JP3673869B2 - 二脚歩行式人型ロボット及びその手先収納機構 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は二脚歩行式人型ロボット及びその手先収納機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、所謂二脚歩行式人型ロボットは、前もって設定された歩行パターン（以下、歩容という）データを生成して、この歩容データに従って歩行制御を行なって、所定の歩行パターンで脚部を動作させることにより、二脚歩行を実現するようにしている。
ところで、このような二脚歩行式人型ロボットは、例えば床面状況，ロボット自体の物理パラメータの誤差等によって、歩行の際の姿勢が不安定になりやすく、場合によっては転倒してしまうことがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の二脚歩行式人型ロボットは、できるだけ転倒しないように設計はしてあるが、転倒時に受け身動作を行なったり、転倒した状態から起き上がるようには設計されていない。
即ち、従来の二脚歩行式人型ロボットは、転倒時に、各部に作用する衝撃を緩和させたり、転倒した状態を検出するようには設計されていない。
さらに、二脚歩行式人型ロボットに前転等の床面上での運動を行なわせる場合にも、同様の問題があった。
【０００４】
ところで、従来の二脚歩行式人型ロボットにおいて、腕部の先端に、指を含む手先部分を備えて、指により物体を把持する等の動作を行なわせるようにしたものがある。このような手先部分は、物体を把持する等の各種の精密な動作を行なうために、指にかかる力を検出するための力センサを備えたり、指先の把持力を微調整し得るよう繊細に構成されていると共に、比較的強度が低く、転倒や運動等を考慮して設計されていない。このため、上述したようにロボットが転倒した場合、ロボットが受け身動作を行なったとしても、手先部分が、床面に衝突する等の衝撃によって変形したり、場合によって破壊してしまうことがある。
【０００５】
本発明は、以上の点にかんがみて、転倒時等に、手部先端付近の手先部分を衝撃等から保護するようにした、二脚歩行式人型ロボット及びその手先収納機構を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、本発明の第一の構成によれば、胴体部と、胴体部の下部両側に取り付けられた脚部と、胴体部の上部両側に取り付けられた腕部と、胴体部の上端に取り付けられた頭部と、を備えており、上記腕部が、胴体部に対して二軸方向に揺動可能に取り付けられた二つの上腕部と、各上腕部に対してそれぞれ一軸方向に揺動可能に取り付けられた下腕部と、各下腕部に対して少なくとも一軸方向に揺動可能に取り付けられた手部と、を含んでおり、さらに、上記脚部そして上記腕部の手部，下腕部及び上腕部をそれぞれ駆動する駆動手段と、各駆動手段をそれぞれ駆動制御する制御部と、を有している二脚歩行式人型ロボットにおいて、上記手部の手先部分が、手先収納機構により収納可能に構成されており、上記制御部が、姿勢センサの検出信号から胴体部の傾きを検知すると、上記手先収納機構を駆動制御して手部の手先部分を収納位置に収納させることにより、手先部分の少なくとも一部が外側に露出しないことを特徴とする、二脚歩行式人型ロボットにより達成される。
【０００７】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記手部の手先部分の少なくとも一部が揺動することにより、当該手部及び／又は対応する下腕部内に収納される。
【０００８】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記手部の手先部分の少なくとも一部が摺動することにより、当該手部及び／又は対応する下腕部内に収納される。
【０００９】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記手部全体が、対応する下腕部内に収納可能である。
【００１０】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記手部の指部が、当該手部内に収納可能である。
【００１１】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記手部の手先部分の少なくとも一部が、手部を駆動するための駆動手段により当該手部及び／又は対応する下腕部内に収納可能である。
【００１２】
また、上記目的は、本発明の第二の構成によれば、胴体部と、胴体部の下部両側に取り付けられた脚部と、胴体部の上部両側に取り付けられた腕部と、胴体部の上端に取り付けられた頭部と、を備えており、腕部が、胴体部に対して二軸方向に揺動可能に取り付けられた二つの上腕部と、各上腕部に対してそれぞれ一軸方向に揺動可能に取り付けられた下腕部と、各下腕部に対して少なくとも一軸方向に揺動可能に取り付けられた手部と、を含んでおり、脚部そして腕部の手部，下腕部及び上腕部をそれぞれ駆動する駆動手段と、各駆動手段を駆動制御する制御部と、を備えた二脚歩行式人型ロボットにおいて、手部の手先部分を収納する二脚歩行式人型ロボットの手先収納機構であって、制御部が姿勢センサの検出信号から胴体部の傾きを検知すると制御部により駆動制御され、手部の手先部分を収納位置に収納することで、手先部分の少なくとも一部が外側に露出しないことを特徴とする、二脚歩行式人型ロボットの手先収納機構により達成される。
【００１３】
また、本発明の二脚歩行式人型ロボットの手先収納機構は、好ましくは、手部が、下腕部に対して揺動可能に取り付けられたハウジングと、ハウジングに対して揺動可能にかつ収納可能に取り付けられた手先部分と、手先部分を別の駆動機構を介して駆動する駆動モータと、を備え、駆動モータが、制御部で回転駆動されることにより、手先部分をハウジング内に収納する。
また、本発明の二脚歩行式人型ロボットの手先収納機構は、好ましくは、前記手部が、下腕部に対して揺動可能に取り付けられたハウジングと、ハウジングに揺動軸の周りに揺動可能に支持された手先部分と、手先部分を駆動する別の駆動手段と、を備え、別の駆動手段が、制御部で駆動制御されることにより、ハウジングの開放している一側に手先部分を収納する。
また、本発明の二脚歩行式人型ロボットの手先収納機構は、好ましくは、前記手部が、下腕部に対して摺動可能に取り付けられたベース部と、ベース部に対して揺動可能に取り付けられた手先部分と、ベース部および手先部分を下腕部の中空部に収納する別の駆動手段と、を備え、別の駆動手段が、制御部で駆動制御されることにより、手先部分を下腕部の中空部内に収納する。
【００１４】
上記第一及び第二の構成によれば、二脚歩行式人型ロボットが転倒する際、あるいは転倒に対応して受け身動作を行なう場合や、前転等の床面上での運動を行なう場合に、手部の手先部分が、手部及び／又は対応する下腕部内に収納されることにより、上記手先部分の少なくとも一部、例えば指部が外側に露出しないので、転倒等の際に手先部分の少なくとも一部が床面等に衝突して、衝撃を受けることによって変形したり破壊してしまうようなことがない。
従って、二脚歩行式人型ロボットの転倒に対応し、さらに二脚歩行式人型ロボットの転倒に対する受け身動作や前転等の全身運動を行なうように構成された二脚歩行式人型ロボットにも対応した、最適な手部を構成することができる。
【００１５】
上記手部の手先部分の少なくとも一部が揺動することにより、当該手部及び／又は対応する下腕部内に収納される場合には、手先部分全体または手先部分の少なくとも一部、例えば指部が揺動軸の周りに揺動することによって、当該手部及び／又は対応する下腕部内に収納されることにより、手先部分が転倒時等に手部及び／又は下腕部により保護される。
【００１６】
上記手部の手先部分の少なくとも一部が摺動することにより、当該手部及び／又は対応する下腕部内に収納される場合には、手先部分全体または手先部分の少なくとも一部、例えば指部が、例えば長手軸に沿って摺動することによって当該手部及び／又は対応する下腕部内に収納されることにより、手先部分が転倒時等に手部及び／又は下腕部により保護される。
【００１７】
上記手部全体が、対応する下腕部内に収納可能である場合には、手部全体が比較的大きく形成されている場合であっても、確実に収納されることができる。
【００１８】
上記手部の指部が、当該手部内に収納可能である場合には、指部が比較的小さく形成されていることにより、確実に収納され得る。
【００１９】
上記手部の手先部分の少なくとも一部が、手部を駆動するための駆動手段により当該手部及び／又は対応する下腕部内に収納可能である場合には、手先部分の少なくとも一部を収納するための駆動手段を設けることなく、既に設けられている手部を駆動するための駆動手段によって、手先部分を収納することができる。従って、部品点数が少なくて済み、簡単な構成により、低コストで構成され得ることになる。
【００２０】
上記制御部が、胴体部の大きな傾きを検出したとき手部の手先部分を収納位置に駆動制御する場合には、ロボットの転倒や、転倒の際の受け身動作、あるいは前転等の全身運動を行なうとき、制御部がロボットの胴体部の大きな傾きを検出して手部の手先部分を収納位置に駆動して収納することにより、手部の手先部分の少なくとも一部が外側に露出することがなく、転倒時等の衝撃から保護されることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施形態に基づいて、この発明を詳細に説明する。
図１乃至図２は、本発明による二脚歩行式人型ロボットの一実施形態の構成を示している。
図１において、二脚歩行式人型ロボット１０は、胴体部１１と、胴体部１１の下部両側に取り付けられた脚部１２Ｌ，１２Ｒと、胴体部の上部両側に取り付けられた腕部１３Ｌ，１３Ｒと、胴体部の上端に取り付けられた頭部１４と、を含んでいる。
【００２２】
上記胴体部１１は、上方の胸部１１ａと下方の腰部１１ｂとに分割されており、胸部１１ａが、前屈部１１ｃにて腰部１１ｂに対して前後方向に揺動可能に、特に前方に前屈可能に、そして左右方向に旋回可能に支持されている。上記胴体部１１の胸部１１ａには、後述する歩行制御装置５０が内蔵されている。なお、上記前屈部１１ｃは、前後揺動用の関節部１１ｄ及び左右旋回用の関節部１１ｅを備えており、各関節部１１ｄ及び１１ｅは、それぞれ関節駆動用モータ（図２参照）により構成されている。
【００２３】
上記脚部１２Ｌ，１２Ｒは、それぞれ大腿部１５Ｌ，１５Ｒ，下腿部１６Ｌ，１６Ｒ及び足部１７Ｌ，１７Ｒと、から構成されている。
ここで、上記脚部１２Ｌ，１２Ｒは、図２に示すように、それぞれ六個の関節部、即ち上方から順に、胴体部１１の腰部１１ｂに対する脚部回旋用の関節部１８Ｌ，１８Ｒ、脚部のロール方向（ｘ軸周り）の関節部１９Ｌ，１９Ｒ、脚部のピッチ方向（ｙ軸周り）の関節部２０Ｌ，２０Ｒ、大腿部１５Ｌ，１５Ｒと下腿部１６Ｌ，１６Ｒの接続部分である膝部２１Ｌ，２１Ｒのピッチ方向の関節部２２Ｌ，２２Ｒ、足部１７Ｌ，１７Ｒに対する足首部のピッチ方向の関節部２３Ｌ，２３Ｒ、足首部のロール方向の関節部２４Ｌ，２４Ｒを備えている。
なお、各関節部１８Ｌ，１８Ｒ乃至２４Ｌ，２４Ｒは、それぞれ関節駆動用モータにより構成されている。
【００２４】
このようにして、腰関節は、上記関節部１１ｄ，１１ｅから構成され、股間節は、上記関節部１８Ｌ，１８Ｒ，１９Ｌ，１９Ｒ，２０Ｌ，２０Ｒから構成され、また足関節は、関節部２３Ｌ，２３Ｒ，２４Ｌ，２４Ｒから構成されることになる。これにより、二脚歩行式人型ロボット１０の左右両側の脚部１２Ｌ，１２Ｒはそれぞれ６自由度を与えられ、各種動作中にこれらの１２個の関節部をそれぞれ駆動モータにて適宜の角度に駆動制御することにより、脚部１２Ｌ，１２Ｒ全体に所望の動作を与えて、例えば任意に三次元空間を歩行することができるように構成されている。
【００２５】
上記腕部１３Ｌ，１３Ｒは、それぞれ上腕部２５Ｌ，２５Ｒ，下腕部２６Ｌ，２６Ｒ及び手部２７Ｌ，２７Ｒと、から構成されている。
ここで、上記腕部１３Ｌ，１３Ｒの上腕部２５Ｌ，２５Ｒ，下腕部２６Ｌ，２６Ｒ及び手部２７Ｌ，２７Ｒは、上述した脚部１２Ｌ，１２Ｒと同様にして、図２に示すように、それぞれ五個の関節部、即ち上方から順に、肩部にて、胴体部１１に対する上腕部２５Ｌ，２５Ｒのピッチ方向の関節部２８Ｌ，２８Ｒ、ロール方向の関節部２９Ｌ，２９Ｒ、そして左右方向の関節部３０Ｌ，３０Ｒ、上腕部２５Ｌ，２５Ｒと下腕部２６Ｌ，２６Ｒの接続部分である肘部３１Ｌ，３１Ｒにてピッチ方向の関節部３２Ｌ，３２Ｒ、手首部にて下腕部２６Ｌ，２６Ｒに対する手部２７Ｌ，２７Ｒのピッチ方向の関節部３３Ｌ，３３Ｒを備えている。
なお、各関節部２８Ｌ，２８Ｒ乃至３３Ｌ，３３Ｒは、それぞれ関節駆動用モータにより構成されている。
このようにして、二脚歩行式人型ロボット１０の左右両側の腕部１３Ｌ，１３Ｒはそれぞれ５自由度を与えられ、各種動作中にこれらの１２個の関節部をそれぞれ駆動モータにより適宜の角度に駆動制御することにより、腕部１３Ｌ，１３Ｒ全体に所望の動作を与えることができるように構成されている。
ここで、上記肩部におけるピッチ方向の関節部２８Ｌ，２８Ｒは、ロール方向の関節部２９Ｌ，２９Ｒ及び左右方向の関節部３０Ｌ，３０Ｒに対して回転軸が前方にずれて配設されており、前方への腕部１３Ｌ，１３Ｒの振り角度が大きく設定されている。
【００２６】
上記頭部１４は、胴体部１１の上部１１ａの上端に取り付けられており、例えば視覚としてのカメラや聴覚としてのマイクが搭載されている。頭部１４は、図２に示すように、首のピッチ方向の関節部３５及び左右方向の関節部３６を備えている。なお、各関節部３５，３６は、それぞれ関節駆動用モータにより構成されている。
このようにして、二脚歩行式人型ロボット１０の頭部１４は２自由度を与えられ、各種動作中にこれらの２個の関節部３５，３６をそれぞれ駆動モータにて適宜の角度に駆動制御することにより、頭部１４を左右方向または前後方向に動かすことができるように構成されている。
ここで、上記ピッチ方向の関節部３５は、左右方向の関節部３６に対して回転軸が前方にずれて配設されており、前方への頭部１４の揺動角度が大きく設定されている。
【００２７】
さらに、上記二脚歩行式人型ロボット１０においては、胴体部１１の前屈部１１ｃの関節部１１ｄと、脚部１２Ｌ，１２Ｒの前後方向の関節部即ち股間節の関節部２０Ｌ，２０Ｒ，膝部の関節部２２Ｌ，２２Ｒ，足首部の関節部２３Ｌ，２３Ｒは、図３及び図４に示す角度範囲で揺動可能に支持されている。
【００２８】
即ち、足首部の関節部２３Ｌ，２３Ｒは、その揺動角度θ１が−２０乃至＋２０度以上の角度範囲で揺動可能である。膝部の関節部２２Ｌ，２２Ｒは、その揺動角度θ２が−１２０乃至０度以上の角度範囲で揺動可能である。腰関節の関節部２０Ｌ，２０Ｒは、その揺動角度θ３が−４５乃至＋６０度以上の角度範囲で揺動可能である。さらに、胴体部１１の前屈部１１ｃは、その揺動角度θ４が、−１０乃至＋６０度以上の角度範囲で揺動可能である。
【００２９】
これに対して、胴体部１１の前屈部１１ｃの関節部１１ｅは、図５に示す角度範囲で揺動可能に支持されている。即ち、前屈部１１ｃの関節部１１ｅは、その揺動角度θ５が、図５（Ａ）に示す左方に関して−４５度以上、そして図５（Ｂ）に示す右方に関して＋４５度以上の角度範囲で旋回可能である。
【００３０】
以上の構成は、従来の二脚歩行式人型ロボットとほぼ同様の構成であるが、本発明実施形態による二脚歩行式人型ロボット１０においては、以下の点で異なる構成になっている。
即ち、二脚歩行式人型ロボット１０は、上述した腕部１３Ｌ，１３Ｒの各下腕部２６Ｌ，２６Ｒの先端に取り付けられた手部２７Ｌ，２７Ｒが、以下に詳細に示す手先収納機構により、それぞれ手先部分の一部である指部が、手部２７Ｌ，２７Ｒ内に収納可能に構成されている。
ここで、左右の手部２７Ｌ，２７Ｒにおける手先収納機構は、互いに左右対称に形成されているので、左手部２７Ｌについて、図６乃至図８を参照して、その構成を以下に詳細に説明する。
【００３１】
図６において、手先収納機構４０は、左の下腕部２６Ｌに対して揺動可能に取り付けられたハウジング４１と、ハウジング４１に対して揺動可能に且つ収納可能に取り付けられた二つの指部４２，４３と、これらの指部４２，４３を駆動機構４４を介して駆動する駆動モータ４５（図８参照）とから構成されている。
【００３２】
上記ハウジング４１は、掌として、下腕部２６Ｌに対して手首部としての関節部３３Ｌを介して揺動可能に取り付けられている。
上記指部４２，４３は、それぞれ一対の指部４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂから構成されている。上記指部４２を構成する一対の指部４２ａ，４２ｂは、互いに一体に構成されていると共に、図７に示すように、ハウジング４１に対して揺動可能に支持された揺動軸４２ｃに取り付けられている。これにより、指部４２は揺動軸４２ｃの周りに揺動可能に構成されている。
同様に、上記指部４３を構成する一対の指部４３ａ，４３ｂは、互いに一体に構成されていると共に、図７に示すように、ハウジング４１に対して揺動可能に支持された揺動軸４３ｃに取り付けられている。これにより、指部４３は揺動軸４３ｃの周りに揺動可能に構成されている。
【００３３】
図８に示すように、上記駆動機構４４及び駆動モータ４５は手先収納機構４０の駆動部として構成されている。
上記駆動機構４４は、それぞれ指部４２，４３に一体に取り付けられ且つ互いに噛合する一対の同じ歯数の駆動歯車４４ａ，４４ｂと、指部４３に取り付けられた駆動歯車４４ｂと一体に揺動軸４３ｃに取り付けられた駆動歯車４４ｃと、この駆動歯車４４ｃと噛合するようにハウジング４１に回転可能に支持された駆動歯車４４ｄと、駆動歯車４４ｄと一体に構成された傘形歯車４４ｅと、から構成されており、この傘形歯車４４ｅが、駆動モータ４５の駆動軸４５ａに取り付けられた傘形歯車４５ｂと噛合するようになっている。
【００３４】
ここで、駆動歯車４４ｃは、駆動歯車４４ａより歯数が多く、大径に形成されており、また駆動歯車４４ｄは、駆動歯車４４ｃより歯数が少なく、小径に形成されている。さらに、駆動歯車４４ｅは、駆動歯車４４ｄより歯数が多く、大径に形成されている。これにより、駆動モータ４５の駆動軸４５ａの回転が、駆動機構４４を介して減速され、指部４３そして指部４２を揺動軸４３ｃ，４２ｃの周りに揺動させるようになっている。その際、指部４２及び指部４３は、互いに歯数が同じ駆動歯車４４ａ，４４ｂが噛合していることにより、同じ角度だけ互いに反対方向に揺動されることになる。
【００３５】
このようにして、上記指部４２，４３は、図６（Ａ）及び図７（Ａ）に示す展開位置から、駆動モータ４５の回転駆動により、図７（Ａ）にて矢印Ａで示すように、互いに接近するように揺動されて指部４２，４３の間に物体を把持することができるようになっている。そして、上記指部４２，４３は、さらに図７（Ａ）にて矢印Ａで示すように揺動されて、図６（Ｂ）及び図７（Ｂ）に示す収納位置まで揺動し得るようになっている。
これにより、指部４２，４３は、手先収納機構４０のハウジング４１内に収納され、外部からの衝撃等に対して保護され得ることになる。
【００３６】
図９は、図１乃至図８に示した二脚歩行式人型ロボット１０の電気的構成を示している。
図９において、二脚歩行式人型ロボット１０は、駆動手段、即ち上述した各関節部即ち関節駆動用モータ１１ｄ，１１ｅ，１８Ｌ，１８Ｒ乃至３３Ｌ，３３Ｒ，３５，３６を駆動制御する動作制御装置５０を備えている。
【００３７】
上記動作制御装置５０は、動作計画部５１と、動作生成部５２と、拡張ＺＭＰ変換部５３と、拡張ＺＭＰ安定部５４と、制御部５５と、ロボットの各関節部の角度を検出する角度計測ユニット５６と、動作監視部５７と、姿勢センサ５８と、を備えている。なお、二脚歩行式ロボット１０の座標系として、前後方向をｘ方向（前方＋），横方向をｙ方向（内方＋）そして上下方向をｚ方向（上方＋）とするｘｙｚ座標系を使用する。
【００３８】
上記動作計画部５１は、与えられたロボットの初期状態（各関節部の角度及び力センサ４０の検出信号に基づく姿勢）と所望の動作の最終状態から、初期状態と最終状態との間の中間の運動を計画する。即ち、動作計画部５１は、ロボット全体により構成される凸部分を覆うような多面剛体を仮想的に設定して、初期状態から最終状態までの上記多面剛体の時系列形状データ及び重心軌道を計算し、全身運動を行なうために必要なロボットの角運動量を計算する。
【００３９】
そして、動作計画部５１は、上述した運動の拡張ＺＭＰ，重心位置，上記多面剛体の状態，角運動量，運動エネルギー等を計算して、ロボットの動作軌道すなわち動作計画を生成する。なお、上記動作計画部５１は、後述するように動作監視部５７からロボットの現在の状態及び動作計画からのずれ量が入力されたときには、同様にして動作計画の再生成を行なう。
【００４０】
ここで、動作計画部５１は、動作ライブラリ５１ａを備えている。この動作ライブラリ５１ａは、前もってロボットの動作の要素となる受け身動作を含む基本動作に関する姿勢データ等が種類別に格納されている。これにより、動作計画部５１は、上述した動作計画を行なう際に、必要に応じて各種姿勢データ等を動作ライブラリ５１ａから読み出して、組合せ動作のシーケンスとして動作計画を生成する。そして、動作計画部５１は、動作計画として、シーケンス毎に姿勢データ及びそのときの各関節部の角運動量を、動作生成部５２に出力するようになっている。その際、動作計画部５１は、動作監視部５７からの転倒状態の旨の通知が入力されたときは、瞬時に、すべての動作生成を中止して、転倒回避，受け身動作に切換えて動作計画を行なう。
【００４１】
上記動作生成部５２は、二脚歩行式人型ロボット１０の計画された全身運動に必要な各関節部１５Ｌ，１５Ｒ乃至３６の角度データθｒｅｆを生成する。その際、上記動作生成部５２は、後述する拡張ＺＭＰ安定部５４からの指令に基づいて、内部のパラメータ及び生成する角度データを修正するようになっている。
【００４２】
上記拡張ＺＭＰ変換部５３は、動作生成部５２からの各関節部の角度データθｒｅｆに基づいて、拡張ＺＭＰ目標値を計算し、拡張ＺＭＰ安定部５４及び動作監視部５７に出力する。
【００４３】
上記拡張ＺＭＰ安定部５４は、角度計測ユニット５６からの姿勢情報に基づいて、拡張ＺＭＰ実際値を計算し、さらにこの拡張ＺＭＰ実際値を、拡張ＺＭＰ変換部５３からの拡張ＺＭＰ目標値と比較して、その差に基づいて、当該差が小さくなるように拡張ＺＭＰ補償量を計算して、動作生成部５２に出力する。なお、拡張ＺＭＰ補償量の計算方法は、従来のＺＭＰ補償量の計算方法をそのまま適用することができる。
【００４４】
ここで、動作生成部５２は、拡張ＺＭＰ安定部５４からの拡張ＺＭＰ補償量がフィードバックされることにより、この拡張ＺＭＰ補償量に基づいて動作データを修正して、制御部５５に出力する。
【００４５】
上記制御部５５は、動作生成部５２からの修正された動作データに基づいて、各関節駆動用モータの制御信号を生成し、各関節駆動用モータを駆動制御するようになっている。
【００４６】
上記角度計測ユニット５６は、各関節部１５Ｌ，１５Ｒ乃至３６の関節駆動用モータに備えられた例えばロータリエンコーダ等により各関節駆動用モータの角度情報が入力されることにより、各関節駆動用モータの角度位置、即ち角度及び角速度そして角度モーメントに関する状態情報、即ちロボット１０の姿勢情報θｒｅａｌを計測して、拡張ＺＭＰ安定部５４及び動作監視部５７に出力するようになっている。
【００４７】
上記動作監視部５７は、動作計画部５１からの動作計画，拡張ＺＭＰ変換部５３からの拡張ＺＭＰ目標値，角度計測ユニット５６及び姿勢センサ５８からの拡張ＺＭＰ実際値としての（角度及び角度モーメントを含む）角度情報が入力されており、これらに基づいて、常に二脚歩行式人型ロボット１０の状態を監視している。そして、動作監視部５７は、動作計画，拡張ＺＭＰ目標値から実際のロボットの動作が大きくずれたとき、現在の状態およびずれ量を動作計画部５１にフィードバックして、動作計画部５１に動作計画の再生成を行なわせる。さらに、動作監視部５７は、姿勢センサ５８の検出信号から転倒状態を判別し、動作計画部５１に対して転倒状態の旨を通知するようになっている。
【００４８】
上記姿勢センサ５８は、例えばジャイロセンサ等により構成されており、二脚歩行式人型ロボット１０の胴体部１１に設けられている。
【００４９】
本発明実施形態による二脚歩行式人型ロボット１０は以上のように構成されており、通常の歩行動作は、動作制御装置５０が動作計画部５１により動作計画を生成し、動作生成部５２がこの動作計画に基づいて拡張ＺＭＰ目標値を計算し、さらに拡張ＺＭＰ安定部５４により拡張ＺＭＰ補償量で拡張ＺＭＰ目標値を補償しながら、制御部５５によりロボット１０の各関節部の関節駆動用モータを駆動制御する。
そして、全身運動を行なうロボットの動作時に突出して環境に接触する部分における床反力と重力との合成モーメントがゼロとなる点を拡張ＺＭＰとして、この拡張ＺＭＰを従来のロボットの歩行制御におけるＺＭＰと同様にして、拡張ＺＭＰ目標値と拡張ＺＭＰ実測値の差である拡張ＺＭＰ誤差に基づいて、動作データを修正することにより、ロボット１０に発生する慣性力を制御して、拡張ＺＭＰ目標値を補償する。
これにより、例えば転倒時の受け身動作，起き上がり動作や前転運動等の全身運動において、動作制御を安定的に行なうことにより、二脚歩行式人型ロボットの全身運動を動的に安定して確実に行なうことが可能になる。
【００５０】
次に、二脚歩行式人型ロボット１０が転倒するときの動作制御について、図１０を参照して説明する。
図１０のフローチャートにおいて、先ずステップＳＴ１にて、動作制御装置５０の動作監視部５７は、転倒状態認識検知作業を開始し、ステップＳＴ２にて、ＺＭＰ実測値を検出する。そして、ステップＳＴ３にて、ＺＭＰが足部１７Ｌ，１７Ｒの足裏内に存在する場合には、動作監視部５７は、ロボットが転倒していないものと判断して、ステップＳＴ１に戻る。
【００５１】
また、ステップＳＴ３にて、ＺＭＰが足部１７Ｌ，１７Ｒの足裏内に存在しない場合には、動作監視部５７は、ステップＳＴ４にて、姿勢センサ５８の出力信号を検出し、ステップＳＴ５にて、ロボット１０の有する運動エネルギーを転倒エネルギーと比較する。そして、運動エネルギーが転倒エネルギーより大きい場合には、動作監視部５７は、ステップＳＴ６にて転倒状態であると認識して、動作計画部５１へ通知する。
【００５２】
これにより、動作計画部５１は、ステップＳＴ７にて、転倒している速度と現在のロボットの姿勢状態を検出して、ステップＳＴ８にて、転倒回避運動が不可能であるか否かを判断する。そして、転倒回避運動が可能である場合には、動作計画部５１は、転倒回避ルーチンを実行して動作計画を再度行なう。これによりロボット１０は転倒回避運動を行なって、転倒せずに動作を継続して実行することが可能になる。
【００５３】
これに対して、ステップＳＴ８にて、転倒回避運動が不可能である場合には、ステップＳＴ９にて、動作計画部５１が受け身動作の動作計画を行ない、これにより動作形成部５２が受け身動作の動作パターンを形成して、ロボット１０の受け身動作を開始する。
続いて、ステップＳＴ１０にて、動作制御装置５０の動作計画部５１は、手部２７Ｌ，２７Ｒの収納動作を計画し、動作形成部５２がこの収納動作計画に基づいて制御部５５により手部２７Ｌ，２７Ｒの駆動モータ４５を駆動制御して、指部４２，４３を収納させる。
【００５４】
その後、ステップＳＴ１１にて、制御部５５が、受け身動作に備えて、受け身を行なう部位の関節駆動用モータのゲインを低く駆動制御した状態にて、ステップＳＴ１２にて、ロボット１０が転倒し、受け身を行なう部位が床面等に衝突する。その際、制御部５５は、ステップＳＴ１３にて、受け身動作の間、転倒による衝撃を吸収するように、当該関節駆動用モータのコンプライアンス制御を行ない、ステップＳＴ１４にて、受け身動作が終了したら、受け身動作の駆動制御を終了する。
【００５５】
このようにして、本発明実施形態による二脚歩行式人型ロボット１０によれば、ロボット１０の転倒による受け身動作の際に、両腕部１３Ｌ，１３Ｒの手部２７Ｌ，２７Ｒの手先部分である指部４２，４３が、手部２７Ｌ，２７Ｒのハウジング４１内に収納され得るので、二脚歩行式人型ロボット１０の転倒時や全身運動にて、胴体部が大きく傾斜した状態で手部２７Ｌ，２７Ｒが床面等に当たったとしても、指部４２，４３が手部２７Ｌ，２７Ｒ内に収納されていることにより、衝撃等に対して保護されているので、手先部分の一部である指部４２，４３が変形したり、破壊してしまうようなことがない。
【００５６】
図１１は、本発明による二脚歩行式人型ロボットの第二の実施形態における要部を示している。
この第二の実施形態においては、二脚歩行式人型ロボットは、その手部２７Ｌ，２７Ｒ全体が、下腕部２６Ｌ，２６Ｒ内に揺動して収納され得るように構成されている点で、図６乃至図８に示した手部４０とは異なる構成になっている。
即ち、図１１において、手先収納機構６０は、関節部３３Ｌを介して下腕部２６Ｌに対して揺動可能に取り付けられたハウジング６１と、ハウジング６１に対して揺動可能に取り付けられた手先部分としての掌６２と、掌６２に取り付けられた指部６３と、から構成されている。
ハウジング６１は、一側が大きく開放しており、掌６２が図１１（Ａ）に示す展開位置から図１１（Ｂ）に示す収納位置まで揺動したとき、掌６２及び指部６３を内部に収納し得るように構成されている。掌６２は、図示の場合、ハウジング６１に対して揺動軸６２ａの周りに揺動可能に支持されており、図示しない駆動手段によって、図１１（Ａ）に示す展開位置から図１１（Ｂ）に示す収納位置まで揺動されるようになっている。指部６３は、掌６２に対して、図示しない駆動手段により駆動制御され、適宜に揺動されることにより、各種動作を行なうようになっている。なお、この実施形態においては、掌６２を手先収納機構６０のハウジング６１に収納するための駆動手段は、掌６２及び指部６３を駆動する駆動手段とは別に設けられている。
【００５７】
このような構成の二脚歩行式人型ロボットによれば、図１乃至図９に示した二脚歩行式人型ロボット１０と同様に歩行動作を行なうと共に、両腕部１３Ｌ，１３Ｒの手部２７Ｌ，２７Ｒの手先部分である掌６２，指部６３が、手先収納機構６０によって、手部２７Ｌ，２７Ｒのハウジング６１内に収納され得るので、二脚歩行式人型ロボット１０の転倒時や全身運動にて、胴体部が大きく傾斜した状態で手部２７Ｌ，２７Ｒが床面等に当たったとしても、掌６２，指部６３が手部２７Ｌ，２７Ｒ内に収納されていることにより、衝撃等に対して保護されているので、手先部分である掌６２，指部６３が変形したり、破壊してしまうようなことがない。
【００５８】
図１２は、本発明による二脚歩行式人型ロボットの第三の実施形態における要部を示している。この第三の実施形態においては、二脚歩行式人型ロボットは、その手部２７Ｌ，２７Ｒ全体が、下腕部２６Ｌ，２６Ｒ内に摺動して収納され得るように構成されている点で、図６乃至図８に示した手先収納機構４０とは異なる構成になっている。
即ち、図１２において、手先収納機構７０は、下腕部２６Ｌに対して摺動可能に取り付けられたベース部７１と、ベース部７１に対して関節部３３Ｌを介して揺動可能に取り付けられた手先部分としての掌７２と、掌７２に取り付けられた指部７３と、から構成されている。
この場合、下腕部２６Ｌの先端が中空部７４を備えることにより大きく開放しており、ベース部７１が図１２（Ａ）に示す展開位置から図１２（Ｂ）に示す収納位置まで上記中空部７４内に摺動したとき、掌７２及び指部７３を当該中空部７４内に収納し得るように構成されている。掌７２は、図示の場合、ベース部７１に対して揺動可能に支持されており、図示しない駆動手段によって適宜に駆動制御されるようになっている。指部７３は、掌７２に対して、図示しない駆動手段により駆動制御され、適宜に揺動されることにより各種動作を行なうようになっている。なお、この実施形態においては、掌７２を下腕部２６Ｌの中空部７４内に収納するための駆動手段は、掌７２及び指部７３を駆動する駆動手段とは別に設けられている。
【００５９】
このような構成の二脚歩行式人型ロボットによれば、図１乃至図９に示した二脚歩行式人型ロボット１０と同様に歩行動作を行なうと共に、両腕部１３Ｌ，１３Ｒの手部２７Ｌ，２７Ｒの手先部分である掌７２，指部７３が、手先収納機構７０によって、下腕部２６Ｌ，２６Ｒの中空部７４内に収納され得るので、二脚歩行式人型ロボット１０の転倒時や全身運動にて、胴体部が大きく傾斜した状態で手部２７Ｌ，２７Ｒが床面等に当たったとしても、掌７２，指部７３が下腕部２６Ｌ，２６Ｒ内に収納されていることにより、衝撃等に対して保護されているので、手先部分である掌７２，指部７３が変形したり、破壊してしまうようなことがない。
【００６０】
図１３は、本発明による二脚歩行式人型ロボットの第四の実施形態における要部を示している。この第四の実施形態における二脚歩行式人型ロボットにおいては、手先収納機構８０は、図６乃至図８に示した手先収納機構４０とは異なり、その手部２７Ｌ，２７Ｒの手先部分である指部４２，４３が、その揺動軸がそれぞれ手部２７Ｌ，２７Ｒに対して、長手方向に摺動可能に支持されていることにより、手部２７Ｌ，２７Ｒ内に収納可能に構成されている。
各指部４２，４３は、それぞれその揺動軸４２ｃ，４３ｃが、手部２７Ｌ，２７Ｒ内に設けられた長手方向に延びるスロット４２ｄ，４３ｄに沿って摺動可能に構成されている。なお、この実施形態においては、各指４２，４３を下腕部２６Ｌ，２６Ｒ内に収納するための駆動手段は、各指４２，４３を駆動する駆動手段とは別に設けられている。
【００６１】
このような構成の二脚歩行式人型ロボットによれば、図１乃至図９に示した二脚歩行式人型ロボット１０と同様に歩行動作を行なうと共に、両腕部１３Ｌ，１３Ｒの手部２７Ｌ，２７Ｒの手先部分である指部４２，４３が、手先収納機構８０によって、それぞれその揺動軸４２ｃ，４２ｄがスロット４２ｄ，４３ｄに沿って摺動することにより、下腕部２６Ｌ，２６Ｒ内に収納され得るので、二脚歩行式人型ロボット１０の転倒時や全身運動にて、胴体部が大きく傾斜した状態で手部２７Ｌ，２７Ｒが床面等に当たったとしても、指部４２，４３が下腕部２６Ｌ，２６Ｒ内に収納されていることにより、衝撃等に対して保護されているので、手先部分である指部４２，４３が変形したり、破壊してしまうようなことがない。
【００６２】
上述した実施形態においては、手部２７Ｌ，２７Ｒが、それぞれ下腕部２６Ｌ，２６Ｒに対して、関節部３３Ｌ，３３Ｒを介して一軸方向に揺動可能に支持されているが、これに限らず、二軸方向に揺動可能に支持されていてもよいことは明らかである。
また、上述した実施形態においては、手先部分である掌６２，７２及び指部６３，７３が収納位置にて完全に収納され、外部に露出しないように構成されているが、これに限らず、収納位置にて手先部分の一部（保護すべき部分）が外部に対して露出しないように構成されていてもよい。
【００６３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、二脚歩行式人型ロボットが転倒する際、あるいは転倒に対応して受け身動作を行なう場合や、前転等の床面上での運動を行なう場合に、手部の手先部分が、手部及び／又は対応する下腕部内に収納されることにより、上記手先部分の少なくとも一部、例えば指部が外側に露出しないので、転倒等の際に、手先部分の少なくとも一部が床面等に衝突して衝撃を受けても、変形したり、破壊してしまうようなことがない。
従って、二脚歩行式人型ロボットの転倒に対応し、さらに二脚歩行式人型ロボットの転倒に対する受け身動作や前転等の全身運動を行なうように構成された二脚歩行式人型ロボットにも対応した、最適な手部を構成することができる。
このようにして、本発明によれば、転倒時等に、手部先端付近の手先部分を衝撃等から保護するようにした、極めて優れた二脚歩行式人型ロボットが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による二脚歩行式人型ロボットの一実施形態の外観を示し、（Ａ）は概略正面図、（Ｂ）は概略側面図である。
【図２】図１の二脚歩行式人型ロボットの機械的構成を示す概略図である。
【図３】図１の二脚歩行式人型ロボットの前屈部及び脚部の各関節部の前方への揺動限界を示す概略図である。
【図４】図１の二脚歩行式人型ロボットの前屈部及び脚部の各関節部の後方への揺動限界を示す概略図である。
【図５】図１の二脚歩行式人型ロボットの前屈部の各関節部の、（Ａ）左方向への旋回限界及び（Ｂ）右方向への旋回限界をそれぞれ示す概略図である。
【図６】図１の二脚歩行式人型ロボットの手部における手先部分の収納機構の構成を示し、（Ａ）は展開状態の斜視図、（Ｂ）は収納状態の斜視図である。
【図７】図６の手先部分の収納機構の構成を示し、（Ａ）は展開状態の断面図、（Ｂ）は収納状態の断面図である。
【図８】図６の手先部分の収納機構の駆動系を示す概略図である。
【図９】図１の二脚歩行式人型ロボットの電気的構成を示すブロック図である。
【図１０】図１の二脚歩行式人型ロボットの転倒状態における動作を示すフローチャートである。
【図１１】本発明による二脚歩行式人型ロボットの第二の実施形態の手先部分の収納機構を示し、（Ａ）は展開状態の斜視図、（Ｂ）は収納状態の斜視図である。
【図１２】本発明による二脚歩行式人型ロボットの第三の実施形態の手先部分の収納機構を示し、（Ａ）は展開状態の斜視図、（Ｂ）は収納状態の斜視図である。
【図１３】本発明による二脚歩行式人型ロボットの第四の実施形態の手先部分の収納機構を示し、（Ａ）は展開状態の斜視図、（Ｂ）は途中の状態の斜視図、（Ｃ）は収納状態の斜視図である。
【符号の説明】
１０ 二脚歩行式人型ロボット
１１ 胴体部
１１ａ 胸部
１１ｂ 腰部
１１ｃ 前屈部
１２Ｌ，１２Ｒ 脚部
１３Ｌ，１３Ｒ 腕部
１４ 頭部
１５Ｌ，１５Ｒ 大腿部
１６Ｌ，１６Ｒ 下腿部
１７Ｌ，１７Ｒ 足部
１８Ｌ，１８Ｒ乃至２４Ｌ，２４Ｒ 関節部（関節駆動用モータ）
２１Ｌ，２１Ｒ 膝部
２５Ｌ，２５Ｒ 上腕部
２６Ｌ，２６Ｒ 下腕部
２７Ｌ，２７Ｒ 手部
２８Ｌ，２８Ｒ乃至３０Ｌ，３０Ｒ 関節部
３１Ｌ，３１Ｒ 肘部
３２Ｌ，３２Ｒ，３３Ｌ，３３Ｒ，３５，３６ 関節部
４０，６０，７０，８０ 手先収納機構
４１，６１ ハウジング
４２，４３，６３，７３ 指部
４４ 駆動機構
４５ 駆動モータ
５０ 歩行制御装置
６２，７２ 掌
７１ 中空部

Claims (10)

1. 胴体部と、胴体部の下部両側に取り付けられた脚部と、胴体部の上部両側に取り付けられた腕部と、胴体部の上端に取り付けられた頭部と、を備えており、
   上記腕部が、胴体部に対して二軸方向に揺動可能に取り付けられた二つの上腕部と、各上腕部に対してそれぞれ一軸方向に揺動可能に取り付けられた下腕部と、各下腕部に対して少なくとも一軸方向に揺動可能に取り付けられた手部と、を含んでおり、
   さらに、上記脚部そして上記腕部の手部，下腕部及び上腕部をそれぞれ駆動する駆動手段と、各駆動手段をそれぞれ駆動制御する制御部と、を有している二脚歩行式人型ロボットにおいて、
   上記手部の手先部分が、手先収納機構により収納可能に構成されており、
   上記制御部が、姿勢センサの検出信号から胴体部の傾きを検知すると、上記手先収納機構を駆動制御して手部の手先部分を収納位置に収納させることにより、手先部分の少なくとも一部が外側に露出しないことを特徴とする、二脚歩行式人型ロボット。
2. 前記手部の手先部分の少なくとも一部が揺動することにより、当該手部及び／又は対応する下腕部内に収納されることを特徴とする、請求項１に記載の二脚歩行式人型ロボット。
3. 前記手部の手先部分の少なくとも一部が摺動することにより、当該手部及び／又は対応する下腕部内に収納されることを特徴とする、請求項１に記載の二脚歩行式人型ロボット。
4. 前記手部全体が、対応する下腕部内に収納可能であることを特徴とする、請求項１から３の何れかに記載の二脚歩行式人型ロボット。
5. 前記手部の指部が、当該手部内に収納可能であることを特徴とする、請求項１から３の何れかに記載の二脚歩行式人型ロボット。
6. 前記手部の手先部分の少なくとも一部が、手部を駆動するための駆動手段により、当該手部及び／又は対応する下腕部内に収納可能であることを特徴とする、請求項１から５の何れかに記載の二脚歩行式人型ロボット。
7. 胴体部と、胴体部の下部両側に取り付けられた脚部と、胴体部の上部両側に取り付けられた腕部と、胴体部の上端に取り付けられた頭部と、を備えており、上記腕部が、胴体部に対して二軸方向に揺動可能に取り付けられた二つの上腕部と、各上腕部に対してそれぞれ一軸方向に揺動可能に取り付けられた下腕部と、各下腕部に対して少なくとも一軸方向に揺動可能に取り付けられた手部と、を含んでおり、上記脚部そして上記腕部の手部，下腕部及び上腕部をそれぞれ駆動する駆動手段と、各駆動手段を駆動制御する制御部と、を備えた二脚歩行式人型ロボットにおいて、上記手部の手先部分を収納する二脚歩行式人型ロボットの手先収納機構であって、
   上記制御部が姿勢センサの検出信号から胴体部の傾きを検知すると上記制御部により駆動制御され、手部の手先部分を収納位置に収納することで、手先部分の少なくとも一部が外側に露出しないことを特徴とする、二脚歩行式人型ロボットの手先収納機構。
8. 前記手部が、前記下腕部に対して揺動可能に取り付けられたハウジングと、該ハウジングに対して揺動可能にかつ収納可能に取り付けられた手先部分と、該手先部分を別の駆動機構を介して駆動する駆動モータと、を備え、
   前記駆動モータが、前記制御部で回転駆動されることにより、前記手先部分を前記ハウジング内に収納することを特徴とする、請求項７に記載の二脚歩行式人型ロボットの手先収納機構。
9. 前記手部が、前記下腕部に対して揺動可能に取り付けられたハウジングと、該ハウジングに揺動軸の周りに揺動可能に支持された手先部分と、該手先部分を駆動する別の駆動手段と、を備え、
   前記別の駆動手段が、前記制御部で駆動制御されることにより、前記ハウジングの開放している一側に前記手先部分を収納することを特徴とする、請求項７に記載の二脚歩行式人型ロボットの手先収納機構。
10. 前記手部が、前記下腕部に対して摺動可能に取り付けられたベース 部と、該ベース部に対して揺動可能に取り付けられた手先部分と、前記ベース部および前記手先部分を前記下腕部の中空部に収納する別の駆動手段と、を備え、
    前記別の駆動手段が、前記制御部で駆動制御されることにより、前記手先部分を前記下腕部の中空部内に収納することを特徴とする、請求項７に記載の二脚歩行式人型ロボットの手先収納機構。

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