JP3558220B2 - ロボット装置に用いられる手部装置及びロボット装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多数の関節自由度を持つ脚式移動ロボットに係り、特に、手の甲に多関節で湾曲可能な指が装備されて指先動作を行なう脚式移動ロボット並びにロボットの手の甲構造に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、起き上がりや転倒動作時において手先で機体の体重を支持可能な脚式移動ロボット並びにロボットの手の甲構造に関する。
【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、イヌやネコのように４足歩行の動物の身体メカニズムやその動作を模したペット型ロボット、あるいは、ヒトのような２足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた「人間形」若しくは「人間型」と呼ばれるロボット（ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ）など、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。
【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】
脚式移動ロボットの用途の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・難作業の代行などである。
【０００７】
また、脚式移動ロボットの他の用途として、上述の作業支援というよりも、生活密着型、すなわち人間との「共生」あるいは「エンターティンメント」という用途が挙げられる。この種のロボットは、ヒトあるいはイヌ（ペット）、クマなどの比較的知性の高い脚式歩行動物の動作メカニズムや四肢を利用した豊かな感情表現を忠実に再現する。また、あらかじ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、ユーザ（あるいは他のロボット）から受ける言葉や態度（「褒める」とか「叱る」、「叩く」など）に対して動的に対応した、生き生きとした応答表現を実現することも要求される。
【０００８】
従来の玩具機械は、ユーザ操作と応答動作との関係が固定的であり、玩具の動作をユーザの好みに合わせて変更することはできない。この結果、ユーザは同じ動作しか繰り返さない玩具をやがては飽きてしまうことになる。これに対し、インテリジェントなロボットは、対話や機体動作などからなる行動を自律的に選択することから、より高度な知的レベルでリアリスティックなコミュニケーションを実現することが可能となる。この結果、ユーザはロボットに対して深い愛着や親しみを感じる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
脚式移動ロボットは、胴体部分の左右に均等な可動脚が取り付けられた構造を装備し、人間の住空間で最低限の作業を行うことができる。さらに、作業空間内での物体の把持や特定の対象物の操作、あるいは上半身を用いたジェスチャやダンスなど、より高度な機能や行動を行なう。このとき、上肢の先端の手部において指先動作を備えていれば、表現力がさらに増すであろう。勿論、コップやその他の物理オブジェクトを把持したりするためにも、指先動作は必要になる。
【００１０】
多関節湾曲機構は、一般に、可動軸毎にアクチュエータを配設することにより設計・製作される。このため、指のように細長く、且つ、各関節間を接続するリンクの間隔が極めて短い部位の場合には、関節機構が大型で複雑になってしまい、指らしくなくなってしまう。
【００１１】
そこで、本出願人に既に譲渡されている特願２００１−１８９７６４号明細書には、ロボットの指などに適用することができる多関節湾曲機構について提案されている。同明細書に記載の多関節湾曲機構は、入力側のギアと出力側のギアを含む複数個のギアを歯合させて回転可能に支持するリンクどうしを連結させて構成される。各リンクは奇数個のギアを歯合させて回転可能に支持し、入力端のギアに印加された回転方向と同じ回転方法で出力端のギアが回転するように構成されている。隣接するリンクの間では、一方のリンクにおける出力側のギアと他方のリンクにおける入力側のギアとを共有しており、該共有されたギアの回転軸は多関節湾曲機構の関節自由度を構成する。
【００１２】
このような小型且つ軽量に製作することが可能な多関節湾曲機構を用いることにより、ヒューマノイドなどの脚式移動ロボットの手部に複数本（５本）の可動指を装備することができる。
【００１３】
しかしながら、この種の小型部品は曲げや捻じり、衝撃荷重のような外力に対する耐久性能に欠ける。特に指は手先に配置されることから、機体の転倒・落下時などにおいて外力が印加され易く、破損したり、あるいは部品の変形などにより作動しなくなってしまうと意味がない。
【００１４】
例えば、２足歩行の脚式移動ロボットがうつ伏せ状態などの床上姿勢から立ち上がろうとするとき、足底などの機体の接地点と路面の形成する支持多角形をより小さな格好にすることにより、機体を持ち上げる際の外力モーメントの発生量を低減することができ、より低トルクで起き上がり動作を行なうことができると本発明者らは思料する。このように床上姿勢においてより小さな支持多角形を形成する最良の方法は、手先を使うこと、例えば手先を床に着いて状態を起こすことである。ところが、小型部品によって構成される指先がロボットの機体全体を支えるような剛性を持つことはほとんど不可能に等しい。
【００１５】
このため、手先を床面に着いて自重を支えて効率的な起き上がり動作を実現できるようにするために指動作を諦めるか、あるいは、指動作機能を装備する代わりに、高い負荷を要する手先を用いた作業を行なわないようにするか、機体設計時にいずれか一方を選択する他ない。
【００１６】
また、腕を伸ばすことにより、実際の脚式移動により到達する以前に手が届く。例えば、人間は、腕を伸ばして手で触れたりすることにより、目で見ただけでは判明することができないさまざまな外部環境を取得することができる。これに対し、ロボットの多くは、腕や手は、機体動作の実現手段以外に、このような外部環境情報を取得する機能を備えておらず、その潜在的な能力や用途を充分に活用し切れていない。
【００１７】
本発明は上述したような技術的課題を鑑みたものであり、その目的は、手の甲に多関節で湾曲可能な指が装備されて指先動作を行なうことができる、優れた脚式移動ロボット並びにロボットの手の甲構造を提供することにある。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、起き上がりや転倒動作時において手先で機体の体重を支持可能で、効率的な起き上がり・転倒動作を行なうことができる、優れた脚式移動ロボット並びにロボットの手の甲構造を提供することにある。
【００１９】
本発明のさらなる目的は、腕や手が機体動作の実現以外に外部環境情報を取得する機能を備えた、優れた脚式移動ロボット並びにロボットの手の甲構造を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、指先動作を行なう脚式ロボットであって、
１以上の腕部と、
前記腕部の略先端に配設された手の甲形状の支持フレームと、
前記支持フレーム上に取り付けられた１以上の指とを備え、
前記の各指は伸張状態と手の平の内側に湾曲した湾曲状態を持ち、少なくとも湾曲状態では支持フレームの輪郭内に収容される、
ことを特徴とする脚式ロボットである。
【００２１】
前記支持フレームは、前記脚式ロボットの自重に耐える強度並びに剛性を備えている。したがって、脚式移動ロボットが床面に手を突く又は手で機体を支える動作を実行時には、各指を手の平内側に向かって湾曲させて、手の甲すなわち支持フレームの輪郭の内側に収容する。この結果、床面に手を突く又は手で機体を支える動作においては、支持フレームによって機体の自重を支えることができ、指先を傷付けることはなくなる。
【００２２】
また、前記支持フレームの略先端縁の着床部位に接地路面の状況に適応した摩擦係数を持つ路面条件適応部を配設することにより、起き上がり動作を路面条件に対して汎用性を与えることができる。
【００２３】
また、前記手の甲の略先端に測距センサを備えていてもよい。この測距センサは、例えば赤外光を利用したＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）などの素子で構成することができる。例えば、左右の手先に搭載された測距センサの出力に３次元画像処理を行なうことによって、外部環境下の物体までの距離を測定することができる。
【００２４】
手先にセンサを配置する利点として、腕が持つ自由度を用いて、外部環境を探索して障害物までの距離を取得できることが挙げられる。例えば、頭部の目（カメラ）の視野だけでは感知することが困難な、小さな障害物や路面状況などの外部環境を腕の動作で感知することができる。
【００２５】
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形態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。
【００２６】
【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形態について詳解する。
【００２７】
Ａ．脚式移動ロボットの機械的構成
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、胴体部と、頭部と、左右の上肢部と、脚式移動を行う左右２足の下肢部とで構成され、例えば胴体に内蔵されている制御部（図示しない）により機体の動作を統括的にコントロールするようになっている。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
このように構成された脚式移動ロボット１００は、制御部による全身協調的な動作制御により、２足歩行を実現することができる。かかる２足歩行は、一般に、以下に示す各動作期間に分割される歩行周期を繰り返すことによって行われる。すなわち、
【００３１】
（１）右脚を持ち上げた、左脚による単脚支持期
（２）右足が接地した両脚支持期
（３）左脚を持ち上げた、右脚による単脚支持期
（４）左足が接地した両脚支持期
【００３２】
脚式移動ロボット１００における歩行制御は、あらかじめ下肢の目標軌道を計画し、上記の各期間において計画軌道の修正を行うことによって実現される。すなわち、両脚支持期では、下肢軌道の修正を停止して、計画軌道に対する総修正量を用いて腰の高さを一定値で修正する。また、単脚支持期では、修正を受けた脚の足首と腰との相対位置関係を計画軌道に復帰させるように修正軌道を生成する。
【００３３】
歩行動作の軌道修正を始めとして、機体の姿勢安定制御には、一般に、ＺＭＰに対する偏差を小さくするための位置、速度、及び加速度が連続となるように、５次多項式を用いた補間計算により行う。ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）を歩行の安定度判別の規範として用いている。ＺＭＰによる安定度判別規範は、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路面から歩行系への反作用としての床反力並びに床反力モーメントとバランスするという「ダランベールの原理」に基づく。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（すなわちＺＭＰ安定領域）の辺上あるいはその内側にピッチ軸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。
【００３４】
図３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。同図に示すように、脚式移動ロボット１００は、２本の腕部と頭部１を含む上肢と、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た、複数の肢を備えた構造体である。
【００３５】
頭部を支持する首関節（Ｎｅｃｋ）は、首関節ヨー軸１と、第１及び第２の首関節ピッチ軸２Ａ及び２Ｂと、首関節ロール軸３という４自由度を有している。
【００３６】
また、各腕部は、その自由度として、肩（Ｓｈｏｕｌｄｅｒ）における肩関節ピッチ軸４と、肩関節ロール軸５と、上腕ヨー軸６、肘（Ｅｌｂｏｗ）における肘関節ピッチ軸７と、手首（Ｗｒｉｓｔ）における手首関節ヨー軸８と、手部とで構成される。手部は、複数本の指を含む多関節・多自由度構造体であるが、その詳細については後に詳解する。
【００３７】
また、体幹部（Ｔｒｕｎｋ）は、体幹ピッチ軸９と、体幹ロール軸１０という２自由度を有する。
【００３８】
また、下肢を構成する各々の脚部は、股関節（Ｈｉｐ）における股関節ヨー軸１１と、股関節ピッチ軸１２と、股関節ロール軸１３と、膝（Ｋｎｅｅ）における膝関節ピッチ軸１４と、足首（Ａｎｋｌｅ）における足首関節ピッチ軸１５と、足首関節ロール軸１６と、足部とで構成される。
【００３９】
Ｂ．脚式移動ロボットの制御システム構成
図４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、ヒト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）。
【００４０】
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）やメモリ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、電源回路やロボット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。
【００４１】
本発明を実現する上で、この制御ユニット８０の設置場所は特に限定されない。図４では体幹部ユニット４０に搭載されているが、頭部ユニット３０に搭載してもよい。あるいは、脚式移動ロボット１００外に制御ユニット８０を配備して、脚式移動ロボット１００の機体とは有線若しくは無線で交信するようにしてもよい。
【００４２】
図３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１、第１及び第２の首関節ピッチ軸２Ａ及び２Ｂ、首関節ロール軸３の各々を表現する首関節ヨー軸アクチュエータＡ_１、第１及び第２の首関節ピッチ軸アクチュエータＡ_２Ａ、Ａ_２Ｂ、首関節ロール軸アクチュエータＡ_３がそれぞれ配設されている。
【００４３】
また、体幹部ユニット４０には、体幹ピッチ軸９、体幹ロール軸１０の各々を表現する体幹ピッチ軸アクチュエータＡ_９、体幹ロール軸アクチュエータＡ_１０が配備されている。
【００４４】
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４、肩関節ロール軸５、上腕ヨー軸６、肘関節ピッチ軸７、手首関節ヨー軸８の各々を表現する肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ_４、肩関節ロール軸アクチュエータＡ_５、上腕ヨー軸アクチュエータＡ６、肘関節ピッチ軸アクチュエータＡ_７、手首関節ヨー軸アクチュエータＡ_８が配備されている。
【００４５】
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１１、股関節ピッチ軸１２、股関節ロール軸１３、膝関節ピッチ軸１４、足首関節ピッチ軸１５、足首関節ロール軸１６の各々を表現する股関節ヨー軸アクチュエータＡ_１１、股関節ピッチ軸アクチュエータＡ_１２、股関節ロール軸アクチュエータＡ_１３、膝関節ピッチ軸アクチュエータＡ_１４、足首関節ピッチ軸アクチュエータＡ_１５、足首関節ロール軸アクチュエータＡ_１６が配備されている。
【００４６】
各関節に用いられるアクチュエータＡ_１，Ａ_２，Ａ_３…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）で構成することができる。
【００４７】
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が配備されている。
【００４８】
機体の体幹部４０には、加速度センサ９５と姿勢センサ９６が配設されている。加速度センサ９５は、Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸方向に配置する。機体の腰部に加速度センサ９５を配設することによって、質量操作量が大きな部位である腰部を制御目標点として設定して、その位置における姿勢や加速度を直接計測して、ＺＭＰに基づく姿勢安定制御を行なうことができる。
【００４９】
また、各脚部６０Ｒ，Ｌには、接地確認センサ９１及び９２と、加速度センサ９３，９４がそれぞれ配設されている。接地確認センサ９１及び９２は、例えば足底に圧力センサを装着することにより構成され、床反力の有無により足底が着床したか否かを検出することができる。また、加速度センサ９３，９４は、少なくともＸ及びＹの各軸方向に配置する。左右の足部に加速度センサ９３，９４を配設することにより、ＺＭＰ位置に最も近い足部で直接ＺＭＰ方程式を組み立てることができる。
【００５０】
主制御部８０は、各センサ９１〜９３の出力に応答して制御目標をダイナミックに補正することができる。より具体的には、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、及び下肢が協調して駆動する全身運動パターンを実現する。
【００５１】
ロボット１００の機体上での全身運動は、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Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３…に対して駆動制御信号を出力する。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の歩行動作期間中にＺＭＰが動く軌跡を意味する。
【００５２】
また、左右の各手先には、測距センサ９７，９８が装備されている。この測距センサ９７，９８は、例えば赤外光を利用したＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）などの素子で構成されており、主制御部８１がこれらのセンサ出力により３次元画像処理を行なうことによって、外部環境下の物体までの距離を測定することができる。例えば、手の自由度（図３を参照のこと）を用いて、外部環境を探索して障害物までの距離を得たりすることができる。
【００５３】
Ｃ．指部の構造
ロボットが可動指を装備することにより、多彩な指先動作により表現力を増したり、コップやその他の物理オブジェクトを把持したりすることが可能となる。この項では、ロボットの指先として適用することができる多関節湾曲機構について説明する。
【００５４】
図５、図６、及び図７には、本発明の一実施形態に係る多関節湾曲機構が略直線状に伸展した様子をそれぞれ正面、側面、及び斜視した図を示している。同様に、図８、図９、及び図１０には、この多関節湾曲機構が屈曲した様子をそれぞれ正面、側面、及び斜視した図を示している。
【００５５】
各図に示すように、この多関節湾曲機構は、直列的に連結される７個のリンク１１１〜１１７と、この連結されたリンクの終端に連結された末端部１１８とで構成される。また、連結されたリンクの他端には、この多関節湾曲機構に対して湾曲並びに伸展するための駆動力を供給する駆動ユニット１２０が取り付けられている。
【００５６】
各図に示すように、この多関節湾曲機構は、直列的に連結される７個のリンク１１１〜１１７と、この連結されたリンクの終端に連結された末端部１１８とで構成される。また、連結されたリンクの他端には、この多関節湾曲機構に対して湾曲並びに伸展するための駆動力を供給する駆動ユニット１２０が取り付けられている。
【００５７】
駆動ユニット１２０は、電磁気的作用によって回転運動を生じるモータ１２１と、このモータ１２１の回転軸に一体的に取り付けられたピニオン１２２と、ピニオン１２２と歯合して回転軸を直交方向に変換するウォーム・ギア１２３と、ウォーム・ギア１２３から得られる回転力を所定の減速比で減速しながら多関節湾曲機構まで伝達する４個のギア２４〜２７とで構成される。
【００５８】
多関節湾曲機構を構成する各リンク１１１〜１１７は、それぞれ３個若しくは奇数個のギアを回転可能に収容している。隣接する各ギアどうしは歯合している。奇数個のギアで回転力を伝達することにより、入力側のギアと出力側のギアとで回転方向を一致させることができる。また、隣接する各リンク間では、一方の入力側のギアを他方の出力側のギアとして共有することによって、この共有されるギアの回転軸回りの自由度を持つ関節を構成している。
【００５９】
リンク１１１は、３個のギア１３１，１３２，及び１３３を回転可能に直列的に支持している。一端のギア１３１は、駆動ユニット１２０の出力ギア１２７と歯合することによって回転駆動力を入力する。ギア１３１の回転軸は、多関節湾曲機構の第０関節を構成する。そして、ギア１３１とは歯合するギア１３２を経て、ギア１３３に同じ回転方向の回転力が伝達される。
【００６０】
また、リンク１１２は、３個のギア１３３，１３４，及び１３５を回転可能に直列的に支持している。一端のギア１３３は、隣り合うリンク１１１と共有されており、ギア１３３の回転軸は多関節湾曲機構の第１関節を構成する。そして、ギア１３３に印加された回転力は、ギア１３３とは歯合するギア１３４を経て、ギア１３５に同じ回転方向の回転力が伝達される。
【００６１】
また、リンク１１３は、３個のギア１３５，１３６，及び１３７を回転可能に直列的に支持している。一端のギア１３５は、隣り合うリンク１１２と共有されており、ギア１３５の回転軸は多関節湾曲機構の第２関節を構成する。そして、ギア３５に印加された回転力は、ギア３５とは歯合するギア３６を経て、ギア３７に同じ回転方向の回転力が伝達される。
【００６２】
また、リンク１１４は、３個のギア１３７，１３８，及び１３９を回転可能に直列的に支持している。一端のギア１３７は、隣り合うリンク１１３と共有されており、ギア１３７の回転軸は多関節湾曲機構の第３関節を構成する。そして、ギア１３７に印加された回転力は、ギア１３７とは歯合するギア１３８を経て、ギア１３９に同じ回転方向の回転力が伝達される。
【００６３】
また、リンク１１５は、３個のギア１３９，１４０，及び１４１を回転可能に直列的に支持している。一端のギア１３９は、隣り合うリンク１１４と共有されており、ギア１３９の回転軸は多関節湾曲機構の第４関節を構成する。そして、ギア１３９に印加された回転力は、ギア１３９とは歯合するギア１４０を経て、ギア１４１に同じ回転方向の回転力が伝達される。
【００６４】
また、リンク１１６は、３個のギア１４１，１４２，及び１４３を回転可能に直列的に支持している。一端のギア１４１は、隣り合うリンク１１５と共有されており、ギア１４１の回転軸は多関節湾曲機構の第５関節を構成する。そして、ギア１４１に印加された回転力は、ギア１４１とは歯合するギア１４２を経て、ギア１４３に同じ回転方向の回転力が伝達される。
【００６５】
また、リンク１１７は、３個のギア１４３，１４４，及び１４５を回転可能に直列的に支持している。一端のギア１４３は、隣り合うリンク１１６と共有されており、ギア１４３の回転軸は多関節湾曲機構の第６関節を構成する。そして、ギア１４３に印加された回転力は、ギア１４３とは歯合するギア１４４を経て、ギア１４５に同じ回転方向の回転力が伝達される。
【００６６】
リンク１１７の他端には、末端部１１８が取り付けられている。後述するように、末端部１１８の内壁には、終端のギア１４５と歯合する歯形１１８Ａが形設されている。したがって、リンク１１７の出力側のギア１４５をこの末端部１１８の歯形１１８Ａと噛み合わせて終端処理することによって、１５個の各ギア１３１〜１４５に印加された回転力は、各ギア１３１〜１４５をそれぞれの回転軸１３１Ａ〜１４５Ａ回りに空回りさせずに、各リンク１１１〜１１７に対して回転力を付与することができる。
【００６７】
なお、駆動ユニット１２０における出力端のギア１２７には、所定値以上の回転反力が印加されると回転軸が解放されるクラッチ機構が内蔵されている。したがって、多関節湾曲機構に異常な反力が印加されても、ギア１２７が解放されることにより、モータ１２１まで反力が伝達されず、機器の破壊を防止することができる。この場合、多関節湾曲機構は、ギア１３１の回転軸で定義される第１関節が解放された恰好となる。
【００６８】
図１１には、リンク１１１の６面図、断面図、並びに斜視図を示している。また、図１２には、リンク１１１の部品分解図を示している。また、図１３には、リンク１１１の組立図を示している。他のリンク１１２〜１１７については図示しないが、リンク１１１と略同一構造であると理解されたい。
【００６９】
図１１、図１２、及び図１３に示すように、リンク１１１は、略平行に上板１１１Ａと下板１１１Ｂとが、ギア１３１〜１３３を収容するに充分な間隙を保って、壁部１１１Ｃ及び壁部１１１Ｄによって支持されている。
【００７０】
上板１１１Ａと下板１１１Ｂには、各ギア１３１〜１３３の回転軸１３１Ａ，１３２Ａ，１３３Ａを挿通させるための３個の開口１１１Ｅ，１１１Ｆ，１１１Ｇ並びに１１１Ｅ’，１１１Ｆ’，１１１Ｇ’がそれぞれ対向して穿設されている。
【００７１】
各ギア１３１〜１３３は、上板１１１Ａと下板１１１Ｂの間に直列的に配置され、且つ、それぞれの回転軸１３１Ａ，１３２Ａ，１３３Ａを貫挿させることによって、隣接するギアどうしが歯合するような状態で、リンク１１１の上板１１１Ａ及び下板１１１Ｂの間に形成された空間内に収容されている。
【００７２】
入力側のギア１３１に付与された回転は、これに隣接するギア１３２に反対方向の回転として伝達される。さらに、ギア１３２に隣接する出力側のギア１３３には、その反対方向すなわち元の回転方向と同じ向きの回転として伝達され、これが後続のリンク１１２側に出力される。１つのリンク１１１内に収容されるギアの個数は３個には限定されないが、奇数個であれば、入力側と同じ回転方向で出力することができる。
【００７３】
上板１１１Ａと下板１１１Ｂには、略中央に上板１１１Ａ及び下板１１１Ｂそれぞれの肉厚程度の厚みを持つ段差部１１１Ａ’並びに１１１Ｂ’が形設されており、リンク１１１は、入力側半分に比し出力側の方の幅が狭くなるように構成されている。したがって、リンク１１１に隣接するリンク１１２の入力側の上板１１２Ａと下板１１２Ｂの間隙に、リンク１１１の出力側の上板１１１Ａと下板１１１Ｂを挿入することによって（図１４並びに図１５を参照のこと）、隣り合うリンク１１１及びリンク１１２を連結させることができる。
【００７４】
壁部１１１Ｃは、上板１１１Ａ及び下板１１１Ｂのフットプリントから突出している。壁部１１１Ｃの左右の各端縁は、隣り合うリンクと連結させて、これら連結されたリンクを真直ぐに伸ばしたときには、他方のリンク側の壁部の端縁と当接して、それ以上関節が曲がらないようにするストッパとして機能することができる（後述）。
【００７５】
図１４〜図１６には、リンク１１６を隣接するリンク１１７と連結させた様子を図解している。但し、図１４には、リンク１１６及びリンク１１７が真直ぐに伸びた状態を示しており、また、図１５には、リンク１１７がリンク１１６に対して回転している様子を示している。また、図１６には、リンク１１７がリンク１１６に対してさらに回転している様子を示している。
【００７６】
図１４〜図１６に示すように、リンク１１６の出力側の開口１１６Ｇ，１１６Ｇ’とリンク１１２の入力側の開口１１７Ｅ，１１７Ｅ’が一致するようにして、隣接するリンク１１１とリンク１１２が連結される。このような状態では、リンク１１６の出力側のギア１４３並びにその回転軸１４３Ａを、リンク１１５の入力側のギア及び回転軸として共有することができる。このとき、回転軸１４３Ａは、多関節湾曲機構の第６関節を構成する。
【００７７】
図１４〜図１６に示すような隣接するリンクどうしの組み立て方法は、他の隣接するリンク１１１及び１１１間、リンク１１２及び１１３間、リンク１１３及び１１４間、リンク１１４及び１１５間、並びにリンク１１５及び１１６間においても、同様に当てはまる。
【００７８】
図１４に示すように、隣り合うリンク１１６及びリンク１１７が長手方向に真直ぐ伸びている状態で、リンク１１６の入力側のギア１４１に、時計回りの回転を付与する。すると、その隣のギア１４２には反時計回りの回転として伝達され、さらに、出力側のギア１４３にはさらに反対方向すなわち時計回りの回転として伝達される。ギア１４３は、リンク１１７の入力側のギアとして共有され、また、その回転軸１４３Ａは多関節湾曲機構の第６関節を構成する。したがって、ギア１４１の時計回りの回転により、第６関節には紙面上で時計回りの回転力が印加され、これに追従して、図１４に示すようにリンク１１７は、回転軸１４３Ａを中心として時計回りに回転する。
【００７９】
また、このような回転は、そもそも第１関節、第２関節、第３関節…から同様に順次伝達されてきて、多関節湾曲機構全体としては、図８〜図１０に示すような湾曲した状態に変化することになる。また、図１６に示すようにギア１４１をさらに時計回りに回転させることにより、リンク１１７は、回転軸１４３Ａを中心として時計方向への回転をさらに続ける。
【００８０】
また、図１４に示すように、隣り合うリンク１１６及びリンク１１７が長手方向に真直ぐ伸びている状態では、リンク１１６側の壁部１１６Ｃの右端縁は、リンク１１７側の壁部１１７Ｃの左端縁と当接しており、第６関節における可動角を規制している。このため、リンク１１７が第１関節すなわち回転軸１４３Ａ回りにこれ以上は反時計方向に回転して、多関節湾曲機構が真直ぐよりも反時計回りに湾曲していくことを防止することができる。
【００８１】
これまで、リンクの構造、並びに、リンクが隣接するリンクと連結する構造について説明してきた。本実施形態に係る多関節湾曲機構は、同じ構成の７個のリンク１１１〜１１７を同様に連結することで、細長状の湾曲構造を形成することができる。そして、既に述べたように、この多関節湾曲機構の先端には、末端部１１８が取り付けられている。
【００８２】
図１７には、末端部１１８の６面図、断面図、並びに斜視図を示している。図１６中の断面図に示すように、末端部１１８の内壁には、終端のギア１４５と歯合する歯形１１８Ａが形設されている。
【００８３】
リンク１１７の出力側のギア１４５をこの末端部１１８の歯形１１８Ａと噛み合わせることによって、ギア１４５を終端処理することができる。前述した図１３〜図１５には、末端部１１８をリンク１１７の先端に取り付けて終端処理した様子を併せて示している。
【００８４】
このようなギアの終端処理を施すことにより、１５個の各ギア１３１〜１４５に印加された回転力は、各ギア１３１〜１４５をそれぞれの回転軸１３１Ａ〜１４５Ａ回りに空回りさせずに、各リンク１１１〜１１７に対して回転力を付与することができる。この結果、モータ１２１の回転力がピニオン１２２、ウォーム・ギア１２３、並びに、ギア１２４〜１２７を経て多関節湾曲機構に伝達されると、各ギア１３１〜１４５が空転することなく、図７〜図９に示すように多関節湾曲機構を正しく湾曲させることができる。
【００８５】
Ｄ．手の甲構造
Ｂ項で示したような多関節湾曲機構をロボットの指部に適用することにより、多彩な指先動作により表現力を増したり、コップやその他の物理オブジェクトを把持したりすることが可能となる。
【００８６】
しかしながら、この種の小型部品は曲げや捻じり、衝撃荷重のような外力に対する耐久性能に欠ける。特に指は手先に配置されることから外力が印加され易く、簡単に破損したり、あるいは部品の変形などにより作動しなくなってしまう。
【００８７】
そこで、本実施形態では、指の関節可動部分に動きを制限しない相対関係で、緩衝部材を介して指部を手の甲に取り付けることにより、指部における曲げや捻じり、衝撃荷重のような外力に対する耐久性能の向上を図っている。
【００８８】
図１８には、上述した５本の多関節湾曲機構をそれぞれ親指、人差し指、中指、薬指、並びに小指として適用して、手の甲を構成した例を示している。
【００８９】
同図に示すように、手部１５０は、手の甲を構成する支持フレーム１５１に、親指、人差し指、中指、薬指、並びに小指をそれぞれ構成する５本の多関節湾曲機構１５２〜１５６が、板ばね状の緩衝部１６２〜１６６を介して取り付けられている。
【００９０】
但し、人差し指、中指、薬指、並びに小指は、フレーム１５１の手の平側を湾曲方向とし、また親指はその他の指側を湾曲方向とするように取り付けられている。また、親指、人差し指、中指、薬指、並びに小指それぞれの目的や機能、実際の人の手と比較考量して、各多関節湾曲機構１５２〜１５６の、長さや太さの比率を決定することが好ましい。
【００９１】
各多関節湾曲機構１５２〜１５６はそれぞれ、３個のリンクと１個の末端部とで構成され、３個の関節を備えている。第１関節までを構成する根元のリンクは、機能並びに手の甲の構造上、残りのリンクよりも寸法が長いことが好ましい。このような場合、リンク内に収容するギアの個数を３個から５個に拡張することによって、同じ太さで長い寸法をとることができる。
【００９２】
図１８に示すように、上述した多関節湾曲機構を用いて手部の指を構成した場合、各指毎に１つの駆動アクチュエータを配備すればよい。すなわち、指の各関節軸毎にアクチュエータを配設する必要がないので、通常の指のように細長く、且つ、各関節間を接続するリンクの間隔が極めて短い部位を、小型のままで設計・製作することができる。
【００９３】
図１９には、支持フレーム１５１に板ばね１６３を介して人差し指５３を取り付ける様子を図解している。
【００９４】
板ばね１６３は、薄板を屈曲させた断面略Ｌ字形状の弾性体であり、支持フレーム１５１に螺着される第１の取り付け面１６３Ａと、多関節湾曲機構１５３に螺着される第２の取り付け面１６３Ｂからなる。
【００９５】
図２０には、板ばね１６３を多関節湾曲機構１５３に取り付けた様子を示している。同図に示すように、板ばね１６３を第２の取り付け面で多関節湾曲機構１５３に螺着した場合、第１の取り付け面１６３Ａと多関節湾曲機構１５３の対向面との間には間隙が形成される。この間隙は、第１の取り付け面１６３Ａにとって、弾性変形が可能な空間となる。
【００９６】
したがって、この多関節湾曲機構１５３を支持フレーム１５１に取り付けた状態で、多関節湾曲機構１５３に対して曲げや捻じり、衝撃荷重のような外力が印加された場合、板ばね１６３の第１の取り付け面１６３Ａが変形することにより外力が吸収される。すなわち、多関節湾曲機構１５３は、支持フレーム１５１の剛性により外力を直接受容することがなくなるので、指としての耐久性能が向上する。
【００９７】
また、多関節湾曲機構１５３には、所定値以上の回転反力が印加されると回転軸が解放されるクラッチ機構が内蔵されている（前述）。したがって、多関節湾曲機構に異常な反力が印加されても、ギアが解放されることにより、指駆動用モータまで反力が伝達されないので、多関節湾曲機構１５３の破壊を防止することができる。
【００９８】
Ｅ．手の甲ガード
図１〜図２に示すような脚式移動ロボット１００の場合、歩行やその他の脚式作業の途中で、姿勢の安定性を失ってしまい、転倒すなわち床面への落下という事態を避けることは不可能に近い。また、一旦転倒してしまった場合やその他の床上姿勢から脚式作業へ復帰するために起き上がり動作が必要である。
【００９９】
前者の転倒時においては、床面との衝突時における衝撃分散のために、手を突くという動作が積極的に利用される。また、後者の起き上がり動作時（特にうつぶせ姿勢からの起き上がり時）においては、より多くの関節角の駆動を利用してアクチュエータの負荷分散を図るために、手で機体を支えるという動作が積極的に利用される。
【０１００】
図２１には、脚式移動ロボット１００が床面に手を突く又は手で機体を支える動作を示している。
【０１０１】
このように手を突く又は手で機体を支えるという姿勢において、Ｄ項で説明したような指先１５２〜１５６が床面に直接触れていると、機体の荷重を支えることができず、これら指先１５２〜１５６が破損してしまうとともに、床面に手を突く又は手で機体を支えるという動作自体が実現不可能となる。
【０１０２】
本実施形態においては、５本の多関節湾曲機構をそれぞれ適用して構成された親指、人差し指、中指、薬指、並びに小指を、マグネシウム合金を一体成形した支持フレーム（ブラケット）５１に取り付けている。この支持フレーム１５１は、機体の自重を支えるだけの充分な強度と剛性を備えている。
【０１０３】
したがって、図２１に示したように脚式移動ロボット１００が床面に手を突く又は手で機体を支える動作を実行時には、図２２に示すように各指を手の平内側に向かって湾曲させて、手の甲すなわち支持フレーム１５１の輪郭の内側に収容する。この結果、床面に手を突く又は手で機体を支える動作においては、支持フレーム１５１によって機体の自重を支えることができ、指先を傷付けることはなくなる。
【０１０４】
また、支持フレーム１５１の先端には、接地路面の状況に適応した摩擦係数を持つ素材からなるガード材を貼設することによって、起き上がり動作を路面条件に対して汎用性を与えることができる。
【０１０５】
Ｆ．手先を利用した障害物探索
本実施形態に係る脚式移動ロボット１００が、左右の各手先に測距センサ９７，９８を搭載しているということは既に述べた通りである。
【０１０６】
この測距センサ９７，９８は、例えば赤外光を利用したＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）などの素子で構成されており、外部環境下の物体までの距離を測定することができる。手先にセンサを配置する利点として、腕が持つ自由度（図３を参照のこと）を用いて、外部環境を探索して障害物までの距離を取得できることが挙げられる。例えば、頭部の目（カメラ）の視野だけでは感知することが困難な、小さな障害物や路面状況などの外部環境を腕の動作で感知することができる。
【０１０７】
図２２に示すように、手の甲は、ＰＣ製の保護カバー１７１で内部が覆い隠されている。手の甲の先端部には、ＡＢＳ製の透明材質の窓部１７２が配設されている。
【０１０８】
図２３には、保護カバー１７１及び窓部１７２を取り外した状態の手部の構造を示している。同図に示すように、ＰＳＤなどの測距センサ９７又は９８が、受光部及び発光部を手先に向けた姿勢で支持フレーム１５１上に搭載されている。
【０１０９】
主制御部８１がこれらのセンサ出力により３次元画像処理を行なうことによって、外部環境下の物体までの距離を測定することができる。例えば、手の自由度を用いて、外部環境を探索して障害物までの距離を得たりすることができる。
【０１１０】
［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。
【０１１１】
本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、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であるならば、例えば玩具等のような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。
【０１１２】
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、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。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。
【０１１３】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、手の甲に多関節で湾曲可能な指が装備されて指先動作を行なうことができる、優れた脚式移動ロボット並びにロボットの手の甲構造を提供することができる。
【０１１４】
また、本発明によれば、起き上がりや転倒動作時において手先で機体の体重を支持可能で、効率的な起き上がり・転倒動作を行なうことができる、優れた脚式移動ロボット並びにロボットの手の甲構造を提供することができる。
【０１１５】
また、本発明によれば、腕や手が機体動作の実現以外に外部環境情報を取得する機能を備えた、優れた脚式移動ロボット並びにロボットの手の甲構造を提供することができる。
【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が直立している様子を前方から眺望した様子を示した図である。
【図２】本発明の実施に供される脚式移動ロボットが直立している様子を後方から眺望した様子を示した図である。
【図３】脚式移動ロボットが具備する関節自由度構成を模式的に示した図である。
【図４】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５】多関節湾曲機構が略直線状に伸展した様子を示した正面図である。
【図６】多関節湾曲機構が略直線状に伸展した様子を示した側面図である。
【図７】多関節湾曲機構が略直線状に伸展した様子を示した斜視図である。
【図８】多関節湾曲機構が屈曲した様子を示した正面図である。
【図９】多関節湾曲機構が屈曲した様子を示した側面図である。
【図１０】多関節湾曲機構１が屈曲した様子を示した斜視図である。
【図１１】リンク１１１の６面図、断面図、並びに斜視図を示した図である。
【図１２】リンク１１１の部品分解図である。
【図１３】リンク１１１の組立図である。
【図１４】リンク１１６を隣接するリンク１１７と連結させた様子を示した図である。
【図１５】リンク１１６を隣接するリンク１１７と連結させた様子を示した図である。
【図１６】リンク１１６を隣接するリンク１１７と連結させた様子を示した図である。
【図１７】末端部１１８の６面図、断面図、並びに斜視図を示した図である。
【図１８】５本の多関節湾曲機構をそれぞれ親指、人差し指、中指、薬指、並びに小指として適用して、手の甲を構成した例を示した図である。
【図１９】支持フレーム１５１に人差し指５３を取り付ける様子を示した図である。
【図２０】板ばね６３を多関節湾曲機構５３に取り付けた様子を示した図である。
【図２１】脚式移動ロボット１００が床面に手を突く又は手で機体を支える動作を示した図である。
【図２２】各指を手の平内側に向かって湾曲させて、支持フレーム１５１の持つ手の甲の輪郭の内側に収容している様子を示した図である。
【図２３】保護カバー１７１及び窓部１７２を取り外した状態の手部の構造を示した図である。
【符号の説明】
１…首関節ヨー軸
２Ａ…第１の首関節ピッチ軸
２Ｂ…第２の首関節（頭）ピッチ軸
３…首関節ロール軸
４…肩関節ピッチ軸
５…肩関節ロール軸
６…上腕ヨー軸
７…肘関節ピッチ軸
８…手首関節ヨー軸
９…体幹ピッチ軸
１０…体幹ロール軸
１１…股関節ヨー軸
１２…股関節ピッチ軸
１３…股関節ロール軸
１４…膝関節ピッチ軸
１５…足首関節ピッチ軸
１６…足首関節ロール軸
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
９３，９４…加速度センサ
９５…姿勢センサ
９６…加速度センサ
９７，９８…測距センサ
１００…脚式移動ロボット
１１１〜１１７…リンク
１１８…末端部
１２０…駆動ユニット
１２１…モータ
１２２…ピニオン
１２３…ウォーム・ギア
１２４〜１２７…減速ギア
１３１〜１４５…ギア
１５０…手の甲
１５１…支持フレーム
１５２〜１５６…指
１６２〜１６６…緩衝部
１７１…保護カバー
１７２…窓部

Claims (10)

1. ロボット装置に用いられる手部装置において、
   前記手部装置の指を構成する１以上の湾曲機構部と、
   前記湾曲機構部を駆動する駆動手段と、
   前記手部装置の甲を構成する支持フレームとを備え、
   前記手部装置は、前記駆動手段により前記湾曲機構部が駆動されることにより、前記の指が伸展した伸張状態と、前記の指が湾曲状態を持ち、
   前記の各指は、前記湾曲状態では、前記支持フレームの輪郭の内側に収容されるように、前記支持フレームに取り付けられている、
   ことを特徴とするロボット装置に用いられる手部装置。
2. 前記多関節湾曲機構部は弾性体を介して前記支持フレームに取り付けられている、
   ことを特徴とする請求項１記載のロボット装置に用いられる手部装置。
3. 前記支持フレームは前記ロボット装置の自重に耐える強度並びに剛性を持つ、
   ことを特徴とする請求項１記載のロボット装置に用いられる手部装置。
4. 前記支持フレームは接地路面の状況に応じた摩擦係数を有するガード材が貼設されている、
   ことを特徴とする請求項１記載のロボット装置に用いられる手部装置。
5. 前記手部装置の甲の略先端部に測距センサを備える、
   ことを特徴とする請求項１記載のロボット装置に用いられる手部装置。
6. 手部が備え付けられた腕部を有するロボット装置において、
   前記手部装置の指を構成する１以上の湾曲機構部と、
   前記手部装置の甲を構成する支持フレームとを備え、
   前記手部装置は、前記の指が伸展した伸張状態と、前記の指が湾曲状態を持ち、
   前記の各指は、前記湾曲状態では、前記支持フレームの輪郭の内側に収容されるように、前記支持フレームに取り付けられている、
   ことを特徴とするロボット装置。
7. 転倒した際に、前記支持フレームによって自重を支えることにより、起き上がり動作を行なう、
   ことを特徴とする請求項６に記載のロボット装置。
8. 転倒又は起き上がり動作の際に、前記支持フレームを接地させる、
   ことを特徴とする請求項６に記載のロボット装置。
9. 前記手部装置の甲の略先端部に測距センサを備え、前記測距センサにより、外部環境を感知するための前記腕部の動作を制御する探索動作制御部をさらに備える、
   ことを特徴とする請求項６に記載のロボット装置。
10. 前記多関節湾曲機構を湾曲状態に移行させた後に前記支持フレームを接地させる、
    ことを特徴とする請求項６に記載のロボット装置。

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