）が本体３の力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２を適宜接触操作すると、接触操作された力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２からの出力信号が、先に説明した優先順位でコントローラ１９により検出される。

そして、コントローラ１９により出力信号が検出された力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜ＳＳ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２に対応して、不揮発性メモリＮＶＭのテーブルで規定されている、本体３の姿勢を変化させる方向と、ロータリアクチュエータ７５，７７の現在の回転位置、つまり、本体３に対するアーム部７１の連結角度やアーム部７１に対するアーム部７３の連結角度とに基づき、逆運動学の理論に基づく既知のアルゴリズムを用いて、各走行輪アーム７のロータリアクチュエータ７５，７７の回転方向が決定され、その回転方向に、予め定められたピッチで各走行輪アーム７のロータリアクチュエータ７５，７７が回転される。

これにより、本体３の姿勢が、ティーチングマンが接触操作した本体３の力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２の位置に応じた方向に変化する。

ここで、図７乃至図１０の各テーブルにおいて規定されている本体３の姿勢の変化方向は、テーブルの内容から明らかなように、ティーチングマンの接触操作により外力を検出した力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２の位置との間に、関連性を持っている。

つまり、本体３の上面３ａと側面３ｂ，３ｃについては、図７及び図８の各テーブルに示すように、それぞれの面３ａ〜３ｃの中央に位置する力センサＵ５，Ｓ５，Ｓ１４に対応付けて、対向する面（底面３ｆ、側面３ｃ，３ｂ）に向かう方向が規定されている。また、それぞれの面３ａ〜３ｃの中央から外れた位置の力センサＵ１〜Ｕ４、Ｕ６〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ４、Ｓ６〜Ｓ９，Ｓ１０〜Ｓ１３、Ｓ１５〜Ｓ１８には、それぞれの面３ａ〜３ｃの中央を支点とし、外力を検出した力センサの位置を作用点とする回転モーメント方向が、それぞれ対応して規定されている。

本体３の前後面３ｄ，３ｅについては、図９のテーブルに示すように、各面前後面３ｄ，３ｅの中央付近に位置する力センサＦ１，Ｂ１に対応付けて、対向する面（後面３ｅ、前面３ｄ）に向かう方向が規定されている。本体３の底面３ｆについては、図１０のテーブルに示すように、前後方向のほぼ中央に位置する左右の各力センサＤ１，Ｄ２には、底面３ｆの中央を支点とし、外力を検出した力センサの位置を作用点とする回転モーメント方向が、それぞれ対応して規定されている。

尚、２つの力センサＵ１〜Ｕ９による外力の同時検出を受け付ける本体３の上面３ａについては、図７のテーブルに示すように、各力センサＵ１〜Ｕ９にそれぞれ対応付けられた本体３の姿勢の変化方向をプラスした内容が、規定されている。

また、図８のテーブルのヨー方向αの移動に際しては、第１実施形態の脚式ロボット１が移動手段を有していない左右方向Ｙへの直進成分を含んでいることから、例外的に、左右の移動用走行輪５の差動による旋回動作が実行される。

このような構成による第１実施形態の脚式ロボット１によれば、ティーチングマンが、目標とする変化後の本体３の姿勢に向けて現在の本体３の姿勢をどのような向きに変更すればよいかを想定し、その想定した方向に自ら本体３を動かす場合に本体３のどの場所に力を加えるかを想定して、その想定した場所にある力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２に接触操作するだけで、感覚的かつ容易に本体３の姿勢を所望の方向に変化させることができる。

ちなみに、第１実施形態の脚式ロボット１では、各走行輪アーム７の各アーム部７１，７３の前後方向の両側面に取り付けた力センサＬ１〜Ｌ４を適宜接触操作すると、接触操作された力センサＬ１〜Ｌ４からの出力信号が、コントローラ１９により検出される。

そして、コントローラ１９により出力信号が検出された力センサＬ１〜Ｌ４に対応して、不揮発性メモリＮＶＭのテーブルで規定されている、ロータリアクチュエータ７５，７７の回転方向と、ロータリアクチュエータ７５，７７の現在の回転位置、つまり、本体３に対するアーム部７１の連結角度やアーム部７１に対するアーム部７３の連結角度とに基づいて、各走行輪アーム７のロータリアクチュエータ７５，７７の回転方向及び回転量が決定され、その回転方向及び回転量で各走行輪アーム７のロータリアクチュエータ７５，７７が回転される。

上述した各走行輪アーム７の力センサＬ１〜Ｌ４の接触操作によるロータリアクチュエータ７５，７７の回転動作は、本体３の力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２への接触操作による本体３の姿勢の変化動作を微調整する際に行うと、特に有効である。

以上に説明した第１実施形態の脚式ロボット１では、本体３の各面３ａ〜３ｆに力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２それぞれ分散して取り付ける構成とした。しかし、本体３の特定箇所に取り付けた単一の力センサに加わる外力よって、本体３の姿勢の変化方向を決定してその方向に本体３の姿勢を変化させる構成とすることもできる。

そのように構成したのが、図１３に正面図で示す、本発明の第２実施形態に係る脚式ロボット１Ａである。

第２実施形態の脚式ロボット１Ａは、本体３の前面３ｄの中央付近に、第１実施形態の脚式ロボット１における力センサＦ１に代えて、突起型の力センサＦ１１を取り付けた点と、前面３ｄ以外の本体３の各面３ａ〜３ｃ，３ｅ，３ｆの力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２を全てなくした点において、第１実施形態の脚式ロボット１と内容が異なっている。

また、第２実施形態の脚式ロボット１Ａは、コントローラユニット１９の本体１９ＡのＲＯＭ１９ｂに格納された制御プログラムの内容が、第１実施形態の脚式ロボット１と異なっており、かつ、不揮発性メモリＮＶＭに格納されているテーブルの内容が、第１実施形態の脚式ロボット１と異なっている。

そして、第１実施形態の脚式ロボット１では、本体３の力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２が、接触操作されるものであったが、第２実施形態の脚式ロボット１Ａでは、本体３の力センサＦ１１が、直接接触（押圧）操作されるだけでなく、力センサＦ１１に結合した引き綱Ｌにより引っ張り操作されることもあるものとなっている。

そのため、前記力センサＦ１１は、脚式ロボット１Ａの前後方向Ｘ、左右方向Ｙ、上下方向Ｚの三方向のそれぞれについて、押圧、引っ張りの両外力に対する感度を有している。この力センサＦ１１が外力を検出した場合は、前後方向Ｘ、左右方向Ｙ、上下方向Ｚの三方向の成分別に信号が出力される。この出力信号は、前後方向Ｘの成分については、力センサＦ１１が検出した外力が押圧力ならば−（マイナス）の値、引張力ならば＋（プラス）の値となる。左右方向Ｙの成分については、押圧力であるか引張力であるかを問わず、力センサＦ１１が検出した外力が図１３中左方向であれば−（マイナス）の値、右方向であれば＋（プラス）の値となる。上下方向Ｚの成分については、押圧力であるか引張力であるかを問わず、力センサＦ１１が検出した外力が図１３中下方向であれば−（マイナス）の値、上方向であれば＋（プラス）の値となる。

この力センサＦ１１には、第１実施形態の脚式ロボット１における力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２，Ｌ１〜Ｌ４と同様に、歪ゲージや静電容量型のセンサ、圧電効果素子を利用したセンサ等を利用することができる。

また、第２実施形態の脚式ロボット１Ａでは、力センサＦ１１が外力を検出した場合に、本体３の姿勢を変化させる方向を規定したテーブルが、コントロールユニット１９の不揮発性メモリＮＶＭに格納されている。このテーブルには、図１４の説明図に示すように、それぞれの方向成分ついて、本体３の姿勢の変化方向が規定されている。これは、力センサＦ１１が先に説明したとおり、外力の検出時に前後方向Ｘ、左右方向Ｙ、及び、上下方向Ｚの３方向成分別に信号を出力することに起因している。力センサＦ１１が検出した外力に２つ以上の方向成分が含まれている場合は、力センサ１１の出力信号もそれに応じた内容となる。

そして、第２実施形態の脚式ロボット１Ａにおいて、コントロールユニット１９のＣＰＵ１９ａが、ＲＯＭ１９ｂに格納された制御プログラムに従って行う、脚式ロボット１Ａの操縦時の本体３や各走行輪アーム７のアーム部７１，７３の姿勢制御動作に関する処理の内容は、図１２のフローチャートに示す第１実施形態の脚式ロボット１のコントロールユニット１９のＣＰＵ１９ａが行う処理と、基本的には同じである。

即ち、図１２のステップＳ１やステップＳ３の各処理において出力信号の有無を確認する力センサの対象を、力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２から力センサＦ１１に変えると共に、図１２のステップＳ５において、各走行輪アーム７のロータリアクチュエータ７５，７７の回転方向及び回転量を、不揮発性メモリＮＶＭの図７乃至図１０のいずれかのテーブルではなく、図１４のテーブルに規定されている方向に基づいて決定するように変更する。

それ以外は、第２実施形態の脚式ロボット１Ａのコントロールユニット１９のＣＰＵ１９ａにおいても、図１２のフローチャートに示す第１実施形態の脚式ロボット１のコントロールユニット１９のＣＰＵ１９ａが行う処理と同様の処理が行われる。

尚、第２実施形態の脚式ロボット１Ａでは、本体３の前面３ｄの力センサＦ１１が、請求項中の力センサに相当している。

このような構成による第２実施形態の脚式ロボット１Ａでは、力センサＦ１１を直接接触（押圧）操作することで、力センサＦ１１に、最大で前後方向Ｘ、左右方向Ｙ、及び、上下方向Ｚの３方向成分を含む押圧力が外力として加わり、また、引き綱を引くことで本体３の前面３ｄの力センサＦ１１に、最大で前後方向Ｘ、左右方向Ｙ、及び、上下方向Ｚの３方向成分を含む引張力が外力として加わることになる。

そして、ティーチングマンが、目標とする変化後の本体３の姿勢に向けて現在の本体３の姿勢をどのような向きに変更すればよいかを想定し、その想定した方向に自ら本体３を動かす場合に本体３の前面３ｄに対してどの方向に力を加えるかを想定して、その想定した方向への外力を、押圧力又は引張力として力センサＦ１１に加えるだけで、感覚的かつ容易に本体３の姿勢を所望の方向に変化させることができる。

ちなみに、第２実施形態の脚式ロボット１Ａにおいても、各走行輪アーム７の各アーム部７１，７３の前後方向の両側面に取り付けた力センサＬ１〜Ｌ４の接触操作と、それに伴い接触操作された力センサＬ１〜Ｌ４からの出力信号に基づいて、コントローラ１９の制御により各走行輪アーム７のロータリアクチュエータ７５，７７が回転される点は、第１実施形態の脚式ロボット１と同様である。

尚、上述した第１及び第２実施形態では、各力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２，Ｌ１〜Ｌ４，Ｆ１１によって検出するのが、外力の有無のみであり、検出した外力に応じて本体３の姿勢を変化させる際、つまり、本体３に対するアーム部７１の連結角度やアーム部７１に対するアーム部７３の連結角度を変化させる際の、各走行輪アーム７のロータリアクチュエータ７５，７７の回転量は、予め定められたピッチである場合について説明した。

しかし、各力センサＵ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８，Ｆ１，Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２，Ｌ１〜Ｌ４，Ｆ１１が、外力の大きさに応じた出力信号を生成するものとし、その出力信号の大きさに応じて、本体３の姿勢の変化量、つまり、本体３に対するアーム部７１の連結角度やアーム部７１に対するアーム部７３の連結角度の変化量が決定され、その決定された変化量の分だけ、各走行輪アーム７のロータリアクチュエータ７５，７７が回転されるように構成してもよい。

また、第１及び第２実施形態の脚式ロボット１，１Ａでは、各走行輪アーム７の各アーム部７１，７３の前後方向の両側面に力センサＬ１〜Ｌ４を取り付けて、それらの力センサＬ１〜Ｌ４に加わる外力に応じてロータリアクチュエータ７５，７７を回転させる構成としたが、この構成は省略してもよい。

そして、本発明は、第１及び第２実施形態で説明した走行輪により移動する移動体に限らず、例えば、可動脚ユニットの本体に対する連結角度の変更により可動脚ユニットが所謂歩行運動を行って移動する脚式移動体にも適用可能である。また、可動脚ユニットは第１及び第２実施形態の脚式ロボット１，１Ａのように前後左右の四脚に限らず、それ以上又はそれ以下の脚数であってもよいことは言うまでもない。

本発明による操縦方法を適用した脚式移動体の第１実施形態に係る脚式ロボットを示す概略構成図である。図１に示す本体の平面図である。図１に示す本体の側面図である。図１に示す本体の正面図（背面図）である。図１に示す本体の底面図である。図１の脚式ロボットの電気的な概略構成を示すブロック図である。図１に示す本体の上面の力センサによる外力検出に対応する本体の姿勢変化方向を規定した、図６の不揮発性メモリに格納されるテーブルの説明図である。図１に示す本体の側面の力センサによる外力検出に対応する本体の姿勢変化方向を規定した、図６の不揮発性メモリに格納されるテーブルの説明図である。図１に示す本体の前後面の力センサによる外力検出に対応する本体の姿勢変化方向を規定した、図６の不揮発性メモリに格納されるテーブルの説明図である。図１に示す本体の底面の力センサによる外力検出に対応する本体の姿勢変化方向を規定した、図６の不揮発性メモリに格納されるテーブルの説明図である。図１に示す各走行輪アームの各アーム部の力センサによる外力検出に対応するロータリアクチュエータの回転方向を規定した、図６の不揮発性メモリに格納されるテーブルの説明図である。図６のコントロールユニットのＣＰＵがＲＯＭに格納された制御プログラムにしたがって実行する、本体や各走行輪アームのアーム部の姿勢制御動作に関する処理のフローチャートである。本発明による操縦方法を適用した脚式移動体の第２実施形態に係る脚式ロボットの本体の部分を示す正面図である。図１３に示す本体の前面の力センサによる外力検出に対応する本体の姿勢変化方向を規定した、不揮発性メモリに格納されるテーブルの説明図である。

符号の説明

１脚式ロボット（脚式移動体）
３本体
３ａ本体上面（表面）
３ｂ，３ｃ本体側面（表面）
３ｄ本体前面（表面、特定箇所）
３ｅ本体後面（表面）
３ｆ本体底面（表面）
７走行輪アーム（可動脚ユニット）
７５，７７ロータリアクチュエータ（アクチュエータ）
７５ａ，７７ａロータリエンコーダ（連結角度検出手段）
１９コントロールユニット（連結角度変化量割出手段）
Ａ移動面
Ｂ１，Ｄ１，Ｄ２，Ｆ１，Ｆ１１，Ｕ１〜Ｕ９，Ｓ１〜Ｓ１８力センサ
Ｘ前後方向
Ｙ左右方向
Ｚ上下方向

Claims

本体に連結されて移動面に接地される複数の可動脚ユニットの前記本体に対する連結角度をアクチュエータにより変化させることで、前記本体の三次元方向における姿勢が変化する脚式移動体を操縦する方法であって、
前記本体に加わった三次元方向の外力の向きを電気的に検出し、
前記電気的に検出した外力の向きに基づいて、その電気的に検出した外力の向きに応じた向きで前記本体の三次元方向の姿勢を変化させるための、前記各可動脚ユニットの前記本体に対する連結角度の変化量をそれぞれ割り出し、
前記割り出したそれぞれの変化量で、前記各可動脚ユニットの前記本体に対する連結角度をそれぞれ前記アクチュエータにより変化させるようにした、
ことを特徴とする脚式移動体の操縦方法。
前記本体の表面における外力が加わった位置を検出することで、前記本体に加わった三次元方向の外力の向きを電気的に検出するようにした請求項１記載の脚式移動体の操縦方法。
前記本体の特定箇所に対して該本体の外部から加わった引っ張り方向の外力の向きを検出することで、前記本体に加わった三次元方向の外力の向きを電気的に検出するようにした請求項１記載の脚式移動体の操縦方法。
本体に連結されて移動面に接地される複数の可動脚ユニットの前記本体に対する連結角度をアクチュエータにより変化させることで、前記本体の三次元方向における姿勢が変化する脚式移動体であって、
前記各可動脚ユニットの前記本体に対する連結角度をそれぞれ検出する複数の連結角度検出手段と、
前記本体の表面に配設され、該表面に加わった三次元方向の外力の向きに応じた電気信号を出力する力センサと、
前記力センサからの前記電気信号によって示される、前記本体の表面に加わった三次元方向の外力の向きと、前記各連結角度検出手段がそれぞれ検出する前記各可動脚ユニットの前記本体に対する連結角度とに基づいて、前記本体の表面に加わった外力の向きに応じた向きで前記本体の三次元方向の姿勢を変化させるための、前記各可動脚ユニットの前記本体に対する連結角度の変化量をそれぞれ割り出す連結角度変化量割出手段とを備え、
前記連結角度変化量割出手段が割り出したそれぞれの変化量で、前記各可動脚ユニットの前記本体に対する連結角度をそれぞれ変化させる、
ことを特徴とする脚式移動体。
前記力センサは前記本体の表面に複数配設されており、前記連結角度変化量検出手段は、前記複数の力センサのうち、前記本体の表面に加わった外力に応じた前記電気信号を出力した力センサの前記本体の表面における配設位置と、該力センサが出力した前記電気信号の信号レベルと、前記各連結角度検出手段がそれぞれ検出する前記各可動脚ユニットの前記本体に対する連結角度とに基づいて、前記各可動脚ユニットの前記本体に対する連結角度の変化量をそれぞれ割り出す請求項４記載の脚式移動体。
前記力センサは前記本体の特定箇所に配設されており、前記連結角度変化量検出手段は、前記特定箇所に対して前記本体の外部から加わった引っ張り方向の外力の向きに応じて前記力センサが出力した前記電気信号に基づいて、前記各可動脚ユニットの前記本体に対する連結角度の変化量をそれぞれ割り出す請求項４記載の脚式移動体。