JP3956414B2

JP3956414B2 - ロボット装置及びロボット装置の制御方法

Info

Publication number: JP3956414B2
Application number: JP02187597A
Authority: JP
Inventors: 雅博藤田; 英樹野間
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-11-19
Filing date: 1997-02-04
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2017-02-04
Also published as: JPH10202562A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はロボット装置及びその制御方法に関し、例えば自律的に歩行するものに適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自律的に歩行できるロボットには、ロボットの荷重を複数の脚で支持して歩行する多脚型のものがある。脚機構には、リンクをパンタグラフ状に組み合わせたいわゆるパンタグラフ型のものや、リンクを関節で接続したいわゆる関節型のもの等が考えられている。例えば特許公報平４−７４１５０「歩行ロボットの脚機構」では、脚機構としてパンタグラフ型を採用し、脚機構先端部の効率的な駆動を実現する機構系について述べている。
【０００３】
一方、図５３の昆虫型ロボット１は、関節型の６つの脚機構２〜７をもつ。
【０００４】
脚機構２〜７は、それぞれ２つの脚リンク８及びアクチュエータ付き関節（図中、斜線付き黒丸で示す）９で構成されている。昆虫型ロボット１は、水平状態の脚機構２〜７を脚機構２〜７付け根に配置されたアクチュエータ付き関節９によって垂直状態に駆動して立ち上がる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、歩行ロボットには、歩行に用いない腕が設けられて、この腕を動かして作業するものが考えられる。人間型あるいは鳥型のロボットは、２脚機構で歩行し、この脚機構と別個に設けられた腕機構で作業をすることが想定されている。
【０００６】
例えば、大須賀らは、「２足歩行ロボットの非線形制御」第２３回制御理論シンポジウム1994 pp.313--318で、鳥型２足歩行ロボットの膝の屈伸の制御に関して論じている。この２脚歩行ロボットは、２脚機構で歩行すると共に、２つの手を使用して作業するとき２脚機構による立ち姿勢を維持することを前提としている。
【０００７】
ところが、この２脚歩行ロボットは、２脚機構で歩行させるだけでも複雑な制御を必要とした。このため手を使用して作業するとき、この２脚歩行ロボットは、立ち姿勢を安定して維持する制御が歩行のとき以上に複雑化するという問題があった。
【０００８】
一方、荒井らは、「脚・腕統合化の研究」第１１回日本ロボット学会学術講演集1993 pp.629--630において、脚機構にマニピュレータを搭載せず、腕と脚機構とを渾然一体とした「リムメカニズム」を提案している。このリムメカニズムをもつロボットは、腕を歩行にも利用する。作業のとき、このロボットは作業に使用しない複数の脚機構リンクでバランスを保って姿勢を安定させるように制御する。
【０００９】
ところが、作業のときバランスを保って姿勢を安定させるには、脚機構リンクの制御が複雑化するという問題があった。
【００１０】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、本体部を支持して移動する複数の脚部をもち、所定の脚部によって作業するときの作業姿勢を簡易な構成で容易に安定させ得るロボット装置及びその制御方法を提案しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため本発明においては、それぞれ本体部に接続されて本体部を支持する複数の脚部を有し、脚部をそれぞれ所定タイミングで所定状態に動かすことによって移動するロボット装置において、所定の脚部を使用して作業するとき、所定の脚部以外の全部又は一部の脚部の移動のときには接地しない部位及び本体部の所定部位が接地するように姿勢を制御する制御手段を設ける。
【００１２】
作業に使用する所定の脚部以外の全部又は一部の脚部の移動のときには接地しない部位及び本体部の所定部位を接地して位置制御が必要な部位を低減することにより、本体部を支持して移動する複数の脚部をもち、所定の脚部によって作業するときの作業姿勢を簡易な構成で容易に安定させることができる。
【００１３】
また本発明においては、それぞれ本体部に接続されて本体部を支持する複数の脚部を有し、脚部をそれぞれ所定タイミングで所定状態に動かすことによって移動するロボット装置の制御方法において、所定の脚部を使用して作業するとき、所定の脚部以外の全部又は一部の脚部の移動のときには接地しない部位及び本体部の所定部位が接地するように姿勢を制御する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下図面について、本発明の一実施例を詳述する。
【００１５】
図１において、１０は全体としてロボット装置としての大型の歩行ロボットを示し、本体部としての矩形杯状の剛体でなる胴体１１を脚部としての関節型の脚機構１２〜１５によって支えている。胴体１１は、長軸方向に並行に配された右フレーム１１Ｂ及び左フレーム１１Ｃと、右フレーム１１Ｂ及び左フレーム１１Ｃの前端付近及び後端にそれぞれ短軸方向に並行に配された前フレーム１１Ａ及び後フレームＤとが一体に形成されている。
【００１６】
脚機構１２〜１５は、それぞれ右フレーム１１Ｂの外側面前端付近、左フレーム１１Ｃの外側面前端付近、右フレーム１１Ｂの外側面後端付近、左フレーム１１Ｃの外側面後端付近に接続されている。
【００１７】
胴体１１の前フレーム１１Ａ上には、首頭機構１６が配置されている。また胴体１１の中央付近には、信号処理回路（図示せず）及び電源としての電池（図示せず）が配置されている。右前の脚機構１２の上端は、トルクを発生する関節部としてのアクチュエータ付き関節１７が配されており、このアクチュエータ付き関節１７を介して右フレーム１１Ｂに接続されている。
【００１８】
アクチュエータ付き関節１７は、脚リンク１８の上端に接続されており、胴体１１の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度をもつ。これにより、アクチュエータ付き関節１７は、脚リンク１８を胴体１１の前後方向に所定角度で回動することができる。
【００１９】
脚リンク１８の下端は、トルクを発生する関節部としてのアクチュエータ付き関節１９に接続されている。アクチュエータ付き関節１９は、脚リンク２０の上端に接続されており、胴体１１の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度をもつ。これにより、アクチュエータ付き関節１９は、脚リンク２０を胴体１１の前後方向に所定角度で回動することができる。
【００２０】
因みに、脚機構１２においては、アクチュエータ付き関節１７が肩関節に相当し、脚リンク１８が上腕に相当し、アクチュエータ付き関節１９が肘関節に相当し、脚リンク２０が前腕に相当し、脚リンク２０の下端部（図中、白丸で示す）２１が手に相当する。
【００２１】
脚機構１３は、脚機構１２と同一に構成されている。この場合、上述の脚機構１２、アクチュエータ付き関節１７、右フレーム１１Ｂ、脚リンク１８、アクチュエータ付き関節１９、脚リンク２０、下端部２１をそれぞれ脚機構１３、アクチュエータ付き関節２２、左フレーム１１Ｃ、脚リンク２３、アクチュエータ付き関節２４、脚リンク２５、下端部２６と読み換える。また脚機構１４は、脚機構１２とほぼ同一に構成されている。この場合、上述の脚機構１２、アクチュエータ付き関節１７、脚リンク１８、アクチュエータ付き関節１９、脚リンク２０、下端部２１をそれぞれ脚機構１４、アクチュエータ付き関節２７、脚リンク２８、アクチュエータ付き関節２９、脚ンク３０、下端部３１と読み換える。
【００２２】
脚機構１５は、脚機構１２とほぼ同一に構成されている。この場合、上述の脚機構１２、アクチュエータ付き関節１７、右フレーム１１Ｂ、脚リンク１８、アクチュエータ付き関節１９、脚リンク２０、下端部２１をそれぞれ脚機構１５、アクチュエータ付き関節３２、左フレーム１１Ｃ、脚リンク３３、アクチュエータ付き関節３４、脚リンク３５、下端部３６と読み換える。
【００２３】
因みに、脚機構１４，１５においては、アクチュエータ付き関節２７，３２が股関節に相当し、脚リンク２８，３３が太股に相当し、アクチュエータ付き関節２９，３４が膝関節に相当し、脚リンク３０，３５が脛に相当し、下端部３１，３６が足に相当する。
【００２４】
首頭機構１６の下端は、アクチュエータ付き関節３７が配されており、このアクチュエータ付き関節３７を介して前フレーム１１Ａ中央部に接続されている。アクチュエータ付き関節３７は、首都３８の下端に接続されており、胴体の前後方向を含む鉛直面内で回動する。これにより、アクチュエータ付き関節３７は、首部３８を胴体１１の上下方向に回動することができる。
【００２５】
首部３８の上端は、アクチュエータ付き関節３９を介して頭部４０に接続されている。アクチュエータ付き関節３９は、首部３８の上下端方向の回りに回動する。これにより、首頭機構１６は、頭部４０を胴体１１の前後方向及び左右方向へ回動することができることになる。
【００２６】
頭部４０には、外部の音を収音するマイクロホン（図示せず）が設けられている。このマイクロホンは出力信号を信号処理回路に与える。
【００２７】
信号処理回路は、アクチュエータ付き関節１７，１９，２２，２４，２７，２９，３２，３４，３７，３９に配置された角度検出器（図示せず）の角度検出信号をアナログディジタル変換回路（図示せず）に与える。
【００２８】
このアナログディジタル変換回路は、角度検出信号に応じた角度データを生成し、この角度データを制御手段としてのマイクロコンピュータ（図示せず）に与える。また信号処理回路は、上述のマイクロホンの出力信号をアナログディジタル変換回路に与える。アナログディジタル変換回路は、マイクロホンの出力信号の大きさに応じた音響データを生成し、この音響データをマイクロコンピュータに与える。
【００２９】
マイクロコンピュータは、所定サンプル期間の音響データに基づいて音の大きさを判断し、この音の大きさを基準値と比較して歩行ロボット１０が採るべき状態、例えば姿勢又は行動を決定する。続いて、マイクロコンピュータは、メモリ（図示せず）に予め記憶したアクチュエータ制御値あるいは角度データに基づいて、決定した状態に応じた制御対象のアクチュエータ付き関節１７，１９，２２，２４，２７，２９，３２，３４，３７，３９と、その回動角度とをパルス生成回路（図示せず）に指定する。
【００３０】
パルス生成回路は、この指定に応じた制御信号を生成し、この制御信号を制御対象のアクチュエータ付き関節１７，１９，２２，２４，２７，２９，３２，３４，３７，３９に与える。これにより、歩行ロボット１０は、図２の伏臥姿勢、図３の座り姿勢、図４の作業姿勢、図５の立ち姿勢、図６〜図９の歩行のいずれかの姿勢や行動を採ることができる。
【００３１】
このときマイクロコンピュータは、図１０に示すステートマシンＳに従って、姿勢や行動を選択する。ステートマシンＳは、歩行ロボット１０の姿勢や行動を意味しており、伏臥姿勢、座り姿勢、作業姿勢、立ち姿勢、歩行に対応した５つのステートＳＴ１〜ＳＴ５をもつ。ステートマシンＳは、外部の音の大きさに応じて、現ステートをステートＳＴ５に向かう方向のステートに更新する（以下、これを進み更新と呼ぶ）か、ステートＳＴ１に向かう方向のステートに更新する（以下、これを戻り更新と呼ぶ）。
【００３２】
進み更新は、現ステートがステートＳＴ１（伏臥姿勢）であるならステートＳＴ２（座り姿勢）に、ステートＳＴ２であるならステートＳＴ３（作業）又はステートＳＴ４（立ち姿勢）に、ステートＳＴ４であるならステートＳＴ５（歩行）に更新することである。ただし、現ステートがステートＳＴ５であるときの進み更新は、ステートＳＴ５を採ることである。また現ステートがステートＳＴ３であるときの進み更新は、ステートＳＴ３を採ることである。
【００３３】
一方、戻り更新は、現ステートがステートＳＴ５（歩行）であるならステートＳＴ４（立ち姿勢）に、ステートＳＴ４であるならステートＳＴ２（座り姿勢）に、ステートＳＴ３（作業）であるならステートＳＴ２に、ステートＳＴ２であるならステートＳＴ１（伏臥姿勢）に更新することである。ただし、現ステートがステートＳＴ１であるときの戻り更新は、ステートＳＴ１を採ることである。
【００３４】
歩行ロボット１０にいずれかの姿勢や行動を採らせる際には、ステートマシンＳのステートを更新する。ステートを更新すると、マイクロコンピュータは、更新後のステートに対応した姿勢や行動を選択すべくアクチュエータ付き関節１７，１９，２２，２４，２７，２９，３２，３４，３７，３９を制御して、姿勢や行動を切り換える。
【００３５】
ここで、以降の説明を簡略化するため質量が胴体１１及び頭部４０にのみ存在し、脚機構１２〜１５及び首部３８等に存在しないものとする。このとき図２及び図５に示すように、重心（図中、斜線付き楕円で示す）４１は胴体１１の前後方向の中央に存在するものとする。
【００３６】
図２に示すように、伏臥姿勢のとき歩行ロボット１０は、全ての下端部２１，２６，３１，３６を前方に向けて、脚機構１２〜１５をほぼ水平に配置する。これにより、右後及び左後の脚リンク３０，３５後部は、重心４１付近で接地面としての地平面４２に接地する。したがって、脚リンク３０，３５後部のうちアクチュエータ付き関節２９，３４付近の接地部分が、重心４１を通る鉛直線Ｇ_V1のそれぞれ右後及び左後で重心４１を支える。
【００３７】
また全ての下端部２１，２６，３１，３６と、脚リンク２０，２５とは、鉛直線Ｇ_V1の右前及び左前で接地して重心４１を支える。したがって、歩行ロボット１０は、伏臥姿勢を安定して維持することができる。伏臥姿勢のとき首頭機構１６は、頭部４０の長軸方向を水平方向に向けていると共に、首部３８の長軸方向を鉛直方向に向けている。因みに、地平面４２は、重力方向に直交している。
【００３８】
図３に示すように、座り姿勢のとき歩行ロボット１０は、右前及び左前の下端部２１，２６を下方に向けて、脚機構１２，１３を鉛直方向より少し後方に傾斜した状態に保持する。また歩行ロボット１０は、右後及び左後の下端部３１，３６を前方に向けて、脚機構１４，１５をほぼ水平状態に配置する。これにより、歩行のとき地平面４２より離れている非当接部位としての胴体下面最後部４３は、鉛直線Ｇ_V1より後方で接地して重心４１を支える。したがって、マイクロコンピュータは、重心４１後方の支持位置を制御する必要がない。
【００３９】
また右前及び左前の下端部２１，２６は、鉛直線Ｇ_V1の右前及び左前で接地して重心４１を支えることによって、地平面４２に対する傾斜角度θ_B1を胴体１１に与える。したがって、マイクロコンピュータは、前側の脚機構１２，１３だけを制御することによって、座り姿勢を安定して維持することができる。
【００４０】
座り姿勢のとき首頭機構１６は、頭部４０の長軸方向を水平方向に向けていると共に、首部３８の長軸方向を鉛直方向に向けている。
【００４１】
図４に示すように、作業姿勢のとき歩行ロボット１０は、座り姿勢から作業手段としての脚機構１２，１３を地平面４２より離す。また歩行ロボット１０は、胴体１１の傾斜角度θ_B1を維持して、後側の脚機構１４，１５をほぼ水平に保持する。これにより、胴体下面最後部４３は、鉛直線Ｇ_V1より後方で接地して重心４１を支える。したがって、マイクロコンピュータは、重心４１後方の支持位置を制御する必要がない。
【００４２】
また図１１の上面図に示すように、非当接部位としての脚リンク３０，３５後部のうち下端部３１，３６付近の接地部分は、鉛直線Ｇ_V1よりそれぞれ右前及び左前で接地して重心４１を前方で支える。したがって、歩行ロボット１０は、作業姿勢を維持して、脚機構１２，１３を胴体１１の前方及び下方の空間で任意の作業に同時に使用することができる。またマイクロコンピュータは、後側の例えばアクチュエータ２７，３２によって傾斜角度θ_B1だけを制御することによって、作業姿勢を容易に安定させることができる。
【００４３】
図５に示すように、立ち姿勢のとき歩行ロボット１０は、全ての下端部２１，２６，３１，３６を下方に向けて、全ての脚機構１２〜１５をほぼ垂直状態に保持する。これにより、右後及び左後の下端部３１，３６は、鉛直線Ｇ_V1のそれぞれ右後及び左後で接地して重心４１を支える。また右前及び左前の下端部２１，２６は、鉛直線Ｇ_V1のそれぞれ右前及び左前で接地して重心４１を支える。したがって、歩行ロボット１０は、胴体１１の長軸方向を地平面４２とほぼ並行に保持すると共に、胴体１１を地平面４２より脚機構１２〜１５の高さで隔てた立ち姿勢を安定して維持することができる。
【００４４】
図６〜図９に示すように、歩行のとき歩行ロボット１０は、胴体１１の長軸方向を地平面４２とほぼ並行に保持する。また歩行ロボット１０は、４つの脚機構１２〜１５のうち３つを接地して同一方向、例えば後方に移動すると共に、残り１つを接地しないで例えば前方（ここでは胴体１１の長軸方向の頭部４０個）に回動する。これにより、歩行ロボット１０は、接地して同一方向に移動する３つの脚機構が地平面４２より受ける反力の水平方向成分を胴体１１の前方への移動の推力として得て歩行することができる。
【００４５】
前方に歩行するとき歩行ロボット１０は、左前の下端部２６、右後の下端部３１、右前の下端部２１及び左後の下端部３６を順次地平面４２から離す。歩行のとき全ての脚リンク１８，２０，２３，２５，２８，３０，３３，３５及び全てのアクチュエータ付き関節１９，２４，２９，３４は接地しない。首頭機構１６は、頭部４０の長軸方向を水平方向に向けていると共に、首部３８の長軸方向を鉛直方向に向けている。因みに、図中、右側の脚リンク１８，２０，２８，３０は、破線で示されている。また右側のアクチュエータ付き関節１７，２７は、胴体１１に隠れているため図示されていない。
【００４６】
次に、起立の手順について説明する。
【００４７】
歩行ロボット１０は、アクチュエータ付き関節２７，３２を単純に回動しただけでは、座り姿勢や作業姿勢より立ち姿勢にステートを更新することができない。すなわち、図１２の上面図に示すように、作業姿勢において地平面４２に投影した重心４１の位置は、右後及び左後の下端部３１，３６の接地点と胴体下面最後部４３の接地点とを頂点とする多角形（図中の斜線付き矩形）でなる支持領域４５内に納まる。この状態の下端部３１，３６は、重心４１を前方で支えている。この状態で右後及び左後のアクチュエータ付き関節２７，３２によって下端部３１及び３６を作用させると、重心４１は、胴体下面最後部４３を支点とした後上方向の回転力が与えられることになる。一方、図１３の上面図に示すように、立ち姿勢において地平面４２に投影した重心４１の位置は、全ての下端部２１，２６，３１，３６のそれぞれの接地点を頂点とする多角形（図中の斜線付き矩形）でなる支持領域４６内に納まる。したがって、作業姿勢より立ち姿勢にステートを更新する際、歩行ロボット１０は、まず右前及び左前の下端部２１，２６を鉛直線Ｇ_V1のそれぞれ右前及び左前で接地して図３の座り姿勢を採る。この後、図１４に示すように、歩行ロボット１０は、右後及び左後の下端部３１，３６の接地点を鉛直線Ｇ_V1のそれぞれ右後及び左後に移動する。これにより、歩行ロボット１０は、地平面４２に投影した重心４１の位置を、下端部３１，３６の接地点と胴体下面最後部４３の接地点とを頂点とする多角形でなる支持領域４７外に配置することができる。
【００４８】
さらに歩行ロボット１０は、この状態から下端部３１，３６を作用させて、右前及び左前の下端部２１，２６を支点とした後上方向の回転力を重心に与える。これにより、歩行ロボット１０は、胴体１１後部を脚機構１４，１５によって起こして立ち姿勢を採ることができる。
【００４９】
次に、座り姿勢より胴体１１を起こす際に、歩行ロボット１０の機構系が満たすべき条件について説明する。機構系には、機構的な制約が一般的に発生する。この機構的な制約は、アクチュエータ付き関節の回動角度を測定するポテンショメータ（図示せず）が１８０°程度しか回動しなかったり、リンクが機構的に干渉したり等の様々な要因で発生する。例えば脚リンク２８，３３を座り姿勢の角度より上方に回動できない場合は、下端部３１及び３６が地平面４２に拘束されることにより、下端部３１，３６の接地点を鉛直線Ｇ_V1の後方に移動することができないことになる。
【００５０】
ここで、それぞれの脚リンクの長さと回転角度の限界がある条件を満たすように設定することによって、上述のような機構的な制約が存在しても、座り姿勢や伏臥姿勢から下端部３１，３６の接地点を鉛直線Ｇ_V1の後方に移動することができることを示す。まず伏臥姿勢より座り姿勢を経ずに直接立ち姿勢にステートを更新する際の前後の脚機構１５の位置を説明する。ただし、説明を簡単にするため、全ての脚機構１２〜１５が左右対称に同時に動作するものとして、歩行ロボット１０の主に左側における位置を説明する。またアクチュエータ付き関節３２の回動中心の高さが胴体１１下面と同一であるとする。
【００５１】
図２に示すように、伏臥姿勢のとき、胴体１１は、接地して水平に保持されている。また図１５に示すように、前後のアクチュエータ付き関節３２は、太股に相当する脚リンク３３を胴体１１より上方に回動するときの機構的な上方限界角度θ₁が設定される。胴体１１は、脚リンク３３，３５が胴体１１より上方に移動できるように構成される。
【００５２】
アクチュエータ付き関節３２から地平面４２と鉛直線Ｇ_V1との交点４８までの水平方向の長さをＬ_G1とし、脚リンク３３の長さをＬ₁とし、脛に相当する脚リンク３５の長さをＬ₂とし、下端部３６の接地点がちょうど交点４８に位置するとき、長さＬ_G1，Ｌ₁Ｌ２の３辺をもち、長さＬ_G1，Ｌ₁の２辺間の頂角が上方限界角度θ₁である３角形が形成される。この３角形は、次の式(1) の関係を満たす。
【００５３】
【数１】

【００５４】
これにより、上方限界角度θ₁が次の式(2) を満たすとき、下端部３６は、地平面４２から拘束されずに、鉛直線Ｇ_V1より後方（紙面の右方向）で接地することができる。
【００５５】
【数２】

【００５６】
また図４の作業姿勢において下端部３６を鉛直線Ｇ_V1の前方（紙面の左方向）で接地するには、次の式(3) を満たすことが必要である。
【００５７】
【数３】

【００５８】
式(2) 及び式(3) を同時に満たすように、長さＬ₁，Ｌ₂、上方限界角度θ₁、重心４１の位置をそれぞれ設定することによって、下端部３６は、重心４１の前後両方で接地できるようになる。したがって、歩行ロボット１０は、伏臥姿勢から直接立ち姿勢を採ることができる。
【００５９】
次に、座り姿勢から立ち姿勢にステートを更新する際の左後の脚機構１５の位置を説明する。図１６に示すように、座り姿勢においては、胴体１１の傾斜角度θ_B1に応じた空間が胴体１１下方に形成されることにより、この傾斜角度θ_B1及び空間を利用してアクチュエータ付き関節３２，３４を容易に回動することができる。これにより、下端部３６の接地点を地平面４２と鉛直線Ｇ_V1との交点４４後方に移動することは、伏臥姿勢に比して容易である。
【００６０】
脚リンク３３を胴体１１より上方に回動するときの機構的な上方限界角度をθ₂とし、アクチュエータ付き関節３２から交点４４までの水平方向の長さをＬ_G2とし、下端部３６の接地点がちょうど交点４４に位置するとき、長さＬ_G2，Ｌ₁，Ｌ₂の３辺をもち、長さＬ_G2，Ｌ₁の２辺問の頂角が上方限界角度θ₁及び傾斜角度θ_B1である３角形が形成される。この３角形は、次の式(4) の関係を満たす。
【００６１】
【数４】

【００６２】
徒って、上方限界角度θ₂が次の式(5) を満たすとき、下端部３６は、鉛直線Ｇ_V1より後方で接地することができる。
【００６３】
【数５】

【００６４】
上述のように傾斜角度θ_B1及び胴体１１下方の空間を利用できる分、上方限界角度θ₂は上方限界角度θ₁に比して小さくて済むことになる。これにより、アクチュエータ付き関節２７，３２の機構的な制約条件を緩和することができる。また（４）式及び（５）式を満たすように長さＬ₁，Ｌ₂、重心４１位置を設定することにより、歩行ロボット１０は、胴体１１を起こす姿勢、作業姿勢、立ち姿勢のいずれも容易に採ることができる。
【００６５】
因みに、関節型ロボットの起立に関する研究では、日本機械学会論文集（Ｃ編）５８巻５５５号（１９９２−１１）Ｎｏ９２−０４７０「曲率を持つ３つのリンクで構成されたロボットの運動制御」がある。図１７に示すように、この例のロボット４９は、脚機構５０，５１，５２のみで構成されており、胴体部を複数の脚機構で支える２脚歩行ロボットや４脚歩行ロボット等と構成が異なる。
【００６６】
一方、従来の２脚歩行ロボットは、予め立ち姿勢から歩行させていた。このため、従来の２脚歩行ロボットは、起立するよう制御されていなかった。
【００６７】
小俣らは、「手足胴体ロボットによる起き上がり動作」ロボティックス−メカトロニスク講演会 '95 ROBOMEC' 95 講演論文集(VolA)pp.239--242において、手、脚機構、胴体をもつロボットが仰向き姿勢から４脚機構で立つことについて述べている。しかし、この例は、手及び脚機構が地面に拘束された状態で起き上がれる場合の拘束つきの関節のトルクの計画をポテンシャル法をベースに説いているものであり、手及び脚機構をどのように接地させるかについて述べているものではない。
【００６８】
公開公報昭63-191582 「ロボットの歩行装置」は、転倒した歩行ロボットを起き上がらせることを目的として記述されている。この歩行ロボットは、駆動輪が脚機構先端部に設けられている。この歩行ロボットの特徴は、それぞれの脚機構が２つの回動可能なアクチュエータを介して胴体と接合されていることである。転倒したときこのロボットは、脚機構をこのアクチュエータで回転させ、脚機構先端部の駆動輪をポディに対して１８０°対称の位置に移動して起き上がる。
【００６９】
このような構成の第１の実施例において、伏臥姿勢のとき所定レベルの音が与えられると、歩行ロボット１０は、まず右前及び左前の脚機構１２，１３によって胴体１１の前部を起こして座り姿勢を採る。座り姿勢を採ってから所定時間以内に所定レベルの音が与えられると、歩行ロボット１０は、右後及び左後の下端部３１及び３６を後方に移動して重心４１のそれぞれ右後及び左後で接地する。
【００７０】
続いて歩行ロボット１０は、全てのアクチュエータ付き関節１７，１９，２２，２４，２７，２９，３２，３４を回動して胴体１１の後部を起こして立ち姿勢を採る。立ち姿勢を採ってから所定時間以内に所定レベルの音が与えられると、歩行ロボット１０は歩行を開始する。また歩行を開始してから所定時間内に所定レベルの音が与えられると、歩行ロボット１０は歩行を継続する。
【００７１】
ここで、座り姿勢のとき例えば立ち姿勢へ更新するときと異なる所定レベルの昔が与えられると、歩行ロボット１０は、右前及び左前の脚機構１２，１３を地平面４２より離して作業姿勢を採る。このとき、胴体下面最後部４３は、重心４１の鉛直線Ｇ_V1後方で接地して重心４１を支える。また脚リンク３０，３５後部のうち下端部３１，３６付近の接地部分は、鉛直線Ｇ_V1の右前及び左前で接地して重心４１を前方で支える。
【００７２】
これにより、歩行ロボット１０は、脚機構１２，１３による作業中でも、作業姿勢を従来に比して一段と容易に安定させることができる。
【００７３】
次に、歩行中の歩行ロボット１０は、所定時間内に所定レベルの音が与えられないと、立ち姿勢及び座り姿勢を順次経て伏臥姿勢に戻る。同様に作業姿勢の歩行ロボット１０は、所定時間内に所定レベルの昔が与えられないと、座り姿勢を経て伏臥姿勢に戻る。
【００７４】
以上の構成の第１の実施例によれば、歩行のとき接地しない胴体下面最後部４３を接地して位置制御が必要な部位を低減すると共に、後側の脚機構１４，１５によって胴体１１の傾斜角度θ_B1だけを制御することにより、胴体１１を支持して歩行する４つの脚機構１２〜１５をもち、前例の２つの脚機構１２，１３によって作業するときの作業姿勢を簡易な構成で一段と容易に安定させることができる。また伏臥姿勢、座り姿勢、作業姿勢を採っているとき胴体１１を起こすに必要な位置に後側のアクチュエータ２７，２９，３２，３４を容易に移動することができることにより、伏臥姿勢、座り姿勢、作業姿勢より立ち姿勢を容易に採ることができる。
【００７５】
次に、第１の実施例における脚機構１２，１３のいずれか一方を使用する作業姿勢について説明する。
【００７６】
第２の実施例では、図１８に示すように、例えば右前の脚機構１２だけを使用する作業姿勢のとき歩行ロボット１０は、左前の下端部２６を下方に向けて、左前の脚機構１３を鉛直方向より少し後方に傾斜した状態に保持する。また歩行ロボット１０は、右後及び左後の脚リンク２８，３３を鉛直方向より後方に所定角度、例えば４５°傾斜させると共に、下端部３１，３６を後方に向けて脚リンク３０，３５前部を接地する。これにより、脚リンク３０，３５前部のうちアクチュエータ２９，３４付近の接地部分は、鉛直線Ｇ_V1のそれぞれ右後及び左後で接地して重心４１を支える。また左前の下端部２６は、鉛直線Ｇ_V1の左前で接地して重心４１を支える。
【００７７】
このとき、図１９の上面図に示すように、地平面４２に投影した重心４１の位置は、右後及び左後のアクチュエータ２９，３４の接地点と左前の下端部２６の接地点とを頂点とする多角形（図中の一点鎖線の３角形）でなる支持領域５３内に納まる。したがって、歩行ロボット１０は、右前の脚機構１２だけを地平面４２より離した作業姿勢を維持して、脚機構１２を胴体１１の前方及び下方の空間で任意の作業に使用することができる。またこの作業姿勢は、右前の下端部２１が作業空間に近接して接地している分、図４の作業姿勢に比して一段と安定する。
【００７８】
第３の実施例では、図２０に示すように、歩行ロボット５４は、歩行ロボット１０の構成に加えて、高さＨ₁の丸い補助脚５５が胴体１１下面の前端部及び下端部に配設されている。これにより、伏臥姿勢のとき右後及び左後のアクチュエータ２７，３２は、地平面４２より高さＨ₁で隔てられる。また胴体１１は地平面４２に対して平行に保持される。
【００７９】
このとき後側の脚リンク３３と、脚リンク３５と、地平面４２と高さＨ₁を辺とする矩形が形成される。下端部３６の接地点がちょうど交点４８に位置するとき、アクチュエータ３２より交点４８までの長さＬ_G3は、次の式(6) で与えられる。
【００８０】
【数６】

【００８１】
また長さＬ_G3方向と地平面４２との間の角度θ₄は次の式(7) で与えられる。
【００８２】
【数７】

【００８３】
これにより、上方限界角度θ₃が次の式(8) を満たすとき、下端部３６は、地平面４２から拘束されずに、鉛直線Ｇ_V1より後方で接地することができる。
【００８４】
【数８】

【００８５】
一方、作業姿勢を採るとき左後の下端部３６は、鉛直線Ｇ_V1の前方で接地しなければいけない。このため次の式(9) を満たす必要がある。
【００８６】
【数９】

【００８７】
また高さＨ₁は、次の式(10)を満たす必要がある。、
【００８８】
【数１０】

【００８９】
このように、補助脚５５を使用して、右後及び左後のアクチュエータ２７，３２を地平面４２より離すことによって、アクチュエータ３０，３４を回動する空間が胴体１１下面に形成される。これにより、上方限界角度θ₃が図１５の伏臥姿勢における上方限界角度θ₁に比して小さくても、下端部３６は、この空間を利用することによって鉛直線Ｇ_V1の後方に容易に移動することができる。
【００９０】
第４の実施例では、図２１に示すように、アクチュエータ３２を限界角度まで回動して座り姿勢より立ち姿勢にステートを更新する際に、後方に移動した左後の下端部３６が鉛直線Ｇ_V1の少し前方で接地している場合について説明する。
【００９１】
この場合には、首部３８を首部３８下端のアクチュエータ３７を用いて前方に倒すことによって、重心４１を前方に移動する。これにより、重心４１の鉛直線Ｇ_V1と下端部３６の接地点との前後方向の位置関係が逆転して、下端部３６は鉛直線Ｇ_V1の後方で接地することになる。このように、アクチュエータ３２を限界角度まで回動した後に胴体１１と後側の脚機構１４，１５との位置関係を変えずに重心４１を前方に移動することにより、胴体１１を起こして立ち姿勢にステートを更新することのできる位置関係を実現することができる。
【００９２】
第５の実施例では、胴体１１を起こす際に必要な下端部２１，２６，３１，３６と重心４１との幾何学的な関係が満たされていることを前提として、胴体１１を起こす際に必要な後側のそれぞれのアクチュエータ２７，２９，３２，３４におけるトルクに注目して、後側の下端部３１，３６の接地位置について説明する。
【００９３】
図２２に示すように、左後の下端部３６が重心４１の鉛直線Ｇ_V1とアクチュエータ３４の鉛直線Ｇ_V2との間で接地している場合、アクチュエータ３４は、反時計回りのトルクＴ₁を脚リンク３５に与えて下端部３６を地平面４２に押しつける。これにより、脚リンク３３は、トルクＴ₁の反作用を受け、アクチュエータ３４を中心とする時計回りのトルク−Ｔ₁が与えられる。
【００９４】
アクチュエータ３２は、反時計回りのトルクＴ₂を脚リンク３３に与えて胴体１１を起こそうとする。これにより、トルクＴ２の反力は、アクチュエータ３２を中心とする時計回りのトルク−Ｔ₂を胴体１１に生じさせる。
【００９５】
この例において、アクチュエータ３２を中心として脚リンク３３をみると、トルク−Ｔ₁，Ｔ₂は、脚リンク３３を互いに反対方向に回転させるように作用している。このため、胴体１１を起こすトルクＴ２は、トルク−Ｔ₁により減少させられ、その分増加する必要がある。
【００９６】
一方、図２３に示すように、左後の下端部３６が鉛直線Ｇ_V2とアクチュエータ３４の鉛直線Ｇ_V3との間で接地している場合、アクチュエータ３４は、時計回りのトルク−Ｔ₁を脚リンク３５に与えて下端部３６を地平面４２に押しつける。この例において、アクチュエータ３２を中心として脚リンク３３をみると、トルクＴ₁，Ｔ₂は、脚リンク３３を同一方向に回転させるように作用している。これにより、トルクＴ₂は図２２の位置関係の場合に比して小さくて済むことになる。
【００９７】
図２３のトルクの状況を作るには、下端部３６が鉛直線Ｇ_V2より後側（紙面に向かって右側）で接地すると共に、鉛直線Ｇ_V1が鉛直線Ｇ_V2より前側にあれば良い。図２４に示すように、下端部３６の接地点を鉛直線Ｇ_V2の前側より後側に移すには、下端部３６の接地点が地平面４２と鉛直線Ｇ_V2との交点５７を通過しなければいけない。
【００９８】
胴体１１を接地した伏臥姿勢を採っている場合、下端部３６の接地点が交点５７と一致したときの長さＬ₁，Ｌ₂，Ｌ_G1と、胴体１１の前後方向に対する脚リンク３３の上方限界角度θ₅との関係は、次の式(11)及び式(12)で表すことができる。
【００９９】
【数１１】

【０１００】
【数１２】

【０１０１】
式(11)及び(12)式を満たすように、長さＬ₁，Ｌ₂，Ｌ_G1と上方限界角度θ₅とを設定することによって、歩行ロボット１０は、下端部３６の接地点を鉛直線Ｇ_V2の後側に移すことができる。さらに、長さＬ₁，Ｌ₂が式(3) を満たしていれば、下端部３６を重心より前方に位置できることにより、歩行ロボット１０は、座り姿勢を採ることができる。
【０１０２】
これに対して、図２５に示すように、胴体１１下面に配設した補助脚５５によって、胴体１１を水平に保持すると共に、アクチュエータ３２を高さＨ₂だけ地平面４２より高くした伏臥姿勢を採っている場合、長さＬ₁，Ｌ₂，Ｌ_G1と、胴体１１の前後方向に対する脚リンク３３の上方限界角度θ₆との関係は、次の式(13)、式(14)及び式(15)で表すことができる。
【０１０３】
【数１３】

【０１０４】
【数１４】

【０１０５】
【数１５】

【０１０６】
また図２６に示すように、胴体１１を接地した伏臥姿勢より前部だけを起こして胴体１１が地平面４２に対して傾斜角度θ_B2をもつ場合、長さＬ₁，Ｌ₂，Ｌ_G1と、胴体１１の前後方向に対する脚リンク３３の上方限界角度θ₆との関係は、次の式(16)、式(17)及び式(18)で表すことができる。
【０１０７】
【数１６】

【０１０８】
【数１７】

【０１０９】
【数１８】

【０１１０】
ここで、胴体１１を水平に保持した状態において、下端部３６の接地点を鉛直線Ｇ_V2より後方に直接移動することができない場合について説明する。この場合、歩行ロボット１０は、一旦、胴体１１前部を起こす。続いて、歩行ロボット１０は、図２６の姿勢を経て、下端部３６の接地点を鉛直線Ｇ_V2より後方に移動する。
【０１１１】
胴体１１前部を起こすと地平面４２に対する重心４１の投影位置は、伏臥姿勢のときに比して後方に移動する。このため、この姿勢より胴体１１を起こす場合、後側のアクチュエータ３２，３４は、前側のアクチュエータ２２，２４に比して大きなトルクを発生する必要がある。もし後側の脚機構１４，１５が前側の用機構１２，１３に比して大きなトルクを発生するように構成されていれば、歩行ロボット１０は、胴体１１を起こして立ち姿勢を採ることができる。
【０１１２】
一方、全ての脚機構１２〜１５で発生するトルクがなるべく均一である方が良い場合がある。この場合、歩行ロボット１０は、一旦、胴体１１前側を下げて胴体１１を水平に戻す。これにより、図２３に示すように、地平面４２に対する重心４１の投影位置は、前方に戻る。この後、歩行ロボット１０は、胴体１１を起こして立ち姿勢を採る。
【０１１３】
この手順は、機構的な上方限界角度θ₇を上方限界角度θ₅に比して小さく設定することができる。またこの手順は、荷重を全ての脚機構１２〜１５に均一にかけて胴体１１を起こすことにより、トルクの利用効率を向上することができる。
【０１１４】
以上の第１〜第５の実施例では脚機構１２〜１５が左右対称に同時に動作して胴体１１を起こす場合について説明したが、第６の実施例では、脚機構１２〜１５が左右非対称に時間的にずれて動作して胴体１１を起こす場合について説明する。
【０１１５】
胴体１１を起こす前、歩行ロボット１０は、図２の伏臥姿勢を採っている。
【０１１６】
まず図２７に示すように、歩行ロボット１０は、左後の脚リンク３３を上方限界角度θ₈まで回動して脚機構１５を屈曲すると共に、前側の脚機構１３を屈曲する。これにより、図２８に示すように、歩行ロボット１０は、目的の姿勢、すなわち重心４１の後方にアクチュエータ３４が位置し、下端部３６の接地点がアクチュエータ３４の鉛直線Ｇ_V2の後方に位置した、立ち姿勢を採る直前の姿勢を採ることができる。
【０１１７】
一方、図２９に示すように、歩行ロボット１０は、胴体１１右側を伏臥姿勢に維持する。これにより、図３０の後面図に示すように、歩行ロボット１０は、胴体１１の前後方向を水平に保持して胴体１１の左側だけを起こすことができる。
【０１１８】
ここで、図２７に示すように、横から見たときの脚リンク３５が地平面４２と直交する位置まで下端部３６の接地点を移動したとき、図３０に示すように、胴体１１は、地平面４２に対して傾斜角度θ₉で右側に傾斜している。このときのアクチュエータ３２の高さＨ₃は、次の式(19)で求められる。
【０１１９】
【数１９】

【０１２０】
高さＨ₃は、脚機構１２〜１５を左右対称に同時に屈曲して胴体を水平に起こす場合に比して小さい。
【０１２１】
このようにして、歩行ロボット１０は、伏臥姿勢より脚機構１２〜１５を左右非対称に時間的にずらして屈曲する２段階動作によって、目的の姿勢を採ることになる。これは、歩行ロボット１０が胴体１１を１段階動作毎に目的の姿勢の約１／２の高さに起こすことを意味する。これにより、１段階動作毎の消費電流は、目的の姿勢を１度で採る場合に比して１／２に抑えられる。したがって、歩行ロボット１０に搭載された電池を有効に利用することができる。
【０１２２】
第７の実施例では、脚機構１２〜１５を横方向に回動するいわゆる開く自由度を脚機構１２〜１５に加える場合について説明する。
【０１２３】
図３１（Ａ）に示すように、歩行ロボット５８は、後側の脚機構１４１５に代えて脚機構５９，６０が配されている。右後の脚機構５９の上端は、アクチュエータ付き関節２７に代えてアクチュエータ付き関節６１が配されている。左後の脚機構６０の上端は、アクチュエータ付き関節３２に代えてアクチュエータ付き関節６２が配されている。
【０１２４】
アクチュエータ付き関節６１，６２は、それぞれ２自由度をもつ。すなわち右後のアクチュエータ付き関節６１は、胴体１１の前後方向を含む鉛直面内で回動すると共に、脚リンク２８を右側に角度θ₁₀まで回動する。左後のアクチュエータ付き関節６２は、胴体１１の前後方向を含む鉛直面内で回動すると共に、脚リンク３３を左側に角度θ₁₁まで回動する。これにより、図３１（Ｂ）に示すように、アクチュエータ付き関節６１から下端部３１の接地点までの長さの水平方向成分と cosθ₁₀との積が、アクチュエータ付き関節６１から重心４１までの長さの前後方向成分に比して短くなれば、胴体１１の右側を起こす条件が満たされる。同様に、アクチュエータ付き関節６２から下端部３６の接地点までの長さの水平方向成分と cosθ₁₁との積が、アクチュエータ付き関節６２から重心４１までの長さの前後方向成分に比して短くなれば、胴体１１の左側を起こす条件が満たされる。
【０１２５】
上述の実施例では、後側の脚機構１４，１５や脚機構５９脚機構６０を屈曲することによって、胴体１１を起こすことができる姿勢や脚機構の位置関係を作ることについて述べた。これに対して、第８の実施例では、後側の脚機構を屈曲させずに、胴体１１を起こすことができる姿勢や脚機構の位置関係を作る工夫について説明する。
【０１２６】
図３２に示すように、歩行ロボット６３は、歩行ロボット１０の脚機構１２〜１５に代えて、短い脚機構６４〜６７が配されている。すなわち、右前の脚機構６４は、脚機構１２の脚リンク１８，２０に代えて、短い脚リンク６８，６９が配されている。左前の脚機構６５は、脚機構１３の脚リンク２３，２５に代えて、短い脚リンク７０，７１が配されている。右後の脚機構６６は、脚機構１４の脚リンク２８，３０に代えて、短い脚リンク７２，７３が配されている。左後の脚機構６７は、脚機構１５の脚リンク３３，３５に代えて、短い脚リンク７４，７５が配されている。図３３に示すように、座り姿勢を採ったとき左後の下端部３６は、重心４１の鉛直線Ｇ_V1と地平面４２との交点４４より少し前方で接地している。
【０１２７】
一方、図３４に示すように、歩行ロボット６３が座り姿勢より伏臥姿勢を採ると、重心４１は前方に移動する。これにより、下端部３６は鉛直線Ｇ_V1と地平面４２との交点４８より後方で接地している。したがって、歩行ロボット６３は、後側のアクチュエータ付き関節を用いて胴体１１を起こすことができる姿勢を採ることができたことになる。
【０１２８】
一般に、後側の脚機構６６，６７を屈曲することをも考えると、胴体１１後部から下端部３６接地点までの前後方向の最小長さをＬ_MIN とし、胴体１１後部から重心４１までの前後方向の長さをＬ_gとして、次の式(20)の関係が成り立つ。
【０１２９】
【数２０】

【０１３０】
また前脚機構６４，６５を用いて胴体１１前部を起こしたときの胴体１１の最大傾斜角度をθ_MAXとし、アクチュエータ付き関節を工夫して下端部３６を胴体１１後部から離すことができる前後方向の最大長さをＬ_MAXとすると、次の式(21)の関係が成り立つ。
【０１３１】
【数２１】

【０１３２】
図３３及び図３４では、次の式(22)の例が示されている。
【０１３３】
【数２２】

【０１３４】
最大傾斜角度θ_MAXは長さＬ_gと最大長さＬ_MAXとの間の角度に比して大きくなければならない。これにより、次の式(23)の関係が成り立つ。
【０１３５】
【数２３】

【０１３６】
また、最大傾斜角度θ_MAXは、胴体１１の長さをＬ_Bとし、座り姿勢を採ったときの胴体１１最前部の地平面４２かしらの最大高さをＨ_MAXとして、次の式(24)で求められる。
【０１３７】
【数２４】

【０１３８】
すなわち、次の式(25)を満足するように、長さＬ_Bと、それぞれの脚リンクの長さとを設計し、姿勢を切り換えるることによって重心４１と下端部３６との位置関係を前後に移動することができる。
【０１３９】
【数２５】

【０１４０】
以上の実施例では、はロボットの姿勢変化を、ロボットの前後方向について行う場合について記述をしてきたが、今後の実施例ではロボットの左右方向の姿勢変化について説明を行う。
【０１４１】
第９の実施例ではロボットが横に寝た状態で作業をさせることについて説明する。
【０１４２】
図３５にロボットが横に寝る姿勢の例を図示する。図３５（Ａ）は横に寝ている状態のロボットを前から見た図であり、図３５（Ｂ）は（Ａ）と同様のロボットを左から見た図であり、図３５（Ｃ）は（Ａ）と同様のロボットを上から見た図である。ここでロボットの脚先端部に一部、破線で囲まれたものがあるが、これはその先端部が地面と接地していることを示している。
【０１４３】
図３５において、ロボット本体４１６を支持している部位は、右前脚先端部４５１、右後脚先端部４４１及び本体４１６の一部（図３５（Ａ），（Ｂ）においてＤの部分）である。このとき、前述したロボットの前後方向の重心移動と同様に、右前脚先端部４５１と右後脚先端部４４１が重心４１０を重力に垂直な平面に投影した点Ｇ_pより前方で接地（Ｅ，Ｅ’）することができるように各脚リンクの長さと重心４１０の位置の関係を満たすように設計することにより接地点を重力に垂直な平面に投射した点（図３５（Ｃ）の例では地面が重力に垂直な平面をなしているのでＥ，Ｅ’と同じになる）が構成する多角形の内部に前述のＧ_pが位置でき、安定な姿勢を保つことができる。前述した多角形は図３５（Ｃ）において、網掛け処理を施すことにより示される灰色に塗られた部分をさす。また本体４１６の一部Ｄを接地させていることにより、左前脚と右後脚を地面から離し、動かすことができる。
【０１４４】
上記第９の実施例はロボットの左右が対称の状態においても、同様の行動が可能である。
【０１４５】
さらに、ロボットが横に寝る姿勢における接地点、作用点、重心の関係、について説明する。また簡略化のために、ロボットを正面から見た方向に限って説明する。
【０１４６】
この状況では、図３５（Ｄ）のように、右前脚の太股部４５５と地面との角度theta2として右前脚関節４５３の機構的な限界を設定する。この角度theta2は、本体４１６の接地された一部Ｄから重心４１０から下ろした垂線が地面と交わる点Ｇ_pまでの長さをＬ_g2、右前脚太股部４５５の長さをＬ₁₀、右前脚すね部４５４の長さをＬ₂₀とするとき、右前脚先端部４５１と重心４１０から地面に降ろした垂線の点が一致するとすると、Ｌ₁₀、Ｌ₂₀、Ｌ_g2の３辺の長さを持つ３角形となり次の式(26)を満足する。
【０１４７】
【数２６】

【０１４８】
角度theta2が次の式(27)を満足できれば、地面からの拘束を受けずに、重心４１０より後ろに右前脚先端部４５１を持ってくることができる。
【０１４９】
【数２７】

【０１５０】
ここで角度theta2が本体４１６と地面とがなす角度より大きい場合には、本体４１６との干渉が生じる場合がある。ただしこのとき、ロボットを上面から見た場合の右前後脚の開脚が十分であれば、ロボット本体４１６との干渉を生じることなく角度theta2をとることができる。
【０１５１】
また図３５のように右前脚先端部４５１の接地点と本体４１６の一部Ｄがなす多角形の内部に重心４１０の地面への投影点Ｇ_pが保持されるようにするには、次の式(28)で表される条件が必要である。
【０１５２】
【数２８】

【０１５３】
式(27)と式(28)を同時に満足させるように右前脚太股部４５５と右前脚すね部４５４の限界角度theta2及び重心４１０の位置を設定することにより、右前脚先端部４５１を重心４１０に対して前後方向の位置に接地できるようになり、体を起こしたりという動きに右前後脚関節４５３，４４３のアクチュエータを利用することが可能になる。
【０１５４】
また図３６には右前脚肘部４５２、右後脚肘部４４２及び本体４１６の一部Ｄを接地させ、ロボット本体４１６を支持することにより左前後脚を自由に動かせるような例を示した。この場合、ロボットの各接地点を結んだ多角形の面積が小さくなり、小スペースでロボット本体４１６を支持することができる。このとき、接地点である右前後脚肘部４５２，４４２と本体４１６の一部Ｄのなす多角形の内部に重心４１０の投影点Ｇ_p が保持される必要があるため、右前脚太股部４５５の長さＬ_l0とＬ_g2には次の式(29)の関係がある。
【０１５５】
【数２９】

【０１５６】
しかし、前述の右前後右脚先端部４５１，４４１を使用して接地した場合と比較し、重心４１０の投影点Ｇ_p の移動範囲が限られるため安定性は悪くなる。またロボットの左右が対称の状態においても、同様の行動が可能である。
【０１５７】
また図３７（Ａ）には左後脚先端部４１１、本体４１６の一部Ｄを接地させ、ロボット本体４１６を支持することにより左前脚を自由に動かせるような例を示した。この図３７（Ａ）において、破線で示された部分はロボットの左後脚を示している。この場合、一つの脚だけが作業に使用できるが、通常の右前後脚先端部４５１，４４１を使用して、ロボット本体４１６を使用するより安定性を高めることができる。この場合のロボットを上方から見た図を図３７（Ｂ）に示す。この図３７（Ｂ）において、網かけ処理を施して示す灰色に塗られた部分すなわちロボットの接地点がなす多角形が、図３５（Ｃ）のものと比較し、多角形の（ロボットにおける）横方向の距離が大幅に増加している。ロボットの安定性は、重心４１０の投影点Ｇ_p が前述の多角形内に保持されていればロボットの横方向の回転モーメントの発生を起こすことがないため、維持されるので、これはロボットの横方向の安定性が図３５（Ｃ）のものに比べ、増していることを示している。この場合、左後脚先端部４１１の代わりに左前脚先端部４２１を接地させ、左後脚を自由に動かすことも可能である。
【０１５８】
上記第９の実施例はロボットの左右が対称の状態においても、同様の行動が可能である。
【０１５９】
第１０の実施例では、図３８に示す立っている状態のロボットの姿勢から図３５に示した横に寝ている状態のロボットの姿勢に変化させる場合について説明する。図３８（Ａ）は立っている状態のロボットを前から見た図であり、図３８（Ｂ）は（Ａ）と同様立っている状態のロボットを左から見た図であり、さらに、図３８（Ｃ）は（Ａ）と同様立っている状態のロボットを上から見た図である。この図３８（Ｃ）においてロボットの重心４１０を重力に垂直な平面に投射した点Ｇ_p は接地点である４脚先端部４２１，４１１，４４１，４５１がなす多角形の内部に位置している。
【０１６０】
ここでロボットを図３８に示す立っている状態から図３５に示した横に寝ている状態に変化させるには、右前後脚先端部４５１，４４１を接地させて保持しているロボット右半身を、ロボットの本体４１６の一部Ｄを接地させ保持させる状態に変化させる必要がある。
【０１６１】
しかし、そのために単純に関節角度を変化させただけでは姿勢の変化が正しく起こらない。特に状態遷移の間に重心４１０の投影点Ｇ_p が接地点がなす多角形の外部に出た場合には、図３９（Ａ），（Ｂ）に示すようにロボットの転倒を引き起こす。ロボットの転倒を防止する手順を以下に示す。なおここではロボットがその右側に寝ている状態から転倒することを防止する条件について述べる。図４０に示すようにロボットが右側に転倒する際に発生するモーメントは主に右半身の接地部分すなわち右前後脚先端部４５１，４４１によって支えられている。この右前後脚先端部４５１，４４１を結ぶ直線をＧとし、ロボットの重心４１０の重力に垂直な平面に投射した点をＧ_pとすると、点Ｇ_pと直線Ｇの距離Ｌがロボットの転倒に対する余裕の目安となり、Ｌが負になるとロボットは右側に転倒する。
【０１６２】
上記第１０の実施例はロボットの左右が対照の状態についても同様のことがいえる。
【０１６３】
第１１の実施例では、図３８に示したロボットが立っている状態から図３５に示した横に寝ている状態に状態遷移する際に、４脚先端部４２１，４１１，４４１，４５１を接地している状態からロボット本体４１６の一部Ｄを接地する中間状態を経由する場合について述べる。なおここではロボットが本体４１６の右側部分を接地させる場合について述べる。
【０１６４】
ロボットが横に寝ている状態は図４１に示すように、右前後脚先端部４５１，４４１及びロボット本体４１６の一部Ｄで接地しており、その接地点がなす多角形の中に、ロボットの重心４１０を重力に垂直な平面に投射した点Ｇ_p が存在することにより安定状態を保つことができる。
【０１６５】
しかし、図３８に示したロボットが４脚のそれぞれの先端部４２１，４１１，４５１，４４１で立っている状態から、右方向への転倒を伴わずに本体４１６の一部Ｄを接地させるには、接地点がなす多角形内に、ロボットの重心４１０を重力に垂直な平面に投射した点Ｇ_pを維持したまま、本体４１６の一部Ｄを接地させる必要がある。図４２（Ａ）はＤを本体４１６の一部Ｄを接地する直前のロボットを上から見た図である。ロボットを転倒させないよう接地するには、投影点Ｇ_pが４脚の先端部４２１，４１１，４４１，４５１のなす多角形２２１１内に保持された状態を維持しつつ本体４１６の一部Ｄを接地させる必要がある。
【０１６６】
次に本体４１６の一部Ｄが接地した場合について説明する。図４２（Ｂ）は本体４１６の一部Ｄが接地した際のロボットを上から見た図である。本体４１６の一部Ｄが接地すると接地点は４脚先端部４２１，４１１，４４１，４５１及び本体４１６の一部Ｄとなり、接地点が多角形２２１２を構成するようになる。この状態においては投影点Ｇ_pが多角形２２１２内に維持されていればロボットが転倒することはない。
【０１６７】
次に図４２（Ｃ）は左前後脚先端部４２１，４１１と本体４１６の一部Ｄを接地させ、右前後脚先端部４５１，４４１を自由に動かせる状態を示している。この右前後脚先端部４５１，４４１を比較的自由に位置させることができる状態を遷移することによって、右前後脚先端部４５１，４４１と本体４１６の一部Ｄのなす多角形の形状を、ロボットがなるべく安定するように又はロボットの動きに有利なように構成することができる。
【０１６８】
さらに図３５に示したロボットが左脚を持ち上げ自由に動かすことができる状態について説明する。
【０１６９】
図４２（Ｃ）は上記の状態をロボットの上から見た図である。この場合は接地点は右前後脚先端部４５１，４４１と本体４１６の一部Ｄとなり、接地点が多角形２２１３を構成することになる。この状態でロボットの転倒を防ぐには投影点Ｇ_pが多角形は２２１３内に保持する必要がある。
【０１７０】
上記の４つの状態は必ずとも必要ではなく、各脚接地部を滑らせる（地面と各脚接地部の摩擦係数が１未満になる）ことにより、接地点のなす多角形の形状を変更することができる。例えば、図４２（Ｂ）の状態から、右前後脚先端部４５１，４４１と本体４１６の一部Ｄを接地させることによりロボットを安定させ、さらに右前後脚先端部４５１，４４１を滑らせることにより接地点のなす多角形の形状を変更し、図４２（Ｄ）に示すような状態に遷移することができる。またロボットを故意に不安定な状態にし回転モーメントを与えることにより、上記の状態遷移を簡略化することも可能である。例えば、図４２（Ａ）の状態から、故意に重心４１０の投影点Ｇ_pを、接地点である右前後脚先端部４５１，４４１を結ぶ直線Ｆを各接地点のなす多角形２２１１の外部に出すと、ロボットにロボット右方向の回転モーメントが生じる。そのままロボットを右側に転倒させ、図４２（Ｄ）の状態に持っていくことも可能である。しかしこの方法では接地した際にロボット本体４１６に衝撃を与え、それによる故障を誘発しやすい。さらに目標位置への接地が的確に行われない場合があるため、作業を行う際の接地としてはあまり望ましくない。
【０１７１】
上記の状態遷移からわかるように、図４２（Ａ）に示すロボットが４脚で立っている状態から図４２（Ｄ）に示すロボットが左脚を持ち上げ自由に動かした状態に転倒することなく遷移するには、重心４１０の投影点Ｇ_pが多角形２２１１から多角形２２１４へ移動する必要がある。つまり接地している右前後脚先端部４５１，４４１を結んだ直線Ｆに対して重心４１０の投影点Ｇ_pが、ロボットの倒れ込む方向と反対側（この場合ロボットの左側）にある状態（図４２（Ａ）参照）から、ロボットの倒れ込む側（この場合ロボットの右側）に移動した状態（図４２（Ｄ））であることが必要とされる。そのためには、図４２（Ａ）に示す多角形２２１１（４脚で接地している状態）と図４２（Ｄ）に示す多角形２２１４（ロボット右前後脚と本体４１６の一部で接地している状態）を共通に有する図４２（Ｂ）に示す多角形２２１２を保持する状態遷移である図４２（Ｂ），（Ｃ）の状態を経由するのが、重心４１０の投影点Ｇ_p を移動する際は安定であると言える。
【０１７２】
ここではさらに、上記第１１の実施例における接地点、作用点、重心（重力方向と垂直な平面への投射された点）の関係について説明する。簡略化のため、ロボットを上方向から見た状況とし、さらに各脚の関節は太股関節部のみとする。つまりロボットは４脚支持の状態から本体４１６右側を接地させるために状態遷移を行う。
【０１７３】
図４３はロボットが本体４１６の一部Ｄを接地させた際に、右前後脚先端部４５１，４４１をどの位置に接地させればロボットが安定した状態に保持されるかを示す図である。ここで右前脚関節部４５３を原点とし、原点から右後脚関節部４４３を通る直線をｘ軸とする。また原点をとおり、ｘ軸と垂直に交差する直線をｙ軸とする。さらに右前脚の長さをＬ₂₀、右前脚とｘ軸との角度をθ₂₀、右後脚の長さをＬ₂₁、右後脚とｘ軸との角度をθ₂₁、原点から右後脚太股関節部４４３までの長さをＬ_d、右前脚先端部４５１と右後脚先端部４４１を結ぶ直線をＦとする。ここでは簡略化のため、各脚の接地点を各脚先端部とする。しかし接地点が各脚先端部である必要はなく、各脚上の一点であれば適用可能である。
【０１７４】
ここで右前脚先端部４５１の座標（Ｌ_frx，Ｌ_fry）は次の式(30)，式(31)、また、右後脚先端部４４１の座標（Ｌ_rrx，Ｌ_rry）は式(32)，式(33)となる。
【０１７５】
【数３０】

【０１７６】
【数３１】

【０１７７】
【数３２】

【０１７８】
【数３３】

【０１７９】
さらに直線Ｆは次の式(34)となる。
【０１８０】
【数３４】

【０１８１】
図４２（Ａ）の場合、ロボットは４脚を接地し本体４１６を支持している状態から、ロボットの本体４１６の右側を接地するまでの状態遷移を行う。このとき、ロボットを安定状態な状態を保ちつつ状態遷移を行うには常に接地点のなす多角形２２１１，２２１２，２２１３，２２１４の内部に重心４１０の投影点Ｇ_pが保持される必要がある。しかし本体４１６の右側を接地する関係上、ロボットがもっとも陥りやすい現象が、ロボット右方向への転倒である。そのためここでは特に右方向への転倒について述べる。
【０１８２】
ロボットが右方向に転倒するのを防止するには重心４１０の投影点Ｇ_pが直線Ｆより下方に位置する、つまり接地面がなす多角形２２１１の内部に含まれた状態である必要がある。そのために、重心４１０の投影点Ｇ_p（Ｇ_px，Ｇ_py）の位置は次の式(35)を満足する必要がある。
【０１８３】
【数３５】

【０１８４】
ここで≦はα≦βとした場合、αはβ以下である場合を示す。
【０１８５】
図４２（Ｂ）の場合、ロボットは本体４１６の一部Ｄと左右前後脚先端部４２１，４１１，４５１，４４１を接地しているため、前述の状態遷移の課程の中でもっとも安定な状態であるといえる。しかし、ロボット本体４１６は、本体４１６の右側を接地している関係上、接地点のなす多角形２２１２のロボット右側に位置しがちである。そのため重心４１０の投影点Ｇ_p も同位置に保持されがちであるため、ロボットは右側への転倒の可能性がもっとも高いといえる。ロボットが右方向に転倒するのを防止するには、重心４１０の投影点Ｇ_p は右前後脚接地点と本体４１６の接地点Ｄのなす複合直線Ｇよりロボット右側（図４２（Ｂ）においては下側）にある必要がある。そのために次の式(36)、式(37)又は式(38)を満足する必要がある。
【０１８６】
【数３６】

【０１８７】
図４２（Ｃ）では、ロボットは遊脚となった右前後脚をロボットの安定性を維持できる地点に接地させ、図４２（Ｄ）において左前後脚を遊脚として作業する。そのため図４２（Ｃ）における右前後脚の接地においては、ロボットの安定性ができるだけ確保される必要がある。図４２（Ｄ）においては、ロボットの重心４１０の投影点は、本体４１６の一部Ｄ及び右前後脚先端部４５１，４４１のなす多角形２２１４内に保持される必要がある。そのためには次の式(37)を満足させる必要がある。
【０１８８】
【数３７】

【０１８９】
第１２の実施例では、図３８に示したロボットが立っている状態から図３５に示した横に寝ている状態に状態遷移する際に、ロボットの脚の先端部のみではなく肘部を使用することにより、ロボットの片側の前後脚を使用するだけで、ロボット本体４１６の一部Ｄを接地する場合について述べる。なおここではロボットが本体４１６の右部を接地させる場合についてのべる。
【０１９０】
図３８に示したロボットが立っている状態から図３５に示した横に寝ている状態に状態遷移する際には、ロボットの接地点がなす多角形の中に、ロボットの重心４１０を重力に垂直な平面に投射した点Ｇ_pが存在することにより安定を保つことができる。図４２で示したように、各々の脚で接地する場合に一つの脚について一箇所しか接地点を持たない場合、ロボットが安定な状態を保つには最低限３本の脚で支える必要があり、さらにその状態を本体４１６の一部Ｄを接地するまで維持する必要がある。
【０１９１】
しかし一つの脚について２箇所の接地点を持った場合、ロボットが安定な状態を保つには最小限２本の足しか必要としない。図４４はロボットが状態遷移をする過程で右側の前後脚の先端部４５１，４４１及び肘部４５２，４４２を使用し、片側の足のみで状態遷移を行っている状態を示している。このとき接地点からなる多角形２４１１内に、重心４１０の投影点Ｇ_p が維持された状態で状態遷移が行われることによって、安定した遷移が行われる。
【０１９２】
図４５に４脚接地の状態から右前後脚のみで接地している状態への状態遷移の例を示す。ここで図４５（Ａ）は、ロボットが４脚先端部４２１，４１１，４５１，４４１にてそれぞれ接地している状態である。この状態から右前後脚を移動させ、図４５（Ｂ）に示すように右前後脚先端部４５１，４４１及び肘部４５２，４４２を接地した状態に遷移する。このとき、あらかじめ接地していた右前後脚先端部４５１，４４１をロボットの安定性を維持させつつ移動させ、右前後脚先端部４５１，４４１及び肘部４５２，４４２の４箇所若しくはそのうちの３箇所が構成する接地面上の多角形２５１３の内部に重心４１０の投影点Ｇ_p が含まれる図４５（Ｃ）に示す状態に遷移する。また図４５（Ｄ）のような変形例も可能である。このとき、右前後脚先端部４５１，４４１の移動に関しては、ただ関節角度を目標値に合わせるだけでは、ロボットの転倒を引き起こしかねない。そのため、前後脚を交互に移動させ常に３点の接地点を維持し、それらが構成する多角形２５１４の内部に重心４１０の投影点Ｇ_pが維持されるようにしたり、接地点を滑らせ（接地点における地面との摩擦係数を１未満にする）地面と接地し安定性を維持した状態で接地点を移動する必要がある。
【０１９３】
ここではさらに、上記第１２の実施例における接地点、作用点、重心（重力方向と垂直な平面へ投影された点）の関係について説明する。簡略化のため、ロボットを上方向ら見た状況とする。
【０１９４】
図４６はロボットが右前後脚の先端部４５１，４４１と肘部４５２，４４２を接地させ、その接地部がなす多角形２６１１内に重心４１０の投影点Ｇ_pを保持している状態を示している。
【０１９５】
ここで右前脚関節部４５３を原点とし、原点から右後脚関節部４４３を通る直線をｘ軸とする。また原点を通り、ｘ軸と垂直に交差する直線をｙ軸とする。さらに右前脚股部４５５の長さをＬ₃₀、さらに右前脚股部４５５の長さをＬ₃₀、右前脚すね部４５４の長さをＬ₃₁、右後脚股部４４５の長さをＬ₃₂、右後脚すね部４４４の長さをＬ₃₃、右前脚すね部４５５とｘ軸との角度をθ₃₀、右前脚すね部４５４とｘ軸との角度をθ₃₁、右後脚股部４４５とｘ軸との角度をθ₃₂、右後脚すね部４４４とｘ軸との角度θ₃₃、また、原点から右後脚太股関節部４４３までの長さをＬ_dとする。
【０１９６】
ここで右前脚肘部４５２の座標（Ｌ_fmx，Ｌ_fmy）は次の式(38)，式(39)、右前脚先端部４５１の座標（Ｌ_ffx，Ｌ_ffy）は式(40)，式(41)、右後脚肘部４４２の座標（Ｌ_rmx，Ｌ_rmy）は次の式(42)，式(43)、右後脚先端部４４１の座標（Ｌ_rrx，Ｌ_rry）は式(44)，式(45)となる。
【０１９７】
【数３８】

【０１９８】
【数３９】

【０１９９】
【数４０】

【０２００】
【数４１】

【０２０１】
【数４２】

【０２０２】
【数４３】

【０２０３】
【数４４】

【０２０４】
【数４５】

【０２０５】
ここで右前脚肘部４５２と右後脚肘部４４２を結ぶ直線をＩ₁、右前脚先端部４５１と右後脚先端部４４１を結ぶ直線をＩ₂、さらに右前脚先端部４５１と右前脚肘部４５２を結ぶ直線をＩ₃、右後脚肘部４４２と右後脚先端部４４１を結ぶ直線をＩ₄とする。直線Ｉ₁は式(46)、直線Ｉ₂は式(47)、直線Ｉ₃は式(48)、直線Ｉ₄は式(49)となる。
【０２０６】
【数４６】

【０２０７】
【数４７】

【０２０８】
【数４８】

【０２０９】
【数４９】

【０２１０】
図４６において、ロボットが安定な姿勢を維持するための条件は多角形２６１１内に重心４１０の投影点Ｇ_pが含まれていることにある。そのため、次の式(50)満足する必要がある。
【０２１１】
【数５０】

【０２１２】
また図４５（Ｄ）に示された状態に遷移するには次の式(51)を満足する必要がある。
【０２１３】
【数５１】

【０２１４】
第１３の実施例では、ロボットの本体４１６を接地した場合に、各々の脚の接地を必要とせずに安定した状態を維持できる本体４１６の一部を持つロボットについて述べる。
【０２１５】
図４７はロボットの脚を接地せず胴体の一部を接地するだけで、接地点からなる多角形の内部に、ロボットの重心４１０を重力に垂直な平面に投射した点Ｇ_p を維持できるロボットを示している。この時、ロボットは安定状態態にある。
【０２１６】
これまでの例では、ロボットが図３８に示した立っている状態から図３５に示した横に寝ている状態に遷移する際に、本体４１６の一部Ｄと脚を同時に接地している状態を経由する状態遷移を示した。しかし、ここでは図４８に示すように、ロボットが図４８（Ａ）に示す立っている状態から図４８（Ｂ）に示す本体４１６の胴部のみで接地を行う状態を経由して図４８（Ｄ）に示す横に寝ている状態へ状態遷移を行うことによって、最終的なロボットの接地点である右前後脚先端部４５１，４４１を接地する際に、図４８（Ｃ）に示すようにロボットの安定性を維持しながら接地点を目標点へ移動することが可能であるので、接地点がなす多角形の面積がより大きくなるような位置に移動しやすくなり、そのため最終的にロボットが横に寝た状態になったときの安定性が向上する。
【０２１７】
このときロボットの本体４１６の胴部のみを接地するのみで、ロボットを安定状態に維持することができれば、４脚をすべて自由に動かし作業を行うことができる。しかし図４９（Ａ）に示すように、作業位置に脚の長さが足りない場合は、図４９（Ｂ）に示すようにロボットを横に寝ている状態にし、ロボット本体４１６を起こし、脚付け根部を持ち上げ、脚の長さを補う必要がある。
【０２１８】
第１４の実施例では、ロボットが特殊形状の本体４１６を持ち、ロボットの本体４１６の一部と脚を使用して接地した際に安定した状態を作りやすい状態について述べる。
【０２１９】
図５０は、図３８に示したロボットが立っている状態から、ロボットの本体４１６の一部Ｊが接地した状態に遷移した状態を示している。この時、ロボットの本体４１６の一部Ｊと右前後脚先端部４５１，４４１のなす多角形３０１１の内部に、ロボットの重心４１０を重力に垂直な平面に投射した点Ｇ_p が含まれれば、ロボットは転倒を引き起こすことなく安定状態を保持することができる。
【０２２０】
上記の状態遷移をさらに詳しく説明する。ここで図５１は、特殊形状の本体４１６を持つロボットが、図３８に示したロボットが立っている状態からロボットが本体４１６の一部と片側の前後脚を接地して、反対側の前後脚を作業に使用する図５０に示した状態への状態遷移を示している。それぞれロボットを上から見た状態を示している。
【０２２１】
図５１（Ａ）はロボットが４脚先端部４２１，４１１，４５１，４４１を各々接地して、安定状態を保持している状態である。このとき、ロボット本体４１６は特殊形状を持ち、本体４１６の腹部に突起Ｋをもっているものとする。この突起Ｋはロボットが４脚を均等に接地した場合、本体４１６の中でもっとも接地点に近く、本体４１６のそのままの状態を維持したまま接地面に近づけたとき、もっとも先に接地する点であるとする。図５１（Ａ）では、４脚の接地点のなす多角形３１１１の中に重心４１０の投影点Ｇ_pが保持されていれば、ロボットは安定状態にある。
【０２２２】
図５１（Ｂ）ではロボットが４脚で接地した状態を維持しつつ、本体４１６を接地面に近づけ本体４１６の腹部突起Ｋを接地させた図である。このとき、接地点は各脚先端部４５１，４４１，４２１，４１１及び本体４１６の腹部突起Ｋとなる。ここでは４脚を接地しているので、接地点のなす多角形３１１２もそれぞれの脚接地点を結んだものととなり、その内部に重心４１０の投影点Ｇ_p が含まれていればロボットは安定であるといえる。
【０２２３】
図５１（Ｃ）ではロボットは右前後脚先端部４５１，４４１と本体４１６の腹部突起Ｋで接地している状態である。この状態で接地点のなす多角形３１１３の中に重心４１０の投影点Ｇ_pが含まれていれば、ロボットは安定な状態を保持することができる。またこの時、左前後脚を遊脚として作業に使用することができる。
【０２２４】
上記の状態遷移を経由すると、ロボットの側面を接地するより状態遷移の課程や接地点の移動が少なく、ロボットを制御する上では比較的容易である。しかし特殊形状の本体４１６を使用しているため、地面との干渉の問題など、行動パターンの多様性という点では幅が狭くなる。
【０２２５】
上記第１４の実施例では各脚の接地点を各脚先端部としたが、その必要はなく各脚上の点であればどの点でも接地点として上記第１４の実施例に適用できる。また、上記第１４の実施例はロボットの左右が入れ替わった場合についても適用可能である。
【０２２６】
第１５の実施例では、ロボットの脚に摩擦係数の高い部分と低い部分を意図的に作成し、接地する箇所をそれぞれ使い分けることによって脚接地部分の移動をスムーズに行うものである。上記脚を装着したロボットを図５２（Ａ）に示す。この中でロボットの左前脚について述べると、ロボットの脚は、先端部４２１，すね部４２４、肘部４２２、股部４２５によって構成されている。ここで黒色で示される部分すなわち先端部４２１及び肘部４２２は、接地面との摩擦係数が比較的高く、ロボットの接地点として接地面と接触状態にあった場合、滑りは発生しないものとする（摩擦係数が１である）。また灰色で示された部分すなわちすね部４２４及びと股部４２５は、接地面との摩擦係数が黒色の部分と比較して低く、ロボットの接地点として接地面と接触状態にあった場合、滑りが発生するものとする（摩擦係数が１未満である）。そのため、ロボットの脚接地部を移動させる場合、一度接地部を持ち上げて目標点まで移動させるのではなく、図５２（Ｂ）に示すようににロボットが滑らない点を接地している状態から、図５２（Ｃ）に示すように、接地点を滑らない点から滑る点に移動させ、接地点を滑らせながら目標点まで移動させる際にすね部４２４をすべて接地させ、図５２（Ｄ）に示すように、そのまま滑らせながら目標点まで脚接地点を移動させる。この場合、移動中の接地点の面積が拡大するため、より安全な状態を保持しながら接地点の移動を行うことが可能となる。
【０２２７】
なお上述の各実施例においては、本発明を、胴体に接続した４つの脚機構で歩行する歩行ロボットに適用する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、本体部に接続した４つ以上の脚部で本体部を接地面上に支持し、この脚部を接地面に作用させて移動するロボット装置に広く適用し得る。この場合にも上述と同様の効果を得ることができる。
【０２２８】
また上述の実施例においては、脚機構のそれぞれ上端及び中間にアクチュエータ付き関節を配する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、本体部に接続した脚部が３つ以上の関節部をもつ場合にも適用できる。
【０２２９】
さらに上述の実施例においては、座り姿勢のとき後側の脚機構を前方にほぼ水平に配置する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、本体部を接地面に対して傾斜させた姿勢を採るとき、本体部の一端側に接続した脚部を屈曲して配置する場合にも適用できる。
【０２３０】
さらに上述の実施例においては、アクチュエータ付き関節が１自由度又は２自由度をもつ場合について述べたが、本発明はこれに限らず、本体部を支持する脚部の関節部が３自由度以上をもつ場合にも適用できる。
【０２３１】
さらに上述の実施例においては、胴体を関節型の脚機構によって支持して歩行する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、本体部を支持して移動する脚部を、例えばパンタグラフ型や無関節型等、任意に構成する場合にも適用できる。
【０２３２】
さらに上述の実施例においては、胴体を脚機構によって上昇させる場合について述べたが、本発明はこれに限らず、本体部を支持する脚部と別個に本体部を上昇させる手段を配する場合にも適用できる。
【０２３３】
さらに上述の実施例においては、作業する際に、胴体下面最後部を接地する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、伏臥姿勢を採って本体部や本体部付近の関節等を接地する場合や、剛体でなり一体に形成された本体部前部を接地する場合や、移動に使用しない例えば棒状の補助脚を本体部に収納しこの補助脚の一端を本体部より接地面上に降ろして接地する場合や、前後に分割した本体部の前半部及び後半部を接続する例えば１自由度の関節部を下方に屈曲して接地する場合にも適用できる。
【０２３４】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、作業に使用する所定の脚部以外の全部又は一部の脚部の移動のときには接地しない部位及び本体部の所定部位を接地して位置制御が必要な部位を低減することにより、本体部を支持して移動する複数の脚部をもち、所定の脚部によって作業するときの作業姿勢を簡易な構成で容易に安定させ得るロボット装置及びその制御方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるロボット装置及びその制御方法の一実施例を示す略線的斜視図である。
【図２】歩行ロボットの伏臥姿勢を示す略線的左側面図である。
【図３】歩行ロボットの座り姿勢を示す略線的左側面図である。
【図４】右前及び左前の脚機構を同時に使用して作業するときの歩行ロボットの作業姿勢を示す略線的左側面図である。
【図５】歩行ロボットの立ち姿勢を示す略線的左側面図である。
【図６】歩行ロボットの歩行中の姿勢を示す略線的左側面図である。
【図７】歩行ロボットの歩行中の姿勢を示す略線的左側面図である。
【図８】歩行ロボットの歩行中の姿勢を示す略線的左側面図である。
【図９】歩行ロボットの歩行中の姿勢を示す略線的左側面図である。
【図１０】歩行ロボットのステートマシンを示す略線図である。
【図１１】右前及び左前の脚機構を同時に使用する作業姿勢を示す略線的上面図である。
【図１２】右前及び左前の脚機構を同時に使用する作業姿勢のときの支持領域を示す略線的上面図である。
【図１３】立ち姿勢のときの支持領域を示す略線的上面図である。
【図１４】座り姿勢より胴体を起こす際の支持領域を示す略線的上面図である。
【図１５】伏臥姿勢より直接立ち姿勢にステートを更新する際の後側の脚機構の位置の説明に供する略線的左側面図である。
【図１６】座り姿勢より立ち姿勢にステートを更新する際の後側の脚機構の位置の説明に供する略線的左側面図である。
【図１７】曲率を持つ３つのリンクで構成されたロボットを示す略線図である。
【図１８】第２の実施例の作業姿勢を示す略線的左側面図である。
【図１９】第２の実施例の作業姿勢のときの支持領域を示す略線的上面図である。
【図２０】第３の実施例の伏臥姿勢より直接立ち姿勢にステートを更新する際の後側の脚機構の位置の説明に供する略線的左側面図である。
【図２１】第４の実施例の座り姿勢より立ち姿勢にステートを更新する際の重心移動の説明に供する略線的左側面図である。
【図２２】第５の実施例の後側の脚機構の位置とトルクの説明に供する略線的左側面図である。
【図２３】第５の実施例の後側の脚機構の位置とトルクの説明に供する略線的左側面図である。
【図２４】第５の実施例のトルク状況が切り換わるときの後側の脚機構の位置を示す略線的左側面図である。
【図２５】第５の実施例のトルク状況が切り換わるときの後側の脚機構の位置を示す略線的左側面図である。
【図２６】第５の実施例のトルク状況が切り換わるときの後側の脚機構の位置を示す略線的左側面図である。
【図２７】左側の脚機構だけを屈曲するときの左後の脚機構の位置を示す略線的左側面図である。
【図２８】左側の脚機構だけを屈曲するときの左後の脚機構の位置を示す略線的左側面図である。
【図２９】左側の脚機構だけを屈曲するときの右後の脚機構の位置を示す略線的左側面図である。
【図３０】第６の実施例の伏臥姿勢より左側の脚機構だけを屈曲したときの胴体の傾斜を示す略線的後面図である。
【図３１】第７の実施例の後側の脚機構の位置を示す略線的上面図である。
【図３２】第８の実施例の歩行ロボットの構成を示す略線的斜視図である。
【図３３】第８の実施例の座り姿勢を採ったときの脚機構の位置を示す略線的左側面図である。
【図３４】第８の実施例の伏臥姿勢を採ったときの脚機構の位置を示す略線的左側面図である。
【図３５】第９の実施例のロボットが横に寝る姿勢の例を示す略線的正面図である。
【図３６】第９の実施例においてロボットの右前脚肘部、右後脚肘部及び本体の一部を接地させた状態を示す略線的正面図である。
【図３７】第９の実施例においてロボットの左後脚先端部と本体の一部を接地させ、ロボット本体を支持することにより左前脚を自由に動かせるような状態を略線的に示す図である。
【図３８】第１０の実施例のロボットが立っている状態を略線的に示す図である。
【図３９】第１０の実施例においてロボットの転倒を引き起こす状態を略線的に示す正面図である。
【図４０】第１１の実施例においてロボットが右側に転倒する際に発生するモーメントを説明するための略線的斜視図である。
【図４１】ロボットが横に寝ている状態を示す略線的斜視図である。
【図４２】ロボットが４脚で立っている状態から、右方向への転倒を伴わずに本体の一部Ｄを接地させる手順を示す略線的斜視図である。
【図４３】第１２の実施例においてロボットが本体の一部Ｄを接地させた際に、右前後脚先端部をどの位置に接地させればロボットが安定した状態に保持されるかを示す略線的斜視図である。
【図４４】ロボットが状態遷移をする過程で右側の前後脚の先端部及び肘部を使用し、片側の足のみで状態遷移を行っている状態を示す略線的斜視図である。
【図４５】４脚接地の状態から右前後脚のみで接地している状態への状態遷移の例を示す略線的斜視図である。
【図４６】ロボットが右前後脚の先端部と肘部を接地させ、その接地部がなす多角形内に重心の投影点を保持している状態を示す略線的斜視図である。
【図４７】ロボットの脚を接地せず胴体の一部を接地するだけで、接地点からなる多角形の内部にロボットの重心の投射点を維持できる第１３の実施例を示す略線的斜視図である。
【図４８】ロボットが立っている状態から本体の胴部のみで接地を行う状態を経由して示す横に寝ている状態へ状態遷移を行う例を略線的に示す図である。
【図４９】ロボットの本体の胴部を接地して作業を行うに当たり作業位置に脚の長さが足りない場合の例を略線的に示す正面図である。
【図５０】ロボットが立っている状態から、ロボットの本体の一部が接地した状態に遷移した状態を示す第１４の実施例の略線的斜視図である。
【図５１】特殊形状の本体を持つロボットが立っている状態からロボットが本体の一部と片側の前後脚を接地して、反対側の前後脚を作業に使用する状態への状態遷移を略線的に示す平面図である。
【図５２】ロボットの脚に摩擦係数の高い部分と低い部分を意図的に作成し、接地する箇所をそれぞれ使い分けることによって脚接地部分の移動をスムーズに行う第１５の実施例を略線的に示す側面図である。
【図５３】昆虫型ロボットの動作の説明に供する略線的斜視図である。
【符号の説明】
１２〜１５，５０〜５２，５９，６０，６４〜６７脚機構、８，１８，２０，２３，２５，２８，３０，３３，３５，６８〜７５脚リンク、２１，２６，３１，３６下端部、９，１７，１９，２２，２４，２７，２９，３２，３４，３７，３９，６１，６２アクチュエータ付き関節、１０，５８，６３歩行ロボット、１１胴体、１１Ａ前フレーム、１１Ｂ右フレーム、１１Ｃ左フレーム、１１Ｄ後フレーム、１６首頭機構、３８首部、４０頭部、４１重心、４２地平面、４３胴体下面最後部、４４，４８，５６，５７交点、４５，４６，４７，５３支持領域、４９ロボット、５４歩行ロボット、５５補助脚

Claims

それぞれ本体部に接続されて当該本体部を支持する複数の脚部を有し、上記脚部をそれぞれ所定タイミングで所定状態に動かすことによって移動するロボット装置において、
所定の上記脚部を使用して作業するとき、当該所定の脚部以外の全部又は一部の上記脚部の上記移動のときには接地しない部位及び上記本体部の所定部位が接地するように姿勢を制御する制御手段を具えることを特徴とするロボット装置。
上記制御手段は、上記作業のとき、上記所定の脚部以外の全部又は一部の上記脚部の状態を制御して当該全部又は一部の脚部の接地位置を移動し、当該接地位置と上記所定部位の接地位置とを頂点として形成される第１の支持領域に重心の鉛直線を入れ、上記本体部を上昇させるとき、上記第１の支持領域を形成した上記脚部の状態を制御して当該脚部の接地位置を移動し、当該接地位置と上記所定部位の接地位置とを頂点として形成される第２の支持領域から上記鉛直線を外すことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
上記制御手段は、上記本体部を上昇させるとき、複数の脚部相互間の動作順序を時間的にずらして制御して、当該複数の脚部をそれぞれの所定位置に接地することを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
上記所定の脚部以外の上記脚部が、接地面と直交する方向に平行な軸の回りに回動することを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
上記所定の脚部以外の全部又は一部の上記脚部は、複数のリンクと、それぞれ対応する２つの上記リンク間を屈曲自在に連結する関節部とをもつリンク機構であり、少なくとも１つの上記リンクは、上記作業において上記本体部を上記リンク機構によって上昇させるとき、回転モーメントが一端側及び他端側よりそれぞれ与えられ、上記制御手段は、上記上昇させるとき、上記リンク機構の状態を制御して、上記一端側及び他端側に同一回転方向の回転モーメントを与えることができる位置に当該リンク機構を接地させることを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
上記所定の脚部以外の全部又は一部の上記脚部は、複数のリンクと、それぞれ対応する２つの上記リンク間を屈曲自在に連結する関節部とをもつリンク機構であり、上記本体部に接続された上記関節部の回動の限界角度は、上記リンクを介して当該関節部に接続された上記関節部を上記本体部より上方に配置することができるように設定されることを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
上記制御手段は、上記上昇させるとき、上記所定の脚部を接地して上記本体部を支持した後に、上記第１の支持領域を形成した上記脚部の状態を制御することを特徴とする請求項２に記載のロボット装置。
上記制御手段は、上記作業に使用する上記リンク機構によって上記本体部を接地面に対して所定角度に傾斜させた後に、当該リンク機構以外の上記リンク機構の状態を制御することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のロボット装置。
上記本体部に接続された上記関節部を上記本体部が接地面に近接した状態で上記接地面より所定高さに維持する高さ維持手段を有することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のロボット装置。
それぞれ本体部に接続されて当該本体部を支持する複数の脚部を有し、上記脚部をそれぞれ所定タイミングで所定状態に動かすことによって移動するロボット装置の制御方法において、
所定の上記脚部を使用して作業するとき、当該所定の脚部以外の全部又は一部の上記脚部の上記移動のときには接地しない部位及び上記本体部の所定部位が接地するように姿勢を制御することを特徴とするロボット装置の制御方法。