JP3649852B2 - 二足歩行型ロボットの遠隔制御システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二足歩行型ロボットの遠隔制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロボットの遠隔制御システムにあっては、ロボットの動作をジョイスティック等の操作子の操作によりロボットに指令するものが従来より知られている。
【０００３】
この種のシステムでは、例えば二足歩行型ロボットを前進側に歩行させる際には、オペレータがジョイスティック等の操作子をロボットの前進側に対応する向きに操作し、このとき、例えば該操作子の操作量によって、ロボットの歩行速度等を指令する。
【０００４】
しかしながら、このようなシステムでは、二足歩行型ロボットの歩行時の各脚体の動作（両脚の着床、離床を交互に繰り返す動作）と、その動作に対応した操作子の操作とは全く異なる形態をとるため、オペレータにとっては、ロボットの脚体の実際の動きが感覚的に判りずらい。例えば、操作子の操作量によって、二足歩行型ロボットの歩行速度を指令する場合、ロボットの歩行速度が、オペレータが想定した歩行速度よりも早かったり、遅かったりしても、それを操作子の操作量から感覚的にオペレータが知ることはできない。
【０００５】
このため、上記のようなシステムでは、オペレータが意図したロボットの動作を確実にロボットに行わしめるためには、操作子の操作に熟練を要するものとなっていた。
【０００６】
また、ロボットの遠隔制御システムでは、オペレータがその全身にマスター装置を装着して、例えば、ロボットを歩行させようとする場合に、オペレータ自身が実際に歩行し、その歩行動作をマスター装置からロボットに指令するようにしたものが知られている。。
【０００７】
しかしながら、このようなシステムでは、ロボットの動作環境（ロボットを移動させる床形状やその広さ等）と同じような環境の設備をマスター装置側に設けておかなければならず、その結果、設備上の制約等を受けて、ロボットを種々様々の環境下で広範囲にわたって移動させることが困難なものとなっていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる背景に鑑み、二足歩行型ロボットの歩行等を行わしめるに際して、オペレータが自身の操作動作によりロボットの脚体の動作を感覚的に認識しつつ、確実にロボットの脚体の所望の動作を行わしめることができると共に、ロボットを種々様々の環境下で広範囲にわたって移動させることができる二足歩行型ロボットの遠隔制御システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の第１、第２及び第３態様の遠隔制御システムは、それぞれオペレータの足平の動作に応じた指令に応じて足平部が動くように自律的に姿勢を安定化しながら２本の脚体を動作させて歩行可能な二足歩行型ロボットの遠隔制御システムであって、前記オペレータが着座するシートを備えた上体支持機構と、該上体支持機構のシートに着座したオペレータの両足平が載せられる足平架台を備えた足平支持機構と、該足平支持機構の足平架台に載せられたオペレータの各足平の動作状態を検出する足平動作状態検出手段と、該足平動作状態検出手段により検出されたオペレータの各足平の動作状態に応じて前記指令を前記二足歩行型ロボットに与える脚体動作指令手段とを備えていることを特徴とする。また、本発明の第１態様の遠隔制御システムは、さらに前記足平動作状態検出手段が、前記二足歩行型ロボットの各脚体の着床動作に対応するオペレータの各足平の動作状態における該オペレータの両足平の相対的な位置関係を検出するオペレータ足平位置／姿勢検出手段を備え、前記脚体動作指令手段が、前記オペレータ足平位置／姿勢検出手段により検出された前記オペレータの両足平の相対的な位置関係に基づいた、前記二足歩行型ロボットの遊脚側の脚体の足平部の、他方の脚体の足平部の位置を基準とする相対的な着床位置を規定する前記指令を、該二足歩行型ロボットに与える手段を備えていることを特徴とする。本発明の第２態様の遠隔制御システムは、さらに前記足平動作状態検出手段が、前記二足歩行型ロボットの各脚体の着床動作に対応するオペレータの各足平の動作状態における該オペレータの両足平の相対的な姿勢関係を検出するオペレータ足平位置／姿勢検出手段を備え、前記脚体動作指令手段が、前記オペレータ足平位置／姿勢検出手段により検出された前記オペレータの両足平の相対的な姿勢関係に基づいた、前記二足歩行型ロボットの遊脚側の脚体の足平部の、他方の脚体の足平部の姿勢を基準とする相対的な着床姿勢を規定する前記指令を、該二足歩行型ロボットに与える手段を備えていることを特徴とする。本発明の第３態様の遠隔制御システムは、さらに前記足平動作状態検出手段が、前記二足歩行型ロボットの各脚体の着床動作に対応するオペレータの各足平の動作状態における該オペレータの両足平の相対的な位置関係と、相対的な姿勢関係とを検出するオペレータ足平位置／姿勢検出手段を備え、前記脚体動作指令手段が、前記オペレータ足平位置／姿勢検出手段により検出された前記オペレータの両足平の相対的な位置関係に基づいた、前記二足歩行型ロボットの遊脚側の脚体の足平部の、他方の脚体の足平部の位置を基準とする相対的な着床位置と、前記オペレータ足平位置／姿勢検出手段により検出された前記オペレータの両足平の相対的な姿勢関係に基づいた、前記二足歩行型ロボットの遊脚側の脚体の足平部の、他方の脚体の足平部の姿勢を基準とする相対的な着床姿勢とを規定する前記指令を、該二足歩行型ロボットに与える手段を備えていることを特徴とする。
【００１０】
かかる本発明によれば、前記二足歩行型ロボットの脚体を動作させる際には、オペレータは、自身の上体を前記上体支持機構に支持すると共に、自身の両足平を前記足平支持機構に支持し、この状態で、オペレータが二足歩行型ロボットの脚体を動作させようとする形態（例えば歩行形態）でオペレータの両足平を動かす。この時、前記足平動作状態検出手段によりオペレータの各足平の動作状態（例えば二足歩行型ロボットの各脚体の離床動作に対応するオペレータの各足平の動作や、該ロボットの各脚体の着床動作に対応するオペレータの各足平の動作、あるいは、各足平の時々刻々の位置、姿勢もしくはこれらの時間的変化等、足平の動作の内容を示すもの）が検出され、その検出されたオペレータの各足平の動作状態に応じて、前記脚体動作指令手段によりロボットにその脚体の動作指令が与えられる。そして、ロボットの脚体は、与えられた動作指令に基づいて動作する。
【００１１】
従って、オペレータは、二足歩行型ロボットの脚体を自身の足平の動作によって操作することとなり、自身の足平の動作によりロボットの脚体の動作を認識することが可能となる。また、オペレータは、自身の上体を前記上体支持機構に支持した箇所で足平を動かすことで、ロボットの脚体の所要の動作を行わせることができるので、ロボットを移動させるために、オペレータ自身が移動したりする必要はなく、ロボットの動作環境を考慮して足平を動かすだけで、ロボットをその動作環境上で、随意に移動させることができる。
【００１２】
これにより、本発明のシステムによれば、オペレータが自身の操作動作（足平の動作）によりロボットの脚体の動作を感覚的に認識しつつ、確実にロボットの脚体の所望の動作を行わしめることができると共に、ロボットを種々様々の環境下で広範囲にわたって移動させることができる。
【００１６】
本発明の第１態様の遠隔制御システムによれば、二足歩行型ロボットの遊脚側の脚体の足平部の、他方の脚体の足平部の位置を基準とする「相対的な着床位置」が、ロボットの各脚体の着床動作に対応するオペレータの各足平の動作状態におけるオペレータの両足平の「相対的な位置関係」に基づいて決定される。また、本発明の第２態様の遠隔制御システムによれば、二足歩行型ロボットの遊脚側の脚体の足平部の、他方の脚体の足平部の姿勢を基準とする「相対的な着床姿勢」が、ロボットの各脚体の着床動作に対応するオペレータの各足平の動作状態におけるオペレータの両足平の「相対的な姿勢関係」に基づいて決定される。さらに本発明の第３態様の遠隔制御システムによれば、二足歩行型ロボットの遊脚側の脚体の足平部の、他方の脚体の足平部の位置を基準とする「相対的な着床位置」及び他方の脚体の足平部の姿勢を基準とする「相対的な着床姿勢」のそれぞれが、ロボットの各脚体の着床動作に対応するオペレータの各足平の動作状態におけるオペレータの両足平の「相対的な位置関係」及び「相対的な姿勢関係」のそれぞれに基づいて決定される。このため、オペレータは、ロボットを歩行させる際に、ロボットの一方の脚体の着床動作に対応する該オペレータの足平の動作を行う際に、他方の足平との相対的な位置関係及び姿勢関係のうち一方又は両方を随意に調整することで、オペレータ自身が歩行する場合と同様にロボットの歩幅や歩行方向を制御することができる。これにより、オペレータは、より一層、自身の足平の動作とロボットの脚体の動作との一体的な感覚をもって、ロボットの脚体の所望の動作を行わせることができる。
【００２０】
また、本発明の遠隔制御システムは、前記足平支持機構がオペレータの各足平から受ける作用力を検出する足平作用力検出手段と、前記足平支持機構を駆動する駆動手段と、前記足平作用力検出手段により検出された作用力に基づき前記足平支持機構をオペレータの各足平の動きに追従させるように前記駆動手段を制御する足平支持機構制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００２１】
このように、足平支持機構がオペレータの各足平から受ける作用力を検出し、その検出した作用力に基づき前記足平支持機構をオペレータの各足平の動きに追従させるように足平支持機構の駆動手段を制御することで、オペレータは、足平支持機構に支持した自身の足平を、ほとんど労力を要することなく自在に動かして、ロボットの脚体の所望の動作をおこなわしめるための操作をスムーズに行うことができる。
【００２２】
尚、このように前記足平支持機構をオペレータの各足平の動きに追従させるためには、例えば前記足平支持機構制御手段は、前記足平作用力検出手段により検出された作用力の変化を低減させる位置及び／又は姿勢に前記足平支持機構を移動させるように前記駆動手段を制御すればよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を図１乃至図６を参照して説明する。
【００２４】
まず、図１及び図２はそれぞれ本実施形態のシステムにおける二足歩行型ロボットと、このロボットの操縦装置とを示している。
【００２５】
図１を参照して、本実施形態の二足歩行型ロボットＲは、頭部１を上端部に支持する胴体２下部から一対の脚体３（図では便宜上、一本の脚体３のみを示す）が下方に延設され、また、胴体２上部の左右両側部から一対の腕体４（図では便宜上、一本の腕体４のみを示す）が延設されている。
【００２６】
各脚体３は、その胴体２との連結箇所（股関節部分）と膝関節部分と足首関節部分とにそれぞれ股関節アクチュエータ５ａ、膝関節アクチュエータ５ｂ及び足首関節アクチュエータ５ｃを備え、さらに、足首関節アクチュエータ５ｃの下側には、６軸力センサ６を介して脚体３の接地部分である足平部７が取着されている。この場合、本実施形態では、股関節アクチュエータ５ａはロボットＲの前後、左右及び上下方向の３軸回りの回転動作、膝関節アクチュエータ５ｂは、左右方向の１軸回りの回転動作、足首関節アクチュエータ５ｃは前後及び左右方向の２軸回りの回転動作を行うものであり、これらの各アクチュエータ５ａ〜５ｃを駆動することで、人間の脚とほぼ同様の脚体３の動作を行うことができるようになっている。尚、前記６軸力センサ６は、足平部７への作用力（ロボットＲの前後、左右及び上下の３軸方向の力成分及びモーメント成分）を検出するものである。
【００２７】
同様に、各腕体４は、胴体２との連結箇所（肩関節部分）と肘関節部分と手首関節部分とにそれぞれ肩関節アクチュエータ８ａ、肘関節アクチュエータ８ｂ及び手首関節アクチュエータ８ｃを備え、該手首関節アクチュエータ８ｃに６軸力センサ９を介してハンド１０が取着されている。この場合、肩関節アクチュエータ８ａは、ロボットＲの前後、左右及び上下方向の３軸回りの回転動作、肘関節アクチュエータ８ｂは、ロボットＲの左右方向の１軸回りの回転動作、手首関節アクチュエータ８ｃは前後、左右及び上下方向の３軸回りの回転動作を行うものである。
【００２８】
また、胴体２には、前述の各アクチュエータ５ａ〜５ｃ及び８ａ〜８ｃを駆動・制御する制御ユニット１１や、ロボットＲの上体姿勢を示す胴体２の傾斜状態を図示しない加速度センサやレートジャイロを用いて検出する傾斜検出器１２が備えられている。さらに、各脚体３の各アクチュエータ５ａ〜５ｃの箇所にはそれらの変位（各軸回りの回転角）を検出するアクチュエータ変位検出器１３ａ〜１３ｃが備えられ、同様に、各腕体４の各アクチュエータ８ａ〜８ｃの箇所にもアクチュエータ変位検出器（図示を省略する）が備えられている。以下、各脚体３の各アクチュエータ５ａ〜５ｃを脚用アクチュエータ５と総称し、また、これらに対応する各アクチュエータ変位検出器１３ａ〜１３ｃをアクチュエータ変位検出器１３と総称する。
【００２９】
図２を参照して、ロボット操縦装置Ｓは、同図に仮想線で示すオペレータＯＰの上体を支持する上体支持機構として、オペレータＯＰが着座するシート１４を備え、また、シート１４に着座したオペレータＯＰの両足平を支持する足平支持機構１５を備えている。尚、ロボット操縦装置Ｓは、さらにロボットＲの各腕体４を操縦するための装置も備えているのであるが、これについては、ここでは図示及び説明を省略する。
【００３０】
足平支持機構１５は、ロボットＲの両脚体３をオペレータＯＰの両足平の動きによって操縦するためのマスター装置を構成するものであり、シート１４に着座したオペレータＯＰが各足平を載せる足平架台１６と、この足平架台１６をシート１４の座部１４ａの前部の下面部に固設されたブラケット１７に連結するリンク機構状の可動脚１８とをそれぞれオペレータＯＰの両脚に対応して一対づつ具備し（図では便宜上、一つ足平架台１６及び可動脚１８のみを示す）、各足平架台１６はそれに対応する可動脚１８の先端部に６軸力センサ１９を介して取着されている。尚、各足平架台１６に載せたオペレータＯＰの各足平は図示しないバンド等により足平架台１６に固定される。また、６軸力センサ１９は、オペレータＯＰの各足平から足平架台１６が受ける作用力（３軸方向の力成分及びモーメント成分）を検出する足平作用力検出手段である。
【００３１】
各可動脚１８は、そのつけ根部分（可動脚１８とブラケット１７との連結箇所）と、中間部分と、先端部分とにそれぞれ関節２０ａ，２０ｂ，２０ｃを備えており、その各関節２０ａ，２０ｂ，２０ｃにこれを駆動するマスター脚アクチュエータ２１が設けられている。これらのマスター脚アクチュエーター２１は、足平支持機構１５の駆動手段を構成するものである。この場合、関節２０ａのマスター脚アクチュエータ２１は、前後、左右及び上下の３軸回りの回転動作、関節２０ｂのマスター脚アクチュエータ２１は、左右方向の１軸回りの回転動作、関節２０ｃのマスター脚アクチュエータ２１は、前後及び左右方向の２軸回りの回転動作が行われるようになっている。そして、これらの各マスター脚アクチュエータ２１の作動により、オペレータＯＰの足平の動きに合わせて足平架台１６がオペレータＯＰの足平と一体的に動く（６自由度の動き）ようになっている。また、各マスター脚アクチュエータ２１には、その変位を検出するアクチュエータ変位検出器２２が備えられている。
【００３２】
尚、上記のような足平支持機構１５においては、各マスター脚アクチュエータ２１の暴走時等にオペレータＯＰに過負荷がかかるのを防止するために、各マスター脚アクチュエータ２１や各可動脚１８の可動範囲に制限を設けておくことが好ましい。さらに、足平支持機構１５の後述の作動時に、各マスター脚アクチュエータ２１の負荷を軽減するために、可動脚１８の自重を補償するためのバランスウェイトやバネを備えておくことが好ましい。
【００３３】
また、シート１４は、その座部１４ａが、前後方向の軸心２３回りにアクチュエータ２４により左右に傾動し（座部１４ａの左右の両側部が上下する）、さらに、左右方向の軸心２５回りにアクチュエータ２６により座部１４ａの前端部が上下する方向に傾動するように基台２７上に支持されている。そして、シート１４の背もたれ部１４ｂは、左右方向の軸心２８回りにアクチュエータ２９により前後に傾動するように座部１４ａの後端部から起立され、この背もたれ部１４ｂにオペレータＯＰの上体が図示しないバンド等により固定されるようになっている。このようなシート１４の構造は、ロボットＲの上体（胴体２）の傾斜姿勢を、オペレータＯＰが自身の上体の傾斜姿勢によりロボットＲに指示したり、ロボットＲの上体の姿勢の不安定さに応じて座部１４ａを傾動させたりするためのものであり、これについては、本願出願人が先に特願平８−３４３９２２号にて詳細に説明しているので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００３４】
一方、本実施形態では、前述のロボットＲやロボット操縦装置Ｓの動作制御を行うために、図３及び図４のブロック図に示す制御システムを備えている。
【００３５】
この制御システムは、その構成を大別すると、ロボット操縦装置Ｓ側に設けた制御ユニット３０（図３）と、ロボットＲに設けた前記制御ユニット１１（図４）と、これらの制御ユニット３０，１１間での通信を行うための通信装置３１とから構成されている。以下、制御ユニット３０をマスター側制御ユニット３０と称し、制御ユニット１１をロボット側制御ユニット１１と称する。尚、通信装置３１の通信方式は有線及び無線のいずれの方式を使用してもよい。
【００３６】
図３に示したマスター側制御ユニット３０は、足平指示機構１５の動作に関する制御を行うために、マスター脚主制御部３２とマスター脚アクチュエータ変位制御部３３とを具備している。
【００３７】
マスター脚主制御部３２は、その機能的構成として、足平指示機構１５の各足平架台１６の目標位置／姿勢を決定する足平目標位置／姿勢決定手段３４と、各マスター脚アクチュエータ２１の目標変位を算出して決定するアクチュエータ目標変位決定手段３５と、各足平架台１６に支持・固定したオペレータＯＰの各足平の動作モード（足平支持機構１５の動作モード）を検出する動作モード判別手段３６と、オペレータＯＰの両足平の相対的な位置／姿勢関係を検出する足平位置／姿勢検出手段３７と、ロボットＲの両脚体３を動作させるための脚体動作指令を通信装置３１を介してロボット側制御ユニット１１に与える脚体動作指令手段３８とを有する。ここで、本発明の構成に対応させると、動作モード判別手段３６及びオペレータ足平位置／姿勢検出手段３７は足平動作状態検出手段３９を構成し、また、足平目標位置／姿勢決定手段３４及びアクチュエータ目標変位決定手段３５は、マスター脚アクチュエータ変位制御部３３と併せて、足平支持機構制御手段４０を構成するものである。
【００３８】
前記動作モード判別手段３６が検出するオペレータＯＰの各足平の動作モードは、本実施形態では、ロボットＲの歩行時における着床状態の脚体３（支持脚）の動作に対応する接地モード、ロボットＲの遊脚側の脚体３を離床させて持ち上げる動作に対応する空中モード、及びロボットＲの遊脚側の脚体３を下降させて着床させる動作（着床直前の動作）に対応する降下モードの３種類のモードである。そして、動作モード判別手段３６は、ロボット側制御ユニット１１から遊脚側の脚体３の着床情報（これについては後述する）が通信装置３１を介して与えられたときから、その脚体３に対応するオペレータＯＰの足平の動作モードを接地モードとして検出し、さらにその接地モードの足平に対応する足平架台１６に備えた前記６軸力センサ１９によって、足平の持ち上げ動作による上向きの作用力が検出されたときから、オペレータＯＰの足平の動作モードを空中モードとして検出する。さらに、この空中モードの足平に対応する足平架台１６の下降速度が所定の設定値を超えたときから、オペレータＯＰの足平の動作モードを降下モードとして検出する。尚、この降下モードを検出する際の足平架台１６の下降速度は、例えば足平目標位置／姿勢決定手段３４により後述の如く決定される足平架台１６の目標位置／姿勢の変化速度により検出される。あるいは、速度センサ等を用いて上記下降速度を検出するようにしてもよい。
【００３９】
前記足平目標位置／姿勢決定手段３４は、動作モード判別手段３６で検出される動作モードに応じて次のように各足平架台１６の目標位置／姿勢を所定の制御サイクルタイム毎に決定する。すなわち、動作モードが接地モードであるオペレータＯＰの足平に対応する足平架台１６については、該足平架台１６のオペレータＯＰの上体（例えばオペレータＯＰの腰部分）に対する位置／姿勢が、ロボット側制御ユニット１１から後述のように通信装置３１を介して与えられるロボットＲの脚体３（支持脚）の足平部７のロボットＲの上体（ロボットＲの腰部分）に対する位置／姿勢に対応したものとなるように該足平架台１６の目標位置／姿勢を決定する。また、動作モードが空中モード又は降下モードであるオペレータＯＰの足平に対応する足平架台１６については、その足平架台１６に備えた前記６軸力センサ１９により検出される作用力が減少する方向に該足平架台１６の位置／姿勢を変化させるように該足平架台１６の目標位置／姿勢を決定する。
【００４０】
前記アクチュエータ目標変位決定手段３５は、足平目標位置／姿勢決定手段３４により決定された各足平架台１６の目標位置／姿勢からそれに対応する各マスター脚アクチュエータ２１の目標変位を算出して決定する。
【００４１】
前記足平位置／姿勢検出手段３７は、足平目標位置／姿勢決定手段３４により決定された両足平架台１６の目標位置／姿勢の相対的な位置／姿勢関係をオペレータＯＰの両足平の相対的な位置／姿勢関係として検出する。尚、このようなオペレータＯＰの両足平の相対的な位置／姿勢関係の検出は、例えば前記アクチュエータ変位検出器２２による前記各マスター脚アクチュエータ２１の変位検出値に基づいて行うようにしてもよい。
【００４２】
前記脚体動作指令手段３８は、動作モード判別手段３６で検出された動作モードをロボットＲの脚体３の着床／離床動作を行わしめるための着床／離床指令として通信装置３１を介してロボット側制御ユニット１１に与える。さらに、脚体動作指令手段３８は、動作モードが降下モードとなった際に、足平位置／姿勢検出手段３７によって検出されたオペレータＯＰの両足平の相対的な位置／姿勢関係に基づき、ロボットＲの遊脚側の脚体３の足平部７の支持脚側の脚体３の足平部７に対する着床位置／姿勢を規定する着床足平位置／姿勢指令を決定し、それを通信装置３１を介してロボット側制御ユニット１１に与える。
【００４３】
また、前記マスター脚アクチュエータ変位制御部３３は、マスター脚主制御部３２の前記アクチュエータ目標変位決定手段３５により決定された目標変位と前記アクチュエータ変位検出器２２により検出される各マスター脚アクチュエータ２１の変位の検出値とに基づき、各マスター脚アクチュエータ２１の変位を目標変位にフィードバック制御する。
【００４４】
尚、マスター側制御ユニット３０は、前述した構成の他、前記シート１４の動作に関する制御部等（図示しない）も備えており、シート１４の背もたれ部１４ｂの傾斜姿勢に応じてロボットＲの上体を傾斜させるための上体姿勢指令をロボットＲに与えたり、ロボットＲの上体姿勢の不安定さに応じてシート１４の座部１４ａを傾動させたりするのであるが、これについては前記特願平８−３４３９２２号に本願出願人が詳細に説明しているので、ここでは説明を省略する。
【００４５】
図４に示したロボット側制御ユニット１１は、ロボットＲの脚用アクチュエータ５の動作制御を行うために、ロボット脚主制御部４１と脚用アクチュエータ変位制御部４２とを具備している。
【００４６】
ロボット脚主制御部４１は、その主な機能的構成として、ロボットＲの脚体３の動作形態（歩行形態）とロボットＲの上体姿勢とを規定する基本的な目標歩容を生成する目標歩容生成手段４３と、該目標歩容の所定の制御サイクル毎の瞬時値を決定する瞬時目標歩容決定手段４４と、ロボットＲの各脚用アクチュエータ５の目標変位を算出して決定するアクチュエータ目標変位決定手段４５と、前記マスター側制御ユニット３０に与えるロボットＲの脚体３の動作情報を検出するロボット動作情報検出手段４６とを有する。
【００４７】
前記目標歩容生成手段４３が生成する目標歩容は、ロボットＲの足平部７の目標足平位置／姿勢や、ロボットＲの歩行に際して支持脚側の脚体３の足平部７が床から受ける床反力の中心の目標軌道、ロボットＲの上体（胴体２）の目標姿勢（上体の目標傾斜角）等の特徴を記述するパラメータにより構成される。そして、目標歩容生成手段４３は、これらのパラメータを、前記マスター側制御ユニット３０から与えられる前記着床／離床指令（動作モード）や着床足平位置／姿勢指令、さらにはシート１４の背もたれ部１４ｂの傾斜に応じた上体姿勢指令に従って、例えば脚体３の一歩分について生成する。この場合、足平部７が受ける床反力中心の目標軌道は、足平部７の接地面、あるいは両足平部７の接地面を含む最小面積の多角形（これは一般に支持多角形と言われる）内に存するように生成する。
【００４８】
尚、このような目標歩容の生成は、本願出願人が例えば特開平５−３１８３４０号公報に詳細に開示しているので、ここでは、さらなる説明を省略する。
【００４９】
前記瞬時目標歩容決定手段４４は、目標歩容生成手段４３により生成された基本の目標歩容から、所定の制御サイクル毎の目標歩容の瞬時値を算出し、さらにそれを適宜修正することで、最終的な目標歩容の瞬時値を決定する。この場合、目標歩容の瞬時値の修正にあたっては、ロボットＲの姿勢が転倒しやすい不安定な姿勢となるのを排除するために、ロボットＲの前記６軸力センサ６の検出値（足平部７が床から受ける作用力）や前記傾斜検出器１２により検出されるロボットＲの上体（胴体２）の傾斜姿勢に応じて該ロボットＲの姿勢を安定化するための制御を行う。すなわち、この姿勢安定化制御では、瞬時目標歩容決定手段４４は、所謂コンプライアンス制御によって、予期せぬ床の凹凸や傾斜によりロボットＲの足平部７が受ける床反力の影響を該足平部７により吸収するように前記６軸力センサ６の検出値に応じて基本の目標歩容における目標足平位置／姿勢を修正し、また、ロボットＲの上体姿勢の復元方向に足平部７に床反力が作用するように基本の目標歩容におけるロボットＲの上体の目標姿勢と前記傾斜検出器１２の検出値との偏差に応じて該目標足平位置／姿勢を修正する。さらに、ロボットＲの上体姿勢の復元方向にロボットＲの上体の慣性力が生じるように、基本の目標歩容におけるロボットＲの上体の目標姿勢と前記傾斜検出器１２の検出値との偏差に応じてロボットＲの上体の目標姿勢を修正する。尚、このとき、ロボットＲの上体の姿勢の他、上体の位置を修正するようにしてもよい。
【００５０】
尚、このような姿勢安定化制御は本願出願人が例えば特開平５−３３７８４９号公報に詳細に開示しているので、ここでは、さらなる説明を省略する。
【００５１】
前記アクチュエータ目標変位決定手段４５は、瞬時目標歩容決定手段４４により最終的に決定された目標歩容の瞬時値から、それに対応したロボットＲの各脚用アクチュエータ５の目標変位を算出する。
【００５２】
前記ロボット動作情報検出手段４６は、ロボットＲの支持脚側の脚体３の足平部７のロボットＲの上体（腰部分）に対する位置／姿勢を検出するロボット足平位置／姿勢検出手段としての機能を有し、例えば前記アクチュエータ目標変位決定手段４５により決定された各脚用アクチュエータ５の目標変位に基づき、支持脚側の足平部７のロボットＲの上体に対する位置／姿勢を検出する。尚、この検出は、瞬時目標歩容決定手段４４により決定された目標歩容の瞬時値や、前記アクチュエータ変位検出器１３により検出された各脚用アクチュエータ５の変位検出値に基づいて行うようにしてもよい。
【００５３】
このロボット動作情報検出手段４６は、ロボットＲの歩行に際しての遊脚側の脚体３の着地を検知する手段としての機能も有し、例えば前記６軸力センサ６により検出される遊脚側の脚体３の足平部７への作用力に基づき、その脚体３の着地を検知する。そして、ロボット動作情報検出手段４６は、上記のように検出した足平部７のロボットＲの上体に対する位置／姿勢の情報や、着地情報を脚体３の動作情報として、通信装置３１を介してマスター側制御ユニット３０のマスター脚主制御部３２に与える。
【００５４】
また、脚用アクチュエータ変位制御部４２は、ロボット脚主制御部４１の前記アクチュエータ目標変位決定手段４５により決定された目標変位と前記アクチュエータ変位検出器１３により検出される各脚用アクチュエータ５の変位の検出値とに基づき、各脚用アクチュエータ５の変位を目標変位にフィードバック制御する。
【００５５】
次に、本実施形態のシステムにおいてロボットＲの歩行（移動）を行う場合の作動を説明する。
【００５６】
シート１４に着座したオペレータＯＰがロボットＲの歩行を行わしめようとするときには、オペレータＯＰは、ロボットＲに行わせようとする歩行形態で、各足平架台１６に載せて固定した自身の足平を動かす。すなわち、オペレータＯＰはこれから踏み出そうとする足平を持ち上げ、次いで、該足平を着床を行おうとする位置及び姿勢に向かって下降させる動作を各脚について繰り返す。
【００５７】
このとき、マスター側制御ユニット３０のマスター脚主制御部３２は、足平支持機構１５の各可動脚１８について所定の制御サイクルで図５のフローチャートに示す処理を行う。
【００５８】
すなわち、マスター脚主制御部３２は、まず、ロボット側制御ユニット１１から通信装置３１を介してロボットＲの脚体動作情報（ロボットＲの着地情報、足平位置／姿勢情報）を受信した後（ＳＴＥＰ５−０）、前記動作モード判別手段３６によって今現在検出されているオペレータＯＰの足平の動作モードを判別する（ＳＴＥＰ５−１）。この場合、動作モード判別手段３６が検出する動作モードの初期モード（ロボットＲの操縦を開始する際のモード）は接地モードである。
【００５９】
そして、上記の判別で動作モードが接地モードである場合には、マスター脚主制御部３２は、前記足平目標位置／姿勢決定手段３４によって、前述の如くロボット側制御ユニット１１のロボット脚主制御部４１から与えられるロボットＲの現在の支持脚側の脚体３の足平部７のロボットＲの上体（腰部分）に対する位置／姿勢情報に応じて、それに対応した足平架台１６の目標位置／姿勢（オペレータＯＰの腰部分に対する目標位置／姿勢）を決定する（ＳＴＥＰ５−２）。つまり、ロボットＲの支持脚側の脚体３に対応する足平架台１６の目標位置／姿勢は、そのオペレータＯＰの腰部分に対する位置／姿勢関係が、該脚体３の足平部７のロボットＲの腰部分に対する位置／姿勢関係と同じような関係になるように決定される。
【００６０】
さらに、マスター脚主制御部３２は、前記動作モード判別手段３６によって、前記６軸力センサ１９により上向きの作用力が検出されたか否かを判断する（ＳＴＥＰ５−３）。このとき、上向きの作用力が検出された場合、すなわち、オペレータＯＰが足平を持ち上げた場合には、動作モード判別手段３６によって、オペレータＯＰの足平の動作モードが接地モードから空中モードに移行したことが検出され（ＳＴＥＰ５−４）、さらに後述のＳＴＥＰ５−１３の処理に移行する。また、ＳＴＥＰ５−３で上向きの作用力が検出されない場合には、動作モード判別手段３６が接地モードを検出したまま、後述のＳＴＥＰ５−１３の処理に移行する。
【００６１】
ＳＴＥＰ５−１の判別で、今現在、動作モード判別手段３６によって検出されている動作モードが空中モードである場合には、マスター脚主制御部３２は、足平目標位置／姿勢決定手段３４によって、６軸力センサ１９により検出される作用力の大きさが減少する方向に現在の足平架台１６の目標位置／姿勢を変化させて、新たな目標位置／姿勢を決定する（ＳＴＥＰ５−５）。換言すれば、足平架台１６に載せられたオペレータＯＰの足平の動きに追従させるように足平架台１６の目標位置／姿勢を決定する。そして、マスター脚主制御部３２は、動作モード判別手段３６によって、足平架台１６の目標位置／姿勢の下降速度が所定の設定値を超えたか否かを判断する（ＳＴＥＰ５−６）。このとき、下降速度＞設定値となった場合、すなわち、オペレータＯＰがロボットＲの遊脚側の脚体３の着床を意図した足平の動作を行った場合には、動作モード判別手段３６によって、オペレータＯＰの足平の動作モードが空中モードから降下モードに移行したことが検出され（ＳＴＥＰ５−７）、さらに後述のＳＴＥＰ５−１３の処理に移行する。また、ＳＴＥＰ５−６で下降速度≦設定値である場合には、動作モード判別手段３６が空中モードを検出したまま、後述のＳＴＥＰ５−１３の処理に移行する。
【００６２】
ＳＴＥＰ５−１の判別で、今現在、動作モード判別手段３６によって検出されている動作モードが降下モードである場合には、マスター脚主制御部３２は、足平目標位置／姿勢決定手段３４によって、６軸力センサ１９により検出される下向きの作用力の大きさが減少する方向に現在の足平架台１６の目標位置／姿勢を変化させることで、足平架台１６をオペレータＯＰの足平の動きに追従させるように新たな目標位置／姿勢を決定する（ＳＴＥＰ５−８）。さらに、マスター脚主制御部３２は、前記足平位置／姿勢検出手段３７によって前述の如く検出される、現在の降下モードのオペレータＯＰの足平を支持した足平架台１６の目標位置／姿勢と他方の足平（接地モードの足平）を支持した足平架台１６との相対的位置／姿勢関係に基づき、前記脚体動作指令手段３８によって、降下モードの足平に対応するロボットＲの脚体３の足平部７の着床の際の着床足平位置／姿勢指令を決定し（ＳＴＥＰ５−９）、その着床足平位置／姿勢指令を通信装置３１を介してロボット脚主制御部４１に送信する（ＳＴＥＰ５−１０）。尚、上記着床足平位置／姿勢指令の決定に際しては、今現在（空中モードから降下モードに移行した際）のオペレータＯＰの両足平の相対的な位置／姿勢関係により決定してもよいが、今現在のオペレータＯＰの両足平の位置／姿勢の変化速度等から両足平の将来的な位置／姿勢を予測し、その予測した位置／姿勢の相対的な位置／姿勢関係によって、上記着床足平位置／姿勢指令を決定するようにしてもよい。
次いで、マスター脚主制御部３２は、前記動作モード判別手段３６によって、ロボットＲのロボット脚主制御部４１からオペレータＯＰの降下モードの足平に対応するロボットＲの脚体３の着地情報（着床した旨の情報）が与えられた否かを判断する（ＳＴＥＰ５−１１）。このとき、その着地情報が与えられた場合には、動作モード判別手段３６によって、オペレータＯＰの足平の動作モードが空中モードから降下モードに移行することが検出され（ＳＴＥＰ５−１２）、さらにＳＴＥＰ５−１３の処理に移行する。また、ＳＴＥＰ５−１２で着床情報が与えられていない場合には、動作モード判別手段３６によって降下モードが検出されたままＳＴＥＰ５−１３の処理に移行する。
【００６３】
前記ＳＴＥＰ５−１３においては、マスター脚主制御部３２は、前記脚体動作指令手段３８によって、現在動作モード判別手段３６によって検出されている動作モードをロボットＲの足平部７の着床／離床指令として通信装置３１を介してロボット脚主制御部４１に送信する。
【００６４】
次いで、マスター脚主制御部３２は、アクチュエータ目標変位決定手段３５によって、各足平架台１６の現在の目標位置／姿勢に対応した各マスター脚アクチュエータ２１の目標変位を決定し（ＳＴＥＰ５−１４）、さらに、その目標変位をマスター脚アクチュエータ変位制御部３３に与えた後（ＳＴＥＰ５−１５）、今回の制御サイクルの処理を終了する。
【００６５】
このようにして、マスター脚主制御部３２から各マスター脚アクチュエータ２１の目標変位が与えられたマスター脚アクチュエータ変位制御部３３は、その目標変位に従って各マスター脚アクチュエータ２１をフィードバック制御する。
【００６６】
以上のようなマスター側制御ユニット３０における制御処理により、ロボットＲの支持脚側の脚体３に対応する足平架台１６は、ロボットＲの上体（腰部分）に対する足平部７の相対的位置／姿勢に対応した位置／姿勢に制御され、また、遊脚側の脚体３に対応する足平架台１６は、オペレータＯＰの足平の動きに追従して動く。
【００６７】
尚、本実施形態では、前記動作モードは、前述の３種類のモードの他、図示しない操縦開始スイッチがＯＦＦ状態とされたロックモードがあり、このロックモードでは、足平架台１６は動かないように固定される。
【００６８】
一方、前述のようなロボット操縦装置Ｓ側での動作（ロボットＲの脚体３の操縦操作）が行われたとき、ロボットＲ側では、ロボット脚主制御部４１は、所定の制御サイクルで図６のフローチャートに示す処理を行う。
【００６９】
すなわち、ロボット脚主制御部４１は、ロボットＲに備えられた前記傾斜検出器１２や６軸力センサ６等のセンサの出力を読み込み（ＳＴＥＰ６−１）、さらにマスター側制御ユニット３０から通信装置３１を介して与えられる前述の脚体動作指令（着床／離床指令（動作モード）や着床の際の足平位置／姿勢指令）等を受信する（ＳＴＥＰ６−２）。
【００７０】
次いで、ロボット脚主制御部４１は、オペレータＯＰのいずれか一方の足平の動作モードが前記空中モードから降下モードに切り替わった状態であるか否か（着床要求が有るか否か）を判断する（ＳＴＥＰ６−３）。このとき、降下モードへの切り替わりの状態である場合には、ロボット脚主制御部４１は、前記目標歩容生成手段４３によって、上記降下モードに切り替わったオペレータＯＰの足平に対応するロボットＲの脚体３（今現在の状態では、この脚体３はまだ着床状態にある）の一歩分について、前述の通り脚体動作指令等に従って前記目標歩容を生成する（ＳＴＥＰ６−４）。尚、ＳＴＥＰ６−３で、オペレータＯＰのいずれの足平も、その動作モードが前記空中モードから降下モードに切り替わった状態でない場合（オペレータＯＰの一方の足平が接地モードで、他方の足平が空中モードである場合）には、ＳＴＥＰ６−４での目標歩容の生成は行われない（既に生成されている）。
【００７１】
次いで、ロボット脚主制御部４１は、前述の如く、目標歩容生成手段４３によって生成された基本の目標歩容から、前記瞬時目標歩容決定手段４４によって、現在の制御サイクルにおける目標歩容の瞬時値を算出した後（ＳＴＥＰ６−５）、さらに、その瞬時値を前記姿勢安定化制御によって適宜修正する（ＳＴＥＰ６−６）。
【００７２】
次いで、ロボット脚主制御部４１は、上記のように瞬時目標歩容決定手段３５により修正した目標歩容の瞬時値から、前記アクチュエータ目標変位決定手段４５によって、該瞬時値に対応した今回の制御サイクルにおける各脚体３の各脚用アクチュエータ５の目標変位を算出し（ＳＴＥＰ６−７）、それを脚用アクチュエータ変位制御部４２に指令する（ＳＴＥＰ６−８）。このとき、脚用アクチュエータ変位制御部４２は指令された目標変位に従って各脚用アクチュエータ５の変位を該目標変位にフィードバック制御する。
【００７３】
そして、この後、ロボット脚主制御部４１は、今回の制御サイクルにおいて前記動作情報検出手段４６によって検出される、ロボットＲの支持脚側の脚体３の現在の足平位置／姿勢情報（ロボットＲの上体の腰部分に対する相対的な足平位置／姿勢）や遊脚側の脚体３の着地情報から成る脚体動作情報を通信回路３１を介してマスター側制御ユニット３０に送信して（ＳＴＥＰ６−９）、今回の制御サイクルの処理を終了する。
【００７４】
以上のようなロボットＲ側での作動により、ロボットＲは自己の姿勢の安定化を自律的に図りつつ、概ね、オペレータＯＰの足平の動作と同じような形態で歩行する。尚、この時のロボットＲの脚体３の動作は、オペレータＯＰの足平の動きに対して一歩分遅れて行われる。
【００７５】
このようなロボットＲの遠隔制御システムによれば、オペレータＯＰは、自身の足平の動きによって、ロボットＲの脚体３の動作を該ロボットＲに指令し、その指令に従ってロボットＲの脚体３の動作が行われるため、オペレータＯＰは自身の足平の動きを、ロボットＲの脚体３の実際の動きとして感覚的に認識することができ、これにより、オペレータＯＰは確実にロボットＲの脚体３の所望の動作を行わしめることができる。
【００７６】
この場合、本実施形態では、ロボットＲの脚体３の着床の際の位置／姿勢は、前記降下モードのオペレータＯＰの足平の位置／姿勢と、他方の接地モードのオペレータＯＰの足平の位置／姿勢との相対的な位置／姿勢関係によって規定されるため、オペレータＯＰは、持ち上げた足平（ロボットＲの遊脚側の脚体３に対応する足平）を他方の足平（支持脚側の脚体３に対応する足平）に対して、所望の位置／姿勢に向かって下降させることで、ロボットＲの歩行時の歩幅や歩行方向を、あたかも自身が実際に歩行している場合と同様の感覚で、ロボットＲに行わしめることができる。
【００７９】
また、オペレータＯＰの足平を支持する足平架台１６は、オペレータＯＰの足平の動きに追従して駆動されるため、オペレータＯＰが自身の足平を動かすためにさほど大きな労力を要することがなく、容易にロボットＲの操縦を行うことができる。
【００８０】
尚、本実施形態では、ロボット操縦装置Ｓの足平架台１６がオペレータＯＰの足平から受ける作用力を６軸力センサ１９を用いて検出するようにしたが、各マスター脚アクチュエータ２１の駆動力を検出するセンサを設けておき、それらのセンサの出力により足平架台１６が受ける作用力を検出するようにしてもよい。但し、この場合には、可動脚１８等の自重や慣性力の影響を補償する必要がある。
【００８１】
また、本実施形態は、足平支持機構１５をリンク機構により構成したが、ＸＹＺテーブル等を用いて構成してもよい。あるいは、例えばオペレータＯＰに履かせるシューズ等を、回転ドラムにより巻き取り可能な複数のワイヤーにより吊るしておき、それらのワイヤーを回転ドラムに巻き取ったり、引き出したりすることで、オペレータＯＰの足平の動きに合わせて上記シューズ等の位置／姿勢を制御するようにしてもよい。
【００８２】
また、本実施形態では、ロボットＲの遊脚側の脚体３の空中における位置／姿勢や動作軌跡については、ロボット操縦装置Ｓから指令を与えていないが、前記空中モードの途中におけるオペレータＯＰの足平の位置／姿勢や動作軌跡をロボットＲに指令するようにしてもよい。
【００８３】
また、本実施形態では、ロボット操縦装置Ｓ上でのオペレータＯＰの足平の着床動作（前記空中モードから降下モードに移行する動作）を、オペレータＯＰの足平の下降速度に基づき判断するようにしたが、該足平の下降加速度や、その下降加速度の変化率、前記６軸力センサ１９の検出値もしくはその検出値の変化率等によってオペレータＯＰの足平の着床動作（着床の意思）を判断するようにしてもよい。あるいは、足平架台１６に例えばオペレータＯＰの足指により操作可能なスイッチを設けておき、そのスイッチ操作の有無によって、オペレータＯＰの足平の着床の意思を判断するようにしてもよい。
【００８４】
また、本実施形態では、ロボットＲの操縦に際してシート１４の背もたれ部１４ｂや座部１４ａが動くものを示したが、ロボットＲの上体姿勢を別途の操縦装置により指令したり、あるいはロボットＲの上体を傾けたりする必要がないような場合には、シート１４は固定的なもの（アクチュエータ等を具備しないもの）を使用してもよい。
【００８５】
さらに本実施形態では、オペレータＯＰの上体を支持するためにシート１４を使用したが、これに限らず、オペレータＯＰの上体を支持できるものであれば、他の構造のものを使用してもよい。
【００８６】
また、本実施形態では、ロボットＲは、ある程度、その姿勢を自律的に安定化するための構成を備えたものを示したが、そのような構成を具備していないものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のシステムにおけるロボットを示す図。
【図２】本発明の第１の実施形態のシステムにおけるロボット操縦装置を示す図。
【図３】図２のロボット操縦装置側の制御システムを示す図。
【図４】図１のロボット側の制御システムを示す図。
【図５】図３の制御システムを作動を説明するためのフローチャート。
【図６】図４の制御システムの作動を説明するためのフローチャート。
【符号の説明】
ＯＰ…オペレータ、Ｒ…二足歩行型ロボット、１４…シート（上体支持機構）、１５…足平支持機構、１９…６軸力センサ（足平作用力検出手段）、２１…マスター脚アクチュエータ（駆動手段）、３７…オペレータの足平位置／姿勢検出手段、３９…足平動作状態検出手段、４０…足平支持機構制御手段、４６…動作情報検出手段（ロボット足平位置／姿勢検出手段）。
【発明の属する技術分野】
本発明は、二足歩行型ロボットの遠隔制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロボットの遠隔制御システムにあっては、ロボットの動作をジョイスティック等の操作子の操作によりロボットに指令するものが従来より知られている。
【０００３】
この種のシステムでは、例えば二足歩行型ロボットを前進側に歩行させる際には、オペレータがジョイスティック等の操作子をロボットの前進側に対応する向きに操作し、このとき、例えば該操作子の操作量によって、ロボットの歩行速度等を指令する。
【０００４】
しかしながら、このようなシステムでは、二足歩行型ロボットの歩行時の各脚体の動作（両脚の着床、離床を交互に繰り返す動作）と、その動作に対応した操作子の操作とは全く異なる形態をとるため、オペレータにとっては、ロボットの脚体の実際の動きが感覚的に判りずらい。例えば、操作子の操作量によって、二足歩行型ロボットの歩行速度を指令する場合、ロボットの歩行速度が、オペレータが想定した歩行速度よりも早かったり、遅かったりしても、それを操作子の操作量から感覚的にオペレータが知ることはできない。
【０００５】
このため、上記のようなシステムでは、オペレータが意図したロボットの動作を確実にロボットに行わしめるためには、操作子の操作に熟練を要するものとなっていた。
【０００６】
また、ロボットの遠隔制御システムでは、オペレータがその全身にマスター装置を装着して、例えば、ロボットを歩行させようとする場合に、オペレータ自身が実際に歩行し、その歩行動作をマスター装置からロボットに指令するようにしたものが知られている。。
【０００７】
しかしながら、このようなシステムでは、ロボットの動作環境（ロボットを移動させる床形状やその広さ等）と同じような環境の設備をマスター装置側に設けておかなければならず、その結果、設備上の制約等を受けて、ロボットを種々様々の環境下で広範囲にわたって移動させることが困難なものとなっていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる背景に鑑み、二足歩行型ロボットの歩行等を行わしめるに際して、オペレータが自身の操作動作によりロボットの脚体の動作を感覚的に認識しつつ、確実にロボットの脚体の所望の動作を行わしめることができると共に、ロボットを種々様々の環境下で広範囲にわたって移動させることができる二足歩行型ロボットの遠隔制御システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の第１、第２及び第３態様の遠隔制御システムは、それぞれオペレータの足平の動作に応じた指令に応じて足平部が動くように自律的に姿勢を安定化しながら２本の脚体を動作させて歩行可能な二足歩行型ロボットの遠隔制御システムであって、前記オペレータが着座するシートを備えた上体支持機構と、該上体支持機構のシートに着座したオペレータの両足平が載せられる足平架台を備えた足平支持機構と、該足平支持機構の足平架台に載せられたオペレータの各足平の動作状態を検出する足平動作状態検出手段と、該足平動作状態検出手段により検出されたオペレータの各足平の動作状態に応じて前記指令を前記二足歩行型ロボットに与える脚体動作指令手段とを備えていることを特徴とする。また、本発明の第１態様の遠隔制御システムは、さらに前記足平動作状態検出手段が、前記二足歩行型ロボットの各脚体の着床動作に対応するオペレータの各足平の動作状態における該オペレータの両足平の相対的な位置関係を検出するオペレータ足平位置／姿勢検出手段を備え、前記脚体動作指令手段が、前記オペレータ足平位置／姿勢検出手段により検出された前記オペレータの両足平の相対的な位置関係に基づいた、前記二足歩行型ロボットの遊脚側の脚体の足平部の、他方の脚体の足平部の位置を基準とする相対的な着床位置を規定する前記指令を、該二足歩行型ロボットに与える手段を備えていることを特徴とする。本発明の第２態様の遠隔制御システムは、さらに前記足平動作状態検出手段が、前記二足歩行型ロボットの各脚体の着床動作に対応するオペレータの各足平の動作状態における該オペレータの両足平の相対的な姿勢関係を検出するオペレータ足平位置／姿勢検出手段を備え、前記脚体動作指令手段が、前記オペレータ足平位置／姿勢検出手段により検出された前記オペレータの両足平の相対的な姿勢関係に基づいた、前記二足歩行型ロボットの遊脚側の脚体の足平部の、他方の脚体の足平部の姿勢を基準とする相対的な着床姿勢を規定する前記指令を、該二足歩行型ロボットに与える手段を備えていることを特徴とする。本発明の第３態様の遠隔制御システムは、さらに前記足平動作状態検出手段が、前記二足歩行型ロボットの各脚体の着床動作に対応するオペレータの各足平の動作状態における該オペレータの両足平の相対的な位置関係と、相対的な姿勢関係とを検出するオペレータ足平位置／姿勢検出手段を備え、前記脚体動作指令手段が、前記オペレータ足平位置／姿勢検出手段により検出された前記オペレータの両足平の相対的な位置関係に基づいた、前記二足歩行型ロボットの遊脚側の脚体の足平部の、他方の脚体の足平部の位置を基準とする相対的な着床位置と、前記オペレータ足平位置／姿勢検出手段により検出された前記オペレータの両足平の相対的な姿勢関係に基づいた、前記二足歩行型ロボットの遊脚側の脚体の足平部の、他方の脚体の足平部の姿勢を基準とする相対的な着床姿勢とを規定する前記指令を、該二足歩行型ロボットに与える手段を備えていることを特徴とする。
【００１０】
かかる本発明によれば、前記二足歩行型ロボットの脚体を動作させる際には、オペレータは、自身の上体を前記上体支持機構に支持すると共に、自身の両足平を前記足平支持機構に支持し、この状態で、オペレータが二足歩行型ロボットの脚体を動作させようとする形態（例えば歩行形態）でオペレータの両足平を動かす。この時、前記足平動作状態検出手段によりオペレータの各足平の動作状態（例えば二足歩行型ロボットの各脚体の離床動作に対応するオペレータの各足平の動作や、該ロボットの各脚体の着床動作に対応するオペレータの各足平の動作、あるいは、各足平の時々刻々の位置、姿勢もしくはこれらの時間的変化等、足平の動作の内容を示すもの）が検出され、その検出されたオペレータの各足平の動作状態に応じて、前記脚体動作指令手段によりロボットにその脚体の動作指令が与えられる。そして、ロボットの脚体は、与えられた動作指令に基づいて動作する。
【００１１】
従って、オペレータは、二足歩行型ロボットの脚体を自身の足平の動作によって操作することとなり、自身の足平の動作によりロボットの脚体の動作を認識することが可能となる。また、オペレータは、自身の上体を前記上体支持機構に支持した箇所で足平を動かすことで、ロボットの脚体の所要の動作を行わせることができるので、ロボットを移動させるために、オペレータ自身が移動したりする必要はなく、ロボットの動作環境を考慮して足平を動かすだけで、ロボットをその動作環境上で、随意に移動させることができる。
【００１２】
これにより、本発明のシステムによれば、オペレータが自身の操作動作（足平の動作）によりロボットの脚体の動作を感覚的に認識しつつ、確実にロボットの脚体の所望の動作を行わしめることができると共に、ロボットを種々様々の環境下で広範囲にわたって移動させることができる。
【００１６】
本発明の第１態様の遠隔制御システムによれば、二足歩行型ロボットの遊脚側の脚体の足平部の、他方の脚体の足平部の位置を基準とする「相対的な着床位置」が、ロボットの各脚体の着床動作に対応するオペレータの各足平の動作状態におけるオペレータの両足平の「相対的な位置関係」に基づいて決定される。また、本発明の第２態様の遠隔制御システムによれば、二足歩行型ロボットの遊脚側の脚体の足平部の、他方の脚体の足平部の姿勢を基準とする「相対的な着床姿勢」が、ロボットの各脚体の着床動作に対応するオペレータの各足平の動作状態におけるオペレータの両足平の「相対的な姿勢関係」に基づいて決定される。さらに本発明の第３態様の遠隔制御システムによれば、二足歩行型ロボットの遊脚側の脚体の足平部の、他方の脚体の足平部の位置を基準とする「相対的な着床位置」及び他方の脚体の足平部の姿勢を基準とする「相対的な着床姿勢」のそれぞれが、ロボットの各脚体の着床動作に対応するオペレータの各足平の動作状態におけるオペレータの両足平の「相対的な位置関係」及び「相対的な姿勢関係」のそれぞれに基づいて決定される。このため、オペレータは、ロボットを歩行させる際に、ロボットの一方の脚体の着床動作に対応する該オペレータの足平の動作を行う際に、他方の足平との相対的な位置関係及び姿勢関係のうち一方又は両方を随意に調整することで、オペレータ自身が歩行する場合と同様にロボットの歩幅や歩行方向を制御することができる。これにより、オペレータは、より一層、自身の足平の動作とロボットの脚体の動作との一体的な感覚をもって、ロボットの脚体の所望の動作を行わせることができる。
【００２０】
また、本発明の遠隔制御システムは、前記足平支持機構がオペレータの各足平から受ける作用力を検出する足平作用力検出手段と、前記足平支持機構を駆動する駆動手段と、前記足平作用力検出手段により検出された作用力に基づき前記足平支持機構をオペレータの各足平の動きに追従させるように前記駆動手段を制御する足平支持機構制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００２１】
このように、足平支持機構がオペレータの各足平から受ける作用力を検出し、その検出した作用力に基づき前記足平支持機構をオペレータの各足平の動きに追従させるように足平支持機構の駆動手段を制御することで、オペレータは、足平支持機構に支持した自身の足平を、ほとんど労力を要することなく自在に動かして、ロボットの脚体の所望の動作をおこなわしめるための操作をスムーズに行うことができる。
【００２２】
尚、このように前記足平支持機構をオペレータの各足平の動きに追従させるためには、例えば前記足平支持機構制御手段は、前記足平作用力検出手段により検出された作用力の変化を低減させる位置及び／又は姿勢に前記足平支持機構を移動させるように前記駆動手段を制御すればよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を図１乃至図６を参照して説明する。
【００２４】
まず、図１及び図２はそれぞれ本実施形態のシステムにおける二足歩行型ロボットと、このロボットの操縦装置とを示している。
【００２５】
図１を参照して、本実施形態の二足歩行型ロボットＲは、頭部１を上端部に支持する胴体２下部から一対の脚体３（図では便宜上、一本の脚体３のみを示す）が下方に延設され、また、胴体２上部の左右両側部から一対の腕体４（図では便宜上、一本の腕体４のみを示す）が延設されている。
【００２６】
各脚体３は、その胴体２との連結箇所（股関節部分）と膝関節部分と足首関節部分とにそれぞれ股関節アクチュエータ５ａ、膝関節アクチュエータ５ｂ及び足首関節アクチュエータ５ｃを備え、さらに、足首関節アクチュエータ５ｃの下側には、６軸力センサ６を介して脚体３の接地部分である足平部７が取着されている。この場合、本実施形態では、股関節アクチュエータ５ａはロボットＲの前後、左右及び上下方向の３軸回りの回転動作、膝関節アクチュエータ５ｂは、左右方向の１軸回りの回転動作、足首関節アクチュエータ５ｃは前後及び左右方向の２軸回りの回転動作を行うものであり、これらの各アクチュエータ５ａ〜５ｃを駆動することで、人間の脚とほぼ同様の脚体３の動作を行うことができるようになっている。尚、前記６軸力センサ６は、足平部７への作用力（ロボットＲの前後、左右及び上下の３軸方向の力成分及びモーメント成分）を検出するものである。
【００２７】
同様に、各腕体４は、胴体２との連結箇所（肩関節部分）と肘関節部分と手首関節部分とにそれぞれ肩関節アクチュエータ８ａ、肘関節アクチュエータ８ｂ及び手首関節アクチュエータ８ｃを備え、該手首関節アクチュエータ８ｃに６軸力センサ９を介してハンド１０が取着されている。この場合、肩関節アクチュエータ８ａは、ロボットＲの前後、左右及び上下方向の３軸回りの回転動作、肘関節アクチュエータ８ｂは、ロボットＲの左右方向の１軸回りの回転動作、手首関節アクチュエータ８ｃは前後、左右及び上下方向の３軸回りの回転動作を行うものである。
【００２８】
また、胴体２には、前述の各アクチュエータ５ａ〜５ｃ及び８ａ〜８ｃを駆動・制御する制御ユニット１１や、ロボットＲの上体姿勢を示す胴体２の傾斜状態を図示しない加速度センサやレートジャイロを用いて検出する傾斜検出器１２が備えられている。さらに、各脚体３の各アクチュエータ５ａ〜５ｃの箇所にはそれらの変位（各軸回りの回転角）を検出するアクチュエータ変位検出器１３ａ〜１３ｃが備えられ、同様に、各腕体４の各アクチュエータ８ａ〜８ｃの箇所にもアクチュエータ変位検出器（図示を省略する）が備えられている。以下、各脚体３の各アクチュエータ５ａ〜５ｃを脚用アクチュエータ５と総称し、また、これらに対応する各アクチュエータ変位検出器１３ａ〜１３ｃをアクチュエータ変位検出器１３と総称する。
【００２９】
図２を参照して、ロボット操縦装置Ｓは、同図に仮想線で示すオペレータＯＰの上体を支持する上体支持機構として、オペレータＯＰが着座するシート１４を備え、また、シート１４に着座したオペレータＯＰの両足平を支持する足平支持機構１５を備えている。尚、ロボット操縦装置Ｓは、さらにロボットＲの各腕体４を操縦するための装置も備えているのであるが、これについては、ここでは図示及び説明を省略する。
【００３０】
足平支持機構１５は、ロボットＲの両脚体３をオペレータＯＰの両足平の動きによって操縦するためのマスター装置を構成するものであり、シート１４に着座したオペレータＯＰが各足平を載せる足平架台１６と、この足平架台１６をシート１４の座部１４ａの前部の下面部に固設されたブラケット１７に連結するリンク機構状の可動脚１８とをそれぞれオペレータＯＰの両脚に対応して一対づつ具備し（図では便宜上、一つ足平架台１６及び可動脚１８のみを示す）、各足平架台１６はそれに対応する可動脚１８の先端部に６軸力センサ１９を介して取着されている。尚、各足平架台１６に載せたオペレータＯＰの各足平は図示しないバンド等により足平架台１６に固定される。また、６軸力センサ１９は、オペレータＯＰの各足平から足平架台１６が受ける作用力（３軸方向の力成分及びモーメント成分）を検出する足平作用力検出手段である。
【００３１】
各可動脚１８は、そのつけ根部分（可動脚１８とブラケット１７との連結箇所）と、中間部分と、先端部分とにそれぞれ関節２０ａ，２０ｂ，２０ｃを備えており、その各関節２０ａ，２０ｂ，２０ｃにこれを駆動するマスター脚アクチュエータ２１が設けられている。これらのマスター脚アクチュエーター２１は、足平支持機構１５の駆動手段を構成するものである。この場合、関節２０ａのマスター脚アクチュエータ２１は、前後、左右及び上下の３軸回りの回転動作、関節２０ｂのマスター脚アクチュエータ２１は、左右方向の１軸回りの回転動作、関節２０ｃのマスター脚アクチュエータ２１は、前後及び左右方向の２軸回りの回転動作が行われるようになっている。そして、これらの各マスター脚アクチュエータ２１の作動により、オペレータＯＰの足平の動きに合わせて足平架台１６がオペレータＯＰの足平と一体的に動く（６自由度の動き）ようになっている。また、各マスター脚アクチュエータ２１には、その変位を検出するアクチュエータ変位検出器２２が備えられている。
【００３２】
尚、上記のような足平支持機構１５においては、各マスター脚アクチュエータ２１の暴走時等にオペレータＯＰに過負荷がかかるのを防止するために、各マスター脚アクチュエータ２１や各可動脚１８の可動範囲に制限を設けておくことが好ましい。さらに、足平支持機構１５の後述の作動時に、各マスター脚アクチュエータ２１の負荷を軽減するために、可動脚１８の自重を補償するためのバランスウェイトやバネを備えておくことが好ましい。
【００３３】
また、シート１４は、その座部１４ａが、前後方向の軸心２３回りにアクチュエータ２４により左右に傾動し（座部１４ａの左右の両側部が上下する）、さらに、左右方向の軸心２５回りにアクチュエータ２６により座部１４ａの前端部が上下する方向に傾動するように基台２７上に支持されている。そして、シート１４の背もたれ部１４ｂは、左右方向の軸心２８回りにアクチュエータ２９により前後に傾動するように座部１４ａの後端部から起立され、この背もたれ部１４ｂにオペレータＯＰの上体が図示しないバンド等により固定されるようになっている。このようなシート１４の構造は、ロボットＲの上体（胴体２）の傾斜姿勢を、オペレータＯＰが自身の上体の傾斜姿勢によりロボットＲに指示したり、ロボットＲの上体の姿勢の不安定さに応じて座部１４ａを傾動させたりするためのものであり、これについては、本願出願人が先に特願平８−３４３９２２号にて詳細に説明しているので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００３４】
一方、本実施形態では、前述のロボットＲやロボット操縦装置Ｓの動作制御を行うために、図３及び図４のブロック図に示す制御システムを備えている。
【００３５】
この制御システムは、その構成を大別すると、ロボット操縦装置Ｓ側に設けた制御ユニット３０（図３）と、ロボットＲに設けた前記制御ユニット１１（図４）と、これらの制御ユニット３０，１１間での通信を行うための通信装置３１とから構成されている。以下、制御ユニット３０をマスター側制御ユニット３０と称し、制御ユニット１１をロボット側制御ユニット１１と称する。尚、通信装置３１の通信方式は有線及び無線のいずれの方式を使用してもよい。
【００３６】
図３に示したマスター側制御ユニット３０は、足平指示機構１５の動作に関する制御を行うために、マスター脚主制御部３２とマスター脚アクチュエータ変位制御部３３とを具備している。
【００３７】
マスター脚主制御部３２は、その機能的構成として、足平指示機構１５の各足平架台１６の目標位置／姿勢を決定する足平目標位置／姿勢決定手段３４と、各マスター脚アクチュエータ２１の目標変位を算出して決定するアクチュエータ目標変位決定手段３５と、各足平架台１６に支持・固定したオペレータＯＰの各足平の動作モード（足平支持機構１５の動作モード）を検出する動作モード判別手段３６と、オペレータＯＰの両足平の相対的な位置／姿勢関係を検出する足平位置／姿勢検出手段３７と、ロボットＲの両脚体３を動作させるための脚体動作指令を通信装置３１を介してロボット側制御ユニット１１に与える脚体動作指令手段３８とを有する。ここで、本発明の構成に対応させると、動作モード判別手段３６及びオペレータ足平位置／姿勢検出手段３７は足平動作状態検出手段３９を構成し、また、足平目標位置／姿勢決定手段３４及びアクチュエータ目標変位決定手段３５は、マスター脚アクチュエータ変位制御部３３と併せて、足平支持機構制御手段４０を構成するものである。
【００３８】
前記動作モード判別手段３６が検出するオペレータＯＰの各足平の動作モードは、本実施形態では、ロボットＲの歩行時における着床状態の脚体３（支持脚）の動作に対応する接地モード、ロボットＲの遊脚側の脚体３を離床させて持ち上げる動作に対応する空中モード、及びロボットＲの遊脚側の脚体３を下降させて着床させる動作（着床直前の動作）に対応する降下モードの３種類のモードである。そして、動作モード判別手段３６は、ロボット側制御ユニット１１から遊脚側の脚体３の着床情報（これについては後述する）が通信装置３１を介して与えられたときから、その脚体３に対応するオペレータＯＰの足平の動作モードを接地モードとして検出し、さらにその接地モードの足平に対応する足平架台１６に備えた前記６軸力センサ１９によって、足平の持ち上げ動作による上向きの作用力が検出されたときから、オペレータＯＰの足平の動作モードを空中モードとして検出する。さらに、この空中モードの足平に対応する足平架台１６の下降速度が所定の設定値を超えたときから、オペレータＯＰの足平の動作モードを降下モードとして検出する。尚、この降下モードを検出する際の足平架台１６の下降速度は、例えば足平目標位置／姿勢決定手段３４により後述の如く決定される足平架台１６の目標位置／姿勢の変化速度により検出される。あるいは、速度センサ等を用いて上記下降速度を検出するようにしてもよい。
【００３９】
前記足平目標位置／姿勢決定手段３４は、動作モード判別手段３６で検出される動作モードに応じて次のように各足平架台１６の目標位置／姿勢を所定の制御サイクルタイム毎に決定する。すなわち、動作モードが接地モードであるオペレータＯＰの足平に対応する足平架台１６については、該足平架台１６のオペレータＯＰの上体（例えばオペレータＯＰの腰部分）に対する位置／姿勢が、ロボット側制御ユニット１１から後述のように通信装置３１を介して与えられるロボットＲの脚体３（支持脚）の足平部７のロボットＲの上体（ロボットＲの腰部分）に対する位置／姿勢に対応したものとなるように該足平架台１６の目標位置／姿勢を決定する。また、動作モードが空中モード又は降下モードであるオペレータＯＰの足平に対応する足平架台１６については、その足平架台１６に備えた前記６軸力センサ１９により検出される作用力が減少する方向に該足平架台１６の位置／姿勢を変化させるように該足平架台１６の目標位置／姿勢を決定する。
【００４０】
前記アクチュエータ目標変位決定手段３５は、足平目標位置／姿勢決定手段３４により決定された各足平架台１６の目標位置／姿勢からそれに対応する各マスター脚アクチュエータ２１の目標変位を算出して決定する。
【００４１】
前記足平位置／姿勢検出手段３７は、足平目標位置／姿勢決定手段３４により決定された両足平架台１６の目標位置／姿勢の相対的な位置／姿勢関係をオペレータＯＰの両足平の相対的な位置／姿勢関係として検出する。尚、このようなオペレータＯＰの両足平の相対的な位置／姿勢関係の検出は、例えば前記アクチュエータ変位検出器２２による前記各マスター脚アクチュエータ２１の変位検出値に基づいて行うようにしてもよい。
【００４２】
前記脚体動作指令手段３８は、動作モード判別手段３６で検出された動作モードをロボットＲの脚体３の着床／離床動作を行わしめるための着床／離床指令として通信装置３１を介してロボット側制御ユニット１１に与える。さらに、脚体動作指令手段３８は、動作モードが降下モードとなった際に、足平位置／姿勢検出手段３７によって検出されたオペレータＯＰの両足平の相対的な位置／姿勢関係に基づき、ロボットＲの遊脚側の脚体３の足平部７の支持脚側の脚体３の足平部７に対する着床位置／姿勢を規定する着床足平位置／姿勢指令を決定し、それを通信装置３１を介してロボット側制御ユニット１１に与える。
【００４３】
また、前記マスター脚アクチュエータ変位制御部３３は、マスター脚主制御部３２の前記アクチュエータ目標変位決定手段３５により決定された目標変位と前記アクチュエータ変位検出器２２により検出される各マスター脚アクチュエータ２１の変位の検出値とに基づき、各マスター脚アクチュエータ２１の変位を目標変位にフィードバック制御する。
【００４４】
尚、マスター側制御ユニット３０は、前述した構成の他、前記シート１４の動作に関する制御部等（図示しない）も備えており、シート１４の背もたれ部１４ｂの傾斜姿勢に応じてロボットＲの上体を傾斜させるための上体姿勢指令をロボットＲに与えたり、ロボットＲの上体姿勢の不安定さに応じてシート１４の座部１４ａを傾動させたりするのであるが、これについては前記特願平８−３４３９２２号に本願出願人が詳細に説明しているので、ここでは説明を省略する。
【００４５】
図４に示したロボット側制御ユニット１１は、ロボットＲの脚用アクチュエータ５の動作制御を行うために、ロボット脚主制御部４１と脚用アクチュエータ変位制御部４２とを具備している。
【００４６】
ロボット脚主制御部４１は、その主な機能的構成として、ロボットＲの脚体３の動作形態（歩行形態）とロボットＲの上体姿勢とを規定する基本的な目標歩容を生成する目標歩容生成手段４３と、該目標歩容の所定の制御サイクル毎の瞬時値を決定する瞬時目標歩容決定手段４４と、ロボットＲの各脚用アクチュエータ５の目標変位を算出して決定するアクチュエータ目標変位決定手段４５と、前記マスター側制御ユニット３０に与えるロボットＲの脚体３の動作情報を検出するロボット動作情報検出手段４６とを有する。
【００４７】
前記目標歩容生成手段４３が生成する目標歩容は、ロボットＲの足平部７の目標足平位置／姿勢や、ロボットＲの歩行に際して支持脚側の脚体３の足平部７が床から受ける床反力の中心の目標軌道、ロボットＲの上体（胴体２）の目標姿勢（上体の目標傾斜角）等の特徴を記述するパラメータにより構成される。そして、目標歩容生成手段４３は、これらのパラメータを、前記マスター側制御ユニット３０から与えられる前記着床／離床指令（動作モード）や着床足平位置／姿勢指令、さらにはシート１４の背もたれ部１４ｂの傾斜に応じた上体姿勢指令に従って、例えば脚体３の一歩分について生成する。この場合、足平部７が受ける床反力中心の目標軌道は、足平部７の接地面、あるいは両足平部７の接地面を含む最小面積の多角形（これは一般に支持多角形と言われる）内に存するように生成する。
【００４８】
尚、このような目標歩容の生成は、本願出願人が例えば特開平５−３１８３４０号公報に詳細に開示しているので、ここでは、さらなる説明を省略する。
【００４９】
前記瞬時目標歩容決定手段４４は、目標歩容生成手段４３により生成された基本の目標歩容から、所定の制御サイクル毎の目標歩容の瞬時値を算出し、さらにそれを適宜修正することで、最終的な目標歩容の瞬時値を決定する。この場合、目標歩容の瞬時値の修正にあたっては、ロボットＲの姿勢が転倒しやすい不安定な姿勢となるのを排除するために、ロボットＲの前記６軸力センサ６の検出値（足平部７が床から受ける作用力）や前記傾斜検出器１２により検出されるロボットＲの上体（胴体２）の傾斜姿勢に応じて該ロボットＲの姿勢を安定化するための制御を行う。すなわち、この姿勢安定化制御では、瞬時目標歩容決定手段４４は、所謂コンプライアンス制御によって、予期せぬ床の凹凸や傾斜によりロボットＲの足平部７が受ける床反力の影響を該足平部７により吸収するように前記６軸力センサ６の検出値に応じて基本の目標歩容における目標足平位置／姿勢を修正し、また、ロボットＲの上体姿勢の復元方向に足平部７に床反力が作用するように基本の目標歩容におけるロボットＲの上体の目標姿勢と前記傾斜検出器１２の検出値との偏差に応じて該目標足平位置／姿勢を修正する。さらに、ロボットＲの上体姿勢の復元方向にロボットＲの上体の慣性力が生じるように、基本の目標歩容におけるロボットＲの上体の目標姿勢と前記傾斜検出器１２の検出値との偏差に応じてロボットＲの上体の目標姿勢を修正する。尚、このとき、ロボットＲの上体の姿勢の他、上体の位置を修正するようにしてもよい。
【００５０】
尚、このような姿勢安定化制御は本願出願人が例えば特開平５−３３７８４９号公報に詳細に開示しているので、ここでは、さらなる説明を省略する。
【００５１】
前記アクチュエータ目標変位決定手段４５は、瞬時目標歩容決定手段４４により最終的に決定された目標歩容の瞬時値から、それに対応したロボットＲの各脚用アクチュエータ５の目標変位を算出する。
【００５２】
前記ロボット動作情報検出手段４６は、ロボットＲの支持脚側の脚体３の足平部７のロボットＲの上体（腰部分）に対する位置／姿勢を検出するロボット足平位置／姿勢検出手段としての機能を有し、例えば前記アクチュエータ目標変位決定手段４５により決定された各脚用アクチュエータ５の目標変位に基づき、支持脚側の足平部７のロボットＲの上体に対する位置／姿勢を検出する。尚、この検出は、瞬時目標歩容決定手段４４により決定された目標歩容の瞬時値や、前記アクチュエータ変位検出器１３により検出された各脚用アクチュエータ５の変位検出値に基づいて行うようにしてもよい。
【００５３】
このロボット動作情報検出手段４６は、ロボットＲの歩行に際しての遊脚側の脚体３の着地を検知する手段としての機能も有し、例えば前記６軸力センサ６により検出される遊脚側の脚体３の足平部７への作用力に基づき、その脚体３の着地を検知する。そして、ロボット動作情報検出手段４６は、上記のように検出した足平部７のロボットＲの上体に対する位置／姿勢の情報や、着地情報を脚体３の動作情報として、通信装置３１を介してマスター側制御ユニット３０のマスター脚主制御部３２に与える。
【００５４】
また、脚用アクチュエータ変位制御部４２は、ロボット脚主制御部４１の前記アクチュエータ目標変位決定手段４５により決定された目標変位と前記アクチュエータ変位検出器１３により検出される各脚用アクチュエータ５の変位の検出値とに基づき、各脚用アクチュエータ５の変位を目標変位にフィードバック制御する。
【００５５】
次に、本実施形態のシステムにおいてロボットＲの歩行（移動）を行う場合の作動を説明する。
【００５６】
シート１４に着座したオペレータＯＰがロボットＲの歩行を行わしめようとするときには、オペレータＯＰは、ロボットＲに行わせようとする歩行形態で、各足平架台１６に載せて固定した自身の足平を動かす。すなわち、オペレータＯＰはこれから踏み出そうとする足平を持ち上げ、次いで、該足平を着床を行おうとする位置及び姿勢に向かって下降させる動作を各脚について繰り返す。
【００５７】
このとき、マスター側制御ユニット３０のマスター脚主制御部３２は、足平支持機構１５の各可動脚１８について所定の制御サイクルで図５のフローチャートに示す処理を行う。
【００５８】
すなわち、マスター脚主制御部３２は、まず、ロボット側制御ユニット１１から通信装置３１を介してロボットＲの脚体動作情報（ロボットＲの着地情報、足平位置／姿勢情報）を受信した後（ＳＴＥＰ５−０）、前記動作モード判別手段３６によって今現在検出されているオペレータＯＰの足平の動作モードを判別する（ＳＴＥＰ５−１）。この場合、動作モード判別手段３６が検出する動作モードの初期モード（ロボットＲの操縦を開始する際のモード）は接地モードである。
【００５９】
そして、上記の判別で動作モードが接地モードである場合には、マスター脚主制御部３２は、前記足平目標位置／姿勢決定手段３４によって、前述の如くロボット側制御ユニット１１のロボット脚主制御部４１から与えられるロボットＲの現在の支持脚側の脚体３の足平部７のロボットＲの上体（腰部分）に対する位置／姿勢情報に応じて、それに対応した足平架台１６の目標位置／姿勢（オペレータＯＰの腰部分に対する目標位置／姿勢）を決定する（ＳＴＥＰ５−２）。つまり、ロボットＲの支持脚側の脚体３に対応する足平架台１６の目標位置／姿勢は、そのオペレータＯＰの腰部分に対する位置／姿勢関係が、該脚体３の足平部７のロボットＲの腰部分に対する位置／姿勢関係と同じような関係になるように決定される。
【００６０】
さらに、マスター脚主制御部３２は、前記動作モード判別手段３６によって、前記６軸力センサ１９により上向きの作用力が検出されたか否かを判断する（ＳＴＥＰ５−３）。このとき、上向きの作用力が検出された場合、すなわち、オペレータＯＰが足平を持ち上げた場合には、動作モード判別手段３６によって、オペレータＯＰの足平の動作モードが接地モードから空中モードに移行したことが検出され（ＳＴＥＰ５−４）、さらに後述のＳＴＥＰ５−１３の処理に移行する。また、ＳＴＥＰ５−３で上向きの作用力が検出されない場合には、動作モード判別手段３６が接地モードを検出したまま、後述のＳＴＥＰ５−１３の処理に移行する。
【００６１】
ＳＴＥＰ５−１の判別で、今現在、動作モード判別手段３６によって検出されている動作モードが空中モードである場合には、マスター脚主制御部３２は、足平目標位置／姿勢決定手段３４によって、６軸力センサ１９により検出される作用力の大きさが減少する方向に現在の足平架台１６の目標位置／姿勢を変化させて、新たな目標位置／姿勢を決定する（ＳＴＥＰ５−５）。換言すれば、足平架台１６に載せられたオペレータＯＰの足平の動きに追従させるように足平架台１６の目標位置／姿勢を決定する。そして、マスター脚主制御部３２は、動作モード判別手段３６によって、足平架台１６の目標位置／姿勢の下降速度が所定の設定値を超えたか否かを判断する（ＳＴＥＰ５−６）。このとき、下降速度＞設定値となった場合、すなわち、オペレータＯＰがロボットＲの遊脚側の脚体３の着床を意図した足平の動作を行った場合には、動作モード判別手段３６によって、オペレータＯＰの足平の動作モードが空中モードから降下モードに移行したことが検出され（ＳＴＥＰ５−７）、さらに後述のＳＴＥＰ５−１３の処理に移行する。また、ＳＴＥＰ５−６で下降速度≦設定値である場合には、動作モード判別手段３６が空中モードを検出したまま、後述のＳＴＥＰ５−１３の処理に移行する。
【００６２】
ＳＴＥＰ５−１の判別で、今現在、動作モード判別手段３６によって検出されている動作モードが降下モードである場合には、マスター脚主制御部３２は、足平目標位置／姿勢決定手段３４によって、６軸力センサ１９により検出される下向きの作用力の大きさが減少する方向に現在の足平架台１６の目標位置／姿勢を変化させることで、足平架台１６をオペレータＯＰの足平の動きに追従させるように新たな目標位置／姿勢を決定する（ＳＴＥＰ５−８）。さらに、マスター脚主制御部３２は、前記足平位置／姿勢検出手段３７によって前述の如く検出される、現在の降下モードのオペレータＯＰの足平を支持した足平架台１６の目標位置／姿勢と他方の足平（接地モードの足平）を支持した足平架台１６との相対的位置／姿勢関係に基づき、前記脚体動作指令手段３８によって、降下モードの足平に対応するロボットＲの脚体３の足平部７の着床の際の着床足平位置／姿勢指令を決定し（ＳＴＥＰ５−９）、その着床足平位置／姿勢指令を通信装置３１を介してロボット脚主制御部４１に送信する（ＳＴＥＰ５−１０）。尚、上記着床足平位置／姿勢指令の決定に際しては、今現在（空中モードから降下モードに移行した際）のオペレータＯＰの両足平の相対的な位置／姿勢関係により決定してもよいが、今現在のオペレータＯＰの両足平の位置／姿勢の変化速度等から両足平の将来的な位置／姿勢を予測し、その予測した位置／姿勢の相対的な位置／姿勢関係によって、上記着床足平位置／姿勢指令を決定するようにしてもよい。
次いで、マスター脚主制御部３２は、前記動作モード判別手段３６によって、ロボットＲのロボット脚主制御部４１からオペレータＯＰの降下モードの足平に対応するロボットＲの脚体３の着地情報（着床した旨の情報）が与えられた否かを判断する（ＳＴＥＰ５−１１）。このとき、その着地情報が与えられた場合には、動作モード判別手段３６によって、オペレータＯＰの足平の動作モードが空中モードから降下モードに移行することが検出され（ＳＴＥＰ５−１２）、さらにＳＴＥＰ５−１３の処理に移行する。また、ＳＴＥＰ５−１２で着床情報が与えられていない場合には、動作モード判別手段３６によって降下モードが検出されたままＳＴＥＰ５−１３の処理に移行する。
【００６３】
前記ＳＴＥＰ５−１３においては、マスター脚主制御部３２は、前記脚体動作指令手段３８によって、現在動作モード判別手段３６によって検出されている動作モードをロボットＲの足平部７の着床／離床指令として通信装置３１を介してロボット脚主制御部４１に送信する。
【００６４】
次いで、マスター脚主制御部３２は、アクチュエータ目標変位決定手段３５によって、各足平架台１６の現在の目標位置／姿勢に対応した各マスター脚アクチュエータ２１の目標変位を決定し（ＳＴＥＰ５−１４）、さらに、その目標変位をマスター脚アクチュエータ変位制御部３３に与えた後（ＳＴＥＰ５−１５）、今回の制御サイクルの処理を終了する。
【００６５】
このようにして、マスター脚主制御部３２から各マスター脚アクチュエータ２１の目標変位が与えられたマスター脚アクチュエータ変位制御部３３は、その目標変位に従って各マスター脚アクチュエータ２１をフィードバック制御する。
【００６６】
以上のようなマスター側制御ユニット３０における制御処理により、ロボットＲの支持脚側の脚体３に対応する足平架台１６は、ロボットＲの上体（腰部分）に対する足平部７の相対的位置／姿勢に対応した位置／姿勢に制御され、また、遊脚側の脚体３に対応する足平架台１６は、オペレータＯＰの足平の動きに追従して動く。
【００６７】
尚、本実施形態では、前記動作モードは、前述の３種類のモードの他、図示しない操縦開始スイッチがＯＦＦ状態とされたロックモードがあり、このロックモードでは、足平架台１６は動かないように固定される。
【００６８】
一方、前述のようなロボット操縦装置Ｓ側での動作（ロボットＲの脚体３の操縦操作）が行われたとき、ロボットＲ側では、ロボット脚主制御部４１は、所定の制御サイクルで図６のフローチャートに示す処理を行う。
【００６９】
すなわち、ロボット脚主制御部４１は、ロボットＲに備えられた前記傾斜検出器１２や６軸力センサ６等のセンサの出力を読み込み（ＳＴＥＰ６−１）、さらにマスター側制御ユニット３０から通信装置３１を介して与えられる前述の脚体動作指令（着床／離床指令（動作モード）や着床の際の足平位置／姿勢指令）等を受信する（ＳＴＥＰ６−２）。
【００７０】
次いで、ロボット脚主制御部４１は、オペレータＯＰのいずれか一方の足平の動作モードが前記空中モードから降下モードに切り替わった状態であるか否か（着床要求が有るか否か）を判断する（ＳＴＥＰ６−３）。このとき、降下モードへの切り替わりの状態である場合には、ロボット脚主制御部４１は、前記目標歩容生成手段４３によって、上記降下モードに切り替わったオペレータＯＰの足平に対応するロボットＲの脚体３（今現在の状態では、この脚体３はまだ着床状態にある）の一歩分について、前述の通り脚体動作指令等に従って前記目標歩容を生成する（ＳＴＥＰ６−４）。尚、ＳＴＥＰ６−３で、オペレータＯＰのいずれの足平も、その動作モードが前記空中モードから降下モードに切り替わった状態でない場合（オペレータＯＰの一方の足平が接地モードで、他方の足平が空中モードである場合）には、ＳＴＥＰ６−４での目標歩容の生成は行われない（既に生成されている）。
【００７１】
次いで、ロボット脚主制御部４１は、前述の如く、目標歩容生成手段４３によって生成された基本の目標歩容から、前記瞬時目標歩容決定手段４４によって、現在の制御サイクルにおける目標歩容の瞬時値を算出した後（ＳＴＥＰ６−５）、さらに、その瞬時値を前記姿勢安定化制御によって適宜修正する（ＳＴＥＰ６−６）。
【００７２】
次いで、ロボット脚主制御部４１は、上記のように瞬時目標歩容決定手段３５により修正した目標歩容の瞬時値から、前記アクチュエータ目標変位決定手段４５によって、該瞬時値に対応した今回の制御サイクルにおける各脚体３の各脚用アクチュエータ５の目標変位を算出し（ＳＴＥＰ６−７）、それを脚用アクチュエータ変位制御部４２に指令する（ＳＴＥＰ６−８）。このとき、脚用アクチュエータ変位制御部４２は指令された目標変位に従って各脚用アクチュエータ５の変位を該目標変位にフィードバック制御する。
【００７３】
そして、この後、ロボット脚主制御部４１は、今回の制御サイクルにおいて前記動作情報検出手段４６によって検出される、ロボットＲの支持脚側の脚体３の現在の足平位置／姿勢情報（ロボットＲの上体の腰部分に対する相対的な足平位置／姿勢）や遊脚側の脚体３の着地情報から成る脚体動作情報を通信回路３１を介してマスター側制御ユニット３０に送信して（ＳＴＥＰ６−９）、今回の制御サイクルの処理を終了する。
【００７４】
以上のようなロボットＲ側での作動により、ロボットＲは自己の姿勢の安定化を自律的に図りつつ、概ね、オペレータＯＰの足平の動作と同じような形態で歩行する。尚、この時のロボットＲの脚体３の動作は、オペレータＯＰの足平の動きに対して一歩分遅れて行われる。
【００７５】
このようなロボットＲの遠隔制御システムによれば、オペレータＯＰは、自身の足平の動きによって、ロボットＲの脚体３の動作を該ロボットＲに指令し、その指令に従ってロボットＲの脚体３の動作が行われるため、オペレータＯＰは自身の足平の動きを、ロボットＲの脚体３の実際の動きとして感覚的に認識することができ、これにより、オペレータＯＰは確実にロボットＲの脚体３の所望の動作を行わしめることができる。
【００７６】
この場合、本実施形態では、ロボットＲの脚体３の着床の際の位置／姿勢は、前記降下モードのオペレータＯＰの足平の位置／姿勢と、他方の接地モードのオペレータＯＰの足平の位置／姿勢との相対的な位置／姿勢関係によって規定されるため、オペレータＯＰは、持ち上げた足平（ロボットＲの遊脚側の脚体３に対応する足平）を他方の足平（支持脚側の脚体３に対応する足平）に対して、所望の位置／姿勢に向かって下降させることで、ロボットＲの歩行時の歩幅や歩行方向を、あたかも自身が実際に歩行している場合と同様の感覚で、ロボットＲに行わしめることができる。
【００７９】
また、オペレータＯＰの足平を支持する足平架台１６は、オペレータＯＰの足平の動きに追従して駆動されるため、オペレータＯＰが自身の足平を動かすためにさほど大きな労力を要することがなく、容易にロボットＲの操縦を行うことができる。
【００８０】
尚、本実施形態では、ロボット操縦装置Ｓの足平架台１６がオペレータＯＰの足平から受ける作用力を６軸力センサ１９を用いて検出するようにしたが、各マスター脚アクチュエータ２１の駆動力を検出するセンサを設けておき、それらのセンサの出力により足平架台１６が受ける作用力を検出するようにしてもよい。但し、この場合には、可動脚１８等の自重や慣性力の影響を補償する必要がある。
【００８１】
また、本実施形態は、足平支持機構１５をリンク機構により構成したが、ＸＹＺテーブル等を用いて構成してもよい。あるいは、例えばオペレータＯＰに履かせるシューズ等を、回転ドラムにより巻き取り可能な複数のワイヤーにより吊るしておき、それらのワイヤーを回転ドラムに巻き取ったり、引き出したりすることで、オペレータＯＰの足平の動きに合わせて上記シューズ等の位置／姿勢を制御するようにしてもよい。
【００８２】
また、本実施形態では、ロボットＲの遊脚側の脚体３の空中における位置／姿勢や動作軌跡については、ロボット操縦装置Ｓから指令を与えていないが、前記空中モードの途中におけるオペレータＯＰの足平の位置／姿勢や動作軌跡をロボットＲに指令するようにしてもよい。
【００８３】
また、本実施形態では、ロボット操縦装置Ｓ上でのオペレータＯＰの足平の着床動作（前記空中モードから降下モードに移行する動作）を、オペレータＯＰの足平の下降速度に基づき判断するようにしたが、該足平の下降加速度や、その下降加速度の変化率、前記６軸力センサ１９の検出値もしくはその検出値の変化率等によってオペレータＯＰの足平の着床動作（着床の意思）を判断するようにしてもよい。あるいは、足平架台１６に例えばオペレータＯＰの足指により操作可能なスイッチを設けておき、そのスイッチ操作の有無によって、オペレータＯＰの足平の着床の意思を判断するようにしてもよい。
【００８４】
また、本実施形態では、ロボットＲの操縦に際してシート１４の背もたれ部１４ｂや座部１４ａが動くものを示したが、ロボットＲの上体姿勢を別途の操縦装置により指令したり、あるいはロボットＲの上体を傾けたりする必要がないような場合には、シート１４は固定的なもの（アクチュエータ等を具備しないもの）を使用してもよい。
【００８５】
さらに本実施形態では、オペレータＯＰの上体を支持するためにシート１４を使用したが、これに限らず、オペレータＯＰの上体を支持できるものであれば、他の構造のものを使用してもよい。
【００８６】
また、本実施形態では、ロボットＲは、ある程度、その姿勢を自律的に安定化するための構成を備えたものを示したが、そのような構成を具備していないものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のシステムにおけるロボットを示す図。
【図２】本発明の第１の実施形態のシステムにおけるロボット操縦装置を示す図。
【図３】図２のロボット操縦装置側の制御システムを示す図。
【図４】図１のロボット側の制御システムを示す図。
【図５】図３の制御システムを作動を説明するためのフローチャート。
【図６】図４の制御システムの作動を説明するためのフローチャート。
【符号の説明】
ＯＰ…オペレータ、Ｒ…二足歩行型ロボット、１４…シート（上体支持機構）、１５…足平支持機構、１９…６軸力センサ（足平作用力検出手段）、２１…マスター脚アクチュエータ（駆動手段）、３７…オペレータの足平位置／姿勢検出手段、３９…足平動作状態検出手段、４０…足平支持機構制御手段、４６…動作情報検出手段（ロボット足平位置／姿勢検出手段）。
Claims (5)
- オペレータの足平の動作に応じた指令に応じて足平部が動くように自律的に姿勢を安定化しながら２本の脚体を動作させて歩行可能な二足歩行型ロボットの遠隔制御システムであって、
前記オペレータが着座するシートを備えた上体支持機構と、該上体支持機構のシートに着座したオペレータの両足平が載せられる足平架台を備えた足平支持機構と、該足平支持機構の足平架台に載せられたオペレータの各足平の動作状態を検出する足平動作状態検出手段と、該足平動作状態検出手段により検出されたオペレータの各足平の動作状態に応じて前記指令を前記二足歩行型ロボットに与える脚体動作指令手段とを備え、
前記足平動作状態検出手段が、前記二足歩行型ロボットの各脚体の着床動作に対応するオペレータの各足平の動作状態における該オペレータの両足平の相対的な位置関係を検出するオペレータ足平位置／姿勢検出手段を備え、前記脚体動作指令手段が、前記オペレータ足平位置／姿勢検出手段により検出された前記オペレータの両足平の相対的な位置関係に基づいた、前記二足歩行型ロボットの遊脚側の脚体の足平部の、他方の脚体の足平部の位置を基準とする相対的な着床位置を規定する前記指令を、該二足歩行型ロボットに与える手段を備えていることを特徴とする二足歩行型ロボットの遠隔制御システム。 - オペレータの足平の動作に応じた指令に応じて足平部が動くように自律的に姿勢を安定化しながら２本の脚体を動作させて歩行可能な二足歩行型ロボットの遠隔制御システムであって、
前記オペレータが着座するシートを備えた上体支持機構と、該上体支持機構のシートに着座したオペレータの両足平が載せられる足平架台を備えた足平支持機構と、該足平支持機構の足平架台に載せられたオペレータの各足平の動作状態を検出する足平動作状態検出手段と、該足平動作状態検出手段により検出されたオペレータの各足平の動作状態に応じて前記指令を前記二足歩行型ロボットに与える脚体動作指令手段とを備え、
前記足平動作状態検出手段が、前記二足歩行型ロボットの各脚体の着床動作に対応するオペレータの各足平の動作状態における該オペレータの両足平の相対的な姿勢関係を検出するオペレータ足平位置／姿勢検出手段を備え、前記脚体動作指令手段が、前記オペレータ足平位置／姿勢検出手段により検出された前記オペレータの両足平の相対的な姿勢関係に基づいた、前記二足歩行型ロボットの遊脚側の脚体の足平部の、他方の脚体の足平部の姿勢を基準とする相対的な着床姿勢を規定する前記指令を、該二足歩行型ロボットに与える手段を備えていることを特徴とする二足歩行型ロボットの遠隔制御システム。 - オペレータの足平の動作に応じた指令に応じて足平部が動くように自律的に姿勢を安定化しながら２本の脚体を動作させて歩行可能な二足歩行型ロボットの遠隔制御システムであって、
前記オペレータが着座するシートを備えた上体支持機構と、該上体支持機構のシートに着座したオペレータの両足平が載せられる足平架台を備えた足平支持機構と、該足平支持機構の足平架台に載せられたオペレータの各足平の動作状態を検出する足平動作状態検出手段と、該足平動作状態検出手段により検出されたオペレータの各足平の動作状態に応じて前記指令を前記二足歩行型ロボットに与える脚体動作指令手段とを備え、
前記足平動作状態検出手段が、前記二足歩行型ロボットの各脚体の着床動作に対応するオペレータの各足平の動作状態における該オペレータの両足平の相対的な位置関係と、相対的な姿勢関係とを検出するオペレータ足平位置／姿勢検出手段を備え、前記脚体動作指令手段が、前記オペレータ足平位置／姿勢検出手段により検出された前記オペレータの両足平の相対的な位置関係に基づいた、前記二足歩行型ロボットの遊脚側の脚体の足平部の、他方の脚体の足平部の位置を基準とする相対的な着床位置と、前記オペレータ足平位置／姿勢検出手段により検出された前記オペレータの両足平の相対的な姿勢関係に基づいた、前記二足歩行型ロボットの遊脚側の脚体の足平部の、他方の脚体の足平部の姿勢を基準とする相対的な着床姿勢とを規定する前記指令を、該二足歩行型ロボットに与える手段を備えていることを特徴とする二足歩行型ロボットの遠隔制御システム。 - 前記足平支持機構がオペレータの各足平から受ける作用力を検出する足平作用力検出手段と、前記足平支持機構を駆動する駆動手段と、前記足平作用力検出手段により検出された作用力に基づき前記足平支持機構をオペレータの各足平の動きに追従させるように前記駆動手段を制御する足平支持機構制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の二足歩行型ロボットの遠隔制御システム。
- 前記足平支持機構制御手段は、前記足平作用力検出手段により検出された作用力の変化を低減させる位置及び姿勢のうち一方又は両方に前記足平支持機構を移動させるように前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項４記載の二足歩行型ロボットの遠隔制御システム。
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