JP2009202235A - ロボット操作入力装置およびそれを備えたロボット - Google Patents

Abstract

【課題】操作者の動作に追従するようにロボット脚を操作することのできるロボット操作入力装置を、従来よりも少ない数のセンサにて実現する。
【解決手段】ロボット操作入力装置は、歩行可能な脚２を有するロボット１の当該脚２を操作するための入力装置である。ロボット操作入力装置は、操作者１００の足１１５を支持する足支持部材３２と、足支持部材３２と一体化されまたは足支持部材３２に取り付けられ、操作者１００のくるぶしに追従して動く追従部材３１と、追従部材３１に取り付けられた６軸力覚センサ２０と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボット脚を操作するためのロボット操作入力装置およびそれを備えたロボットに関する。

従来から、歩行可能なロボットの脚（以下、ロボット脚という）、またはロボット脚を備えたロボット（例えば、２足歩行ロボット等）が知られている。近年、ロボット脚の自律歩行に関する研究も進められている。しかし、ロボット脚の自律歩行に関しては、数多くのセンサが必要となり、また、制御も複雑となる。

一方、人間によって操作されるロボット脚も知られている。下記特許文献１には、操作者の動作に追従するように２足歩行ロボットを操作するロボット操作入力装置が開示されている。当該ロボット操作入力装置は、操作者に着用されるボディースーツからなっている。このボディースーツの足、膝、腰等の部分には、人工皮膚付きの足覆い、膝覆い、腰覆い等が取り付けられ、人工皮膚には、変形や温度を検知するセンサ素子が埋め込まれている。
特開２００１−１９８８６５号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたようなロボット操作入力装置では、脚の関節毎にセンサが必要であり、数多くのセンサが必要となる。歩行のためには、腰（股関節）の前後動作、膝の曲げ動作、およびくるぶしの曲げ動作の少なくとも３軸の動作が必要となるが、上記特許文献１に記載されたようなロボット操作入力装置では、上記３軸の動作を検知するために、関節毎にセンサ素子が必要となる。すなわち、少なくとも操作者の腰、膝、くるぶしの各々にセンサ素子が必要となる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、操作者の動作に追従するようにロボット脚を操作することのできるロボット操作入力装置を、従来よりも少ない数のセンサにて実現することにある。また、本発明の他の目的は、上記ロボット操作入力装置を備えたロボットを提供することである。

本願発明者は、鋭意研究の結果、操作者のくるぶしの動作に着目し、くるぶしの６軸動作（すなわち、足の前後動作、足の左右開閉動作、足の上下動作、足を左右に傾ける動作、足を前後に傾ける動作、足の左右のひねり動作）に基づくことによって、操作者の脚全体の動きを推定することが可能であることを見出し、本発明をなすに至った。

本発明に係るロボット操作入力装置は、歩行可能な脚を有するロボットの当該脚を操作するためのロボット操作入力装置であって、操作者の足を支持する足支持部材と、前記足支持部材と一体化されまたは前記足支持部材に取り付けられ、操作者のくるぶしに追従して動く追従部材と、前記追従部材に取り付けられた６軸力覚センサと、を備えたものである。

上記ロボット操作入力装置によれば、操作者のくるぶしの動作が追従部材を介して６軸力覚センサによって検出される。上述したように、くるぶしの動作に基づいて、脚全体の動作を推定することが可能である。そのため、上記ロボット操作入力装置によれば、関節毎にセンサを設けなくても、上記６軸力覚センサによって、脚全体の動作を推定することができる。したがって、上記ロボット操作入力装置によれば、従来よりも少ない数のセンサにて、操作者の動作に追従するようにロボット脚を操作することが可能となる。

前記足支持部材は、前記操作者の足を支える台座と、前記操作者の足を前記台座に固定する固定具と、を有し、前記追従部材は、前記台座上に位置する操作者の足のくるぶしの側方に配置されるものであってもよい。

上記ロボット操作入力装置においては、操作者は、台座の上に足を載せ、固定具で足を台座に固定する。これにより、追従部材は、操作者のくるぶしの動きに対して、より正確に追従しやすくなる。したがって、操作の正確性を向上させることができる。

前記固定具は、所定値以上の力が加わると前記操作者の足と前記台座との固定を解除するように構成されていることが好ましい。

このことにより、操作者の脚に過大な力が加わると、固定具が解除されるので、操作者の脚に過大な負荷が加わることが防止される。したがって、万が一、操作者の脚に過大な力が加わったとしても、操作者が脚を痛めるおそれはない。

本発明に係るロボットは、歩行可能な脚を有するロボットであって、前記ロボット操作入力装置と、前記ロボットの脚を駆動する駆動装置と、前記６軸力覚センサの検出結果に基づいて、前記ロボットの脚が前記操作者の脚の動作に追従して動作するように前記駆動装置を制御する制御装置と、を備えたものである。

このことにより、操作者の脚の動きに追従して動作する脚を有するロボットを、従来よりも少ないセンサ数にて実現することができる。

前記ロボットは、前記ロボットの脚の力覚を操作者の脚に伝える力覚提示装置をさらに備えていることが好ましい。

このことにより、操作者がロボットの脚の力覚を感じることができるので、操作性をより一層向上させることができる。

前記ロボットの脚は、大腿部と、膝部と、下腿部と、足首部と、足部とを有し、前記６軸力覚センサは、前記下腿部の左右方向の内側に配置され、前記追従部材および前記足支持部材は、前記６軸力覚センサの左右方向の内側に配置され、前記制御装置は、前記ロボットの脚が前記ロボット操作入力装置に入力される操作力よりも大きな力を出力するように前記駆動装置を制御し、前記ロボットを操作者に装着する装着具または前記ロボットに操作者が搭乗するための搭乗部をさらに備えていることが好ましい。

このことにより、上記ロボットは、操作者に装着された状態または操作者が搭乗した状態にて操作される。そのため、上記ロボットを、操作者の力を増幅させるパワーアシストロボットとして好適に利用することができる。したがって、上記ロボットを、例えば、レスキュー用ロボットや介護用ロボット等に好適に利用することができる。また、上記ロボットは、大腿部と、膝部と、下腿部と、足首部と、足部とを有しているので、操作者の脚の動きに円滑に対応した動作を行うことができる。したがって、操作者が装着するタイプまたは操作者が搭乗するタイプのロボットであるにも拘わらず、操作の際の違和感を少なくすることができる。

なお、上記ロボットが上記装着具または搭乗部を備えることにより、当該ロボットが操作者の身体を支持することができ、上記６軸力覚センサは操作者の体重の影響を受けにくくなる。

以上のように、本発明によれば、操作者の動作に追従するようにロボット脚を操作することのできるロボット操作入力装置を、従来よりも少ない数のセンサにて実現することが可能となる。また、そのようなロボット操作入力装置を備えた好適なロボットを実現することができる。

図１に示すように、本実施形態に係るロボット１は、操作者１００によって操作される二足歩行ロボットである。ロボット１は、歩行可能な左右の脚２と、それら左右の脚２を連結すると共に操作者１００の腰に装着される装着具３とを備えている。このように、ロボット１は、操作者に装着されるタイプのロボットである。ただし、装着具３の代わりに、操作者が搭乗するための搭乗部を設けるようにしてもよい。すなわち、ロボット１は、搭乗型のロボットであってもよい。後述するように、ロボット１の脚２は、操作者１００の脚１０２に追従するように動作する。すなわち、ロボット１の脚２は、あたかも操作者１００の脚１０２であるかのように、操作者１００の脚１０２と同様の動きを行う。したがって、ロボット１は、操作者１００の脚１０２の動きをアシストするパワーアシストロボットとして利用することができる。

ロボット１の脚２は、大腿部１１と、膝部１２と、下腿部１３と、足首部１４と、足部１５とを備えている。下腿部１３の左右方向の内側、すなわち、右側の下腿部１３の左側と、左側の下腿部１３の右側とには、６軸力覚センサ２０が配置されている。図２に示すように、６軸力覚センサ２０のセンサ部分（図２における右側の面）には、センサブラケット３０が固定されている。本実施形態では、センサブラケット３０は６軸力覚センサ２０にボルト３３によって固定されている。ただし、センサブラケット３０の固定方法は何ら限定されず、また、固定具としてボルト３３以外の固定具を用いてもよい。

図２に示すように、センサブラケット３０は、平板状の台座３２ａおよび固定具３２ｂを有する足支持部材３２と、台座３２ａから起立した縦片からなる追従部材３１とによって構成されている。本実施形態では、台座３２ａと追従部材３１とは、一体物となっている。ただし、台座３２ａと追従部材３１とは別体であってもよく、固定具による固定、接着、溶接等の方法で一体化されていてもよい。追従部材３１にはボルト３３を通すためのボルト穴３１ａが形成されている。センサブラケット３０は、追従部材３１が６軸力覚センサ２０に重なった状態で、６軸力覚センサ２０に取り付けられる。

足支持部材３２の固定具３２ｂは、操作者１００の靴または足（以下、単に足という）１１５（図１参照）を台座３２ａに固定するものである。固定具３２ｂの具体的構成は何ら限定されないが、例えば、ビンディング等を好適に用いることができる。固定具３２ｂは、所定値以上の力が加わると操作者１００の足１１５と台座３２ａとの固定を解除するように構成されている。すなわち、固定具３２ｂは、操作者１００が脚１０２を痛めないように、過大な力が加わると操作者１００の足１１５を台座３２ａから解放するようになっている。

図１に示すように、操作者１００の足１１５を足支持部材３２上に載せると、追従部材３１は操作者１００の足１１５のくるぶしの側方に位置することになる。これにより、操作者１００が足支持部材３２上で脚１１５を動かすと、追従部材３１は操作者１００のくるぶしに追従して動くことになる。

センサブラケット３０（すなわち、足支持部材３２および追従部材３１）と６軸力覚センサ２０とは、ロボット１に対する操作を行うロボット操作入力装置１Ａを構成している。

図３に示すように、操作者１００の脚１０２の動作には、大別して以下の６種類の動作がある。すなわち、脚１０２を左右に開いたり閉じたりする股の開閉動作Ｍ１、脚１０２を前後に振る動作Ｍ２、膝を曲げる動作Ｍ３、足１１５を左右にひねる動作Ｍ４、足１１５を左右に傾ける動作Ｍ５、および足１１５を前後に振る動作Ｍ６である。本願発明者は、鋭意研究の結果、これら６種類の動作Ｍ１〜Ｍ６をくるぶしに関する６軸の動作と関連づけることができ、くるぶしの動作から上記６種類の動作Ｍ１〜Ｍ６を推定することが可能であることを見出した。なお、足１１５を左右にひねる動作Ｍ４に関しては、図３では膝部において当該動作Ｍ４が行われるように図示しているが、当該動作Ｍ４を足首部において行うようにしてもよい。すなわち、足１１５を左右にひねる動作Ｍ４は、図３に図示される形態に限定される訳ではない。

すなわち、図４に示すように、くるぶしに関しては、ｘ軸方向の移動動作Ｘ、ｙ軸方向の移動動作Ｙ、ｚ軸方向の移動動作Ｚ、ｘ軸周りの回転動作Ｍｘ、ｙ軸周りの回転動作Ｍｙ、およびｚ軸周りの回転動作Ｍｚの６軸動作が見られる。ここで、すね（操作入力装着部）に固定した座標で見た場合、ｘ軸方向の移動動作Ｘは、脚１０２の前後動作に対応し、上記動作Ｍ２およびＭ３と関連づけられる。ｙ軸方向の移動動作Ｙは、股の開閉動作に対応し、上記動作Ｍ１と関連づけられる。ｚ軸方向の移動動作Ｚは、足１１５の上下動作に対応し、上記動作Ｍ２と関連づけられる。ｘ軸周りの回転動作Ｍｘは、足１１５を左右に傾ける動作に対応し、上記動作Ｍ５と関連づけられる。ｙ軸周りの回転動作Ｍｙは、足１１５の前傾または後傾動作に対応し、上記動作Ｍ６と関連づけられる。ｚ軸周りの回転動作Ｍｚは、足１１５のひねり動作に対応し、上記動作Ｍ４と関連づけられる。このように、くるぶしの６軸動作（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）は脚１０２の６種類の動作（Ｍ１〜Ｍ６）と関連づけることができ、くるぶしの６軸動作に基づいて脚１０２の動作を推定することが可能となる。

図５に示すように、ロボット１は、制御装置５０を備えている。制御装置５０は、６軸力覚センサ２０からの検出信号を受ける入力部５１と、演算部５２と、脚２のアクチュエータ（例えば電動モータ等）６０に駆動信号を出力する出力部５３とを備えている。なお、入力部５１および出力部５３には、公知の各種インターフェースボードを利用することができる。演算部５２は、６軸力覚センサ２０からの検出信号に基づき、アクチュエータ６０の駆動信号を生成する部分である。演算部５２は、操作者１００のくるぶしの動作と脚１０２の動作との間の所定の相関関係に基づき、ロボット１の脚２を操作者１００の脚１０２と同様に作動させるように上記駆動信号を生成する。その結果、ロボット１の脚２は、操作者１００の脚１０２に追従して動作することとなる。

なお、本実施形態では、制御装置５０は、操作者１００の力（すなわち人間の力）よりも大きな力を出力するようにアクチュエータ６０を制御する。これにより、ロボット１は、操作者１００の脚１０２と同様の動作を行いつつ、操作者１００の力を補助するパワーアシスト装置として機能する。そのため、ロボット１は、例えば、災害救助活動に利用されるロボットとして好適に利用することができる。また、ロボット１は、高齢者の歩行補助装置としても好適に利用することができる。

ロボット１には、ロボット１の脚２の力覚を操作者１００に伝える力覚提示装置が設けられていることが好ましい。力覚提示装置の種類は何ら限定されず、公知の各種の力覚提示装置を利用することができる。操作者１００の脚１０２はセンサブラケット３０によって支持されるので、力覚提示装置は、ロボット１の脚２の力覚をセンサブラケット３０を介して伝える装置であってもよい。

また、図３に示す構成の場合、図６に示すように、力覚提示装置として、ロボット１の脚２の動作Ｍ５，Ｍ６に追従して作動する入力側油圧シリンダ（図示せず）と、この入力側油圧シリンダに配管またはチューブ４１を介して接続された出力側油圧シリンダ４２とを用いることができる。この力覚提示装置４０では、入力側油圧シリンダに入力される力は、油圧を介して出力側油圧シリンダ４２に伝えられる。そして、出力側油圧シリンダ４２に伝達された力は、リンク機構等を介して足支持部材３２に伝えられ、ひいては、足支持部材３２を通じて操作者１００にロボット１の動作Ｍ５，Ｍ６の状態が伝えられる。その結果、ロボット１の脚２の変位を伝えることによって力覚が操作者１００に伝達されることになる。なお、上記入力側油圧シリンダおよび出力側油圧シリンダ４２は、油以外の液体を用いる他の液圧シリンダであってもよく、その他の流体圧シリンダ（例えば、エアシリンダ等）であってもよいし、直動シリンダではなく、回転自在なアクチュエータでもよい。

本実施形態によれば、操作者１００のくるぶしの動作がセンサブラケット３０の追従部材３１を介して６軸力覚センサ２０によって検出され、くるぶしの動作から操作者１００の脚１０２全体の動作が推定される。そのため、従来のように、脚１０２の関節毎にセンサを設ける必要がなく、従来よりも少ない数のセンサにて、操作者１００の動作に追従するようにロボット１の脚２を操作することが可能となる。本実施形態では、１つのセンサ（＝６軸力覚センサ２０）のみでロボット１の脚２を操作することができる。

また、本実施形態によれば、センサブラケット３０の足支持部材３２は、操作者１００の足１１５を支える台座３２ａと、操作者１００の足１１５を台座３２ａに固定する固定具３２ｂとを有しており、センサブラケット３０の追従部材３１は、操作者１００の足１１５のくるぶしの側方に配置される。これにより、追従部材３１は、操作者１００のくるぶしの動きに対して、より正確に追従しやすくなる。したがって、本実施形態によれば、ロボット１に対する操作をより正確に行うことができる。

固定具３２ｂは、所定値以上の力が加わると操作者１００の足１１５と台座３２ａとの固定を解除するように構成されている。したがって、万が一、操作者１００の脚１０２に過大な力が加わっても、操作者１００が脚１０２を痛めることはない。

本実施形態に係るロボット１は、脚２の力覚を操作者１００に伝える力覚提示装置４０を備えている。したがって、操作者１００はロボット１の脚２の力覚を感じることができるので、操作性をより一層向上させることができる。

また、本実施形態に係るロボット１は、操作者１００に装着された状態（あるいは、操作者１００が搭乗した状態）にて操作されるように構成されている。そのため、本ロボット１を、操作者１００の力を増幅させるパワーアシストロボットとして好適に利用することができる。また、ロボット１の脚２は、大腿部１１と膝部１２と下腿部１３と足首部１４と足部１５とを有しており、人間の脚と同様の構成を有しているので、操作者１００の脚１０２の動きに円滑に対応した動作を行うことができる。したがって、操作者１００が装着するタイプ（あるいは、搭乗するタイプ）のロボットであるにも拘わらず、操作の際の違和感を少なくすることができる。

《用語の定義》
なお、本願の特許請求の範囲および明細書において、「足」とは足首からつま先までの部分をいい、「脚」とは骨盤からつま先までの部分をいう。「足」は「脚」の一部である。

以上のように、本発明は、ロボット脚を操作するためのロボット操作入力装置およびそれを備えたロボットについて有用である。

実施形態に係るロボットの斜視図である。 ロボットの脚の斜視図である。 脚の動作を説明するための図である。 くるぶしの動作を説明するための図である。 ロボットの制御システムの構成図である。 力覚提示装置の一部を示す斜視図である。

符号の説明

１ ロボット
１Ａ ロボット操作入力装置
２ ロボットの脚
３ 装着具
１１ 大腿部
１２ 膝部
１３ 下腿部
１４ 足首部
１５ 足部
２０ ６軸力覚センサ
３０ センサブラケット
３１ 追従部材
３２ 足支持部材
３２ａ 台座
３２ｂ 固定具
４０ 力覚提示装置
５０ 制御装置
６０ アクチュエータ（駆動装置）
１００ 操作者
１０２ 操作者の脚
１１５ 操作者の足

Claims (6)

1. 歩行可能な脚を有するロボットの当該脚を操作するためのロボット操作入力装置であって、
   操作者の足を支持する足支持部材と、
   前記足支持部材と一体化されまたは前記足支持部材に取り付けられ、操作者のくるぶしに追従して動く追従部材と、
   前記追従部材に取り付けられた６軸力覚センサと、
   を備えたロボット操作入力装置。
2. 前記足支持部材は、前記操作者の足を支える台座と、前記操作者の足を前記台座に固定する固定具と、を有し、
   前記追従部材は、前記台座上に位置する操作者の足のくるぶしの側方に配置される、
   請求項１に記載のロボット操作入力装置。
3. 前記固定具は、所定値以上の力が加わると前記操作者の足と前記台座との固定を解除するように構成されている、
   請求項２に記載のロボット操作入力装置。
4. 歩行可能な脚を有するロボットであって、
   請求項１〜３のいずれか一つに記載のロボット操作入力装置と、
   前記ロボットの脚を駆動する駆動装置と、
   前記６軸力覚センサの検出結果に基づいて、前記ロボットの脚が前記操作者の脚の動作に追従して動作するように前記駆動装置を制御する制御装置と、
   を備えたロボット。
5. 前記ロボットの脚の力覚を操作者の脚に伝える力覚提示装置をさらに備えた、
   請求項４に記載のロボット。
6. 前記ロボットの脚は、大腿部と、膝部と、下腿部と、足首部と、足部とを有し、
   前記６軸力覚センサは、前記下腿部の左右方向の内側に配置され、
   前記追従部材および前記足支持部材は、前記６軸力覚センサの左右方向の内側に配置され、
   前記制御装置は、前記ロボットの脚が前記ロボット操作入力装置に入力される操作力よりも大きな力を出力するように前記駆動装置を制御し、
   前記ロボットを操作者に装着する装着具または前記ロボットに操作者が搭乗するための搭乗部をさらに備えた、
   請求項４または５に記載のロボット。

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