JP3199059B2 - ロボット装置及びその姿勢制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、転倒状態などの異
常な姿勢状態から通常の姿勢状態に自立的に姿勢復帰す
る機能を有するロボット装置及びその姿勢制御方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、タイヤの回転により自走する
タイヤ型ロボットや２足あるいは４足の自立型歩行ロボ
ットなど形式の異なる機構系を備える各種形態のロボッ
ト装置が提案されている。

【０００３】この種のロボット装置は、所定の自由度を
持つアクチュエータ及び所定の物理量を検出するセンサ
などがそれぞれ所定位置に配置された機構系を備え、マ
イクロコンピュータを用いた制御部によって、各種セン
サの出力及び制御プログラムに従って各種アクチュエー
タを個別に駆動制御することにより自走しまた所定の動
作を行い得るようになされている。また、この種のロボ
ット装置は、例えば胴体部、脚部及び頭部などの各構成
ユニットがそれぞれ予め定められた相関関係をもつ状態
に結合されることにより所定の形に組み立てられてい
る。

【０００４】２本あるいはそれ以上の複数本の足を有す
る多足歩行ロボットには、例えば猫や犬のような動物の
ような形態をしているものがある。このような形態の多
足歩行ロボットは、例えば４本の足を有しており、各足
は、所定の数の関節部を備えている。この種のロボット
の足の関節に対して制御を行う方法としては、位置情報
や速度情報を教示によって記録し再現する方法や、位置
情報や速度情報を運動モデルを用いて演算により生成実
行する方法がある。

【０００５】従来のロボット装置における制御では、教
示による方法、運動モデルによる方法ともに、設計者の
予想される環境下での動作を前提としているため、これ
ら使用環境が異なる場合においては、装置の姿勢が意図
に反した状況になる場合が発生し、異常な姿勢により装
置の機能や構造に障害を与え、故障する、若しくは、使
用環境に生涯をもたらす可能性があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、上述の如き従来のロボット装置の実情に鑑み、転倒
状態などの異常な姿勢状態での使用によるロボット装置
の故障や事故を防止することにある。

【０００７】また、本発明の目的は、転倒状態などの異
常な姿勢状態から通常の姿勢状態に自立的に姿勢復帰す
ることができるロボット装置及びその姿勢制御方法を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係るロボット装
置は、少なくとも４本の脚部を備えた脚式の移動ロボッ
ト装置であり、装置本体の姿勢を認識し、認識結果を出
力する姿勢認識手段と、この姿勢認識手段の認識結果に
基づいて、装置本体が、少なくとも右方向転倒姿勢又は
左方向転倒姿勢のいずれかの転倒姿勢になったことを判
別する転倒判別手段と、転倒判別手段により、右方向転
倒姿勢又は左方向転倒姿勢と判別された場合に、その判
別結果に応じた転倒復帰動作を、上記脚部を動作させる
ことにより行い、少なくとも一度、転倒姿勢から伏臥姿
勢状態を経由して正常な姿勢へ復帰させる制御手段とを
有するものである。

【０００９】さらに、本発明は、少なくとも４本の脚部
を備えたロボット装置の姿勢制御方法であり、この制御
方法は、ロボット装置本体の姿勢を認識する姿勢認識工
程と、姿勢認識工程の認識結果に基づいて、ロボット装
置本体が、少なくとも右方向転倒姿勢又は左方向転倒の
いずれかの転倒姿勢になったことを判別する転倒判別工
程と、転倒判別工程において、右方向転倒姿勢又は左方
向転倒姿勢と判別された場合に、その判別結果に応じた
転倒復帰動作を脚部を動作させることにより行い、少な
くとも一度、転倒姿勢から伏臥姿勢状態を経由して正常
な姿勢へ復帰させる工程とを有する。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら詳細に説明する。

【００１１】本発明は、例えば図１に示すような構成の
多足歩行ロボット１に適用される。

【００１２】この多足歩行ロボット１は多関節型ロボッ
トであり、４本の足を有する動物の形をしており、多関
節型ロボット１は、本体２、右前足３、左前足４、右後
足５、左後足６、頭部７、胴体部８、尻尾９等を有して
いる。

【００１３】この多関節型ロボット１は、右前足３、左
前足４、右後足５、左後足６等の関節部１０，１１，１
２，１３には、ブレーキ機構３０を備えている。このブ
レーキ機構３０の作動を利用して、各右前足３、左前足
４、右後足５、左後足６の内の任意の動作部（脚）の相
対位置関係を、ダイレクトティーチング方式で操作者が
位置教示を行うことができるものである。

【００１４】本体２は、右前足３、左前足４、右後足
５、左後足６用のブラケット２０，２１，２２，２３を
備えている。頭部７は、本体２の上の前部に設定されて
おり、胴体部８は頭部７よりは後側に位置されている。
尻尾９は胴体部８から上方に突出している。

【００１５】本体２に対して設置されている各要素につ
いて順次説明する。

【００１６】まず右前足３は、脚３ａ、脚３ｂ、ブラケ
ット２０、関節部１０，１０ａ、ブレーキ機構３０、サ
ーボモータ３ｃ，３ｄ，３ｅ等を有している。

【００１７】脚３ａの上端部はブラケット２０に連結さ
れており、脚３ａは中心軸ＣＬ１を中心として矢印Ｒ１
方向に回転可能になっている。脚３ａと脚３ｂは、関節
部１０により連結されている。サーボモータ３ｃは本体
２に内蔵されており、サーボモータ３ｃが作動すると、
ブラケット２０が中心軸ＣＬ２を中心として矢印Ｒ２の
方向に回転することができる。サーボモータ３ｄが作動
すると、脚３ａが中心軸ＣＬ１を中心として矢印Ｒ１方
向に回転することができる。サーボモータ３ｅが作動す
ると、脚３ｂが脚３ａに対して中心軸ＣＬ３を中心とし
て矢印Ｒ３方向に回転することができる。

【００１８】左前足４は、脚４ａ，４ｂ、ブラケット２
１、関節部１１，１１ａ、ブレーキ機構３０、サーボモ
ータ４ｃ，４ｄ，４ｅを有している。

【００１９】脚４ａはブラケット２１に連結されてお
り、中心軸ＣＬ４を中心として矢印Ｒ４方向に回転でき
るようになっている。脚４ｂは、関節部１１により脚４
ａに対して連結されている。サーボモータ４ｃは、本体
２に内蔵されており、サーボモータ４ｃが作動すると、
ブラケット２１が中心軸ＣＬ５を中心として矢印Ｒ５方
向に回転する。サーボモータ４ｄが作動すると、脚４ａ
がブラケット２１に対して中心軸ＣＬ４を中心として矢
印Ｒ４方向に回転する。サーボモータ４ｅが作動する
と、脚４ｂが中心軸ＣＬ６を中心として矢印Ｒ６方向に
回転する。

【００２０】次に、右後足５は、脚５ａ，５ｂ、ブラケ
ット２２、関節部１２，１２ａ、ブレーキ機構３０、サ
ーボモータ５ｃ，５ｄ，５ｅを有している。

【００２１】脚５ａの上端部はブラケット２２に連結さ
れている。サーボモータ５ｃが作動するとブラケット２
２は中心軸ＣＬ７を中心として矢印Ｒ７方向に回転する
ことができる。サーボモータ５ｄが作動すると、脚５ａ
が中心軸ＣＬ８を中心として矢印Ｒ８方向に回転するこ
とができる。サーボモータ５ｅが作動すると、脚５ｂは
中心軸ＣＬ９を中心として矢印Ｒ９方向に回転すること
ができる。

【００２２】左後足６は、脚６ａ，６ｂ、ブラケット２
３、関節部１３，１３ａ、ブレーキ機構３０、サーボモ
ータ６ｃ，６ｄ，６ｅを有している。

【００２３】サーボモータ６ｃが作動すると、ブラケッ
ト２３が中心軸ＣＬ１０を中心として矢印Ｒ１０方向に
回転できる。サーボモータ６ｄが作動すると、脚６ａが
中心軸ＣＬ１１を中心として矢印Ｒ１１方向に回転でき
る。サーボモータ６ｅが作動すると、脚６ｂは中心軸Ｃ
Ｌ１２を中心として矢印Ｒ１２方向に回転することがで
きる。

【００２４】このように、各右前足３、左前足４、右後
足５、左後足６は、それぞれ３自由度で構成される脚部
品からなり、複数軸を中心としてサーボモータにより駆
動することができる。

【００２５】頭部７は、サーボモータ７ａ，７ｂ，７ｃ
を有しており、サーボモータ７ａが作動すると、中心軸
ＣＬ２０を中心として矢印Ｒ２０方向に揺動できる。サ
ーボモータ７ｂが作動すると、頭部７は中心軸ＣＬ２１
を中心として矢印Ｒ２１方向に揺動する。サーボモータ
７ｃが作動すると、頭部７は、中心軸ＣＬ２２を中心と
して矢印Ｒ２２方向に揺動することができる。すなわ
ち、この頭部７は、３自由度で構成されている。

【００２６】胴体部８にはサーボモータ８ａを有してお
り、このサーボモータ８ａが作動すると、中心軸ＣＬ２
３を中心として尻尾９が矢印Ｒ２３方向に揺動する。

【００２７】また、この多関節型ロボット１は、図２に
示すように、本体２に３軸（ｘ，ｙ，ｚ）の加速度セン
サ４１を内蔵しており、任意の姿勢における本体２への
加速度及び角速度を検出できるようになっている。ま
た、頭部７には、ＣＣＤカメラ４３とマイクロホン４４
が配設されている。さらに、頭部、各脚先、腹部、喉
部、臀部、尻尾に接触センサ４５が配設されている。各
センサによる検出出力は、図３に示すように、この多関
節型ロボット１の制御部１００に設けられているＣＰＵ
（中央処理装置）１０２にバス１０３を介して与えられ
るようになっている。

【００２８】ここで、図３は、この多関節型ロボット１
の制御部１００と、右前足３、左前足４、右後足５、左
後足６、頭部７、尻尾９の各関節軸駆動用のそれぞれの
サーボモータ及び位置センサの接続関係例を示してい
る。

【００２９】制御部１００は、メモリ１０１とＣＰＵ
（中央処理装置）１０２を有しており、ＣＰＵ１０２の
バス１０３は、上述した右前足３、左前足４、右後足
５、左後足６、頭部７、尻尾９の各要素に接続されてい
る。

【００３０】右前足３は、サーボモータ３ｃ，３ｄ，３
ｅと、位置センサ３Ｐ１，３Ｐ２，３Ｐ３を有してい
る。サーボモータ３ｃ，３ｄ，３ｅはそれぞれドライバ
３Ｄに接続されているとともに位置センサ３Ｐ１，３Ｐ
２，３Ｐ３もドライバ３Ｄにそれぞれ接続されている。
各ドライバ３Ｄはバス１０３に接続されている。

【００３１】同様にして、左前足４のサーボモータ４
ｃ，４ｄ，４ｅ、位置センサ４Ｐ１，４Ｐ２，４Ｐ３
は、ドライバ４Ｄに接続されている。右後足５のサーボ
モータ５ｃ，５ｄ，５ｅと、位置センサ５Ｐ１，５Ｐ
２，５Ｐ３は、ドライバ５Ｄにそれぞれ接続されてい
る。左後足６のサーボモータ６ｃ，６ｄ，６ｅと、位置
センサ６Ｐ１，６Ｐ２，６Ｐ３は、ドライバ６Ｄに接続
されている。

【００３２】頭部７のサーボモータ７ａ，７ｂ，７ｃ
と、位置センサ７Ｐ１，７Ｐ２，７Ｐ３は、ドライバ７
Ｄに接続されている。尻尾９のサーボモータ９ａと位置
センサ９Ｐ１はドライバ９Ｄに接続されている。

【００３３】右前足３の各位置センサ３Ｐ１，３Ｐ２，
３Ｐ３、左前足４の各位置センサ４Ｐ１，４Ｐ２，４Ｐ
３、右後足５の各位置センサ５Ｐ１，５Ｐ２，５Ｐ３及
び左後足６の各位置センサ６Ｐ１，６Ｐ２，６Ｐ３は、
それぞれの箇所における位置情報を得るものであり、例
えばこれらの位置センサとしては関節角度検出用のポテ
ンショメータなどの回転角センサを用いることができ
る。この回転角センサのような位置センサ３Ｐ１〜６Ｐ
３により得られる位置情報が、ＣＰＵ１０２にフィード
バックされると、ＣＰＵ１０２は、そのフィードバック
された位置情報に基づいて、各ドライバに指令を与え
る。これにより対応するドライバは対応するモータに対
してサーボ制御を行い、ＣＰＵ１０２から与えられた指
令位置までサーボモータが回転するようになっている。

【００３４】図４〜図７は、図１に示した多足歩行ロボ
ット１をより簡単化して示している。胴体部８には、頭
部７、右前足３、左前足４、右後足５、左後足６を有し
ている。各足３〜６にはそれぞれ関節部１０，１１，１
２，１３，３０，３０，３０，３０がそれぞれ設けられ
ている。

【００３５】図４に示す多足歩行ロボット１の姿勢は、
右前足３、左前足４、右後足５、左後足６が真っ直ぐに
なった基本姿勢である。図５は、図４の基本姿勢から左
前足４の関節部１１と関節部３０に動きを与えた状態を
示している。

【００３６】図４に示す多足歩行ロボット１の右前足
３、左前足４、右後足５、左後足６は、４本とも接地面
３００に接地している。図５の状態では左前足４の関節
部１１，３０に対して動きが与えられているので、左前
足４は前方に突き出したような姿勢になっている。

【００３７】操作者が、このように多足歩行ロボット１
の左前足４の左前肘に当たる関節部１１と、左前肩に対
応する関節部３０に対して角度を決めようとする場合に
は、次のようにして多足歩行ロボットの動作パターンの
編集を実行する。

【００３８】図４と図５に示す多足歩行ロボット１に対
してこのような関節部１１，３０に対して動きを与える
編集作業においては、図２に示した制御部１００の外部
編集指示コンピュータ４００のソフトウェア上で、図５
に示す多足歩行ロボット１の重心Ｗ０の位置を計算し、
その重心Ｗ０の位置から多足歩行ロボット１が転倒しな
いように、他の右前足３、右後足５、左後足６の少なく
とも１つの足の関節部の角度を自動的に設定することが
できるようになっている。この指示は上記外部編集指示
コンピュータ４００から上記制御部のＣＰＵ１０２に対
して与えることにより、ＣＰＵ１０２は対応する足のサ
ーボモータに対して動作指令を与えることができる。

【００３９】この場合に、多足歩行ロボット１の各部の
重量、すなわち胴体部８と本体２の重量、右前足３、左
前足４、右後足５、左後足６、そして頭部７のそれぞれ
の重量などは、あらかじめ外部編集指示コンピュータ４
００のメモリ４０２にメモリされており、これらの重量
のデータに基づいて、図４に示す多足歩行ロボット１の
重心Ｗ０の位置を計算することができる。

【００４０】次に、図８を参照して、多足歩行ロボット
の動作パターンの編集方法の一例を説明する。

【００４１】まずステップＳ１において、上記多足歩行
ロボット１のメモリ１０１には、上記多足歩行ロボット
１の各構成要素の重量や形状などの情報が予めメモリさ
れている。すなわち本体２、胴体部８、頭部７、右前足
３、左前足４、右後足５、左後足６、尻尾９等のそれぞ
れの要素の重量や形状の情報がメモリされている。そし
てメモリ１０１から外部編集指示コンピュータ４００の
メモリ４０２にその情報が移される。これがステップＳ
１における重量・形状などの情報入手である。

【００４２】次にステップＳ２において、上記多足歩行
ロボット１に対して姿勢の編集を開始する。すなわち、
図４に示す基本姿勢から、図５に示すように左前足４を
前に突き出させるような姿勢を取らせる。この時に関節
部１１と関節部３０に対して動きを教示するのである
が、そのままであると、多足歩行ロボット１は図６に示
すように重心が左前足４側に移動してしまうので、左前
方に転倒してしまうことになる。

【００４３】そこで、このような多足歩行ロボット１の
転倒を防ぐために、図５に示すように左前足４を前方に
折り曲げるように関節部１１，３０に対して動きを与え
た場合には、ステップＳ３において、図３に示した制御
部１００の外部編集指示コンピュータ４００は、多足歩
行ロボット１の重心Ｗ０を、図５のように本体２及び胴
体部８に関して後方Ｔに沿って新しい重心Ｗ１の計算を
行いそのデータを新しい計算上の重心の値とする。この
ように重心Ｗ０を新しい重心Ｗ１に移すためには、図７
に示すように右前足３、右後足５、左後足６の関節部１
０，１２，１３及び関節部３０，３０，３０に対して動
きを与える。この動きを与えるのは外部編集指示コンピ
ュータ４００である。

【００４４】この場合に、多足歩行ロボット１のバラン
スを確実に取るために、各右前足３、右後足５、左後足
６の関節部１０，１２，１３及び３０，３０，３０に対
して与える動きは、ステップＳ４，Ｓ５のようにするの
が好ましい。すなわち、多足歩行ロボット１の新しい重
心Ｗ１の接地面３００に対する投影点ＩＭが、三角形状
の重心位置適正範囲ＡＲ内に位置していることである。
この適正範囲ＡＲは、右前足３の接地点ＣＰ１と、右後
足５の接地点ＣＰ２及び左後足６の接地点ＣＰ３を結ん
で形成される三角形状の領域である。

【００４５】この適正範囲ＡＲ内に常に重心Ｗ１の投影
点ＩＭが入っていることにより、多足歩行ロボット１が
転倒しないようにして、各右前足３、右後足５、左後足
６における関節部１０，１２，１３及び関節部３０，３
０，３０の動きを与えることができ、最も少ない動きで
このような安定した姿勢を選択することができる。

【００４６】図５と図７を比較して明らかなように、左
前足４を前に突き出したような姿勢を操作者が多足歩行
ロボット１に対して加えると、自動的に重心がＷ０から
Ｗ１にずれて、多足歩行ロボット１としては全体的に後
側を低くした状態になる。このようにしてステップＳ３
における重心位置計算を行った後多足歩行ロボット１が
ステップＳ４において転倒するかどうかを見て、転倒し
そうであれば、外部編集指示コンピュータ４００が他の
関節部の動き（角度の表）の計算や変更を行い、再度ス
テップＳ３において重心位置の計算を行う。

【００４７】ステップＳ４において転倒しないことが明
らかであれば、ステップＳ６に移り外部編集指示コンピ
ュータ４００は、多足歩行ロボット１の動作パターンの
編集を終了する。このように編集を終了した場合には、
外部編集指示コンピュータ４００は、多足歩行ロボット
１のＣＰＵ１０２に対して動作パターンを正式に入力す
る（ステップＳ７）。

【００４８】また、この多足歩行ロボット１は、本体２
に内蔵された３軸（ｘ，ｙ，ｚ）の加速度センサ４１に
より検出される各軸（ｘ，ｙ，ｚ）方向の加速度情報Ａ
ｃｃＸｔ，ＡｃｃＹｔ，ＡｃｃＺｔに基づいて、上記制
御部１００により転倒検出を行っており、転倒状態を検
出した場合には通常の姿勢状態への姿勢復帰を行うよう
になっている。

【００４９】ここで、上記制御部１００による転倒判別
のアルゴリズムを図９のフローチャートに示してある。

【００５０】すなわち、上記制御部１００は、上記加速
度センサ４１により検出される各軸（ｘ，ｙ，ｚ）方向
の加速度情報ＡｃｃＸｔ，ＡｃｃＹｔ，ＡｃｃＺｔに基
づいて、次のようにして転倒検出を行う。

【００５１】先ず、転倒判別処理では、先ず、ステップ
Ｓ１１において、データバッファの最古の加速度情報Ａ
ｃｃＸｎ，ＡｃｃＹｎ，ＡｃｃＺｎを破棄して、データ
バッファのデータの時間タグを変更する。この多足歩行
ロボット１では、データバッファのバッファ量は各軸５
０である。

【００５２】 ＡｃｃＸｋ→ＡｃｃＸｋ＋１ （ｋ＝０〜ｎ−１） （式１） ＡｃｃＹｋ→ＡｃｃＹｋ＋１ （ｋ＝０〜ｎ−１） （式２） ＡｃｃＺｋ→ＡｃｃＺｋ＋１ （ｋ＝０〜ｎ−１） （式３） 次のステップＳ１２では、上記加速度センサ４１により
測定された各軸（ｘ，ｙ，ｚ）方向の加速度情報Ａｃｃ
Ｘｔ，ＡｃｃＹｔ，ＡｃｃＺｔをデータバッファに格納
する。このデータ更新の割合は、この多足歩行ロボット
１では１０ｍｓである。

【００５３】 ＡｃｃＸｏ→ＡｃｃＸｔ （式４） ＡｃｃＹｏ→ＡｃｃＹｔ （式５） ＡｃｃＺｏ→ＡｃｃＺｔ （式６） 次のステップＳ１３では、データバッファのデータから
各軸（ｘ，ｙ，ｚ）方向の時間平均加速度ＡｃｃＸ，Ａ
ｃｃＹ，ＡｃｃＺを計算する。

【００５４】 ＡｃｃＸ＝ΣＡｃｃＸｋ／ｎ （ｋ＝０〜ｎ） （式７） ＡｃｃＹ＝ΣＡｃｃＹｋ／ｎ （ｋ＝０〜ｎ） （式８） ＡｃｃＺ＝ΣＡｃｃＺｋ／ｎ （ｋ＝０〜ｎ） （式９） 次のステップＳ１４では、平均加速度ＡｃｃとＹ−Ｚ平
面との偏角θ、平均加速度ＡｃｃのＹ−Ｚ平面への投影
成分とＺ軸となす角φを求める（図１０Ａ及び図１０Ｂ
参照）。

【００５５】 Ａｃｃ＝（ＡｃｃＸ²＋ＡｃｃＹ²＋ＡｃｃＺ²）^1/2（式１０） θ＝ａｓｉｎ（ＡｃｃＹ／（（ＡｃｃＹ²＋ＡｃｃＺ²）^1/2）） （式１１） φ＝ａｓｉｎ（ＡｃｃＺ／Ａｃｃ） （式１２） 次のステップＳ１５では、平均加速度（ユークリッド距
離）Ａｃｃが許容誤差（ΔＡｃｃ）範囲内にあるか否か
の判定を行う。誤差範囲外の場合は、例えば持ち上げな
どによる外部から大きな力を受けているとして転倒判別
処理から抜ける。

【００５６】 Ａｃｃ＞１．０＋ΔＡｃｃ［Ｇ］又はＡｃｃ＜１．０−ΔＡｃｃ［Ｇ］ →処理例外 （式１３） そして、次のステップＳ１６では、平均加速度Ａｃｃと
Ｙ−Ｚ平面との偏角θ、及び、平均加速度ＡｃｃのＹ−
Ｚ平面への投影成分とＺ軸となす角φと、現在の姿勢状
態でのテンプレートデータである、平均加速度Ａｃｃと
Ｙ−Ｚ平面とのテンプレート偏角θｍ、及び、平均加速
度ＡｃｃのＹ−Ｚ平面への投影成分とＺ軸となすテンプ
レート角φｍと比較し、それぞれの許容誤差（Δθｍ，
Δφｍ）範囲内であれば姿勢が正常とし、範囲外の場合
は転倒若しくは異常姿勢と判定する。歩行時において
は、θ＝−π／２，φ＝任意となる。

【００５７】 θ＞θｍ＋Δθｍ or θ＜θｍ−Δθｍ （式１４） φ＞φｍ＋Δφｍ or φ＜φｍ−Δφｍ （式１５） ここで、転倒という現象は角速度のサンプリング周期に
対して非常に低周波な現象であるため、転倒検出のデー
タとしてデータバッファを用いてある時間の平均を取る
ことで瞬間的なノイズによる誤変別を軽減することがで
きる。この方法は、データの処理に際して、デジタルフ
ィルタなどによるローパス処理に比べて負荷が小さいと
いう利点がある。

【００５８】そして、上記転倒判別処理により転倒が検
出された場合（ステップＳ１７）には、転倒復帰ステッ
プＳ１８に移り、次のようにして通常の姿勢へ姿勢遷移
を行う。

【００５９】すなわち、姿勢遷移処理では、先ず、転倒
検出時に算出された平均加速度ＡｃｃとＹ−Ｚ平面との
偏角θ、平均加速度ＡｃｃのＹ−Ｚ投影成分のＺ軸とな
す角φにより、転倒方向の判定を行う。この多足歩行ロ
ボット１では、形状による制約条件より歩行時の転倒で
は図１１の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）に示す４方
向のみにしか転倒しないようになっており、 ０＜φ＜（１／４）π又は−（１／４）π＜φ＜０ （式１６） により、図１２Ａに示した前方転倒状態(Head Side Dow
n)にあるか否か判定し、 （１／４）π＜φ＜（３／４）π （式１７） により、図１２Ｂに示した右側転倒状態(Right Side Do
wn) にあるか否か判定し、 −（１／４）π＞φ＞−（３／４）π （式１８） により、図１２Ｃに示した左側転倒状態(Left Side Dow
n)にあるか否か判定し、さらに、 （３／４）π＜φ or φ＞−（３／４）π （式１９） により、図１２Ｄに示した後方転倒状態(Tail Side Dow
n)にあるか否か判定を判定する。

【００６０】そして、予め作成しメモリ１０１に記憶さ
せてある上記４つの転倒状態(HeadSide Down，Right Si
de Down，Left Side Down，Tail Side Down) からの姿
勢復帰を行うため、軌道計画データを用いたプレイバッ
クによる正常な姿勢への復帰を行う。なお、上記転倒復
帰動作を実行中に転倒状態が変わるような場合が存在す
る。例えば、前面を下にして転倒した前方転倒状態(Hea
d Side Down)が、転倒復帰のための動作を開始した際
に、側面転倒状態に状況が変化した場合、このような場
合においては、現在の実行中の転倒復帰動作を速やかに
終了し、再度検出転倒復帰動作を実行することで転倒状
態からの復帰動作を速やかに実行することができる。

【００６１】ここで、図１３には、前方転倒状態（Head
Side Down）から正常な姿勢への復帰動作の経過を模式
的に示してある。

【００６２】上記前方転倒状態からの姿勢復帰を行うた
めの軌道計画データは、この多関節型ロボット１の各右
前足３、左前足４、右後足５、左後足６の相対位置関係
を予め上述のダイレクトティーチング方式で操作者が位
置教示を行うことにより生成して上記メモリ１０１に記
憶させておくことができる。

【００６３】ここで、この多関節型ロボット１の説明で
は、本体２に内蔵された３軸（ｘ，ｙ，ｚ）の加速度セ
ンサ４１による加速度情報に基づいて、上記制御部１０
０により転倒判別を行って、上記４種類の転倒状態(Hea
d Side Down，Right Side Down，Left Side Down，Tail
Side Down) から正常な姿勢状態に復帰する復帰動作を
行うようにしたが、上記制御部１００は、上記本体２に
内蔵される角速度センサや角加速度センサ、傾斜センサ
等の検出出力に基づいて転倒判別を行い、正常な姿勢状
態への復帰動作を行うようにしてもよい。また、上記制
御部１００は、ＣＣＤカメラ４３により得られる画像情
報や接触センサ４５による検出出力に等に基づいて転倒
判別を行い、正常な姿勢状態への復帰動作を行うように
してもよい。さらに、上記制御部１００は、各種センサ
による検出出力を複合的に用いて、転倒判別を行い、正
常な姿勢状態への復帰動作を行うようにすることもでき
る。

【００６４】４脚型のロボット装置の場合、内部の姿勢
モデルと脚先や本体の各部に設置された接触センサの出
力の比較により異常姿勢を検出することができる。

【００６５】すなわち、例えば、図１４に示すような立
ち姿勢では、接触センサ４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃのうち
脚先の接触センサ４５Ａ，４５Ｂ，のみが接触状態を検
出するが、図１５に示すような座って手で何かをするよ
うな場合においては、後脚先端の接触センサ４５Ｂと尻
部に設置された接触センサ４５Ｃが接触状態を検出す
る。したがって、ロボット装置が実行している姿勢とそ
の際の接触センサ４５の理想状態を装置本体内に記憶さ
せておき、姿勢実行中の接触センサ４５の出力を比較す
ることで異常姿勢の検出を行うことができる。

【００６６】また、画像入力装置を備えるロボット装置
では、路面を認識し、その位置と装置の現在意図する姿
勢との相関をとることで、異常姿勢として検出すること
ができる。

【００６７】すなわち、上記多関節型ロボット１では、
図１６に示すような立ち姿勢を正常な状態とした場合、
ＣＣＤカメラ４３による撮像出力として、正常な姿勢時
には、図１７Ａに示すように床面Ｆが水平な状態の画像
が得られる得られるのに対し、異常姿勢時には、図１７
Ｂに示すような床面Ｆの天地が逆転した画像や、図１７
Ｃ、図１７Ｄに示すような床面Ｆが傾斜した画像が得ら
れるので、上記ＣＣＤカメラ４３による撮像出力として
得られる画像の床面Ｆの状態を判定することにより、異
常姿勢状態を検出することができる。

【００６８】上記画像の床面Ｆの状態を判定するには、
例えば図１８に示すように、画像の座標系におけるＹ方
向のエッジを検出する作業を繰り返し、求められた複数
の検出位置の座標から線分を求めることにより上記床面
Ｆの横方向のエッジを求め、同様にＸ方向のエッジを検
出する作業の結果得られる検出位置座標から上記床面Ｆ
の縦方向のエッジを求め、さらに、それらを組み合わせ
ることにことによって傾斜した床面Ｆの線分を検出すれ
ばよい。

【００６９】さらに、車輪による移動機構を用いたタイ
ヤ型ロボット装置では、使用環境は車輪が路面に接触し
ている状態に限定されるので、次のようにして異常姿勢
検出を行えばよい。

【００７０】すなわち、例えば、図１９に示すように非
駆動軸に取り付けられた回転検出装置ＲＤで観測される
回転状態が回転出力装置ＲＯに要求している回転と異な
ることを検出することで、異常姿勢の検出を行うことが
できる。

【００７１】あるいは、図２０に示すように床面検出装
置ＦＤを設置することで転倒などの際に異常姿勢として
検出することができる。上記床面検出装置ＦＤとして
は、発光と受光部を持つ非接触型センサやマイクロスイ
ッチなどの接触式のセンサ装置を用いることができる。

【００７２】ここで、転倒復帰動作をプレイバック方式
で行う場合、ロボット装置の形状により転倒状態から復
帰する動作がある特定の状態遷移に限定される。上記多
関節型ロボット１のような４脚型のロボット装置の場
合、上述の４種類の転倒状態(Head Side Down，Right S
ide Down，Left Side Down，Tail Side Down) と、背面
を床につけた背面転倒状態(Back Side Down)と腹面を床
に着けた伏臥状態(Stomach Side Down) を含む６種類の
状態が存在し、転倒状態から復帰は、必ず伏臥状態(Sto
mach Side Down) を経由することになる。また、背面転
倒状態(Back SideDown)の場合には、図２１に示すよう
に、伏臥状態(Stomach Side Down) に至る前に、必ず上
記４種類の転倒状態(Head Side Down，Right Side Dow
n，Left Side Down，Tail Side Down) のいずれかの転
倒状態を経由しなければならない。この性質を利用する
ことにより、転倒が検出された場合、転倒の復帰動作を
細かく分けてプレーバックの動作データを作成し、転倒
状態の変化に合わせて再生する方法で、ロボット装置を
制御するようにすれば、予測できない外乱により転倒状
態が変化した場合に、即座に転倒復帰動作を切り換える
ことができる。また、このようにすれば、それぞれの復
帰動作を分割して、復帰動作データを作成することがで
き、動作データの作成が容易になる。

【００７３】なお、このような方法を採用しない場合、
例えば背面転倒状態(Back Side Down)からの復帰動作を
１つの動作として、復帰動作データを作成し、再生する
場合 １．外部からの作業で正常な状態に強制的に姿勢を変更
された場合においても、 復帰動作を完了するまで次
の動作に遷移することができない。

【００７４】２．上記復帰動作データが例えば左側転倒
状態(Left Side Down)を経由する状態で作成されていた
場合に、外部要因（例えば床面に突起がある等）でその
他の状態（例えば右側転倒状態(Right Side Down))にな
ってしまうと、復帰動作により復帰することができず、
無駄な作業を行うことになる。

【００７５】３．これらの方法で、仮に転倒状態が変化
した際に、実行中の作業を停止し、動作を再度やり直す
ような取った場合、不連続な動作の発生により、関節部
に大きな負荷がかかってしまう。

【００７６】

【００７７】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、装置
本体の姿勢を認識し、認識結果を出力し、認識結果に基
づいて、装置本体が、少なくとも右方向転倒姿勢又は左
方向転倒姿勢のいずれかの転倒姿勢になったことを判別
し、右方向転倒姿勢又は左方向転倒姿勢と判別された場
合に、判別結果に応じた転倒復帰動作を脚部を動作させ
ることにより行い、少なくとも一度、転倒姿勢から伏臥
姿勢状態を経由して正常な姿勢へ復帰させることによ
り、例えば、異常な姿勢状態とされる右方向転倒姿勢又
は左方向転倒姿勢から正常な姿勢状態に自律的に復帰す
ることができる。

【００７８】したがって、本発明によれば、転倒状態な
どの異常な姿勢状態から通常の姿勢状態に自律的に姿勢
復帰することができるロボット装置及びその姿勢制御方
法を提供することができる。これにより、ロボット装置
が異常な姿勢状態から正常な姿勢状態に自立的に復帰す
る機能を有するので、転倒状態などの異常な姿勢状態で
の使用によるロボット装置の故障や事故を防止すること
ができ、また、使用環境の破壊を防ぐことができ、さら
に、姿勢復帰のための作業等から使用者を解放すること
ができる。

【００７９】

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を適用した多足歩行ロボットの構造を
模式的に示す斜視図である。

【図２】 上記多足歩行ロボットの転倒状態の検出に用
いられる加速度センサ等の各種センサの設置状態を模式
的に示す斜視図である。

【図３】 上記多足歩行ロボットの制御系の構成を模式
的に示すブロック図である。

【図４】 上記多足歩行ロボットの基本姿勢を簡略的に
示す斜視図である。

【図５】 上記多足歩行ロボットの基本姿勢から左前脚
を上げた状態を簡略的に示す斜視図である。

【図６】 上記多足歩行ロボットの姿勢が崩れた状態を
簡略的に示す斜視図である。

【図７】 上記多足歩行ロボットの姿勢が崩れないよう
な状態を簡略的に示す斜視図である。

【図８】 上記多足歩行ロボットの行動パターンの編集
方法の一例を示すフローチャートである。

【図９】 上記多足歩行ロボットにおける制御部による
転倒判別のアルゴリズムの一例を示すフローチャートで
ある。

【図１０】 上記転倒判別処理で求められる平均加速度
ＡｃｃとＹ−Ｚ平面との偏角θ、平均加速度ＡｃｃのＹ
−Ｚ平面への投影成分とＺ軸となす角φの関係を模式的
に示す図である。

【図１１】 上記多足歩行ロボットの形状による制約条
件より決まる歩行時の転倒方向と角φの関係を模式的に
示す図である。

【図１２】 上記多足歩行ロボットの歩行時の各種転倒
状態を模式的に示す各側面図である。

【図１３】 上記多足歩行ロボットの転倒状態から正常
な姿勢状態への復帰動作の過程を模式的に示す側面図で
ある。

【図１４】 上記多足歩行ロボットの立ち姿勢における
接触センサによる接触検出状態を模式的に示す図であ
る。

【図１５】 上記多足歩行ロボットの座った姿勢におけ
る接触センサによる接触検出状態を模式的に示す図であ
る。示す斜視図である。

【図１６】 上記多足歩行ロボットの立ち姿勢でＣＣＤ
カメラにより画像情報を取り込む状態を模式的に示す図
である。

【図１７】 正常姿勢及び異常姿勢の状態でＣＣＤカメ
ラにより取り込まれる各画像情報を模式的に示す図であ
る。

【図１８】 上記ＣＣＤカメラにより取り込まれる画像
情報に基づく床面の状態を判定方法を説明するための図
である。

【図１９】 異常姿勢検出手段として回転検出装置を備
えたタイヤ型ロボット装置の模式的な斜視図である。

【図２０】 異常姿勢検出手段として床面検出装置を備
えたタイヤ型ロボット装置の模式的な斜視図である。

【図２１】 背面転倒状態からの復帰動作の状態遷移を
模式的に示す図である。

【符号の説明】

１ ロボット装置、２ 本体、３ 右前足、４ 左前
足、５ 右後足、６ 左後足、７ 頭部、８ 胴体部、
９ 尻尾、４１ 加速度センサ、４３ ＣＣＤカメラ、
４４ マイクロホン、４５ 接触センサ、１００ 制御
部、１０１ メモリ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B25J 13/08 B25J 5/00 B25J 19/06 B62D 57/032

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも４本の脚部を備えたロボット
   装置において、 装置本体の姿勢を認識し、認識結果を出力する姿勢認識
   手段と、上記姿勢認識手段の 認識結果に基づいて、上記装置本体
   が、少なくとも右方向転倒姿勢又は左方向転倒姿勢のい
   ずれかの転倒姿勢になったことを判別する転倒判別手段
   と、 上記転倒判別手段により、右方向転倒姿勢又は左方向転
   倒姿勢と判別された場合に、上記判別結果に応じた転倒
   復帰動作を上記脚部を動作させることにより行い、少な
   くとも一度、上記転倒姿勢から伏臥姿勢状態を経由して
   正常な姿勢へ復帰させる制御手段とを有することを特徴
   とするロボット装置。
2. 【請求項２】 上記認識手段は、加速度センサであっ
   て、 上記転倒判別手段は、上記加速度センサによって得られ
   た加速度の大きさと方向に基づいて、上記転倒姿勢を判
   別することを特徴とする請求項１記載のロボット装置。
3. 【請求項３】 転倒姿勢から伏臥姿勢状態を経由して正
   常な姿勢へ復帰させるための動作プログラムが記憶され
   た記憶手段を有し、 上記制御手段は、上記動作プログラムに基づいて上記正
   常な姿勢への復帰動作を行うことを特徴とする請求項２
   記載のロボット装置。
4. 【請求項４】 少なくとも４本の脚部を備えたロボット
   装置の姿勢制御方法において、 上記ロボット装置本体の姿勢を認識する姿勢認識工程
   と、 上記姿勢認識工程の認識結果に基づいて、上記ロボット
   装置本体が、少なくとも右方向転倒姿勢又は左方向転倒
   のいずれかの転倒姿勢になったことを判別する転倒判別
   工程と、 上記転倒判別工程において、右方向転倒姿勢又は左方向
   転倒姿勢と判別された場合に、上記判別結果に応じた転
   倒復帰動作を上記脚部を動作させることにより行い、少
   なくとも一度、上記転倒姿勢から伏臥姿勢状態を経由し
   て正常な姿勢へ復帰させる工程とを有することを特徴と
   する脚式移動ロボット装置の姿勢制御方法。
5. 【請求項５】 加速度センサにより装置本体の姿勢を認
   識し、上記加速度センサによって得られた加速度の大き
   さと方向に基づいて、上記転倒姿勢を判別することを特
   徴とする請求項４記載の脚式移動ロボット装置の姿勢制
   御方法。