JP3555107B2 - 脚式移動ロボット及び脚式移動ロボットの動作制御方法 - Google Patents
脚式移動ロボット及び脚式移動ロボットの動作制御方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体のメカニズムや動作をモデル化して構成されるリアリスティックなロボットのメカニズムに係り、特に、ヒトやサルなどの脚式移動型動物の身体メカニズムをモデル化した脚式移動型ロボットのメカニズムに関する。
【０００２】
更に詳しくは、本発明は、歩行動作などの最中に転倒してしまった場合であっても自力で起き上がることができる脚式移動型ロボットの制御メカニズムに係り、特に、転倒してしまい様々な姿勢若しくは格好で横たわっている場合であっても自力で起き上がり、転倒により中断した作業を自動的に再開することができる脚式移動型ロボットのための制御方法メカニズムに関する。
【０００３】
【従来の技術】
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語のＲＯＢＯＴＡ（奴隷機械）に由来すると言われている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔ）であった。
【０００４】
最近では、ヒトやサルなどの２足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作を模した脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。２足直立による脚式移動は、クローラ式や、４足又は６足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。
【０００５】
ヒトの生体メカニズムや動作をエミュレートした脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、若しくは「人間型」のロボット（ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ）と呼ぶ。人間型ロボットは、例えば、生活支援、すなわち住環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動の支援などを行うことができる。
【０００６】
人間形若しくは人間型と呼ばれるロボットを研究・開発する意義を、例えば以下の２つの視点から把握することができよう。
【０００７】
１つは、人間科学的な視点である。すなわち、人間の下肢及び／又は上肢に似た構造のロボットを作り、その制御方法を考案して、人間の歩行動作をシミュレートするというプロセスを通じて、歩行を始めとする人間の自然な動作のメカニズムを工学的に解明することができる。このような研究成果は、人間工学、リハビリテーション工学、あるいはスポーツ科学など、人間の運動メカニズムを扱う他のさまざまな研究分野の進展に大いに還元することができるであろう。
【０００８】
もう１つは、人間のパートナーとして生活を支援する、すなわち住環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動の支援を行うロボットの開発である。この種のロボットは、人間の生活環境のさまざまな局面において、人間から教わりながら個々に個性の相違する人間又は環境への適応方法を学習し、機能面でさらに成長していく必要がある。このとき、ロボットが「人間形」すなわち人間と同じ形又は同じ構造をしている方が、人間とロボットとのスムースなコミュニケーションを行う上で有効に機能するものと考えられる。
【０００９】
例えば、踏んではならない障害物を避けながら部屋を通り抜ける方法を実地においてロボットに教示するような場合、クローラ式や４足式ロボットのように教える相手が自分と全く違う構造をしているよりも、同じような格好をしている２足歩行ロボットの方がユーザ（作業員）ははるかに教え易く、またロボットにとっても教わり易い筈であろう（例えば、高西著「２足歩行ロボットのコントロール」（自動車技術会関東支部＜高塑＞Ｎｏ．２５，１９９６ＡＰＲＩＬ）を参照のこと）。
【００１０】
人間の作業空間や居住空間のほとんどは、２足による直立歩行という人間が持つ身体メカニズムや行動様式に合わせて形成されている。言い換えれば、人間の住空間は、車輪その他の駆動装置を移動手段とした現状の機械システムが移動するのには多くの障壁が存在する。しかしながら、機械システムすなわちロボットが様々な人的作業を代行し、さらに人間の住空間に深く浸透していくためには、ロボットの移動可能範囲が人間のそれとほぼ同じであることが好ましい。これが、脚式移動ロボットの実用化が大いに期待されている所以でもある。人間型の形態を有していることは、ロボットが人間の住環境との親和性を高める上で必須であるといえる。
【００１１】
人間型ロボットの用途の１つとして、産業活動・生産活動等における各種の難作業の代行が挙げられる。例えば、原子力発電プラントや火力発電プラント、石油化学プラントにおけるメンテナンス作業、製造工場における部品の搬送・組立作業、高層ビルにおける清掃、火災現場その他における救助といったような危険作業・難作業の代行である。
【００１２】
但し、この種の産業利用に特化したロボットは、特定の用途若しくは機能を実現することが設計・製作上の至上の主題であり、２足歩行を前提とはするものの、ヒトやサルなど直立歩行動物が本来持つ身体メカニズムや動作を機械装置として忠実に再現する必要は必ずしもない。例えば、特定用途を実現するために手先の自由度や動作機能を強化する一方で、作業の用途には比較的関係が低いとされる頭部や体幹部（脊椎など）、腰部などの自由度を制限し又を省略することはある程度許容すべきである。この結果、２足歩行と謂えども、ロボットの作業や動作の外観上で、ヒトとしては不自然さが残ることがあるが、かかる点は妥協せざるを得ない。
【００１３】
また、人間型ロボットの他の用途として、難作業の代行などの生活支援というよりも、生活密着型、すなわち人間との「共生」という用途が挙げられる。この種のロボットは、ヒトやサルなどの２足の直立歩行を行う動物が本来持つ、全身協調型の動作メカニズムを忠実に再現し、その自然に円滑な動作を実現することを至上の目的とする。また、ヒトやサルなどの知性の高い直立動物をエミュレートする以上、四肢を用いた動作が生体として自然であり、且つ、動作が持つ表現力が豊かであることが望ましい。さらに、予め入力された動作パターンを単に忠実に実行するだけではなく、相手の言葉や態度（「褒める」とか「叱る」、「叩く」など）に呼応した、生き生きとした動作表現を実現することも要求される。この意味において、ヒトを模したエンターティンメント指向の人間型ロボットは、まさに「人間型」のロボットと呼ぶに相応しい。
【００１４】
既に周知のように、人体は数百の関節すなわち数百に上る自由度を備えている。限りなくヒトに近い動作を脚式移動ロボットに付与するためには、ほぼ同じ自由度を与えることが好ましいが、これは技術的には極めて困難である。何故ならば、１つの自由度に対して少なくとも各１つのアクチュエータを配設する必要があるが、数百のアクチュエータをロボットという機械装置上に実装することは、製造コストの点からも、重量やサイズなど設計の観点からも不可能に等しい。また、自由度が多いと、その分だけロボットの位置・動作パターン制御や姿勢安定制御等のための計算量が指数関数的に増大してしまう。
【００１５】
このため、人体よりもはるかに少ない数十程度の関節自由度で人間型ロボットを構成するのが一般的である。したがって、少ない自由度を用いてより自然な動作を如何にして実現するかが、人間型ロボットの設計・制御において重要な課題の１つといえる。
【００１６】
例えば、脊椎などのように柔軟性を持つ機構が人間の生活の場で多様で複雑な動作をするために重要であることは、人間工学などの観点から既に明らかである。脊椎を意味する体幹関節自由度は、産業的な用途上は存在価値が低いが、エンターティンメントやその他の生活密着型の人間型ロボットには重要である。なお且つ、状況に応じて柔軟さを能動的に調節できることが求められている。
【００１７】
また、２足直立歩行を行う脚式移動ロボットは、柔軟な歩行・走行動作（例えば階段の昇降や障害物の乗り越え等）を実現できる点で優れている反面、脚の本数が少なくなるとともに、重心位置が高くなるため、その分だけ姿勢制御や安定歩行制御が難しくなる。特に、生活密着型のロボットの場合、ヒトやサルなどの知性動物における自然な動作や感情を豊かに表現しながら全身の姿勢や安定歩行を制御しなければならない。
【００１８】
２足歩行による脚式移動を行うタイプのロボットに関する姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に数多提案されている。ここで言う安定な「歩行」とは、「転倒することなく、脚を使って移動すること」と定義することができよう。
【００１９】
ロボットの姿勢安定制御は、ロボットの転倒を回避する上で非常に重要である。何故ならば、転倒は、ロボットが実行中の作業を中断することを意味し、且つ、転倒状態から起き上がって作業を再開するために相当の労力や時間が払われるからである。また、何よりも、転倒によって、ロボット本体自体、あるいは転倒するロボットと衝突する相手側の物体にも、致命的な損傷を与えてしまう危険があるからである。したがって、脚式移動ロボットの設計・開発において、姿勢安定制御や歩行時の転倒防止は最も重要な課題の１つである。
【００２０】
歩行時には、重力と歩行運動に伴なって生じる加速度によって、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが作用する。いわゆる「ダランベールの原理」によると、それらは路面から歩行系への反作用としての床反力、床反力モーメントとバランスする。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内側にピッチ及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわち「ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）」が存在する。
【００２１】
脚式移動ロボットの姿勢安定制御や歩行時の転倒防止に関する提案の多くは、このＺＭＰを歩行の安定度判別の規範として用いている。ＺＭＰ規範に基づく２足歩行パターン生成は、足底着地点を予め設定でき、路面形状に応じた足先の運動学的拘束条件を考慮し易いなどの利点がある。
【００２２】
例えば、特開平５−３０５５７９号公報には、脚式移動ロボットの歩行制御装置について開示している。同公報に記載の歩行制御装置は、ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）すなわち歩行するときの床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点を目標値に一致させるように制御するものである。
【００２３】
また、特開平５−３０５５８１号公報に記載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰが支持多面体（多角形）内部、又は、着地、離床時にＺＭＰが支持多面体（多角形）の端部から少なくとも所定の余裕を有する位置にあるように構成した。この結果、外乱などを受けても所定距離だけＺＭＰの余裕があり、歩行の安定性の向上を図ることができる。
【００２４】
また、特開平５−３０５５８３号公報には、脚式移動ロボットの歩き速度をＺＭＰ目標位置によって制御する点について開示している。すなわち、同公報に記載の脚式移動ロボットは、予め設定された歩行パターン・データを用い、ＺＭＰを目標位置に一致させるように脚部関節を駆動するとともに、上体の傾斜を検出して、その検出値に応じて設定された歩行パターン・データの吐き出し速度を変更するようにしている。この結果、予期しない凹凸を踏んでロボットが例えば前傾するときは吐き出し速度を速めることで姿勢を回復できる。またＺＭＰが目標位置に制御できるので、両脚支持期において吐き出し速度を変更しても支障がない。
【００２５】
また、特開平５−３０５５８５号公報には、脚式移動ロボットの着地位置をＺＭＰ目標位置によって制御する点について開示している。すなわち、同公報に記載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰ目標位置と実測位置とのずれを検出して、それを解消する様に脚部の一方または双方を駆動するか、又は、ＺＭＰ目標位置まわりにモーメントを検出してそれが零になる様に脚部を駆動することで安定歩行を行うようになっている。
【００２６】
また、特開平５−３０５５８６号公報には、脚式移動ロボットの傾斜姿勢をＺＭＰ目標位置によって制御する点について開示している。すなわち、同公報に記載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰ目標位置まわりのモーメントを検出し、モーメントが生じているときは、それが零になるように脚部を駆動することで安定歩行を行うようになっている。
【００２７】
歩行ロボットの転倒という事態を未然に回避するためには最大限の努力を払うべきである。しかしながら、とりわけ脚の本数が少ない２足歩行ロボットの場合、研究段階からようやく実用化の第１歩を踏み出そうという状況下にあるに過ぎず、転倒の可能性を完全に消去することはできない。
【００２８】
したがって、転倒を未然に防ぐ対策を講じるだけではなく、転倒時の損害を最小限に抑えるとともに、転倒後の作業の復旧、すなわちロボットの起き上がり若しくは立ち上がり動作の信頼性を向上させることが、脚式歩行ロボットの早期実用化のためには肝要である。
【００２９】
ロボットが様々な障害物や不測の事態を包含する人間の住環境下で動作する上で、「転倒」は不可避である。そもそも人間自体が転倒するものである。したがって、ロボットが転倒した状態から自律的に起き上がる動作パターンを備えることが脚式移動ロボットの完全自動化を実現するための必須の条件である、と言っても過言ではない。
【００３０】
例えば特開平１１−４８１７０号公報には、脚式移動ロボットの転倒の問題に関して取り扱っている。しかしながら、同公報は、転倒しそうな状況において、ロボットの重心を下げるように制御することによって、ロボットやロボットが衝突する相手側の物体の損傷を可能な限り軽減することを提案するものであり、転倒後の作業の復旧、すなわちロボットの起き上がり若しくは立ち上がり動作の信頼性を向上させる点については全く言及していない。
【００３１】
また、ひとえにロボットが「転倒する」といっても、転倒した姿勢は様々である。例えば２足の脚式移動ロボットの場合、うつ伏せ、仰向け、横向きなど複数の転倒状態がある。一部の転倒姿勢からしか起き上がることができない（例えばうつ伏せ状態からしか起き上がらない）というのでは、自律的な起き上がりやロボットの完全自動化を標榜するには不充分である。
【００３２】
例えば図３５に示すような脚式移動ロボットについて考察してみる。同図に示すロボットは、２足による直立歩行を行う人間型ロボットであり、頭部と、体幹部と、下肢部と、上肢部とで構成される。脚部は歩行に必要な自由度を有し、腕部は想定される作業において必要な自由度を備えるものとする。例えば、各脚部は６自由度を有し、各腕部は４自由度を有する。また、体幹部は、脚部や腕部、頭部を連結する、構造体の中心である。但し、図示に示すロボットの場合、体幹部に自由度を全く持たない。
【００３３】
一般に、脚式移動ロボットにおける歩行は、脚部の着床面と、重心あるいは動的なモーメントの中心点の相対的な移動を行うことによって実現される。２足歩行のロボットの場合であれば、左右の脚を交互に立脚と遊脚に切り替えることで、所定方向への移動を行う。このとき、基本的には、体重心あるいは動的なモーメントの中心を立脚側へ移動し、また、所定の進行方向にそれを移動させることが必要となる。これらの動作は、脚式移動ロボットにおいては、各部の関節自由度による協調的な駆動によって実現される。図３５に示すような両脚にそれぞれ６自由度又はそれ以上の自由度を有する脚式移動ロボットの場合、脚の自由度のみによって、歩行時における体重心又は動的モーメントの中心を移動させることが可能である。
【００３４】
図３６には、図３５に示した脚式移動ロボットが直立している状態を示している。このような直立状態では、体正面方向から見たロボットの重心位置は両脚の中心部上にあり、ＺＭＰは両足着床部の略中間の姿勢安定領域内にある。
【００３５】
また、図３７には、この脚式移動ロボットが歩行のために重心を片脚（同図に示す例では左脚）に移動させた状態を示している。すなわち、左股関節部及び左足首関節部のロール方向変位や、これに相応する右股関節部及び右足首関節部のロール方向変位を主成分とする運動によって、ロボットの重心が左脚側に移動して、ＺＭＰが左足の着床領域内に移動する。この結果、ロボットは、左脚のみで全体重を支えることが可能な姿勢を形成する。また、遊脚となった右脚を所望の進行方向に踏み出すことで、歩行を行うことができる。
【００３６】
主に歩行を想定した２足脚式移動ロボットの場合、自由度の配置によっては脚部に配置される自由度のみでも歩行が可能であり、実機上でもこのような歩行動作パターンが採用されることが多い。さらに、ロボットが行う作業のために、腕部や手部に別途自由度が配置されているのが一般的である。また、頭部についても、視覚認識等を目的とする自由度を有することが多い。
【００３７】
これに対し、体幹部については、歩行や作業等のロボットが主目的とする動作パターンに必須の自由度とは言えない。このため、現在実用化に向けて開発されている脚式移動ロボットのほとんどは、図３５に示したように体幹部に自由度を備えていない（前述）。
【００３８】
ここで、図３５に示すような体幹部に自由度を備えていないタイプの脚式移動ロボットに関する転倒時起き上がり動作について考察してみる。
【００３９】
例えば図３８に示すようなうつ伏せ姿勢から起き上がる場合、まず、両腕部及び両股関節のピッチ軸等を駆動させて、着床部分を腕部と脚部（膝部）だけにし、次いで、両着床部の相対的距離を徐々に近付けることにより、ロボットの重心を持ち上げていく（図３９を参照のこと）。
【００４０】
また、重心を持ち上げるのと同時に足部を前方に移動させる（図４０を参照のこと）。この結果、重心が足部着床領域の上空に移動して、ＺＭＰが着床領域すなわち姿勢安定領域に突入して、腕部を床面から離すことが可能となる（図４１を参照のこと）。さらに、脚部（膝関節部）を伸展させて重心を持ち上げことによって、起き上がり動作が完結する（図４２を参照のこと）。
【００４１】
しかしながら、実際には、各関節の可動角度や部位間の干渉などの問題のために、重心の移動を充分に行うことができないことが多い。例えば、上記の図４０から図４１へ姿勢を移行させる際、腕を接地させたままでは、膝を充分に畳み込むことができず、ＺＭＰを足部の着床領域まで移動させることができない。無理にＺＭＰの移動を試みると、ＺＭＰが安定領域に突入する前に腕部が先に離床してしまい、うまく起き上がることができない。
【００４２】
また、図４３に示すように脚式移動ロボットが仰向け姿勢で転倒してしまった場合、ロボットが自律的に、すなわち外部からの物理的な補助なしに起き上がることはさらに困難となる。
【００４３】
仰向け姿勢から起き上がり動作を行う場合、まず、脚部と腕部で床面に接地する姿勢をとることで、重心を上方に持ち上げる（図４４を参照のこと）。次いで、着床している足部と腕部との相対的距離を徐々に小さくしていく（図４５を参照のこと）。
【００４４】
足部と腕部との相対的距離が充分小さくなると、ロボットの重心位置を足部着床領域上空まで移動することができる（図４６を参照のこと）。この状態では、ＺＭＰが足部すなわち姿勢安定領域内に入っているので、腕部を床面から離すとともに、脚部すなわち膝部を伸展させることによって重心をさらに持ち上げることで、起き上がり動作が完結する（図４７を参照のこと）。
【００４５】
しかしながら、実際には、うつ伏せ姿勢から起き上がる場合と同様に、各関節の可動角度や部位間の干渉などの問題のために、重心の移動を充分に行うことができないことが多い。例えば、上記の図４５から図４６へ姿勢を移行させる際、腕を接地させたままでは、膝を充分に畳み込むことができず、ＺＭＰを足部の着床領域まで移動させることができない。無理にＺＭＰの移動を試みると、ＺＭＰが安定領域に突入する前に腕部が先に離床してしまい、うまく起き上がることができない。
【００４６】
図３８〜図４２で示したうつ伏せ姿勢からの起き上がり動作、及び、図４３〜図４７で示した仰向け姿勢からの起き上がり動作のいずれの場合も、股関節部における体前面側への可動角度を拡張することにより、図４０及び図４１、並びに、図４６及び図４７に示すボトルネックを解消することができる。しかしながら、実機の脚式移動ロボットにおいて股関節部の可動角度を大きくためには、体幹部及びその周辺の部材との干渉が発生してしまうので、現実的な解決策とは言い難い。
【００４７】
また、上述したうつ伏せ及び仰向けいずれの姿勢からの起き上がり動作パターンの場合も、足部を極端に重く構成することによって、脚式移動ロボット全体の重心位置を足部付近に設定すれば、図４１や図４７において腕部が先に離床してしまう場合であっても、ＺＭＰを姿勢安定領域に移動させることができる。ダルマが自然に起き上がるのと同様の原理である。
【００４８】
ロボットの重心が常に歩行中の足底の接地範囲にある「静歩行」を行うロボットの場合であれば、ダルマのように全体の重心位置が足部のような低所にあっても、安定歩行動作を確保することができる。
【００４９】
これに対し、ロボットの重心が足底の外に外れるような「動歩行」を行うタイプのロボットの場合、歩行期間中は転倒方向に支持点を強く加速することで姿勢回復を図るという「倒立振子」の概念を導入される。すなわち、動歩行型のロボットの場合、動的な重心移動を可能にするために、重心位置を比較的高所になるように、脚部は状態に対して比較的軽量に設計されている。逆に脚部の質量が大きいと、円滑な重心移動が困難となり、歩行そのものに支障をきたす。略言すれば、ロボット全体の重心位置を低所に設定することは、動歩行時の姿勢安定制御が困難になるので、起き上がり動作を行う脚式移動ロボットの一般的解決にはなり得ない。
【００５０】
図３８〜図４２、並びに、図４３〜図４７を参照しても判るように、体幹部に自由度がないタイプの脚式移動ロボットの場合、腕部、頭部等と脚部との相対的位置の可変量が小さいので、いずれの転倒姿勢からも起き上がることは困難となる。
【００５１】
他方、ロボットの体幹部を極端に短く構成することにより、あるいは、腕部を極端に長く構成することによって、腕部と脚部との相対的位置の可変量を拡張することができる。この結果、図４１や図４７に示すようなＺＭＰが姿勢安定領域に入る前に腕部が離床してしまうという現象を解消して、起き上がり動作を実現することができる。
【００５２】
しかしながら、体幹部を短くしたり、腕部を長くすることは、人間型ロボットの四肢若しくは全身の均整を失うことになり、「人間形」若しくは「人間型」を目指す趣旨から逸脱してしまう。
【００５３】
また、本出願時における脚式移動ロボットの動向として、ロボット自身の制御ユニットを背面部に搭載することが多い。したがって、仰向けに転倒した場合には、重心位置が背面側に大きく偏ってしまうため、仰向け姿勢からの起き上がり動作はさらに困難になると想到される（図４８を参照のこと）。
【００５４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ヒトやサルなどの脚式移動型動物の身体メカニズムをモデル化した、優れた脚式移動型ロボットのメカニズムを提供することにある。
【００５５】
本発明の更なる目的は、歩行動作など作業の最中に転倒してしまった場合であっても自力で起き上がることができる、優れた脚式移動型ロボット及びその制御メカニズムを提供することにある。
【００５６】
本発明の更なる目的は、転倒してしまい様々な姿勢若しくは格好で横たわっている場合であっても自律的に起き上がり、転倒により中断した作業を自動的に再開することができる、優れた脚式移動型ロボット及びその制御方法メカニズムを提供することにある。
【００５７】
本発明の更なる目的は、うつ伏せ、仰向け、横向きなど様々な転倒姿勢からも自律的に確実且つ円滑に起き上がることができる、優れた脚式移動型ロボット及びその制御メカニズムを提供することにある。
【００５８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットであって、
転倒したか否かを判断する転倒判断手段と、
転倒時の姿勢を判定する手段と、
転倒姿勢に応じた起き上がり動作パターンを実行する手段と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットである。
【００５９】
また、本発明の第２の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設されて体幹部に所定の可動自由度を持つ上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットであって、
転倒したか否かを判断する転倒判断手段と、
転倒時の姿勢を判定する手段と、
転倒姿勢に応じた起き上がり動作パターンを実行する手段と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットである。
【００６０】
また、本発明の第３の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設されて体幹部に所定の可動自由度を持つ上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットであって、
転倒したか否かを判断する転倒判断手段と、
転倒時に少なくとも前記体幹部の可動自由度の変位を伴う起き上がり動作パターンを実行する手段と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットである。
【００６１】
本発明の第３の側面に係る脚式移動ロボットにおいて、前記体幹部は少なくともピッチ軸方向の可動自由度を有し手もよい。この場合、前記起き上がり動作パターンは該体幹部ピッチ軸方向の可動自由度を利用することができる。
【００６２】
あるいは、前記体幹部は少なくともヨー軸方向の可動自由度を有し手もよい。この場合、前記起き上がり動作パターンは該体幹部ヨー軸方向の可動自由度を利用することができる。
【００６３】
あるいは、前記体幹部は少なくともロール軸方向の可動自由度を有し手もよい。この場合、前記起き上がり動作パターンは該体幹部ロール軸方向の可動自由度を利用することができる。
【００６４】
また、本発明の第４の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設されて体幹部に所定の可動自由度を持つ上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットであって、
転倒したか否かを判断する転倒判断手段と、
転倒時の姿勢を判定する手段と、
転倒時に他の転倒姿勢に移行するための動作パターンを実行する手段と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットである。
【００６５】
本発明の第４の側面に係る脚式移動ロボットにおいて、前記体幹部は少なくともピッチ軸方向の可動自由度を有してもよい。この場合、他の転倒姿勢に移行するための前記動作パターンは該体幹部ピッチ軸方向の可動自由度を利用することができる。
【００６６】
あるいは、前記体幹部は少なくともヨー軸方向の可動自由度を有してもよい。この場合、他の転倒姿勢に移行するための前記動作パターンは該体幹部ヨー軸方向の可動自由度を利用することができる。
【００６７】
あるいは、前記体幹部は少なくともロール軸方向の可動自由度を有してもよい。この場合、他の転倒姿勢に移行するための前記動作パターンは該体幹部ロール軸方向の可動自由度を利用することができる。
【００６８】
また、本発明の第５の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設されて体幹部に所定の可動自由度を持つ上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットがうつ伏せ姿勢に陥ったときのための動作制御方法であって、
少なくとも体幹部ピッチ軸の可動自由度を利用して腕部及び脚部のみで着床する姿勢を形成するステップと、
少なくとも体幹部ピッチ軸の可動自由度を利用して脚式移動ロボットの重心を上方に持ち上げるステップと、
少なくとも体幹部ピッチ軸の可動自由度を利用して腕部及び脚部それぞれの着床部分における相対的位置を小さくするステップと、
腕部及び脚部それぞれの着床部分同士が充分接近した結果、前記脚式移動ロボットのＺＭＰが足部着床領域に入ったことに応答して、全身の伸展を開始するステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの動作制御方法である。
【００６９】
また、本発明の第６の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設されて体幹部に所定の可動自由度を持つ上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットが仰向け姿勢に陥ったときのための動作制御方法であって、
少なくとも股関節ピッチ軸の可動自由度を利用して上体を起こした姿勢を形成するステップと、
少なくとも体幹部ピッチ軸の可動自由度を利用して脚式移動ロボットの重心を前方に移動させるステップと、
前記重心が充分前方に移動した結果、前記脚式移動ロボットのＺＭＰが足部着床領域に入ったことに応答して、全身の伸展を開始するステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの動作制御方法である。
【００７０】
また、本発明の第７の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設されて体幹部に所定の可動自由度を持つ上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットが横転姿勢に陥ったときのための動作制御方法であって、
少なくとも体幹部ヨー軸の可動自由度を利用してうつ伏せ姿勢に移行するステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの動作制御方法である。
【００７１】
また、本発明の第８の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設されて体幹部に所定の可動自由度を持つ上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットが横転姿勢に陥ったときのための動作制御方法であって、
体幹部ロール軸の可動自由度を利用して上体を床面から浮かすステップと、
体幹部ヨー軸の可動自由度を利用してうつ伏せ姿勢に移行するステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの動作制御方法である。
【００７２】
また、本発明の第９の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設されて体幹部に所定の可動自由度を持つ上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットが仰向け姿勢に陥ったときのための動作制御方法であって、
少なくとも体幹部ヨー軸の可動自由度を利用して横転姿勢に移行するステップを具備することを特徴とする脚式移動ロボットの動作制御方法である。
【００７３】
また、本発明の第１０の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設されて体幹部に所定の可動自由度を持つ上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットが転倒姿勢に陥ったときのための動作制御方法であって、
（ａ）仰向け姿勢から横転姿勢に移行するステップ、
（ｂ）横転姿勢からうつ伏せ姿勢に移行するステップ、
（ｃ）うつ伏せ姿勢から横転姿勢に移行するステップ、
（ｄ）横転姿勢から仰向け姿勢に移行するステップ、
のうち少なくとも１つを具備することを特徴とする脚式移動ロボットの動作制御方法である。
【００７４】
【作用】
本発明に係る脚式移動ロボットは、体幹部においてロール、ピッチ、ヨーなどの各軸に自由度を有する。任意の転倒姿勢において、これら体幹部の自由度を活用することにより、円滑且つ容易に起き上がり動作を実現することができる。
【００７５】
本発明に係る脚式移動ロボットによれば、起き上がり動作時において体幹部の自由度を適用することにより、体幹部以外の可動部への負担や要求トルクが軽減される。また、荷重負担を各可動部間で分散・平均化することで、特定部位への集中荷重を回避することができる。この結果、ロボット運用の信頼性を向上するとともに、起き上がり動作期間中のエネルギー効率が向上する。
【００７６】
また、本発明に係る脚式移動ロボットによれば、複数の転倒姿勢を順次移行させることにより、より容易な起き上がり動作を選択的に実行することができる。
【００７７】
また、本発明に係る脚式移動ロボットによれば、複数の転倒姿勢を順次繰り返すことにより、起き上がることなく平面的な移動を実現することができる。この結果、より容易に立ち上がることができる場所まで移動してから起き上がり動作を実行することができる。
【００７８】
また、本発明に係る脚式移動ロボットによれば、転倒姿勢を変化させることができるので、サポートしなければならない起き上がり動作パターンの種類や数を低減することができる。
【００７９】
例えば、ロボットがあらかじめ起き上がり動作パターンを用意しておくような場合、動作パターン数の減少により開発期間の短縮や開発コストの軽減が可能となる。また、動作パターン数の減少により、ハードウェアの負担も軽減されるので、その分システムの向上が見込まれる。
【００８０】
また、ロボットが状況に応じた動作パターンを自律的に生成するような場合には、生成すべき動作パターン数が減少することにより、ロボット自体に搭載すべき演算装置の負担が軽減され、装置製作コストの削減や、ロボット運転時における信頼性の向上などが見込まれる。
【００８１】
また、本発明に係る脚式移動ロボットによれば、転倒姿勢を変化させることで起き上がり動作パターンを限定することができる。この結果、起き上がり動作のために必要な各アクチュエータの出力トルクや動作範囲などへの要求が軽減される。この結果、設計の自由度が向上するとともに、開発期間の短縮や製作コストの削減などを実現することができる。
【００８２】
また、転倒姿勢を変化させることで起き上がり方法を限定することができるので、起き上がり動作期間中におけるロボットの消費電力を節約し、バッテリなどの供給電源への負荷を少なくすることができる。この結果、バッテリ駆動時間が延長し、１回の充電でより長時間の連続運転が可能となり、ロボットの作業時間、作業空間、作業内容等が拡大する。また、必要なバッテリ容量も低減するので、バッテリの小型・軽量化が可能となり、設計の自由度が向上する。また、バッテリの要求仕様が軽減するので、バッテリ単価を安価に抑え、システム全体の製作コストや運転コストを節約することができる。
【００８３】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施例や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【００８４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を詳解する。
【００８５】
図１及び図２には本発明の実施に供される「人間形」又は「人間型」の脚式移動ロボット１００が直立している様子を前方及び後方の各々から眺望した様子を示している。図示の通り、脚式移動ロボット１００は、脚式移動を行う左右２足の下肢と、体幹部と、左右の上肢と、頭部と、制御部とで構成される。
【００８６】
左右各々の下肢は、大腿部と、膝関節と、脛部と、足首と、足平とで構成され、股関節によって体幹部の略最下端にて連結されている。また、左右各々の上肢は、上腕と、肘関節と、前腕とで構成され、肩関節によって体幹部の上方の左右各側縁にて連結されている。また、頭部は、首関節によって体幹部の略最上端中央に連結されている。
【００８７】
制御部は、この脚式移動ロボット１００を構成する各関節アクチュエータの駆動制御や各センサ（後述）などからの外部入力を処理するコントローラ（主制御部）や、電源回路その他の周辺機器類を搭載した筐体である。制御部は、その他、遠隔操作用の通信インターフェースや通信装置を含んでいてもよい。また、図１及び図２に示す例では、脚式移動ロボット１００が制御部を背中に背負うような格好となっているが、制御部の設置場所は特に限定されない。
【００８８】
本実施例に係る脚式移動ロボット１００の特徴の１つとして、体幹部が関節自由度を備えている点である。脚式移動ロボット１００が人間と共存する上では、脊椎などのように柔軟性を持つ機構が人間の住環境・住空間において多様で複雑な動作をするために重要である（前述）。この体幹部の関節自由度は、人間で言えば「脊椎」に相当する。
【００８９】
図３及び図４には、脚式移動ロボット１００の体幹部の構成を拡大して描いている。
【００９０】
同図に示すように、体幹部関節は、体幹部ロール軸、体幹部ピッチ軸、及び、体幹部ヨー軸という３つの関節自由度を備えている。例えば、体幹部ロール軸の駆動により、脚式移動ロボット１００の上体を、下肢に対して左右に振ることができる。また、体幹部ピッチ軸を駆動することにより、脚式移動ロボット１００の姿勢を矢状面において「くの字」状に屈曲させることができる。また、体幹部ヨー軸の駆動により、脚式移動ロボットの上体が下肢に対して相対的に回転し、体を捻らせた格好を形成することができる。
【００９１】
また、図５には、この脚式移動ロボット１００が具備する関節自由度構成を模式的に示している。
【００９２】
図５に示すように、脚式移動ロボット１００は、２本の腕部と頭部１を含む上体と、移動動作を実現する２本の脚部からなる下肢と、上肢と下肢とを連結する体幹部とで構成される。
【００９３】
頭部１を支持する首関節は、首関節ヨー軸２と、首関節ピッチ軸３と、首関節ロール軸４という３自由度を有している。
【００９４】
また、各腕部は、肩関節ピッチ軸８と、肩関節ロール軸９と、上腕ヨー軸１０と、肘関節ピッチ軸１１と、前腕ヨー軸１２と、手首関節ピッチ軸１３と、手首関節ロール軸１４と、手部１５とで構成される。手部１５は、実際には、複数本の指を含む多関節・多自由度の構造体である。但し、手部１５の動作自体は、ロボット１００の姿勢安定制御や歩行動作制御に対する寄与や影響が少ないので、本実施例ではゼロ自由度と仮定する。したがって、本実施例では、各腕部は７自由度を有することになる。
【００９５】
また、体幹部は、体幹部ピッチ軸５と、体幹部ロール軸６と、体幹部ヨー軸７という３自由度を有する（前述、並びに、図３及び図４を参照のこと）。
【００９６】
また、下肢を構成する各々の脚部は、股関節ヨー軸１６と、股関節ピッチ軸１７と、股関節ロール軸１８と、膝関節ピッチ軸１９と、足首関節ピッチ軸２０と、関節ロール軸２１と、足部（足底）２２とで構成される。股関節ピッチ軸１７と股関節ロール軸１８の交点は、本実施例に係るロボット１００の股関節位置を定義するものとする。人体の足部（足底）２２は、実際には多関節・多自由度の足底を含んだ構造体であるが、本実施例に係る脚式移動ロボット１００の足底はゼロ自由度とする。したがって、本実施例では、各脚部は６自由度で構成されている。
【００９７】
以上を総括すれば、本実施例に係る脚式移動ロボット１００全体としては、合計で３＋７×２＋３＋６×２＝３２自由度を有することになる。但し、エンターティンメント向けの脚式移動ロボット１００が必ずしも３２自由度に限定される訳ではない。設計・製作上の制約条件や要求仕様等に応じて、自由度すなわち関節数を適宜増減することができることは言うまでもない。
【００９８】
上述したような脚式移動ロボット１００が持つ各自由度は、実際にはアクチュエータを用いて実装される。外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形状に近似させること、２足歩行という不安定構造体に対して姿勢制御を行うことなどの要請から、アクチュエータは小型且つ軽量であることが好ましい。本実施例では、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータを搭載することとした。なお、この種のＡＣサーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願人に既に譲渡されている特願平１１−３３３８６号明細書に開示されている。
【００９９】
図５に示すような自由度構成を備えた脚式移動ロボット１００は、転倒することを予め想定し、ほとんど全ての転倒姿勢からの復帰すなわち起き上がり動作を可能等するような配置を有している（詳しくは後述を参照されたい）。したがって、各可動部の出力トルクも転倒姿勢からの復帰動作を勘案した仕様に設定しておくことが好ましい。
【０１００】
図６には、脚式移動ロボット１００の制御システム構成を模式的に示している。同図に示すように、脚式移動ロボット１００は、人間の四肢を表現した各機構ユニット３０，４０，５０Ｒ／Ｌ，６０Ｒ／Ｌと、各機構ユニット間の協調動作を実現するための適応制御を行う制御ユニット８０とで構成される（但し、Ｒ及びＬの各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下同様）。
【０１０１】
脚式移動ロボット１００全体の動作は、制御ユニット８０によって統括的に制御される。制御ユニット８０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）チップやメモリ・チップ等の主要回路コンポーネント（図示しない）で構成される主制御部８１と、電源装置やロボット１００の各構成要素とのデータやコマンドの授受を行うインターフェース（いずれも図示しない）などを含んだ周辺回路８２とで構成される。
【０１０２】
本実施例では、電源装置は、脚式移動ロボット１００を自立的に駆動するためのバッテリを含んだ構成（図４には図示しない）となっている。自立駆動型であれば、脚式移動ロボット１００の物理的な行動半径は、電源ケーブルによる制限を受けず、自由に歩行することができる。また、歩行やその他の上肢を含めた各種の運動時に、電源ケーブルとの干渉を考慮する必要がなくなり、動作制御が容易になる。
【０１０３】
図５に示した脚式移動ロボット１００内の各関節自由度は、それぞれに対応するアクチュエータによって実現される。すなわち、頭部ユニット３０には、首関節ヨー軸２、首関節ピッチ軸３、首関節ロール軸４の各々を表現する首関節ヨー軸アクチュエータＡ２、首関節ピッチ軸アクチュエータＡ３、首関節ロール軸アクチュエータＡ４がそれぞれ配設されている。
【０１０４】
また、体幹部ユニット４０には、体幹部ピッチ軸５、体幹部ロール軸６、体幹部ヨー軸７の各々を表現する体幹部ピッチ軸アクチュエータＡ５、体幹部ロール軸アクチュエータＡ６、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７がそれぞれ配備されている。
【０１０５】
また、腕部ユニット５０Ｒ／Ｌは、上腕ユニット５１Ｒ／Ｌと、肘関節ユニット５２Ｒ／Ｌと、前腕ユニット５３Ｒ／Ｌに細分化されるが、肩関節ピッチ軸８、肩関節ロール軸９、上腕ヨー軸１０、肘関節ピッチ軸１１、肘関節ロール軸１２、手首関節ピッチ軸１３、手首関節ロール軸１４の各々を表現する肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ８、肩関節ロール軸アクチュエータＡ９、上腕ヨー軸アクチュエータＡ１０、肘関節ピッチ軸アクチュエータＡ１１、肘関節ロール軸アクチュエータＡ１２、手首関節ピッチ軸アクチュエータＡ１３、手首関節ロール軸アクチュエータＡ１４がそれぞれ配備されている。
【０１０６】
また、脚部ユニット６０Ｒ／Ｌは、大腿部ユニット６１Ｒ／Ｌと、膝ユニット６２Ｒ／Ｌと、脛部ユニット６３Ｒ／Ｌに細分化されるが、股関節ヨー軸１６、股関節ピッチ軸１７、股関節ロール軸１８、膝関節ピッチ軸１９、足首関節ピッチ軸２０、足首関節ロール軸２１の各々を表現する股関節ヨー軸アクチュエータＡ１６、股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７、股関節ロール軸アクチュエータＡ１８、膝関節ピッチ軸アクチュエータＡ１９、足首関節ピッチ軸アクチュエータＡ２０、足首関節ロール軸アクチュエータＡ２１がそれぞれ配備されている。
【０１０７】
各アクチュエータＡ２，Ａ３…は、より好ましくは、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニット内に搭載したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータ（前述）である。
【０１０８】
頭部ユニット３０、体幹部ユニット４０、腕部ユニット５０、各脚部ユニット６０などの各機構ユニット毎に、アクチュエータ駆動制御用の副制御部３５，４５，５５，６５がそれぞれ配備されている。さらに、各脚部６０Ｒ，Ｌの足底が着床したか否かを検出する接地確認センサ９１及び９２を装着するとともに、体幹部ユニット４０内には、姿勢を計測する姿勢センサ９３を装備している。これら各センサ９１〜９３の出力により、足底２２の着床及び離床期間、体幹部分の傾きなどを検出して、制御目標をダイナミックに補正することができる。
【０１０９】
主制御部８０は、各センサ９１〜９３の出力に応答して副制御部３５，４５，５５，６５の各々に対して適応的な制御を行い、脚式移動ロボット１００の上肢、体幹、及び下肢の協調した動作を実現することができる。主制御部８１は、ユーザ・コマンド等に従って所定の動作パターンを呼び出して、足部運動、ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）軌道、体幹運動、上肢運動、腰部高さなどを設定するとともに、これらの設定内容に従った動作を指示するコマンド（すなわちアクチュエータへの指示データ）を各副制御部３５，４５，５５，６５に転送する。そして、各々の副制御部３５，４５…では、主制御部８１からの受信コマンドを解釈して、各アクチュエータＡ２，Ａ３…に対して駆動制御信号を出力する。
【０１１０】
ここで言う「ＺＭＰ」とは、歩行中の床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点のことであり、また、「ＺＭＰ軌道」とは、例えばロボット１００の歩行動作期間中などにＺＭＰが動く軌跡を意味する。
【０１１１】
なお、脚式移動ロボット１００は、自律駆動型又は遠隔操作型のいずれであってもよい。後者の場合、図６には図示しない通信インターフェース及び外部制御装置との通信手段（例えばＥｔｈｅｒｎｅｔなどの有線又は無線ＬＡＮ）を含み、主制御部８０ではなく、外部制御装置から供給される指示値によって各アクチュエータＡ２，Ａ３…の駆動制御やセンサ出力の処理を行うことができる。
【０１１２】
次に、この脚式移動ロボット１００における転倒時の動作や処理の手順について説明する。図７には、脚式移動ロボット１００の転倒時における動作手順をフローチャートの形式で概略的に示している。
【０１１３】
主制御部８０は、姿勢センサ９３などの各センサ出力を基に、通常の姿勢を逸脱して転倒に至ったことを検出し又は判定する（ステップＳ１１）。例えば、計画していた姿勢と実際の姿勢の差や、足底の設置確認センサ９１及び９２によって自身が転倒したことを判定することができる。
【０１１４】
脚式移動ロボット１００の転倒時における一般的な姿勢は、「うつ伏せ」、「仰向け」、又は「横向き」のうちのいずれかに該当する。姿勢センサ９３の出力により、姿勢センサ取り付け部位における重力方向に対する方向を検出することができる。併せて、脚式移動ロボット１００自身の各関節自由度における変位角度を測定することによって、自分自身の転倒時の姿勢を判断することができる（ステップＳ１２）。
【０１１５】
転倒時の姿勢が判定されると、主制御部８０は、うつ伏せ、仰向け、横転などの各転倒姿勢に応じた起き上がり動作パターンを呼び出し、あるいは演算処理によって起き上がり動作パターンを生成する（ステップＳ１３）。
【０１１６】
そして、取得した起き上がり動作パターンに応じて、足部運動、ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）軌道、体幹運動、上肢運動、腰部高さなどを設定するとともに、これらの設定内容に従った動作を指示するコマンド（すなわちアクチュエータへの指示データ）を各副制御部３５，４５，５５，６５に転送する（ステップＳ１４）。
【０１１７】
この結果、各アクチュエータＡ２，Ａ３…は同期的に駆動して、脚式移動ロボット１００は起き上がりのための全身協調動作を実行する（ステップＳ１５）。
【０１１８】
転倒している脚式移動ロボット１００において必要な起き上がり動作パターンは、当然ながら、転倒している姿勢によって区々であるが、この点は後述で詳解する。
【０１１９】
脚式移動ロボット１００が自律駆動型であれば、主制御部８０において、転倒の判断、転倒姿勢の判定、起き上がり動作パターンの設定、及び、起き上がり動作の制御の全てを行う必要がある。但し、脚式移動ロボット１００が遠隔操作型であれば、ロボット１００の転倒判断、転倒姿勢の判定、起き上がり動作パターンの生成などを外部装置上で処理し、これらの処理に基づいた指示値をＬＡＮ（例えばＥｔｈｅｒｎｅｔやＢｌｕｅＴｏｏｔｈ）などの通信手段を介して受け取って駆動することができる。
【０１２０】
次いで、本実施例に係る脚式移動ロボット１００が各種の転倒姿勢から起き上がるための動作手順について詳解する。本実施例では、体幹部に設けられたピッチ軸まわりの可動部すなわちアクチュエータＡ５を活用することによって柔軟な重心移動を可能とし、以って起き上がり動作を実現するという点を充分理解されたい。
【０１２１】
（１）うつ伏せ状態からの起き上がり
図８〜図１３には、本実施例に係る脚式移動ロボット１００がうつ伏せ状態から起き上がるための一連の動作を図解している。
【０１２２】
図８には、脚式移動ロボット１００がうつ伏せの姿勢で床面に転倒した直後の状態を示している。このような転倒状態で、主制御部８０は、姿勢センサ９３などの各センサ出力を基にして、通常の姿勢を逸脱して転倒に至ったことを検出し又は判定する。
【０１２３】
さらに、主制御部８０は、姿勢センサ９３の出力により、姿勢センサ取り付け部位における重力方向に対する方向を検出するとともに、各関節自由度における変位角度を測定することによって、脚式移動ロボット１００が現在「うつ伏せ」の姿勢で転倒状態にあることを判断することができる
【０１２４】
図９には、うつ伏せの転倒姿勢において脚式移動ロボット１００が起き上がり動作を開始した様子を示している。
【０１２５】
図８に示す転倒状態では、脚式移動ロボット１００の重心位置は床面付近の最下位置にある。転倒状態から起き上がり、安定した直立姿勢に復帰するためには、まず重心位置を高い状態に戻す必要がある。図９に示す姿勢例では、腕部及び脚部で全身を支えながら、重心Ｇを徐々に上方に移動させている。このとき、脚式移動ロボット１００は、主に、両肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ８、両肘関節ピッチ軸アクチュエータＡ１１、体幹部ピッチ軸アクチュエータＡ５、股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７、膝部ピッチ軸アクチュエータＡ１９、及び足首関節ピッチ軸アクチュエータＡ２０の各々を変位させている。
【０１２６】
図１０では、主に、両肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ８、体幹部ピッチ軸アクチュエータＡ５、股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７の変位をさらに大きくすることで、重心Ｇの位置をさらに上方に持ち上げている。また、腕部による着床部分と脚部による着床部分との距離を徐々に短くしている。同図に示す例では、腕部の着床部分はその先端（手部）であり、脚部の着床部分は足平先端（つま先）になっているが、これらには特に限定されない。
【０１２７】
図１１では、腕部及び脚部各々の着床部分の距離をさらに短くして、この結果、重心Ｇを足平（すなわち姿勢安定領域）の上方に向かって移動させている。また、腕部の着床部分は、その先端（手先）だけになるとともに、脚部の着床部分は足平足底に移行する。主に、両肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ８、両肘関節ピッチ軸アクチュエータＡ１１、体幹部ピッチ軸アクチュエータＡ５、両股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７、及び膝関節ピッチ軸アクチュエータＡ１９を駆動することにより、図１１に示した姿勢から移行する。特に、体幹部ピッチ軸アクチュエータＡ５及び膝関節ピッチ軸アクチュエータＡ１９を最大限の変位とし、体幹部及び膝部を可能な限り屈曲させて重心Ｇと足底までの距離を腕部の長さ以下とすることによって、両膝部を両腕部の間に挿入させることが可能となり、重心移動が円滑に行われる。
【０１２８】
この結果、ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｐｏｉｎｔ Ｍｏｍｅｎｔ）が足平の着床領域内に完全に収容されるので、腕部を床面から離すことが可能となる。［従来の技術］の欄で挙げた例では、ロボットが体幹部に自由度を持たないために、腕部と脚部を着床させた姿勢ではＺＭＰを足部着床領域に移動させることが困難であった。本実施例では、体幹部がピッチ軸自由度を備えているので、図１１に示すような姿勢が可能となる訳である。
【０１２９】
図１２では、腕部の先端を床面から離すとともに、両膝部ピッチ軸アクチュエータＡ１９を駆動して脚部を伸展することによって、重心Ｇをさらに上方に持ち上げていく様子を示している。主に、体幹部ピッチ軸アクチュエータＡ５、両股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７、両膝部ピッチ軸アクチュエータＡ１９、足首ピッチ軸アクチュエータＡ２０を変位させている。
【０１３０】
図１３では、さらに重心Ｇを上方に持ち上げて、直立姿勢に近づいていく様子を示している。主に、体幹部ピッチ軸アクチュエータＡ５、両股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７、両膝関節ピッチ軸アクチュエータＡ１９、両足首関節ピッチ軸アクチュエータＡ２０を変位させている。
【０１３１】
以上、図８〜図１３を用いて説明したように、本実施例に係る脚式移動ロボット１００によれば、うつ伏せの転倒姿勢から自律的に（すなわち外部からの物理的な支援なしに）起き上がることができる。起き上がり動作において、体幹部ピッチ軸の変位が重要な要素である、という点に充分留意されたい。
【０１３２】
（２）仰向け状態からの起き上がり
図１４〜図２０には、本実施例に係る脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がるための一連の動作を図解している。
【０１３３】
図１４には、脚式移動ロボット１００が仰向けの姿勢で床面に転倒した直後の状態を示している。このような転倒状態で、主制御部８０は、姿勢センサ９３などの各センサ出力を基にして、通常の姿勢を逸脱して転倒に至ったことを検出し又は判定する。
【０１３４】
図１５では、転倒後、転倒姿勢を判断した脚式移動ロボット１００が、仰向け姿勢からの起き上がり動作を開始した様子を示している。すなわち、主に両股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７を変位させて、相対的に上体を起こし、腰部によって着床するような姿勢を形成する。さらに、両肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ８を駆動させて、両腕部によって着床する準備を行う。
【０１３５】
図１６では、腰部が着床した状態でさらに脚部を変位させる様子を示している。より具体的には、両股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７、両膝部ピッチ軸アクチュエータＡ１９、両足首ピッチ軸アクチュエータＡ２０を動作させて、両足平の足底で着床する姿勢の準備を行う。
【０１３６】
図１７では、さらに、体幹ピッチ軸アクチュエータＡ５を変位させると同時に、腕部と脚部各々の着床部分の距離を短くしていく。この結果、脚式移動ロボットの重心Ｇが上方に持ちあがり始めるとともに、ＺＭＰが次第に脚部に向かって移動し始める。
【０１３７】
図１８では、さらに、腕部と脚部それぞれの着床部分の距離を短くすることで、ＺＭＰを足部に寄せていく。さらに、両膝関節ピッチ軸アクチュエータＡ１９を駆動させて重心Ｇを持ち上げる。この結果、ＺＭＰが足底着床領域内に突入するので、腕部と腰部を床面から離すことが可能となる。
【０１３８】
本実施例に係る脚式移動ロボット１００によれば、体幹が最大限に屈曲して前傾した姿勢を形成することにより、ＺＭＰを足部に寄せ足底着床領域内に移行させることができる。すなわち、体幹部ピッチ軸アクチュエータＡ５まわりの可動部を活用することで、腕部と腰部を離床させることができるという点を充分理解されたい。
【０１３９】
図１９では、腕部を離床させた後、伸展した姿勢を形成することによって、重心Ｇの位置をさらに持ち上げる。このとき、主に、両足首関節ピッチ軸アクチュエータＡ２０、両膝関節ピッチ軸アクチュエータＡ１９、両股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７、体幹関節ピッチ軸アクチュエータＡ５を駆動させる。
【０１４０】
図２０では、さらに脚部を伸展させることで重心Ｇを上方に持ち上げて、直立姿勢に近づいていく様子を示している。主に、体幹部ピッチ軸アクチュエータＡ５、両股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７、両膝関節ピッチ軸アクチュエータＡ１９、両足首関節ピッチ軸アクチュエータＡ２０を変位させている。
【０１４１】
仰向けという姿勢は、一般には、脚式移動ロボットが起き上がりにくい転倒状態の１つである。本実施例に係る脚式移動ロボット１００によれば、体幹部のピッチ軸まわりの可動部を利用することにより、図１５〜図２０に示す一連の動作パターンに従って、円滑に起き上がることができる。すなわち、体幹部に１以上の可動自由度を設けることにより、転倒姿勢からの起き上がり動作が可能となり又は容易化する。
【０１４２】
なお、仰向け姿勢からの起き上がり動作は、上述したような体前面方向へ起き上がる動作パターン以外にも、さらに横転して姿勢を変えてから起き上がる動作パターンが想到される。後者に関しては後に詳解する。
【０１４３】
（３）横転状態からの起き上がり
脚式移動ロボット１００が横転した姿勢から直接起き上がることが困難であっても、例えば、横転姿勢からうつ伏せ又は仰向けなど起き上がり動作が可能な状態に一旦変換することによって、上述したいずれかの動作パターンに従って転倒状態から直立状態まで復帰することが可能である。ここでは、横転状態からうつ伏せ状態に自律的に変換するための動作手順について説明する。本明細書で扱う横転状態は左右対称であると理解されたい（以下同様）。
【０１４４】
図２１〜図２６には、本実施例に係る脚式移動ロボット１００が横転状態から起き上がるための動作パターンの一例を図解している。この起き上がり動作パターンは、基本的には、体幹部ヨー軸まわりの可動部を利用することで転倒姿勢をうつ伏せ状態に変化させるものである。
【０１４５】
図２１には、脚式移動ロボット１００が横転姿勢で床面に転倒した直後の状態を示している。このような転倒状態で、主制御部８０は、姿勢センサ９３などの各センサ出力を基にして、通常の姿勢を逸脱して転倒に至ったことを検出し又は判定する。
【０１４６】
図２２では、自身が横転していると判断した脚式移動ロボット１００が、うつ伏せ姿勢に移行するための動作パターンを開始した様子を示している。より具体的には、左肩関節のピッチ軸アクチュエータＡ８等を変位させて、左腕部を体前面側に移動させて、重心Ｇの変位を試みている。
【０１４７】
図２３では、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７を回転させて、上体をうつ伏せの姿勢に近付けている。また、同時に左股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７を変位させて、左腕部全体を体前面側に移動させて、重心Ｇを紙面手前側に移動させている。
【０１４８】
図２４では、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７と左股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７の回転を継続させた結果として、左腕部が着床し、さらにうつ伏せの姿勢に近付いている。
【０１４９】
図２５では、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７と左股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７の回転を継続させた結果として重心Ｇが安定を失う。この結果、脚式移動ロボット１００の体全体が紙面手前側に倒れ込み、左脚部が着床する。上体のうつ伏せ姿勢への移行は相当程度進行している。
【０１５０】
図２６では、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７と左股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７の回転を継続させた結果として、脚式移動ロボット１００がうつ伏せ姿勢に完全に移行している。この姿勢からは、例えば図８〜図１３を参照しながら既に説明したような動作パターンに従って、脚式移動ロボット１００は自律的に（すなわち外部からの物理的な補助なしに）起き上がることができる。
【０１５１】
図２１〜図２６を参照しながら説明した例では、主に体幹ヨー軸アクチュエータＡ７の駆動を利用してうつ伏せ姿勢に移行する動作パターンを説明してきた。これ以外にも、体幹ロール軸アクチュエータＡ６の駆動をさらに利用する（より具体的には、体幹ヨー軸の前に体幹ロール軸を変位させる）ことによって、より円滑な姿勢移行を実現することができる。体幹ロール軸アクチュエータＡ６及び体幹ヨー軸アクチュエータＡ７を併用して横転状態からうつ伏せ姿勢に移行する動作パターンについて、図２７及び図２８を参照しながら説明しておく。
【０１５２】
図２７では、体幹ロール軸を回転させることで、脚部のみで着床している姿勢を形成する。このような姿勢では、右肩部での接地反力が軽減され、上体を離床させることができる。
【０１５３】
図２８では、次いで体幹ヨー軸アクチュエータＡ７を回転させる。体幹ロール軸アクチュエータＡ６を既に変位させているので、体幹ヨー軸アクチュエータＡ７の駆動に要するトルクが軽減される。また、脚式移動ロボット１００全体の姿勢変化も少なくすることができる。この結果、横転姿勢からうつ伏せ姿勢に移行するために消耗するエネルギすなわちバッテリ容量を節約することができる。
【０１５４】
上述したような２通りの動作パターンを適用することによって、脚式移動ロボット１００を横転状態からうつ伏せ姿勢を形成することができる。図８に示すようなうつ伏せ状態を一旦形成することができれば、上述したように図９〜図１３に示すような一連の起き上がり動作パターンに従い、脚式移動ロボット１００は自律的に（すなわち物理的な補助なしに）直立状態まで復帰することができる。
【０１５５】
なお、腕部、足部等が自由に動作することができる状態であれば、それら動作の合力の反力を用いて、体幹部ヨー軸まわりの高速な動作を生み出すことができる。しかしながら、一般的な脚式移動ロボットが転倒した状態を想定すると、このような「弾み」を用いるような手法は確実性に乏しく、また、移動速度を制御しにくいため、ロボット自身の保全や周囲環境への悪影響も懸念される。転倒という正常を逸脱した状態であることも勘案すると、上述したような低速であるが確実に姿勢を変化させていく動作パターンがより好ましいと思料する。
【０１５６】
（４）仰向け状態からの起き上がり
図２９〜図３４には、本実施例に係る脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がる動作の他の例を図解している。図１４〜図２０を参照しながら説明した上述の例では、脚式移動ロボット１００が体前面方向に向かって起き上がる動作パターンを紹介したが、ここでは、仰向けの姿勢から一旦横転して他の姿勢に移行してから起き上がる動作パターンについて説明する。
【０１５７】
図２９には、脚式移動ロボット１００が仰向けの姿勢で床面に転倒した直後の状態を示している。このような転倒状態で、主制御部８０は、姿勢センサ９３などの各センサ出力を基にして、通常の姿勢を逸脱して転倒に至ったことを検出し又は判定する。この例では、さらに、一旦横転姿勢に移行し、さらにうつ伏せ姿勢に移行してから起き上がる動作パターンを選択したものとする。
【０１５８】
図３０では、両足部と背面部が着床した状態のままで、両股関節ヨー軸アクチュエータＡ１６を回転させることで、相対的に上体部を回転したい方向に捻る。同時に、右肩関節のピッチ軸アクチュエータＡ８を回転させることで、上体部と床面との干渉を避け、また、左肩関節のピッチ軸アクチュエータＡ８を回転させることで、該捻り方向への重心移動を促進している。
【０１５９】
図３１では、左足部を着床させたままの状態で、右股関節ヨー軸アクチュエータＡ１６を回転させて、右脚部全体をさらに該捻り方向に回転させる。また、同時に左肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ８と体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７を回転させることで、重心を所定方向に移動させる。
【０１６０】
図３２では、さらに、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７を回転させて、上体部の回転をほぼ終了し、同時に右腕部での着床を確保する。
【０１６１】
図３３では、主に右股関節ヨー軸アクチュエータＡ１６を回転させて、腰部を所定の回転方向に捻ることで、捻り運動の円滑化を図る。
【０１６２】
図３４では、ほぼ横転姿勢への移行が完了した状態を示している。体幹部ロール軸アクチュエータＡ６をさらに回転させることで、捻り運動を促進することができ、さらに横転姿勢からうつ伏せ姿勢へと円滑に移行させることができる。
【０１６３】
仰向け姿勢から横転姿勢へ、さらに横転姿勢からうつ伏せ姿勢へ移行する動作パターンをサポートすることにより、脚式移動ロボット１００は、うつ伏せ状態からの起き上がり動作を持つだけで、任意の転倒状態から自律的に起き上がることが可能となる。
【０１６４】
なお、図３４から始まり図２９で終わるような上述とは逆向きの動作パターンを実行することにより、図２１に示すような横転した状態から図２９に示すような仰向けの状態に移行することも可能である。
【０１６５】
また、仰向け状態から横転状態へ、横転状態からうつ伏せ状態へ、という姿勢の移行を繰り返し実行することにより、脚式移動ロボット１００は、転倒したままの状態で床面すなわち平面上の移動を行うことも可能である。例えば、転倒した弾みで上部に障害物がある（あるいは天井が低い場所）に入り込んでしまったような場合であっても、転倒状態でかかる平面的な移動を行うことにより、上部に障害物がない場所まで移動することができる。
【０１６６】
［追補］
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。
【０１６７】
本明細書中では、２足による脚式移動を行う脚式移動ロボット１００についての転倒時の起き上がり動作の代表例を説明してきたが、起き上がりの動作パターンは、添付図面に示したものには限定されない。機体の性能や状態、あるいは周囲の状態・環境などによって望ましい起き上がり動作パターンは変動し得ると理解されたい。
【０１６８】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈されるべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【０１６９】
なお、本発明の要旨を判断する上で、２足歩行の脚式移動ロボット１００についての関節等の呼び名は、図３を厳格に適用するのは妥当ではなく、現実のヒトやサルなどの２足直立歩行動物の身体メカニズムとの対比により柔軟に解釈されたい。
【０１７０】
参考のため、脚式移動ロボットの関節モデル構成を図４９に図解しておく。同図に示す例では、肩関節５から上腕、肘関節６、前腕、手首７及び手部８からなる部分を「上肢」と呼ぶ。また、肩関節５から股関節１１までの範囲を「体幹部」と呼び、ヒトの胴体に相当する。また、体幹部のうち特に股関節１１から体幹関節１０までの範囲を「腰部」と呼ぶ。体幹関節１０は、ヒトの背骨が持つ自由度を表現する作用を有する。また、股関節１１より下の大腿部１２、膝関節１４、下腿部１３、足首１５及び足部１６からなる部分を「下肢」と呼ぶ。一般には、股関節より上方を「上体」と呼び、それより下方を「下体」と呼ぶ
【０１７１】
なお、図４９で用いた参照番号は、図５など本明細書中で参照されたその他の図面とは一致しない点を理解されたい。
【０１７２】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、歩行動作など作業の最中に転倒してしまった場合であっても自力で起き上がることができる、優れた脚式移動型ロボット及びその制御メカニズムを提供することができる。
【０１７３】
また、本発明によれば、転倒してしまい様々な姿勢若しくは格好で横たわっている場合であっても自律的に起き上がり、転倒により中断した作業を自動的に再開することができる、優れた脚式移動型ロボット及びその制御方法メカニズムを提供することができる。
【０１７４】
また、本発明によれば、うつ伏せ、仰向け、横向きなど様々な転倒姿勢からも自律的に確実且つ円滑に起き上がることができる、優れた脚式移動型ロボット及びその制御メカニズムを提供することができる。
【０１７５】
本発明により、脚式移動ロボットの転倒姿勢からの復帰すなわち起き上がり動作が容易になる。また、起き上がり動作時における体幹部以外の可動部への負担や要求トルクが軽減される。また、荷重負担を各可動部間で分散・平均化することで、特定部位への集中荷重を回避することができる。この結果、ロボット運用の信頼性を向上するとともに、起き上がり動作期間中のエネルギー効率が向上する。
【０１７６】
また、本発明に係る脚式移動ロボットによれば、複数の転倒姿勢を順次移行させることにより、より容易な起き上がり動作を選択的に実行することができる。
【０１７７】
また、本発明に係る脚式移動ロボットによれば、複数の転倒姿勢を順次繰り返すことにより、起き上がることなく平面的な移動を実現することができる。この結果、より容易に立ち上がることができる場所まで移動してから起き上がり動作を実行することができる。
【０１７８】
また、本発明に係る脚式移動ロボットによれば、転倒姿勢を変化させることができるので、サポートしなければならない起き上がり動作パターンの種類や数を低減することができる。
【０１７９】
例えば、ロボットがあらかじめ起き上がり動作パターンを用意しておくような場合、動作パターン数の減少により開発期間の短縮や開発コストの軽減が可能となる。また、動作パターン数の減少により、ハードウエアの負担も軽減されるので、その分システムの向上が見込まれる。
【０１８０】
また、ロボットが状況に応じた動作パターンを自律的に生成するような場合には、生成すべき動作パターン数が減少することにより、ロボット自体に搭載すべき演算装置の負担が軽減され、装置製作コストの削減や、ロボット運転時における信頼性の向上などが見込まれる。
【０１８１】
また、本発明に係る脚式移動ロボットによれば、転倒姿勢を変化させることで起き上がり動作パターンを限定することができる。この結果、起き上がり動作のために必要な各アクチュエータの出力トルクや動作範囲などへの要求が軽減される。この結果、設計の自由度が向上するとともに、開発期間の短縮や製作コストの削減などを実現することができる。
【０１８２】
また、転倒姿勢を変化させることで起き上がり方法を限定することができるので、起き上がり動作期間中におけるロボットの消費電力を節約し、バッテリなどの供給電源への負荷を少なくすることができる。この結果、バッテリ駆動時間が延長し、１回の充電でより長時間の連続運転が可能となり、ロボットの作業時間、作業空間、作業内容等が拡大する。また、必要な場って利用料も低減するので、バッテリの小型・軽量化が可能となり、設計の自由度が向上する。また、バッテリの要求しようが軽減するので、バッテリ単価を安価に抑え、システム全体の製作コストや運転コストを節約することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に供される脚式移動ロボット１００を前方から眺望した様子を示た図である。
【図２】本発明の実施に供される脚式移動ロボット１００を後方から眺望した様子を示た図である。
【図３】脚式移動ロボット１００の体幹部の構成を拡大して描いた図（前方斜視図）である。
【図４】脚式移動ロボット１００の体幹部の構成を拡大して描いた図（後方斜視図）である。
【図５】本実施例に係る脚式移動ロボット１００が具備する自由度構成モデルを模式的に示した図である。
【図６】本実施例に係る脚式移動ロボット１００の制御システム構成を模式的に示した図である。
【図７】脚式移動ロボット１００の転倒時における動作手順を概略的に示したフローチャートである。
【図８】脚式移動ロボット１００がうつ伏せ状態から起き上がるための一連の動作を示した図であり、より具体的には、脚式移動ロボット１００がうつ伏せの姿勢で床面に転倒した直後の状態を描写した図である。
【図９】脚式移動ロボット１００がうつ伏せ状態から起き上がるための一連の動作を描写した図であり、より具体的には、うつ伏せの転倒姿勢において脚式移動ロボット１００が起き上がり動作を開始した様子を描写した図である。
【図１０】脚式移動ロボット１００がうつ伏せ状態から起き上がるための一連の動作を描写した図であり、より具体的には、両肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ８、体幹部ピッチ軸アクチュエータＡ５、股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７の各変位をさらに大きくすることで、重心位置をさらに上方に持ち上げている様子を描写した図である。
【図１１】脚式移動ロボット１００がうつ伏せ状態から起き上がるための一連の動作を描写した図であり、より具体的には、腕部及び脚部各々の着床部分の距離をさらに短くして、この結果、重心Ｇを足平の上方すなわち姿勢安定領域内に完全に収容させていく様子を描写した図である。
【図１２】脚式移動ロボット１００がうつ伏せ状態から起き上がるための一連の動作を描写した図であり、より具体的には、腕部の先端を床面から離すとともに、両膝部ピッチ軸アクチュエータＡ１９を駆動して脚部を伸展することによって、重心Ｇをさらに上方に持ち上げていく様子を描写した図である。
【図１３】脚式移動ロボット１００がうつ伏せ状態から起き上がるための一連の動作を描写した図であり、より具体的には、さらに重心Ｇを上方に持ち上げて、直立姿勢に近づいていく様子を示した図である。
【図１４】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がるための一連の動作を示した図であり、より具体的には、脚式移動ロボット１００が仰向けの姿勢で床面に転倒した直後の状態を描写した図である。
【図１５】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がるための一連の動作を示した図であり、より具体的には、転倒後、転倒姿勢を判断した脚式移動ロボット１００が、仰向け姿勢からの起き上がり動作を開始した様子を描写した図である。
【図１６】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がるための一連の動作を示した図であり、より具体的には、腰部が着床した状態でさらに両股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７、両膝部ピッチ軸アクチュエータＡ１９、両足首ピッチ軸アクチュエータＡ２０を動作させて、両足平の足底で着床する姿勢の準備を行う様子を描写した図である。
【図１７】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がるための一連の動作を示した図であり、より具体的には、体幹ピッチ軸アクチュエータＡ５を変位させると同時に、腕部と脚部各々の着床部分の距離を短くしていくことで、重心Ｇの位置を上方に持ち上げていく様子を描写した図である。
【図１８】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がるための一連の動作を示した図であり、より具体的には、腕部と脚部各々の着床部分の距離を短くすることで、ＺＭＰを極力足部に寄せて、腕部と腰部を離床させる様子を描写した図である。
【図１９】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がるための一連の動作を示した図であり、より具体的には、伸展した姿勢を形成することによって、重心Ｇの位置をさらに持ち上げる様子を描写した図である。
【図２０】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がるための一連の動作を示した図であり、より具体的には、さらに脚部を伸展させることで重心Ｇを上方に持ち上げて、直立姿勢に近づいていく様子を描写した図である。
【図２１】脚式移動ロボット１００が横転状態から起き上がるための動作パターンの一例を示した図であり、より具体的には、脚式移動ロボット１００が横転した姿勢で床面に転倒した直後の状態を描写した図である。
【図２２】脚式移動ロボット１００が横転状態から起き上がるための動作パターンの一例を示した図であり、より具体的には、横転していると判断した脚式移動ロボット１００が、うつ伏せ姿勢に移行するための動作パターンを開始した様子を描写した図である。
【図２３】脚式移動ロボット１００が横転状態から起き上がるための動作パターンの一例を示した図であり、より具体的には、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７を回転させて、上体をうつ伏せの姿勢に近付けている様子を描写した図である。
【図２４】脚式移動ロボット１００が横転状態から起き上がるための動作パターンの一例を示した図であり、より具体的には、左腕部が着床して、さらにうつ伏せの姿勢に近付いている様子を描写した図である。
【図２５】脚式移動ロボット１００が横転状態から起き上がるための動作パターンの一例を示した図であり、より具体的には、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７と左股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７の回転を継続させた結果として脚式移動ロボット１００の体全体が紙面手前側に倒れ込み、左脚部が着床する様子を描写した図である。
【図２６】脚式移動ロボット１００が横転状態から起き上がるための動作パターンの一例を示した図であり、より具体的には、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７と左股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７の回転を継続させた結果としてうつ伏せ姿勢に完全に移行した様子を描写した図である。
【図２７】脚式移動ロボット１００が横転状態から起き上がるための動作パターンの一例を示した図であり、より具体的には、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７及び体幹ロール軸アクチュエータＡ６の駆動を併用することで、横転状態からうつ伏せ姿勢に円滑に移行する様子を描写した図である。
【図２８】脚式移動ロボット１００が横転状態から起き上がるための動作パターンの一例を示した図であり、より具体的には、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７及び体幹ロール軸アクチュエータＡ６の駆動を併用することで、横転状態からうつ伏せ姿勢に円滑に移行する様子を描写した図である。
【図２９】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がる動作パターンの他の例を示した図であり、より具体的には、脚式移動ロボット１００が仰向けの姿勢で床面に転倒した直後の状態を描写した図である。
【図３０】脚式移動１００が仰向け状態から起き上がる動作パターンの他の例を示した図であり、より具体的には、両股関節ヨー軸アクチュエータＡ１６を回転させることで、相対的に上体部を回転したい方向に捻るとともに、左右各関節のピッチ軸の回転により捻り方向へ重心を移動させている様子を描写した図である。
【図３１】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がる動作パターンの他の例を示した図であり、より具体的には、右股関節ヨー軸アクチュエータＡ１６を回転させて、右脚部全体をさらに該捻り方向に回転させるとともに、右股関節ヨー軸アクチュエータＡ１６を回転させて、右脚部全体をさらに該捻り方向に回転させる様子を描写した図である。
【図３２】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がる動作パターンの他の例を示した図であり、より具体的には、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７を回転させて右腕部での着床を確保する様子を描写した図である。
【図３３】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がる動作パターンの他の例を示した図であり、より具体的には、主に右股関節ヨー軸アクチュエータＡ１６を回転させて、腰部を所定の回転方向に捻ることで、捻り運動の円滑化を図る様子を描写した図である。
【図３４】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がる動作パターンの他の例を示した図であり、より具体的には、脚式移動ロボット１００がほぼ横転姿勢への移行が完了した状態を描写した図である。
【図３５】２足による直立歩行を行う脚式移動ロボット（従来例）の外観構成を示した図である。
【図３６】図３５に示した脚式移動ロボットが直立している様子を描写した図（従来例）である。
【図３７】図３５に示した脚式移動ロボットが歩行を行う様子を描写した図（従来例）であり、より具体的には左右の脚を交互に立脚と遊脚に切り替える様子を描いた図である。
【図３８】図３５に示した脚式移動ロボットがうつ伏せ姿勢で転倒した状態を示した図（従来例）である。
【図３９】図３５に示した脚式移動ロボットがうつ伏せ姿勢で転倒した状態から起き上がる動作パターンを示した図であり、より具体的には、着床中の腕部及び脚部の相対的距離を近付けることにより、ロボットの重心を持ち上げていく様子を示した図（従来例）である。
【図４０】図３５に示した脚式移動ロボットがうつ伏せ姿勢で転倒した状態から起き上がる動作パターンを示した図であり、より具体的には、ロボットの重心を持ち上げていく最中に足部を前方に移動させる様子を示した図（従来例）である。
【図４１】図３５に示した脚式移動ロボットがうつ伏せ姿勢で転倒した状態から起き上がる動作パターンを示した図であり、より具体的には、脚式移動ロボットのＺＭＰを姿勢安定領域内に移動させて、腕部を離床させる様子を示した図（従来例）である。
【図４２】図３５に示した脚式移動ロボットがうつ伏せ姿勢で転倒した状態から起き上がる動作パターンを示した図であり、より具体的には、脚式移動ロボットが腕部を離床させた後、さらに脚部を伸展させて起き上がり動作が完結する様子を示した図（従来例）である。
【図４３】図３５に示した脚式移動ロボットが仰向け姿勢で転倒した状態を示した図（従来例）である。
【図４４】図３５に示した脚式移動ロボットが仰向け姿勢で転倒した状態から起き上がる動作パターンを示した図であり、より具体的には、脚部と腕部で床面に接地する姿勢をとることで、重心を上方に持ち上げる様子を示した図（従来例）である。
【図４５】図３５に示した脚式移動ロボットが仰向け姿勢で転倒した状態から起き上がる動作パターンを示した図であり、より具体的には、脚式移動ロボットが着床している足部と腕部との相対的距離を徐々に小さくしていく様子を示した図（従来例）である。
【図４６】図３５に示した脚式移動ロボットが仰向け姿勢で転倒した状態から起き上がる動作パターンを示した図であり、より具体的には、脚式移動ロボットの重心位置を足部着床領域上空まで移動する様子を示した図（従来例）である。
【図４７】図３５に示した脚式移動ロボットが仰向け姿勢で転倒した状態から起き上がる動作パターンを示した図であり、より具体的には、脚式移動ロボットが腕部を離床させた後、さらに脚部を伸展させて起き上がり動作が完結する様子を示した図（従来例）である。
【図４８】脚式移動ロボットが仰向け姿勢からの起き上がる途中で動作進行が不能になった様子を示した図（従来例）である。
【図４９】脚式移動ロボットについての関節モデル構成の一例を模式的に示した図である。
【符号の説明】
１…頭部，２…首関節ヨー軸
３…首関節ピッチ軸，４…首関節ロール軸
５…体幹ピッチ軸，６…体幹ロール軸
７…体幹ヨー軸，８…肩関節ピッチ軸
９…肩関節ロール軸，１０…上腕ヨー軸
１１…肘関節ピッチ軸，１２…前腕ヨー軸
１３…手首関節ピッチ軸，１４…手首関節ロール軸
１５…手部，１６…股関節ヨー軸
１７…股関節ピッチ軸，１８…股関節ロール軸
１９…膝関節ピッチ軸，２０…足首関節ピッチ軸
２１…足首関節ロール軸，２２…足部（足底）
３０…頭部ユニット，４０…体幹部ユニット
５０…腕部ユニット，５１…上腕ユニット
５２…肘関節ユニット，５３…前腕ユニット
６０…脚部ユニット，６１…大腿部ユニット
６２…膝関節ユニット，６３…脛部ユニット
８０…制御ユニット，８１…主制御部
８２…周辺回路
９１，９２…接地確認センサ
９３…姿勢センサ
１００…脚式移動ロボット
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体のメカニズムや動作をモデル化して構成されるリアリスティックなロボットのメカニズムに係り、特に、ヒトやサルなどの脚式移動型動物の身体メカニズムをモデル化した脚式移動型ロボットのメカニズムに関する。
【０００２】
更に詳しくは、本発明は、歩行動作などの最中に転倒してしまった場合であっても自力で起き上がることができる脚式移動型ロボットの制御メカニズムに係り、特に、転倒してしまい様々な姿勢若しくは格好で横たわっている場合であっても自力で起き上がり、転倒により中断した作業を自動的に再開することができる脚式移動型ロボットのための制御方法メカニズムに関する。
【０００３】
【従来の技術】
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語のＲＯＢＯＴＡ（奴隷機械）に由来すると言われている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔ）であった。
【０００４】
最近では、ヒトやサルなどの２足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作を模した脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。２足直立による脚式移動は、クローラ式や、４足又は６足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。
【０００５】
ヒトの生体メカニズムや動作をエミュレートした脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、若しくは「人間型」のロボット（ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ）と呼ぶ。人間型ロボットは、例えば、生活支援、すなわち住環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動の支援などを行うことができる。
【０００６】
人間形若しくは人間型と呼ばれるロボットを研究・開発する意義を、例えば以下の２つの視点から把握することができよう。
【０００７】
１つは、人間科学的な視点である。すなわち、人間の下肢及び／又は上肢に似た構造のロボットを作り、その制御方法を考案して、人間の歩行動作をシミュレートするというプロセスを通じて、歩行を始めとする人間の自然な動作のメカニズムを工学的に解明することができる。このような研究成果は、人間工学、リハビリテーション工学、あるいはスポーツ科学など、人間の運動メカニズムを扱う他のさまざまな研究分野の進展に大いに還元することができるであろう。
【０００８】
もう１つは、人間のパートナーとして生活を支援する、すなわち住環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動の支援を行うロボットの開発である。この種のロボットは、人間の生活環境のさまざまな局面において、人間から教わりながら個々に個性の相違する人間又は環境への適応方法を学習し、機能面でさらに成長していく必要がある。このとき、ロボットが「人間形」すなわち人間と同じ形又は同じ構造をしている方が、人間とロボットとのスムースなコミュニケーションを行う上で有効に機能するものと考えられる。
【０００９】
例えば、踏んではならない障害物を避けながら部屋を通り抜ける方法を実地においてロボットに教示するような場合、クローラ式や４足式ロボットのように教える相手が自分と全く違う構造をしているよりも、同じような格好をしている２足歩行ロボットの方がユーザ（作業員）ははるかに教え易く、またロボットにとっても教わり易い筈であろう（例えば、高西著「２足歩行ロボットのコントロール」（自動車技術会関東支部＜高塑＞Ｎｏ．２５，１９９６ＡＰＲＩＬ）を参照のこと）。
【００１０】
人間の作業空間や居住空間のほとんどは、２足による直立歩行という人間が持つ身体メカニズムや行動様式に合わせて形成されている。言い換えれば、人間の住空間は、車輪その他の駆動装置を移動手段とした現状の機械システムが移動するのには多くの障壁が存在する。しかしながら、機械システムすなわちロボットが様々な人的作業を代行し、さらに人間の住空間に深く浸透していくためには、ロボットの移動可能範囲が人間のそれとほぼ同じであることが好ましい。これが、脚式移動ロボットの実用化が大いに期待されている所以でもある。人間型の形態を有していることは、ロボットが人間の住環境との親和性を高める上で必須であるといえる。
【００１１】
人間型ロボットの用途の１つとして、産業活動・生産活動等における各種の難作業の代行が挙げられる。例えば、原子力発電プラントや火力発電プラント、石油化学プラントにおけるメンテナンス作業、製造工場における部品の搬送・組立作業、高層ビルにおける清掃、火災現場その他における救助といったような危険作業・難作業の代行である。
【００１２】
但し、この種の産業利用に特化したロボットは、特定の用途若しくは機能を実現することが設計・製作上の至上の主題であり、２足歩行を前提とはするものの、ヒトやサルなど直立歩行動物が本来持つ身体メカニズムや動作を機械装置として忠実に再現する必要は必ずしもない。例えば、特定用途を実現するために手先の自由度や動作機能を強化する一方で、作業の用途には比較的関係が低いとされる頭部や体幹部（脊椎など）、腰部などの自由度を制限し又を省略することはある程度許容すべきである。この結果、２足歩行と謂えども、ロボットの作業や動作の外観上で、ヒトとしては不自然さが残ることがあるが、かかる点は妥協せざるを得ない。
【００１３】
また、人間型ロボットの他の用途として、難作業の代行などの生活支援というよりも、生活密着型、すなわち人間との「共生」という用途が挙げられる。この種のロボットは、ヒトやサルなどの２足の直立歩行を行う動物が本来持つ、全身協調型の動作メカニズムを忠実に再現し、その自然に円滑な動作を実現することを至上の目的とする。また、ヒトやサルなどの知性の高い直立動物をエミュレートする以上、四肢を用いた動作が生体として自然であり、且つ、動作が持つ表現力が豊かであることが望ましい。さらに、予め入力された動作パターンを単に忠実に実行するだけではなく、相手の言葉や態度（「褒める」とか「叱る」、「叩く」など）に呼応した、生き生きとした動作表現を実現することも要求される。この意味において、ヒトを模したエンターティンメント指向の人間型ロボットは、まさに「人間型」のロボットと呼ぶに相応しい。
【００１４】
既に周知のように、人体は数百の関節すなわち数百に上る自由度を備えている。限りなくヒトに近い動作を脚式移動ロボットに付与するためには、ほぼ同じ自由度を与えることが好ましいが、これは技術的には極めて困難である。何故ならば、１つの自由度に対して少なくとも各１つのアクチュエータを配設する必要があるが、数百のアクチュエータをロボットという機械装置上に実装することは、製造コストの点からも、重量やサイズなど設計の観点からも不可能に等しい。また、自由度が多いと、その分だけロボットの位置・動作パターン制御や姿勢安定制御等のための計算量が指数関数的に増大してしまう。
【００１５】
このため、人体よりもはるかに少ない数十程度の関節自由度で人間型ロボットを構成するのが一般的である。したがって、少ない自由度を用いてより自然な動作を如何にして実現するかが、人間型ロボットの設計・制御において重要な課題の１つといえる。
【００１６】
例えば、脊椎などのように柔軟性を持つ機構が人間の生活の場で多様で複雑な動作をするために重要であることは、人間工学などの観点から既に明らかである。脊椎を意味する体幹関節自由度は、産業的な用途上は存在価値が低いが、エンターティンメントやその他の生活密着型の人間型ロボットには重要である。なお且つ、状況に応じて柔軟さを能動的に調節できることが求められている。
【００１７】
また、２足直立歩行を行う脚式移動ロボットは、柔軟な歩行・走行動作（例えば階段の昇降や障害物の乗り越え等）を実現できる点で優れている反面、脚の本数が少なくなるとともに、重心位置が高くなるため、その分だけ姿勢制御や安定歩行制御が難しくなる。特に、生活密着型のロボットの場合、ヒトやサルなどの知性動物における自然な動作や感情を豊かに表現しながら全身の姿勢や安定歩行を制御しなければならない。
【００１８】
２足歩行による脚式移動を行うタイプのロボットに関する姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に数多提案されている。ここで言う安定な「歩行」とは、「転倒することなく、脚を使って移動すること」と定義することができよう。
【００１９】
ロボットの姿勢安定制御は、ロボットの転倒を回避する上で非常に重要である。何故ならば、転倒は、ロボットが実行中の作業を中断することを意味し、且つ、転倒状態から起き上がって作業を再開するために相当の労力や時間が払われるからである。また、何よりも、転倒によって、ロボット本体自体、あるいは転倒するロボットと衝突する相手側の物体にも、致命的な損傷を与えてしまう危険があるからである。したがって、脚式移動ロボットの設計・開発において、姿勢安定制御や歩行時の転倒防止は最も重要な課題の１つである。
【００２０】
歩行時には、重力と歩行運動に伴なって生じる加速度によって、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが作用する。いわゆる「ダランベールの原理」によると、それらは路面から歩行系への反作用としての床反力、床反力モーメントとバランスする。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内側にピッチ及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわち「ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）」が存在する。
【００２１】
脚式移動ロボットの姿勢安定制御や歩行時の転倒防止に関する提案の多くは、このＺＭＰを歩行の安定度判別の規範として用いている。ＺＭＰ規範に基づく２足歩行パターン生成は、足底着地点を予め設定でき、路面形状に応じた足先の運動学的拘束条件を考慮し易いなどの利点がある。
【００２２】
例えば、特開平５−３０５５７９号公報には、脚式移動ロボットの歩行制御装置について開示している。同公報に記載の歩行制御装置は、ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）すなわち歩行するときの床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点を目標値に一致させるように制御するものである。
【００２３】
また、特開平５−３０５５８１号公報に記載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰが支持多面体（多角形）内部、又は、着地、離床時にＺＭＰが支持多面体（多角形）の端部から少なくとも所定の余裕を有する位置にあるように構成した。この結果、外乱などを受けても所定距離だけＺＭＰの余裕があり、歩行の安定性の向上を図ることができる。
【００２４】
また、特開平５−３０５５８３号公報には、脚式移動ロボットの歩き速度をＺＭＰ目標位置によって制御する点について開示している。すなわち、同公報に記載の脚式移動ロボットは、予め設定された歩行パターン・データを用い、ＺＭＰを目標位置に一致させるように脚部関節を駆動するとともに、上体の傾斜を検出して、その検出値に応じて設定された歩行パターン・データの吐き出し速度を変更するようにしている。この結果、予期しない凹凸を踏んでロボットが例えば前傾するときは吐き出し速度を速めることで姿勢を回復できる。またＺＭＰが目標位置に制御できるので、両脚支持期において吐き出し速度を変更しても支障がない。
【００２５】
また、特開平５−３０５５８５号公報には、脚式移動ロボットの着地位置をＺＭＰ目標位置によって制御する点について開示している。すなわち、同公報に記載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰ目標位置と実測位置とのずれを検出して、それを解消する様に脚部の一方または双方を駆動するか、又は、ＺＭＰ目標位置まわりにモーメントを検出してそれが零になる様に脚部を駆動することで安定歩行を行うようになっている。
【００２６】
また、特開平５−３０５５８６号公報には、脚式移動ロボットの傾斜姿勢をＺＭＰ目標位置によって制御する点について開示している。すなわち、同公報に記載の脚式移動ロボットは、ＺＭＰ目標位置まわりのモーメントを検出し、モーメントが生じているときは、それが零になるように脚部を駆動することで安定歩行を行うようになっている。
【００２７】
歩行ロボットの転倒という事態を未然に回避するためには最大限の努力を払うべきである。しかしながら、とりわけ脚の本数が少ない２足歩行ロボットの場合、研究段階からようやく実用化の第１歩を踏み出そうという状況下にあるに過ぎず、転倒の可能性を完全に消去することはできない。
【００２８】
したがって、転倒を未然に防ぐ対策を講じるだけではなく、転倒時の損害を最小限に抑えるとともに、転倒後の作業の復旧、すなわちロボットの起き上がり若しくは立ち上がり動作の信頼性を向上させることが、脚式歩行ロボットの早期実用化のためには肝要である。
【００２９】
ロボットが様々な障害物や不測の事態を包含する人間の住環境下で動作する上で、「転倒」は不可避である。そもそも人間自体が転倒するものである。したがって、ロボットが転倒した状態から自律的に起き上がる動作パターンを備えることが脚式移動ロボットの完全自動化を実現するための必須の条件である、と言っても過言ではない。
【００３０】
例えば特開平１１−４８１７０号公報には、脚式移動ロボットの転倒の問題に関して取り扱っている。しかしながら、同公報は、転倒しそうな状況において、ロボットの重心を下げるように制御することによって、ロボットやロボットが衝突する相手側の物体の損傷を可能な限り軽減することを提案するものであり、転倒後の作業の復旧、すなわちロボットの起き上がり若しくは立ち上がり動作の信頼性を向上させる点については全く言及していない。
【００３１】
また、ひとえにロボットが「転倒する」といっても、転倒した姿勢は様々である。例えば２足の脚式移動ロボットの場合、うつ伏せ、仰向け、横向きなど複数の転倒状態がある。一部の転倒姿勢からしか起き上がることができない（例えばうつ伏せ状態からしか起き上がらない）というのでは、自律的な起き上がりやロボットの完全自動化を標榜するには不充分である。
【００３２】
例えば図３５に示すような脚式移動ロボットについて考察してみる。同図に示すロボットは、２足による直立歩行を行う人間型ロボットであり、頭部と、体幹部と、下肢部と、上肢部とで構成される。脚部は歩行に必要な自由度を有し、腕部は想定される作業において必要な自由度を備えるものとする。例えば、各脚部は６自由度を有し、各腕部は４自由度を有する。また、体幹部は、脚部や腕部、頭部を連結する、構造体の中心である。但し、図示に示すロボットの場合、体幹部に自由度を全く持たない。
【００３３】
一般に、脚式移動ロボットにおける歩行は、脚部の着床面と、重心あるいは動的なモーメントの中心点の相対的な移動を行うことによって実現される。２足歩行のロボットの場合であれば、左右の脚を交互に立脚と遊脚に切り替えることで、所定方向への移動を行う。このとき、基本的には、体重心あるいは動的なモーメントの中心を立脚側へ移動し、また、所定の進行方向にそれを移動させることが必要となる。これらの動作は、脚式移動ロボットにおいては、各部の関節自由度による協調的な駆動によって実現される。図３５に示すような両脚にそれぞれ６自由度又はそれ以上の自由度を有する脚式移動ロボットの場合、脚の自由度のみによって、歩行時における体重心又は動的モーメントの中心を移動させることが可能である。
【００３４】
図３６には、図３５に示した脚式移動ロボットが直立している状態を示している。このような直立状態では、体正面方向から見たロボットの重心位置は両脚の中心部上にあり、ＺＭＰは両足着床部の略中間の姿勢安定領域内にある。
【００３５】
また、図３７には、この脚式移動ロボットが歩行のために重心を片脚（同図に示す例では左脚）に移動させた状態を示している。すなわち、左股関節部及び左足首関節部のロール方向変位や、これに相応する右股関節部及び右足首関節部のロール方向変位を主成分とする運動によって、ロボットの重心が左脚側に移動して、ＺＭＰが左足の着床領域内に移動する。この結果、ロボットは、左脚のみで全体重を支えることが可能な姿勢を形成する。また、遊脚となった右脚を所望の進行方向に踏み出すことで、歩行を行うことができる。
【００３６】
主に歩行を想定した２足脚式移動ロボットの場合、自由度の配置によっては脚部に配置される自由度のみでも歩行が可能であり、実機上でもこのような歩行動作パターンが採用されることが多い。さらに、ロボットが行う作業のために、腕部や手部に別途自由度が配置されているのが一般的である。また、頭部についても、視覚認識等を目的とする自由度を有することが多い。
【００３７】
これに対し、体幹部については、歩行や作業等のロボットが主目的とする動作パターンに必須の自由度とは言えない。このため、現在実用化に向けて開発されている脚式移動ロボットのほとんどは、図３５に示したように体幹部に自由度を備えていない（前述）。
【００３８】
ここで、図３５に示すような体幹部に自由度を備えていないタイプの脚式移動ロボットに関する転倒時起き上がり動作について考察してみる。
【００３９】
例えば図３８に示すようなうつ伏せ姿勢から起き上がる場合、まず、両腕部及び両股関節のピッチ軸等を駆動させて、着床部分を腕部と脚部（膝部）だけにし、次いで、両着床部の相対的距離を徐々に近付けることにより、ロボットの重心を持ち上げていく（図３９を参照のこと）。
【００４０】
また、重心を持ち上げるのと同時に足部を前方に移動させる（図４０を参照のこと）。この結果、重心が足部着床領域の上空に移動して、ＺＭＰが着床領域すなわち姿勢安定領域に突入して、腕部を床面から離すことが可能となる（図４１を参照のこと）。さらに、脚部（膝関節部）を伸展させて重心を持ち上げことによって、起き上がり動作が完結する（図４２を参照のこと）。
【００４１】
しかしながら、実際には、各関節の可動角度や部位間の干渉などの問題のために、重心の移動を充分に行うことができないことが多い。例えば、上記の図４０から図４１へ姿勢を移行させる際、腕を接地させたままでは、膝を充分に畳み込むことができず、ＺＭＰを足部の着床領域まで移動させることができない。無理にＺＭＰの移動を試みると、ＺＭＰが安定領域に突入する前に腕部が先に離床してしまい、うまく起き上がることができない。
【００４２】
また、図４３に示すように脚式移動ロボットが仰向け姿勢で転倒してしまった場合、ロボットが自律的に、すなわち外部からの物理的な補助なしに起き上がることはさらに困難となる。
【００４３】
仰向け姿勢から起き上がり動作を行う場合、まず、脚部と腕部で床面に接地する姿勢をとることで、重心を上方に持ち上げる（図４４を参照のこと）。次いで、着床している足部と腕部との相対的距離を徐々に小さくしていく（図４５を参照のこと）。
【００４４】
足部と腕部との相対的距離が充分小さくなると、ロボットの重心位置を足部着床領域上空まで移動することができる（図４６を参照のこと）。この状態では、ＺＭＰが足部すなわち姿勢安定領域内に入っているので、腕部を床面から離すとともに、脚部すなわち膝部を伸展させることによって重心をさらに持ち上げることで、起き上がり動作が完結する（図４７を参照のこと）。
【００４５】
しかしながら、実際には、うつ伏せ姿勢から起き上がる場合と同様に、各関節の可動角度や部位間の干渉などの問題のために、重心の移動を充分に行うことができないことが多い。例えば、上記の図４５から図４６へ姿勢を移行させる際、腕を接地させたままでは、膝を充分に畳み込むことができず、ＺＭＰを足部の着床領域まで移動させることができない。無理にＺＭＰの移動を試みると、ＺＭＰが安定領域に突入する前に腕部が先に離床してしまい、うまく起き上がることができない。
【００４６】
図３８〜図４２で示したうつ伏せ姿勢からの起き上がり動作、及び、図４３〜図４７で示した仰向け姿勢からの起き上がり動作のいずれの場合も、股関節部における体前面側への可動角度を拡張することにより、図４０及び図４１、並びに、図４６及び図４７に示すボトルネックを解消することができる。しかしながら、実機の脚式移動ロボットにおいて股関節部の可動角度を大きくためには、体幹部及びその周辺の部材との干渉が発生してしまうので、現実的な解決策とは言い難い。
【００４７】
また、上述したうつ伏せ及び仰向けいずれの姿勢からの起き上がり動作パターンの場合も、足部を極端に重く構成することによって、脚式移動ロボット全体の重心位置を足部付近に設定すれば、図４１や図４７において腕部が先に離床してしまう場合であっても、ＺＭＰを姿勢安定領域に移動させることができる。ダルマが自然に起き上がるのと同様の原理である。
【００４８】
ロボットの重心が常に歩行中の足底の接地範囲にある「静歩行」を行うロボットの場合であれば、ダルマのように全体の重心位置が足部のような低所にあっても、安定歩行動作を確保することができる。
【００４９】
これに対し、ロボットの重心が足底の外に外れるような「動歩行」を行うタイプのロボットの場合、歩行期間中は転倒方向に支持点を強く加速することで姿勢回復を図るという「倒立振子」の概念を導入される。すなわち、動歩行型のロボットの場合、動的な重心移動を可能にするために、重心位置を比較的高所になるように、脚部は状態に対して比較的軽量に設計されている。逆に脚部の質量が大きいと、円滑な重心移動が困難となり、歩行そのものに支障をきたす。略言すれば、ロボット全体の重心位置を低所に設定することは、動歩行時の姿勢安定制御が困難になるので、起き上がり動作を行う脚式移動ロボットの一般的解決にはなり得ない。
【００５０】
図３８〜図４２、並びに、図４３〜図４７を参照しても判るように、体幹部に自由度がないタイプの脚式移動ロボットの場合、腕部、頭部等と脚部との相対的位置の可変量が小さいので、いずれの転倒姿勢からも起き上がることは困難となる。
【００５１】
他方、ロボットの体幹部を極端に短く構成することにより、あるいは、腕部を極端に長く構成することによって、腕部と脚部との相対的位置の可変量を拡張することができる。この結果、図４１や図４７に示すようなＺＭＰが姿勢安定領域に入る前に腕部が離床してしまうという現象を解消して、起き上がり動作を実現することができる。
【００５２】
しかしながら、体幹部を短くしたり、腕部を長くすることは、人間型ロボットの四肢若しくは全身の均整を失うことになり、「人間形」若しくは「人間型」を目指す趣旨から逸脱してしまう。
【００５３】
また、本出願時における脚式移動ロボットの動向として、ロボット自身の制御ユニットを背面部に搭載することが多い。したがって、仰向けに転倒した場合には、重心位置が背面側に大きく偏ってしまうため、仰向け姿勢からの起き上がり動作はさらに困難になると想到される（図４８を参照のこと）。
【００５４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ヒトやサルなどの脚式移動型動物の身体メカニズムをモデル化した、優れた脚式移動型ロボットのメカニズムを提供することにある。
【００５５】
本発明の更なる目的は、歩行動作など作業の最中に転倒してしまった場合であっても自力で起き上がることができる、優れた脚式移動型ロボット及びその制御メカニズムを提供することにある。
【００５６】
本発明の更なる目的は、転倒してしまい様々な姿勢若しくは格好で横たわっている場合であっても自律的に起き上がり、転倒により中断した作業を自動的に再開することができる、優れた脚式移動型ロボット及びその制御方法メカニズムを提供することにある。
【００５７】
本発明の更なる目的は、うつ伏せ、仰向け、横向きなど様々な転倒姿勢からも自律的に確実且つ円滑に起き上がることができる、優れた脚式移動型ロボット及びその制御メカニズムを提供することにある。
【００５８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットであって、
転倒したか否かを判断する転倒判断手段と、
転倒時の姿勢を判定する手段と、
転倒姿勢に応じた起き上がり動作パターンを実行する手段と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットである。
【００５９】
また、本発明の第２の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設されて体幹部に所定の可動自由度を持つ上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットであって、
転倒したか否かを判断する転倒判断手段と、
転倒時の姿勢を判定する手段と、
転倒姿勢に応じた起き上がり動作パターンを実行する手段と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットである。
【００６０】
また、本発明の第３の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設されて体幹部に所定の可動自由度を持つ上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットであって、
転倒したか否かを判断する転倒判断手段と、
転倒時に少なくとも前記体幹部の可動自由度の変位を伴う起き上がり動作パターンを実行する手段と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットである。
【００６１】
本発明の第３の側面に係る脚式移動ロボットにおいて、前記体幹部は少なくともピッチ軸方向の可動自由度を有し手もよい。この場合、前記起き上がり動作パターンは該体幹部ピッチ軸方向の可動自由度を利用することができる。
【００６２】
あるいは、前記体幹部は少なくともヨー軸方向の可動自由度を有し手もよい。この場合、前記起き上がり動作パターンは該体幹部ヨー軸方向の可動自由度を利用することができる。
【００６３】
あるいは、前記体幹部は少なくともロール軸方向の可動自由度を有し手もよい。この場合、前記起き上がり動作パターンは該体幹部ロール軸方向の可動自由度を利用することができる。
【００６４】
また、本発明の第４の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設されて体幹部に所定の可動自由度を持つ上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットであって、
転倒したか否かを判断する転倒判断手段と、
転倒時の姿勢を判定する手段と、
転倒時に他の転倒姿勢に移行するための動作パターンを実行する手段と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットである。
【００６５】
本発明の第４の側面に係る脚式移動ロボットにおいて、前記体幹部は少なくともピッチ軸方向の可動自由度を有してもよい。この場合、他の転倒姿勢に移行するための前記動作パターンは該体幹部ピッチ軸方向の可動自由度を利用することができる。
【００６６】
あるいは、前記体幹部は少なくともヨー軸方向の可動自由度を有してもよい。この場合、他の転倒姿勢に移行するための前記動作パターンは該体幹部ヨー軸方向の可動自由度を利用することができる。
【００６７】
あるいは、前記体幹部は少なくともロール軸方向の可動自由度を有してもよい。この場合、他の転倒姿勢に移行するための前記動作パターンは該体幹部ロール軸方向の可動自由度を利用することができる。
【００６８】
また、本発明の第５の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設されて体幹部に所定の可動自由度を持つ上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットがうつ伏せ姿勢に陥ったときのための動作制御方法であって、
少なくとも体幹部ピッチ軸の可動自由度を利用して腕部及び脚部のみで着床する姿勢を形成するステップと、
少なくとも体幹部ピッチ軸の可動自由度を利用して脚式移動ロボットの重心を上方に持ち上げるステップと、
少なくとも体幹部ピッチ軸の可動自由度を利用して腕部及び脚部それぞれの着床部分における相対的位置を小さくするステップと、
腕部及び脚部それぞれの着床部分同士が充分接近した結果、前記脚式移動ロボットのＺＭＰが足部着床領域に入ったことに応答して、全身の伸展を開始するステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの動作制御方法である。
【００６９】
また、本発明の第６の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設されて体幹部に所定の可動自由度を持つ上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットが仰向け姿勢に陥ったときのための動作制御方法であって、
少なくとも股関節ピッチ軸の可動自由度を利用して上体を起こした姿勢を形成するステップと、
少なくとも体幹部ピッチ軸の可動自由度を利用して脚式移動ロボットの重心を前方に移動させるステップと、
前記重心が充分前方に移動した結果、前記脚式移動ロボットのＺＭＰが足部着床領域に入ったことに応答して、全身の伸展を開始するステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの動作制御方法である。
【００７０】
また、本発明の第７の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設されて体幹部に所定の可動自由度を持つ上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットが横転姿勢に陥ったときのための動作制御方法であって、
少なくとも体幹部ヨー軸の可動自由度を利用してうつ伏せ姿勢に移行するステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの動作制御方法である。
【００７１】
また、本発明の第８の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設されて体幹部に所定の可動自由度を持つ上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットが横転姿勢に陥ったときのための動作制御方法であって、
体幹部ロール軸の可動自由度を利用して上体を床面から浮かすステップと、
体幹部ヨー軸の可動自由度を利用してうつ伏せ姿勢に移行するステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの動作制御方法である。
【００７２】
また、本発明の第９の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設されて体幹部に所定の可動自由度を持つ上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットが仰向け姿勢に陥ったときのための動作制御方法であって、
少なくとも体幹部ヨー軸の可動自由度を利用して横転姿勢に移行するステップを具備することを特徴とする脚式移動ロボットの動作制御方法である。
【００７３】
また、本発明の第１０の側面は、少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設されて体幹部に所定の可動自由度を持つ上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットが転倒姿勢に陥ったときのための動作制御方法であって、
（ａ）仰向け姿勢から横転姿勢に移行するステップ、
（ｂ）横転姿勢からうつ伏せ姿勢に移行するステップ、
（ｃ）うつ伏せ姿勢から横転姿勢に移行するステップ、
（ｄ）横転姿勢から仰向け姿勢に移行するステップ、
のうち少なくとも１つを具備することを特徴とする脚式移動ロボットの動作制御方法である。
【００７４】
【作用】
本発明に係る脚式移動ロボットは、体幹部においてロール、ピッチ、ヨーなどの各軸に自由度を有する。任意の転倒姿勢において、これら体幹部の自由度を活用することにより、円滑且つ容易に起き上がり動作を実現することができる。
【００７５】
本発明に係る脚式移動ロボットによれば、起き上がり動作時において体幹部の自由度を適用することにより、体幹部以外の可動部への負担や要求トルクが軽減される。また、荷重負担を各可動部間で分散・平均化することで、特定部位への集中荷重を回避することができる。この結果、ロボット運用の信頼性を向上するとともに、起き上がり動作期間中のエネルギー効率が向上する。
【００７６】
また、本発明に係る脚式移動ロボットによれば、複数の転倒姿勢を順次移行させることにより、より容易な起き上がり動作を選択的に実行することができる。
【００７７】
また、本発明に係る脚式移動ロボットによれば、複数の転倒姿勢を順次繰り返すことにより、起き上がることなく平面的な移動を実現することができる。この結果、より容易に立ち上がることができる場所まで移動してから起き上がり動作を実行することができる。
【００７８】
また、本発明に係る脚式移動ロボットによれば、転倒姿勢を変化させることができるので、サポートしなければならない起き上がり動作パターンの種類や数を低減することができる。
【００７９】
例えば、ロボットがあらかじめ起き上がり動作パターンを用意しておくような場合、動作パターン数の減少により開発期間の短縮や開発コストの軽減が可能となる。また、動作パターン数の減少により、ハードウェアの負担も軽減されるので、その分システムの向上が見込まれる。
【００８０】
また、ロボットが状況に応じた動作パターンを自律的に生成するような場合には、生成すべき動作パターン数が減少することにより、ロボット自体に搭載すべき演算装置の負担が軽減され、装置製作コストの削減や、ロボット運転時における信頼性の向上などが見込まれる。
【００８１】
また、本発明に係る脚式移動ロボットによれば、転倒姿勢を変化させることで起き上がり動作パターンを限定することができる。この結果、起き上がり動作のために必要な各アクチュエータの出力トルクや動作範囲などへの要求が軽減される。この結果、設計の自由度が向上するとともに、開発期間の短縮や製作コストの削減などを実現することができる。
【００８２】
また、転倒姿勢を変化させることで起き上がり方法を限定することができるので、起き上がり動作期間中におけるロボットの消費電力を節約し、バッテリなどの供給電源への負荷を少なくすることができる。この結果、バッテリ駆動時間が延長し、１回の充電でより長時間の連続運転が可能となり、ロボットの作業時間、作業空間、作業内容等が拡大する。また、必要なバッテリ容量も低減するので、バッテリの小型・軽量化が可能となり、設計の自由度が向上する。また、バッテリの要求仕様が軽減するので、バッテリ単価を安価に抑え、システム全体の製作コストや運転コストを節約することができる。
【００８３】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施例や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【００８４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を詳解する。
【００８５】
図１及び図２には本発明の実施に供される「人間形」又は「人間型」の脚式移動ロボット１００が直立している様子を前方及び後方の各々から眺望した様子を示している。図示の通り、脚式移動ロボット１００は、脚式移動を行う左右２足の下肢と、体幹部と、左右の上肢と、頭部と、制御部とで構成される。
【００８６】
左右各々の下肢は、大腿部と、膝関節と、脛部と、足首と、足平とで構成され、股関節によって体幹部の略最下端にて連結されている。また、左右各々の上肢は、上腕と、肘関節と、前腕とで構成され、肩関節によって体幹部の上方の左右各側縁にて連結されている。また、頭部は、首関節によって体幹部の略最上端中央に連結されている。
【００８７】
制御部は、この脚式移動ロボット１００を構成する各関節アクチュエータの駆動制御や各センサ（後述）などからの外部入力を処理するコントローラ（主制御部）や、電源回路その他の周辺機器類を搭載した筐体である。制御部は、その他、遠隔操作用の通信インターフェースや通信装置を含んでいてもよい。また、図１及び図２に示す例では、脚式移動ロボット１００が制御部を背中に背負うような格好となっているが、制御部の設置場所は特に限定されない。
【００８８】
本実施例に係る脚式移動ロボット１００の特徴の１つとして、体幹部が関節自由度を備えている点である。脚式移動ロボット１００が人間と共存する上では、脊椎などのように柔軟性を持つ機構が人間の住環境・住空間において多様で複雑な動作をするために重要である（前述）。この体幹部の関節自由度は、人間で言えば「脊椎」に相当する。
【００８９】
図３及び図４には、脚式移動ロボット１００の体幹部の構成を拡大して描いている。
【００９０】
同図に示すように、体幹部関節は、体幹部ロール軸、体幹部ピッチ軸、及び、体幹部ヨー軸という３つの関節自由度を備えている。例えば、体幹部ロール軸の駆動により、脚式移動ロボット１００の上体を、下肢に対して左右に振ることができる。また、体幹部ピッチ軸を駆動することにより、脚式移動ロボット１００の姿勢を矢状面において「くの字」状に屈曲させることができる。また、体幹部ヨー軸の駆動により、脚式移動ロボットの上体が下肢に対して相対的に回転し、体を捻らせた格好を形成することができる。
【００９１】
また、図５には、この脚式移動ロボット１００が具備する関節自由度構成を模式的に示している。
【００９２】
図５に示すように、脚式移動ロボット１００は、２本の腕部と頭部１を含む上体と、移動動作を実現する２本の脚部からなる下肢と、上肢と下肢とを連結する体幹部とで構成される。
【００９３】
頭部１を支持する首関節は、首関節ヨー軸２と、首関節ピッチ軸３と、首関節ロール軸４という３自由度を有している。
【００９４】
また、各腕部は、肩関節ピッチ軸８と、肩関節ロール軸９と、上腕ヨー軸１０と、肘関節ピッチ軸１１と、前腕ヨー軸１２と、手首関節ピッチ軸１３と、手首関節ロール軸１４と、手部１５とで構成される。手部１５は、実際には、複数本の指を含む多関節・多自由度の構造体である。但し、手部１５の動作自体は、ロボット１００の姿勢安定制御や歩行動作制御に対する寄与や影響が少ないので、本実施例ではゼロ自由度と仮定する。したがって、本実施例では、各腕部は７自由度を有することになる。
【００９５】
また、体幹部は、体幹部ピッチ軸５と、体幹部ロール軸６と、体幹部ヨー軸７という３自由度を有する（前述、並びに、図３及び図４を参照のこと）。
【００９６】
また、下肢を構成する各々の脚部は、股関節ヨー軸１６と、股関節ピッチ軸１７と、股関節ロール軸１８と、膝関節ピッチ軸１９と、足首関節ピッチ軸２０と、関節ロール軸２１と、足部（足底）２２とで構成される。股関節ピッチ軸１７と股関節ロール軸１８の交点は、本実施例に係るロボット１００の股関節位置を定義するものとする。人体の足部（足底）２２は、実際には多関節・多自由度の足底を含んだ構造体であるが、本実施例に係る脚式移動ロボット１００の足底はゼロ自由度とする。したがって、本実施例では、各脚部は６自由度で構成されている。
【００９７】
以上を総括すれば、本実施例に係る脚式移動ロボット１００全体としては、合計で３＋７×２＋３＋６×２＝３２自由度を有することになる。但し、エンターティンメント向けの脚式移動ロボット１００が必ずしも３２自由度に限定される訳ではない。設計・製作上の制約条件や要求仕様等に応じて、自由度すなわち関節数を適宜増減することができることは言うまでもない。
【００９８】
上述したような脚式移動ロボット１００が持つ各自由度は、実際にはアクチュエータを用いて実装される。外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形状に近似させること、２足歩行という不安定構造体に対して姿勢制御を行うことなどの要請から、アクチュエータは小型且つ軽量であることが好ましい。本実施例では、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータを搭載することとした。なお、この種のＡＣサーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願人に既に譲渡されている特願平１１−３３３８６号明細書に開示されている。
【００９９】
図５に示すような自由度構成を備えた脚式移動ロボット１００は、転倒することを予め想定し、ほとんど全ての転倒姿勢からの復帰すなわち起き上がり動作を可能等するような配置を有している（詳しくは後述を参照されたい）。したがって、各可動部の出力トルクも転倒姿勢からの復帰動作を勘案した仕様に設定しておくことが好ましい。
【０１００】
図６には、脚式移動ロボット１００の制御システム構成を模式的に示している。同図に示すように、脚式移動ロボット１００は、人間の四肢を表現した各機構ユニット３０，４０，５０Ｒ／Ｌ，６０Ｒ／Ｌと、各機構ユニット間の協調動作を実現するための適応制御を行う制御ユニット８０とで構成される（但し、Ｒ及びＬの各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下同様）。
【０１０１】
脚式移動ロボット１００全体の動作は、制御ユニット８０によって統括的に制御される。制御ユニット８０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）チップやメモリ・チップ等の主要回路コンポーネント（図示しない）で構成される主制御部８１と、電源装置やロボット１００の各構成要素とのデータやコマンドの授受を行うインターフェース（いずれも図示しない）などを含んだ周辺回路８２とで構成される。
【０１０２】
本実施例では、電源装置は、脚式移動ロボット１００を自立的に駆動するためのバッテリを含んだ構成（図４には図示しない）となっている。自立駆動型であれば、脚式移動ロボット１００の物理的な行動半径は、電源ケーブルによる制限を受けず、自由に歩行することができる。また、歩行やその他の上肢を含めた各種の運動時に、電源ケーブルとの干渉を考慮する必要がなくなり、動作制御が容易になる。
【０１０３】
図５に示した脚式移動ロボット１００内の各関節自由度は、それぞれに対応するアクチュエータによって実現される。すなわち、頭部ユニット３０には、首関節ヨー軸２、首関節ピッチ軸３、首関節ロール軸４の各々を表現する首関節ヨー軸アクチュエータＡ２、首関節ピッチ軸アクチュエータＡ３、首関節ロール軸アクチュエータＡ４がそれぞれ配設されている。
【０１０４】
また、体幹部ユニット４０には、体幹部ピッチ軸５、体幹部ロール軸６、体幹部ヨー軸７の各々を表現する体幹部ピッチ軸アクチュエータＡ５、体幹部ロール軸アクチュエータＡ６、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７がそれぞれ配備されている。
【０１０５】
また、腕部ユニット５０Ｒ／Ｌは、上腕ユニット５１Ｒ／Ｌと、肘関節ユニット５２Ｒ／Ｌと、前腕ユニット５３Ｒ／Ｌに細分化されるが、肩関節ピッチ軸８、肩関節ロール軸９、上腕ヨー軸１０、肘関節ピッチ軸１１、肘関節ロール軸１２、手首関節ピッチ軸１３、手首関節ロール軸１４の各々を表現する肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ８、肩関節ロール軸アクチュエータＡ９、上腕ヨー軸アクチュエータＡ１０、肘関節ピッチ軸アクチュエータＡ１１、肘関節ロール軸アクチュエータＡ１２、手首関節ピッチ軸アクチュエータＡ１３、手首関節ロール軸アクチュエータＡ１４がそれぞれ配備されている。
【０１０６】
また、脚部ユニット６０Ｒ／Ｌは、大腿部ユニット６１Ｒ／Ｌと、膝ユニット６２Ｒ／Ｌと、脛部ユニット６３Ｒ／Ｌに細分化されるが、股関節ヨー軸１６、股関節ピッチ軸１７、股関節ロール軸１８、膝関節ピッチ軸１９、足首関節ピッチ軸２０、足首関節ロール軸２１の各々を表現する股関節ヨー軸アクチュエータＡ１６、股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７、股関節ロール軸アクチュエータＡ１８、膝関節ピッチ軸アクチュエータＡ１９、足首関節ピッチ軸アクチュエータＡ２０、足首関節ロール軸アクチュエータＡ２１がそれぞれ配備されている。
【０１０７】
各アクチュエータＡ２，Ａ３…は、より好ましくは、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニット内に搭載したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータ（前述）である。
【０１０８】
頭部ユニット３０、体幹部ユニット４０、腕部ユニット５０、各脚部ユニット６０などの各機構ユニット毎に、アクチュエータ駆動制御用の副制御部３５，４５，５５，６５がそれぞれ配備されている。さらに、各脚部６０Ｒ，Ｌの足底が着床したか否かを検出する接地確認センサ９１及び９２を装着するとともに、体幹部ユニット４０内には、姿勢を計測する姿勢センサ９３を装備している。これら各センサ９１〜９３の出力により、足底２２の着床及び離床期間、体幹部分の傾きなどを検出して、制御目標をダイナミックに補正することができる。
【０１０９】
主制御部８０は、各センサ９１〜９３の出力に応答して副制御部３５，４５，５５，６５の各々に対して適応的な制御を行い、脚式移動ロボット１００の上肢、体幹、及び下肢の協調した動作を実現することができる。主制御部８１は、ユーザ・コマンド等に従って所定の動作パターンを呼び出して、足部運動、ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）軌道、体幹運動、上肢運動、腰部高さなどを設定するとともに、これらの設定内容に従った動作を指示するコマンド（すなわちアクチュエータへの指示データ）を各副制御部３５，４５，５５，６５に転送する。そして、各々の副制御部３５，４５…では、主制御部８１からの受信コマンドを解釈して、各アクチュエータＡ２，Ａ３…に対して駆動制御信号を出力する。
【０１１０】
ここで言う「ＺＭＰ」とは、歩行中の床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点のことであり、また、「ＺＭＰ軌道」とは、例えばロボット１００の歩行動作期間中などにＺＭＰが動く軌跡を意味する。
【０１１１】
なお、脚式移動ロボット１００は、自律駆動型又は遠隔操作型のいずれであってもよい。後者の場合、図６には図示しない通信インターフェース及び外部制御装置との通信手段（例えばＥｔｈｅｒｎｅｔなどの有線又は無線ＬＡＮ）を含み、主制御部８０ではなく、外部制御装置から供給される指示値によって各アクチュエータＡ２，Ａ３…の駆動制御やセンサ出力の処理を行うことができる。
【０１１２】
次に、この脚式移動ロボット１００における転倒時の動作や処理の手順について説明する。図７には、脚式移動ロボット１００の転倒時における動作手順をフローチャートの形式で概略的に示している。
【０１１３】
主制御部８０は、姿勢センサ９３などの各センサ出力を基に、通常の姿勢を逸脱して転倒に至ったことを検出し又は判定する（ステップＳ１１）。例えば、計画していた姿勢と実際の姿勢の差や、足底の設置確認センサ９１及び９２によって自身が転倒したことを判定することができる。
【０１１４】
脚式移動ロボット１００の転倒時における一般的な姿勢は、「うつ伏せ」、「仰向け」、又は「横向き」のうちのいずれかに該当する。姿勢センサ９３の出力により、姿勢センサ取り付け部位における重力方向に対する方向を検出することができる。併せて、脚式移動ロボット１００自身の各関節自由度における変位角度を測定することによって、自分自身の転倒時の姿勢を判断することができる（ステップＳ１２）。
【０１１５】
転倒時の姿勢が判定されると、主制御部８０は、うつ伏せ、仰向け、横転などの各転倒姿勢に応じた起き上がり動作パターンを呼び出し、あるいは演算処理によって起き上がり動作パターンを生成する（ステップＳ１３）。
【０１１６】
そして、取得した起き上がり動作パターンに応じて、足部運動、ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）軌道、体幹運動、上肢運動、腰部高さなどを設定するとともに、これらの設定内容に従った動作を指示するコマンド（すなわちアクチュエータへの指示データ）を各副制御部３５，４５，５５，６５に転送する（ステップＳ１４）。
【０１１７】
この結果、各アクチュエータＡ２，Ａ３…は同期的に駆動して、脚式移動ロボット１００は起き上がりのための全身協調動作を実行する（ステップＳ１５）。
【０１１８】
転倒している脚式移動ロボット１００において必要な起き上がり動作パターンは、当然ながら、転倒している姿勢によって区々であるが、この点は後述で詳解する。
【０１１９】
脚式移動ロボット１００が自律駆動型であれば、主制御部８０において、転倒の判断、転倒姿勢の判定、起き上がり動作パターンの設定、及び、起き上がり動作の制御の全てを行う必要がある。但し、脚式移動ロボット１００が遠隔操作型であれば、ロボット１００の転倒判断、転倒姿勢の判定、起き上がり動作パターンの生成などを外部装置上で処理し、これらの処理に基づいた指示値をＬＡＮ（例えばＥｔｈｅｒｎｅｔやＢｌｕｅＴｏｏｔｈ）などの通信手段を介して受け取って駆動することができる。
【０１２０】
次いで、本実施例に係る脚式移動ロボット１００が各種の転倒姿勢から起き上がるための動作手順について詳解する。本実施例では、体幹部に設けられたピッチ軸まわりの可動部すなわちアクチュエータＡ５を活用することによって柔軟な重心移動を可能とし、以って起き上がり動作を実現するという点を充分理解されたい。
【０１２１】
（１）うつ伏せ状態からの起き上がり
図８〜図１３には、本実施例に係る脚式移動ロボット１００がうつ伏せ状態から起き上がるための一連の動作を図解している。
【０１２２】
図８には、脚式移動ロボット１００がうつ伏せの姿勢で床面に転倒した直後の状態を示している。このような転倒状態で、主制御部８０は、姿勢センサ９３などの各センサ出力を基にして、通常の姿勢を逸脱して転倒に至ったことを検出し又は判定する。
【０１２３】
さらに、主制御部８０は、姿勢センサ９３の出力により、姿勢センサ取り付け部位における重力方向に対する方向を検出するとともに、各関節自由度における変位角度を測定することによって、脚式移動ロボット１００が現在「うつ伏せ」の姿勢で転倒状態にあることを判断することができる
【０１２４】
図９には、うつ伏せの転倒姿勢において脚式移動ロボット１００が起き上がり動作を開始した様子を示している。
【０１２５】
図８に示す転倒状態では、脚式移動ロボット１００の重心位置は床面付近の最下位置にある。転倒状態から起き上がり、安定した直立姿勢に復帰するためには、まず重心位置を高い状態に戻す必要がある。図９に示す姿勢例では、腕部及び脚部で全身を支えながら、重心Ｇを徐々に上方に移動させている。このとき、脚式移動ロボット１００は、主に、両肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ８、両肘関節ピッチ軸アクチュエータＡ１１、体幹部ピッチ軸アクチュエータＡ５、股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７、膝部ピッチ軸アクチュエータＡ１９、及び足首関節ピッチ軸アクチュエータＡ２０の各々を変位させている。
【０１２６】
図１０では、主に、両肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ８、体幹部ピッチ軸アクチュエータＡ５、股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７の変位をさらに大きくすることで、重心Ｇの位置をさらに上方に持ち上げている。また、腕部による着床部分と脚部による着床部分との距離を徐々に短くしている。同図に示す例では、腕部の着床部分はその先端（手部）であり、脚部の着床部分は足平先端（つま先）になっているが、これらには特に限定されない。
【０１２７】
図１１では、腕部及び脚部各々の着床部分の距離をさらに短くして、この結果、重心Ｇを足平（すなわち姿勢安定領域）の上方に向かって移動させている。また、腕部の着床部分は、その先端（手先）だけになるとともに、脚部の着床部分は足平足底に移行する。主に、両肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ８、両肘関節ピッチ軸アクチュエータＡ１１、体幹部ピッチ軸アクチュエータＡ５、両股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７、及び膝関節ピッチ軸アクチュエータＡ１９を駆動することにより、図１１に示した姿勢から移行する。特に、体幹部ピッチ軸アクチュエータＡ５及び膝関節ピッチ軸アクチュエータＡ１９を最大限の変位とし、体幹部及び膝部を可能な限り屈曲させて重心Ｇと足底までの距離を腕部の長さ以下とすることによって、両膝部を両腕部の間に挿入させることが可能となり、重心移動が円滑に行われる。
【０１２８】
この結果、ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｐｏｉｎｔ Ｍｏｍｅｎｔ）が足平の着床領域内に完全に収容されるので、腕部を床面から離すことが可能となる。［従来の技術］の欄で挙げた例では、ロボットが体幹部に自由度を持たないために、腕部と脚部を着床させた姿勢ではＺＭＰを足部着床領域に移動させることが困難であった。本実施例では、体幹部がピッチ軸自由度を備えているので、図１１に示すような姿勢が可能となる訳である。
【０１２９】
図１２では、腕部の先端を床面から離すとともに、両膝部ピッチ軸アクチュエータＡ１９を駆動して脚部を伸展することによって、重心Ｇをさらに上方に持ち上げていく様子を示している。主に、体幹部ピッチ軸アクチュエータＡ５、両股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７、両膝部ピッチ軸アクチュエータＡ１９、足首ピッチ軸アクチュエータＡ２０を変位させている。
【０１３０】
図１３では、さらに重心Ｇを上方に持ち上げて、直立姿勢に近づいていく様子を示している。主に、体幹部ピッチ軸アクチュエータＡ５、両股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７、両膝関節ピッチ軸アクチュエータＡ１９、両足首関節ピッチ軸アクチュエータＡ２０を変位させている。
【０１３１】
以上、図８〜図１３を用いて説明したように、本実施例に係る脚式移動ロボット１００によれば、うつ伏せの転倒姿勢から自律的に（すなわち外部からの物理的な支援なしに）起き上がることができる。起き上がり動作において、体幹部ピッチ軸の変位が重要な要素である、という点に充分留意されたい。
【０１３２】
（２）仰向け状態からの起き上がり
図１４〜図２０には、本実施例に係る脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がるための一連の動作を図解している。
【０１３３】
図１４には、脚式移動ロボット１００が仰向けの姿勢で床面に転倒した直後の状態を示している。このような転倒状態で、主制御部８０は、姿勢センサ９３などの各センサ出力を基にして、通常の姿勢を逸脱して転倒に至ったことを検出し又は判定する。
【０１３４】
図１５では、転倒後、転倒姿勢を判断した脚式移動ロボット１００が、仰向け姿勢からの起き上がり動作を開始した様子を示している。すなわち、主に両股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７を変位させて、相対的に上体を起こし、腰部によって着床するような姿勢を形成する。さらに、両肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ８を駆動させて、両腕部によって着床する準備を行う。
【０１３５】
図１６では、腰部が着床した状態でさらに脚部を変位させる様子を示している。より具体的には、両股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７、両膝部ピッチ軸アクチュエータＡ１９、両足首ピッチ軸アクチュエータＡ２０を動作させて、両足平の足底で着床する姿勢の準備を行う。
【０１３６】
図１７では、さらに、体幹ピッチ軸アクチュエータＡ５を変位させると同時に、腕部と脚部各々の着床部分の距離を短くしていく。この結果、脚式移動ロボットの重心Ｇが上方に持ちあがり始めるとともに、ＺＭＰが次第に脚部に向かって移動し始める。
【０１３７】
図１８では、さらに、腕部と脚部それぞれの着床部分の距離を短くすることで、ＺＭＰを足部に寄せていく。さらに、両膝関節ピッチ軸アクチュエータＡ１９を駆動させて重心Ｇを持ち上げる。この結果、ＺＭＰが足底着床領域内に突入するので、腕部と腰部を床面から離すことが可能となる。
【０１３８】
本実施例に係る脚式移動ロボット１００によれば、体幹が最大限に屈曲して前傾した姿勢を形成することにより、ＺＭＰを足部に寄せ足底着床領域内に移行させることができる。すなわち、体幹部ピッチ軸アクチュエータＡ５まわりの可動部を活用することで、腕部と腰部を離床させることができるという点を充分理解されたい。
【０１３９】
図１９では、腕部を離床させた後、伸展した姿勢を形成することによって、重心Ｇの位置をさらに持ち上げる。このとき、主に、両足首関節ピッチ軸アクチュエータＡ２０、両膝関節ピッチ軸アクチュエータＡ１９、両股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７、体幹関節ピッチ軸アクチュエータＡ５を駆動させる。
【０１４０】
図２０では、さらに脚部を伸展させることで重心Ｇを上方に持ち上げて、直立姿勢に近づいていく様子を示している。主に、体幹部ピッチ軸アクチュエータＡ５、両股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７、両膝関節ピッチ軸アクチュエータＡ１９、両足首関節ピッチ軸アクチュエータＡ２０を変位させている。
【０１４１】
仰向けという姿勢は、一般には、脚式移動ロボットが起き上がりにくい転倒状態の１つである。本実施例に係る脚式移動ロボット１００によれば、体幹部のピッチ軸まわりの可動部を利用することにより、図１５〜図２０に示す一連の動作パターンに従って、円滑に起き上がることができる。すなわち、体幹部に１以上の可動自由度を設けることにより、転倒姿勢からの起き上がり動作が可能となり又は容易化する。
【０１４２】
なお、仰向け姿勢からの起き上がり動作は、上述したような体前面方向へ起き上がる動作パターン以外にも、さらに横転して姿勢を変えてから起き上がる動作パターンが想到される。後者に関しては後に詳解する。
【０１４３】
（３）横転状態からの起き上がり
脚式移動ロボット１００が横転した姿勢から直接起き上がることが困難であっても、例えば、横転姿勢からうつ伏せ又は仰向けなど起き上がり動作が可能な状態に一旦変換することによって、上述したいずれかの動作パターンに従って転倒状態から直立状態まで復帰することが可能である。ここでは、横転状態からうつ伏せ状態に自律的に変換するための動作手順について説明する。本明細書で扱う横転状態は左右対称であると理解されたい（以下同様）。
【０１４４】
図２１〜図２６には、本実施例に係る脚式移動ロボット１００が横転状態から起き上がるための動作パターンの一例を図解している。この起き上がり動作パターンは、基本的には、体幹部ヨー軸まわりの可動部を利用することで転倒姿勢をうつ伏せ状態に変化させるものである。
【０１４５】
図２１には、脚式移動ロボット１００が横転姿勢で床面に転倒した直後の状態を示している。このような転倒状態で、主制御部８０は、姿勢センサ９３などの各センサ出力を基にして、通常の姿勢を逸脱して転倒に至ったことを検出し又は判定する。
【０１４６】
図２２では、自身が横転していると判断した脚式移動ロボット１００が、うつ伏せ姿勢に移行するための動作パターンを開始した様子を示している。より具体的には、左肩関節のピッチ軸アクチュエータＡ８等を変位させて、左腕部を体前面側に移動させて、重心Ｇの変位を試みている。
【０１４７】
図２３では、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７を回転させて、上体をうつ伏せの姿勢に近付けている。また、同時に左股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７を変位させて、左腕部全体を体前面側に移動させて、重心Ｇを紙面手前側に移動させている。
【０１４８】
図２４では、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７と左股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７の回転を継続させた結果として、左腕部が着床し、さらにうつ伏せの姿勢に近付いている。
【０１４９】
図２５では、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７と左股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７の回転を継続させた結果として重心Ｇが安定を失う。この結果、脚式移動ロボット１００の体全体が紙面手前側に倒れ込み、左脚部が着床する。上体のうつ伏せ姿勢への移行は相当程度進行している。
【０１５０】
図２６では、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７と左股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７の回転を継続させた結果として、脚式移動ロボット１００がうつ伏せ姿勢に完全に移行している。この姿勢からは、例えば図８〜図１３を参照しながら既に説明したような動作パターンに従って、脚式移動ロボット１００は自律的に（すなわち外部からの物理的な補助なしに）起き上がることができる。
【０１５１】
図２１〜図２６を参照しながら説明した例では、主に体幹ヨー軸アクチュエータＡ７の駆動を利用してうつ伏せ姿勢に移行する動作パターンを説明してきた。これ以外にも、体幹ロール軸アクチュエータＡ６の駆動をさらに利用する（より具体的には、体幹ヨー軸の前に体幹ロール軸を変位させる）ことによって、より円滑な姿勢移行を実現することができる。体幹ロール軸アクチュエータＡ６及び体幹ヨー軸アクチュエータＡ７を併用して横転状態からうつ伏せ姿勢に移行する動作パターンについて、図２７及び図２８を参照しながら説明しておく。
【０１５２】
図２７では、体幹ロール軸を回転させることで、脚部のみで着床している姿勢を形成する。このような姿勢では、右肩部での接地反力が軽減され、上体を離床させることができる。
【０１５３】
図２８では、次いで体幹ヨー軸アクチュエータＡ７を回転させる。体幹ロール軸アクチュエータＡ６を既に変位させているので、体幹ヨー軸アクチュエータＡ７の駆動に要するトルクが軽減される。また、脚式移動ロボット１００全体の姿勢変化も少なくすることができる。この結果、横転姿勢からうつ伏せ姿勢に移行するために消耗するエネルギすなわちバッテリ容量を節約することができる。
【０１５４】
上述したような２通りの動作パターンを適用することによって、脚式移動ロボット１００を横転状態からうつ伏せ姿勢を形成することができる。図８に示すようなうつ伏せ状態を一旦形成することができれば、上述したように図９〜図１３に示すような一連の起き上がり動作パターンに従い、脚式移動ロボット１００は自律的に（すなわち物理的な補助なしに）直立状態まで復帰することができる。
【０１５５】
なお、腕部、足部等が自由に動作することができる状態であれば、それら動作の合力の反力を用いて、体幹部ヨー軸まわりの高速な動作を生み出すことができる。しかしながら、一般的な脚式移動ロボットが転倒した状態を想定すると、このような「弾み」を用いるような手法は確実性に乏しく、また、移動速度を制御しにくいため、ロボット自身の保全や周囲環境への悪影響も懸念される。転倒という正常を逸脱した状態であることも勘案すると、上述したような低速であるが確実に姿勢を変化させていく動作パターンがより好ましいと思料する。
【０１５６】
（４）仰向け状態からの起き上がり
図２９〜図３４には、本実施例に係る脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がる動作の他の例を図解している。図１４〜図２０を参照しながら説明した上述の例では、脚式移動ロボット１００が体前面方向に向かって起き上がる動作パターンを紹介したが、ここでは、仰向けの姿勢から一旦横転して他の姿勢に移行してから起き上がる動作パターンについて説明する。
【０１５７】
図２９には、脚式移動ロボット１００が仰向けの姿勢で床面に転倒した直後の状態を示している。このような転倒状態で、主制御部８０は、姿勢センサ９３などの各センサ出力を基にして、通常の姿勢を逸脱して転倒に至ったことを検出し又は判定する。この例では、さらに、一旦横転姿勢に移行し、さらにうつ伏せ姿勢に移行してから起き上がる動作パターンを選択したものとする。
【０１５８】
図３０では、両足部と背面部が着床した状態のままで、両股関節ヨー軸アクチュエータＡ１６を回転させることで、相対的に上体部を回転したい方向に捻る。同時に、右肩関節のピッチ軸アクチュエータＡ８を回転させることで、上体部と床面との干渉を避け、また、左肩関節のピッチ軸アクチュエータＡ８を回転させることで、該捻り方向への重心移動を促進している。
【０１５９】
図３１では、左足部を着床させたままの状態で、右股関節ヨー軸アクチュエータＡ１６を回転させて、右脚部全体をさらに該捻り方向に回転させる。また、同時に左肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ８と体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７を回転させることで、重心を所定方向に移動させる。
【０１６０】
図３２では、さらに、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７を回転させて、上体部の回転をほぼ終了し、同時に右腕部での着床を確保する。
【０１６１】
図３３では、主に右股関節ヨー軸アクチュエータＡ１６を回転させて、腰部を所定の回転方向に捻ることで、捻り運動の円滑化を図る。
【０１６２】
図３４では、ほぼ横転姿勢への移行が完了した状態を示している。体幹部ロール軸アクチュエータＡ６をさらに回転させることで、捻り運動を促進することができ、さらに横転姿勢からうつ伏せ姿勢へと円滑に移行させることができる。
【０１６３】
仰向け姿勢から横転姿勢へ、さらに横転姿勢からうつ伏せ姿勢へ移行する動作パターンをサポートすることにより、脚式移動ロボット１００は、うつ伏せ状態からの起き上がり動作を持つだけで、任意の転倒状態から自律的に起き上がることが可能となる。
【０１６４】
なお、図３４から始まり図２９で終わるような上述とは逆向きの動作パターンを実行することにより、図２１に示すような横転した状態から図２９に示すような仰向けの状態に移行することも可能である。
【０１６５】
また、仰向け状態から横転状態へ、横転状態からうつ伏せ状態へ、という姿勢の移行を繰り返し実行することにより、脚式移動ロボット１００は、転倒したままの状態で床面すなわち平面上の移動を行うことも可能である。例えば、転倒した弾みで上部に障害物がある（あるいは天井が低い場所）に入り込んでしまったような場合であっても、転倒状態でかかる平面的な移動を行うことにより、上部に障害物がない場所まで移動することができる。
【０１６６】
［追補］
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。
【０１６７】
本明細書中では、２足による脚式移動を行う脚式移動ロボット１００についての転倒時の起き上がり動作の代表例を説明してきたが、起き上がりの動作パターンは、添付図面に示したものには限定されない。機体の性能や状態、あるいは周囲の状態・環境などによって望ましい起き上がり動作パターンは変動し得ると理解されたい。
【０１６８】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈されるべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【０１６９】
なお、本発明の要旨を判断する上で、２足歩行の脚式移動ロボット１００についての関節等の呼び名は、図３を厳格に適用するのは妥当ではなく、現実のヒトやサルなどの２足直立歩行動物の身体メカニズムとの対比により柔軟に解釈されたい。
【０１７０】
参考のため、脚式移動ロボットの関節モデル構成を図４９に図解しておく。同図に示す例では、肩関節５から上腕、肘関節６、前腕、手首７及び手部８からなる部分を「上肢」と呼ぶ。また、肩関節５から股関節１１までの範囲を「体幹部」と呼び、ヒトの胴体に相当する。また、体幹部のうち特に股関節１１から体幹関節１０までの範囲を「腰部」と呼ぶ。体幹関節１０は、ヒトの背骨が持つ自由度を表現する作用を有する。また、股関節１１より下の大腿部１２、膝関節１４、下腿部１３、足首１５及び足部１６からなる部分を「下肢」と呼ぶ。一般には、股関節より上方を「上体」と呼び、それより下方を「下体」と呼ぶ
【０１７１】
なお、図４９で用いた参照番号は、図５など本明細書中で参照されたその他の図面とは一致しない点を理解されたい。
【０１７２】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、歩行動作など作業の最中に転倒してしまった場合であっても自力で起き上がることができる、優れた脚式移動型ロボット及びその制御メカニズムを提供することができる。
【０１７３】
また、本発明によれば、転倒してしまい様々な姿勢若しくは格好で横たわっている場合であっても自律的に起き上がり、転倒により中断した作業を自動的に再開することができる、優れた脚式移動型ロボット及びその制御方法メカニズムを提供することができる。
【０１７４】
また、本発明によれば、うつ伏せ、仰向け、横向きなど様々な転倒姿勢からも自律的に確実且つ円滑に起き上がることができる、優れた脚式移動型ロボット及びその制御メカニズムを提供することができる。
【０１７５】
本発明により、脚式移動ロボットの転倒姿勢からの復帰すなわち起き上がり動作が容易になる。また、起き上がり動作時における体幹部以外の可動部への負担や要求トルクが軽減される。また、荷重負担を各可動部間で分散・平均化することで、特定部位への集中荷重を回避することができる。この結果、ロボット運用の信頼性を向上するとともに、起き上がり動作期間中のエネルギー効率が向上する。
【０１７６】
また、本発明に係る脚式移動ロボットによれば、複数の転倒姿勢を順次移行させることにより、より容易な起き上がり動作を選択的に実行することができる。
【０１７７】
また、本発明に係る脚式移動ロボットによれば、複数の転倒姿勢を順次繰り返すことにより、起き上がることなく平面的な移動を実現することができる。この結果、より容易に立ち上がることができる場所まで移動してから起き上がり動作を実行することができる。
【０１７８】
また、本発明に係る脚式移動ロボットによれば、転倒姿勢を変化させることができるので、サポートしなければならない起き上がり動作パターンの種類や数を低減することができる。
【０１７９】
例えば、ロボットがあらかじめ起き上がり動作パターンを用意しておくような場合、動作パターン数の減少により開発期間の短縮や開発コストの軽減が可能となる。また、動作パターン数の減少により、ハードウエアの負担も軽減されるので、その分システムの向上が見込まれる。
【０１８０】
また、ロボットが状況に応じた動作パターンを自律的に生成するような場合には、生成すべき動作パターン数が減少することにより、ロボット自体に搭載すべき演算装置の負担が軽減され、装置製作コストの削減や、ロボット運転時における信頼性の向上などが見込まれる。
【０１８１】
また、本発明に係る脚式移動ロボットによれば、転倒姿勢を変化させることで起き上がり動作パターンを限定することができる。この結果、起き上がり動作のために必要な各アクチュエータの出力トルクや動作範囲などへの要求が軽減される。この結果、設計の自由度が向上するとともに、開発期間の短縮や製作コストの削減などを実現することができる。
【０１８２】
また、転倒姿勢を変化させることで起き上がり方法を限定することができるので、起き上がり動作期間中におけるロボットの消費電力を節約し、バッテリなどの供給電源への負荷を少なくすることができる。この結果、バッテリ駆動時間が延長し、１回の充電でより長時間の連続運転が可能となり、ロボットの作業時間、作業空間、作業内容等が拡大する。また、必要な場って利用料も低減するので、バッテリの小型・軽量化が可能となり、設計の自由度が向上する。また、バッテリの要求しようが軽減するので、バッテリ単価を安価に抑え、システム全体の製作コストや運転コストを節約することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に供される脚式移動ロボット１００を前方から眺望した様子を示た図である。
【図２】本発明の実施に供される脚式移動ロボット１００を後方から眺望した様子を示た図である。
【図３】脚式移動ロボット１００の体幹部の構成を拡大して描いた図（前方斜視図）である。
【図４】脚式移動ロボット１００の体幹部の構成を拡大して描いた図（後方斜視図）である。
【図５】本実施例に係る脚式移動ロボット１００が具備する自由度構成モデルを模式的に示した図である。
【図６】本実施例に係る脚式移動ロボット１００の制御システム構成を模式的に示した図である。
【図７】脚式移動ロボット１００の転倒時における動作手順を概略的に示したフローチャートである。
【図８】脚式移動ロボット１００がうつ伏せ状態から起き上がるための一連の動作を示した図であり、より具体的には、脚式移動ロボット１００がうつ伏せの姿勢で床面に転倒した直後の状態を描写した図である。
【図９】脚式移動ロボット１００がうつ伏せ状態から起き上がるための一連の動作を描写した図であり、より具体的には、うつ伏せの転倒姿勢において脚式移動ロボット１００が起き上がり動作を開始した様子を描写した図である。
【図１０】脚式移動ロボット１００がうつ伏せ状態から起き上がるための一連の動作を描写した図であり、より具体的には、両肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ８、体幹部ピッチ軸アクチュエータＡ５、股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７の各変位をさらに大きくすることで、重心位置をさらに上方に持ち上げている様子を描写した図である。
【図１１】脚式移動ロボット１００がうつ伏せ状態から起き上がるための一連の動作を描写した図であり、より具体的には、腕部及び脚部各々の着床部分の距離をさらに短くして、この結果、重心Ｇを足平の上方すなわち姿勢安定領域内に完全に収容させていく様子を描写した図である。
【図１２】脚式移動ロボット１００がうつ伏せ状態から起き上がるための一連の動作を描写した図であり、より具体的には、腕部の先端を床面から離すとともに、両膝部ピッチ軸アクチュエータＡ１９を駆動して脚部を伸展することによって、重心Ｇをさらに上方に持ち上げていく様子を描写した図である。
【図１３】脚式移動ロボット１００がうつ伏せ状態から起き上がるための一連の動作を描写した図であり、より具体的には、さらに重心Ｇを上方に持ち上げて、直立姿勢に近づいていく様子を示した図である。
【図１４】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がるための一連の動作を示した図であり、より具体的には、脚式移動ロボット１００が仰向けの姿勢で床面に転倒した直後の状態を描写した図である。
【図１５】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がるための一連の動作を示した図であり、より具体的には、転倒後、転倒姿勢を判断した脚式移動ロボット１００が、仰向け姿勢からの起き上がり動作を開始した様子を描写した図である。
【図１６】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がるための一連の動作を示した図であり、より具体的には、腰部が着床した状態でさらに両股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７、両膝部ピッチ軸アクチュエータＡ１９、両足首ピッチ軸アクチュエータＡ２０を動作させて、両足平の足底で着床する姿勢の準備を行う様子を描写した図である。
【図１７】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がるための一連の動作を示した図であり、より具体的には、体幹ピッチ軸アクチュエータＡ５を変位させると同時に、腕部と脚部各々の着床部分の距離を短くしていくことで、重心Ｇの位置を上方に持ち上げていく様子を描写した図である。
【図１８】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がるための一連の動作を示した図であり、より具体的には、腕部と脚部各々の着床部分の距離を短くすることで、ＺＭＰを極力足部に寄せて、腕部と腰部を離床させる様子を描写した図である。
【図１９】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がるための一連の動作を示した図であり、より具体的には、伸展した姿勢を形成することによって、重心Ｇの位置をさらに持ち上げる様子を描写した図である。
【図２０】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がるための一連の動作を示した図であり、より具体的には、さらに脚部を伸展させることで重心Ｇを上方に持ち上げて、直立姿勢に近づいていく様子を描写した図である。
【図２１】脚式移動ロボット１００が横転状態から起き上がるための動作パターンの一例を示した図であり、より具体的には、脚式移動ロボット１００が横転した姿勢で床面に転倒した直後の状態を描写した図である。
【図２２】脚式移動ロボット１００が横転状態から起き上がるための動作パターンの一例を示した図であり、より具体的には、横転していると判断した脚式移動ロボット１００が、うつ伏せ姿勢に移行するための動作パターンを開始した様子を描写した図である。
【図２３】脚式移動ロボット１００が横転状態から起き上がるための動作パターンの一例を示した図であり、より具体的には、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７を回転させて、上体をうつ伏せの姿勢に近付けている様子を描写した図である。
【図２４】脚式移動ロボット１００が横転状態から起き上がるための動作パターンの一例を示した図であり、より具体的には、左腕部が着床して、さらにうつ伏せの姿勢に近付いている様子を描写した図である。
【図２５】脚式移動ロボット１００が横転状態から起き上がるための動作パターンの一例を示した図であり、より具体的には、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７と左股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７の回転を継続させた結果として脚式移動ロボット１００の体全体が紙面手前側に倒れ込み、左脚部が着床する様子を描写した図である。
【図２６】脚式移動ロボット１００が横転状態から起き上がるための動作パターンの一例を示した図であり、より具体的には、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７と左股関節ピッチ軸アクチュエータＡ１７の回転を継続させた結果としてうつ伏せ姿勢に完全に移行した様子を描写した図である。
【図２７】脚式移動ロボット１００が横転状態から起き上がるための動作パターンの一例を示した図であり、より具体的には、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７及び体幹ロール軸アクチュエータＡ６の駆動を併用することで、横転状態からうつ伏せ姿勢に円滑に移行する様子を描写した図である。
【図２８】脚式移動ロボット１００が横転状態から起き上がるための動作パターンの一例を示した図であり、より具体的には、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７及び体幹ロール軸アクチュエータＡ６の駆動を併用することで、横転状態からうつ伏せ姿勢に円滑に移行する様子を描写した図である。
【図２９】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がる動作パターンの他の例を示した図であり、より具体的には、脚式移動ロボット１００が仰向けの姿勢で床面に転倒した直後の状態を描写した図である。
【図３０】脚式移動１００が仰向け状態から起き上がる動作パターンの他の例を示した図であり、より具体的には、両股関節ヨー軸アクチュエータＡ１６を回転させることで、相対的に上体部を回転したい方向に捻るとともに、左右各関節のピッチ軸の回転により捻り方向へ重心を移動させている様子を描写した図である。
【図３１】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がる動作パターンの他の例を示した図であり、より具体的には、右股関節ヨー軸アクチュエータＡ１６を回転させて、右脚部全体をさらに該捻り方向に回転させるとともに、右股関節ヨー軸アクチュエータＡ１６を回転させて、右脚部全体をさらに該捻り方向に回転させる様子を描写した図である。
【図３２】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がる動作パターンの他の例を示した図であり、より具体的には、体幹部ヨー軸アクチュエータＡ７を回転させて右腕部での着床を確保する様子を描写した図である。
【図３３】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がる動作パターンの他の例を示した図であり、より具体的には、主に右股関節ヨー軸アクチュエータＡ１６を回転させて、腰部を所定の回転方向に捻ることで、捻り運動の円滑化を図る様子を描写した図である。
【図３４】脚式移動ロボット１００が仰向け状態から起き上がる動作パターンの他の例を示した図であり、より具体的には、脚式移動ロボット１００がほぼ横転姿勢への移行が完了した状態を描写した図である。
【図３５】２足による直立歩行を行う脚式移動ロボット（従来例）の外観構成を示した図である。
【図３６】図３５に示した脚式移動ロボットが直立している様子を描写した図（従来例）である。
【図３７】図３５に示した脚式移動ロボットが歩行を行う様子を描写した図（従来例）であり、より具体的には左右の脚を交互に立脚と遊脚に切り替える様子を描いた図である。
【図３８】図３５に示した脚式移動ロボットがうつ伏せ姿勢で転倒した状態を示した図（従来例）である。
【図３９】図３５に示した脚式移動ロボットがうつ伏せ姿勢で転倒した状態から起き上がる動作パターンを示した図であり、より具体的には、着床中の腕部及び脚部の相対的距離を近付けることにより、ロボットの重心を持ち上げていく様子を示した図（従来例）である。
【図４０】図３５に示した脚式移動ロボットがうつ伏せ姿勢で転倒した状態から起き上がる動作パターンを示した図であり、より具体的には、ロボットの重心を持ち上げていく最中に足部を前方に移動させる様子を示した図（従来例）である。
【図４１】図３５に示した脚式移動ロボットがうつ伏せ姿勢で転倒した状態から起き上がる動作パターンを示した図であり、より具体的には、脚式移動ロボットのＺＭＰを姿勢安定領域内に移動させて、腕部を離床させる様子を示した図（従来例）である。
【図４２】図３５に示した脚式移動ロボットがうつ伏せ姿勢で転倒した状態から起き上がる動作パターンを示した図であり、より具体的には、脚式移動ロボットが腕部を離床させた後、さらに脚部を伸展させて起き上がり動作が完結する様子を示した図（従来例）である。
【図４３】図３５に示した脚式移動ロボットが仰向け姿勢で転倒した状態を示した図（従来例）である。
【図４４】図３５に示した脚式移動ロボットが仰向け姿勢で転倒した状態から起き上がる動作パターンを示した図であり、より具体的には、脚部と腕部で床面に接地する姿勢をとることで、重心を上方に持ち上げる様子を示した図（従来例）である。
【図４５】図３５に示した脚式移動ロボットが仰向け姿勢で転倒した状態から起き上がる動作パターンを示した図であり、より具体的には、脚式移動ロボットが着床している足部と腕部との相対的距離を徐々に小さくしていく様子を示した図（従来例）である。
【図４６】図３５に示した脚式移動ロボットが仰向け姿勢で転倒した状態から起き上がる動作パターンを示した図であり、より具体的には、脚式移動ロボットの重心位置を足部着床領域上空まで移動する様子を示した図（従来例）である。
【図４７】図３５に示した脚式移動ロボットが仰向け姿勢で転倒した状態から起き上がる動作パターンを示した図であり、より具体的には、脚式移動ロボットが腕部を離床させた後、さらに脚部を伸展させて起き上がり動作が完結する様子を示した図（従来例）である。
【図４８】脚式移動ロボットが仰向け姿勢からの起き上がる途中で動作進行が不能になった様子を示した図（従来例）である。
【図４９】脚式移動ロボットについての関節モデル構成の一例を模式的に示した図である。
【符号の説明】
１…頭部，２…首関節ヨー軸
３…首関節ピッチ軸，４…首関節ロール軸
５…体幹ピッチ軸，６…体幹ロール軸
７…体幹ヨー軸，８…肩関節ピッチ軸
９…肩関節ロール軸，１０…上腕ヨー軸
１１…肘関節ピッチ軸，１２…前腕ヨー軸
１３…手首関節ピッチ軸，１４…手首関節ロール軸
１５…手部，１６…股関節ヨー軸
１７…股関節ピッチ軸，１８…股関節ロール軸
１９…膝関節ピッチ軸，２０…足首関節ピッチ軸
２１…足首関節ロール軸，２２…足部（足底）
３０…頭部ユニット，４０…体幹部ユニット
５０…腕部ユニット，５１…上腕ユニット
５２…肘関節ユニット，５３…前腕ユニット
６０…脚部ユニット，６１…大腿部ユニット
６２…膝関節ユニット，６３…脛部ユニット
８０…制御ユニット，８１…主制御部
８２…周辺回路
９１，９２…接地確認センサ
９３…姿勢センサ
１００…脚式移動ロボット
Claims (14)
- 少なくとも体幹部と、前記体幹部に接続された、腕部、及び足部を有する脚部を備えた移動ロボット装置であって、
前記移動ロボット装置を制御する制御手段と、
前記腕部又は前記脚部を駆動する第１の駆動手段と、
前記体幹部に設けられたピッチ軸回りの体幹可動部と、
前記体幹可動部を駆動する第２の駆動手段とを備え、
前記制御手段は、前記移動ロボット装置が転倒した際に、前記の各駆動手段を制御することにより、前記移動ロボット装置のＺＭＰを前記足部が床面と着床している足部着床領域に向かって移動させながら起き上がり動作を行なう、
ことを特徴とする移動ロボット装置。 - 前記制御手段は、前記移動ロボット装置が転倒した際に、少なくとも前記体幹部を屈曲することで、前記移動ロボット装置のＺＭＰを前記足部が床面と着床している足部着床領域に向かって移動させながら起き上がり動作を行なう、
ことを特徴とする請求項１に記載の移動ロボット装置。 - 前記制御手段は、前記移動ロボット装置が転倒した際に、前記腕部が床面に着床する部分と前記脚部が床面に着床する部分との間の距離を短くし、且つ、前記体幹部を屈曲することで、前記移動ロボット装置のＺＭＰを前記足部が床面と着床している足部着床領域に向かって移動させながら起き上がり動作を行なう、
ことを特徴とする請求項１に記載の移動ロボット装置。 - 前記移動ロボット装置の転倒時の姿勢を判断する手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記移動ロボット装置が転倒した際の姿勢に応じた手順により前記移動ロボット装置のＺＭＰを上記足部が床面と着床している足部着床領域に向かって移動させながら起き上がり動作を行なう、
ことを特徴とする請求項１に記載の移動ロボット装置。 - 前記制御手段は、前記移動ロボット装置が転倒した際の姿勢がうつ伏せの場合は、前記腕部が床面と着床する部分と前記脚部が床面と着床する部分との間の距離を短くし、且つ前記膝部と前記体幹部を屈曲することで前記膝部を前記腕部の間に挿入することにより、前記移動ロボット装置のＺＭＰを上記足部が床面と着床している足部着床領域に向かって移動させながら起き上がり動作を行なう、
ことを特徴とする請求項４に記載の移動ロボット装置。 - 前記制御手段は、前記移動ロボット装置が転倒した際の姿勢が仰向けの場合は、前記腕部が床面と着床する部分と前記脚部が床面と着床する部分との間の距離を短くし、且つ前記膝部と前記体幹部を屈曲することで前記移動ロボット装置が前傾した姿勢を形成することにより前記移動ロボット装置のＺＭＰを前記足部が床面と着床している足部着床領域に移動させながら起き上がり動作を行なう、
ことを特徴とする請求項４に記載の移動ロボット装置。 - 少なくとも体幹部と、前記体幹部に接続された、腕部、及び足部を有する脚部を備えた移動ロボット装置であって、
前記移動ロボット装置を制御する制御手段と、
前記腕部又は前記脚部を駆動する駆動手段を備え、
前記制御手段は、前記移動ロボット装置が転倒した際に、前記駆動手段を制御することにより、前記移動ロボット装置のＺＭＰを前記足部が床面と着床している足部着床領域に移動させながら起き上がり動作を行なう、
ことを特徴とする移動ロボット装置。 - 少なくとも体幹部と、前記体幹部に接続された、腕部、及び足部を有する脚部を備えた移動ロボット装置の制御方法であって、前記体幹部はピッチ軸回りの体幹可動部を備え、前記移動ロボット装置が転倒した際に、
前記移動ロボット装置のＺＭＰを前記足部が床面と着床している足部着床領域に向かって移動させる第１のステップと、
前記移動ロボット装置のＺＭＰが前記足部着床領域に到達した時点で前記体幹部を床面から上昇させる動作を行なう第２のステップと、
を具備することを特徴とする移動ロボット装置の制御方法。 - 前記第１のステップでは、少なくとも前記体幹部を屈曲することで、前記移動ロボット装置のＺＭＰを前記足部が床面と着床している足部着床領域に向かって移動させる、
ことを特徴とする請求項８に記載の移動ロボット装置の制御方法。 - 前記第１のステップでは、前記腕部が床面に着床する部分と前記脚部が床面に着床する部分との間の距離を短くし、且つ、前記体幹部を屈曲することで、前記移動ロボット装置のＺＭＰを前記足部が床面と着床している足部着床領域に向かって移動させる、
ことを特徴とする請求項８に記載の移動ロボット装置の制御方法。 - 前記移動ロボット装置の転倒時の姿勢を判断するステップをさらに備え、
前記第１のステップでは、前記移動ロボット装置が転倒した際の姿勢に応じた手順により前記移動ロボット装置のＺＭＰを上記足部が床面と着床している足部着床領域に向かって移動させる、
ことを特徴とする請求項８に記載の移動ロボット装置の制御方法。 - 前記第１のステップでは、前記移動ロボット装置が転倒した際の姿勢がうつ伏せの場合は、前記腕部が床面と着床する部分と前記脚部が床面と着床する部分との間の距離を短くし、且つ前記膝部と前記体幹部を屈曲することで前記膝部を前記腕部の間に挿入することにより、前記移動ロボット装置のＺＭＰを上記足部が床面と着床している足部着床領域に向かって移動させる、
ことを特徴とする請求項１１に記載の移動ロボット装置の制御方法。 - 前記第１のステップでは、前記移動ロボット装置が転倒した際の姿勢が仰向けの場合は、前記腕部が床面と着床する部分と前記脚部が床面と着床する部分との間の距離を短くし、且つ前記膝部と前記体幹部を屈曲することで前記移動ロボット装置が前傾した姿勢を形成することにより前記移動ロボット装置のＺＭＰを前記足部が床面と着床している足部着床領域に移動させる、
ことを特徴とする請求項１１に記載の移動ロボット装置の制御方法。 - 少なくとも体幹部と、前記体幹部に接続された、腕部、及び足部を有する脚部を備えた移動ロボット装置の制御方法であって、前記移動ロボット装置が転倒した際に、
前記移動ロボット装置のＺＭＰを前記足部が床面と着床している足部着床領域に向かって移動させる第１のステップと、
前記移動ロボット装置のＺＭＰが前記足部着床領域に到達した時点で前記体幹部を床面から上昇させる動作を行なう第２のステップと、
を具備することを特徴とする移動ロボット装置の制御方法。
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