JP6208102B2 - 人型ロボット - Google Patents

Description

本発明は、人型ロボットに関する。

人間がロボットと会話することやロボットの動作を真似ることで、人間の身体機能の活性化を狙った、ロボットのリハビリテーションへの活用の試みがされている。

特許文献１には、肩関節が胴体に固定された既存の人型ロボットに比べてより多様で自然な人間の動作とジェスチャーを表現できるように、腕を動かす肩関節装置が胴体に対して全体として相対運動できるように構成する技術が記載されている。

特許文献２には、回転駆動部、並進駆動部及び３節リンク機構で肩甲骨関節を構成し、肩甲骨が内転、外転、上方回旋及び下方回旋する動作を再現する技術が記載されている。

特開２００９−２７４２０２号公報 特開２０１３−１１１６７０号公報

ロボットが体操を実演し、利用者がその体操を真似ることによるリハビリテーションにおいて、利用者はロボットの動きを忠実に真似る傾向がある。すなわち、ロボットの関節の自由度が少ないためにロボットの動作が不自然であっても、利用者はその不自然な動作をそのまま真似てしまう。これでは、動かしてほしい関節の運動ができないので、リハビリテーションの効果が低減してしまう。ロボットをリハビリテーションに活用するには、なるべく人の動きに近い動作をする必要がある。例えば、ロボットの肩が上下に動くと、肩の動きが自然に見える。

一方、ロボットのサイズ等の制約により、関節の軸数（自由度）が制限される場合がある。肩の上下の動きは肩甲骨の動きと関連しているため、３軸の肩関節だけでは表現できない動きがある。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたもので、その目的は、限られた数の回転軸を持つ関節を用いて、回転軸と異なる方向の運動を表現する技術を提供することにある。

本発明の一つの観点に係るロボットは、胴体と第一肢部と、前記胴体及び前記第一肢部を接続する第一関節と、前記胴体により支持されるアクチュエータである駆動アクチュエータと、を備え、前記第一関節は、鉛直方向に対し前記胴体の左右方向の軸の周りに所定の鋭角だけ傾いている軸であって、前記駆動アクチュエータに基づく駆動力により回転駆動される第一基準軸と、前記第一基準軸により支持されるアクチュエータである第一直交アクチュエータと、前記第一基準軸に垂直な軸であって、前記第一直交アクチュエータにより支持されると共に回転駆動される第一直交軸と、前記第一直交軸により支持されるアクチュエータである第一支持アクチュエータと、前記第一直交軸に垂直な軸であって、前記第一支持アクチュエータにより支持されると共に回転駆動され、前記第一肢部を支持する第一支持軸と、を含む。

ロボットは、第二肢部と、前記胴体及び前記第二肢部を接続する第二関節と、前記駆動アクチュエータに対して前記第一関節及び前記第二関節を接続するリンク機構と、を更に備え、記第二関節は、前記第一基準軸に平行な軸であって、前記駆動アクチュエータに基づく駆動力により回転駆動される第二基準軸と、前記第二基準軸により支持されるアクチュエータである第二直交アクチュエータと、前記第二基準軸に垂直な軸であって、前記第二直交アクチュエータにより支持されると共に回転駆動される第二直交軸と、前記第二直交軸により支持されるアクチュエータである第二支持アクチュエータと、前記第二直交軸に垂直な軸であって、前記第二支持アクチュエータにより支持されると共に回転駆動され、前記第二肢部を支持する第二支持軸と、を含み、前記リンク機構は、前記駆動アクチュエータの駆動力を前記第一基準軸及び前記第二基準軸へ伝達することにより、前記第一基準軸及び前記第二基準軸を互いに逆方向に回転させる、構成であっても良い。

ロボットは、前記第一肢部及び前記第二肢部の夫々は、腕であり、前記第一関節及び前記第二関節の夫々は、肩関節である、構成であっても良い。

ロボットは、前記駆動アクチュエータと、前記第一直交アクチュエータと、前記第二直交アクチュエータと、前記第一支持アクチュエータと、前記第二支持アクチュエータとを制御する制御部を更に備え、前記制御部は、前記駆動アクチュエータを所定方向に動作させることにより、前記第一支持アクチュエータの上端と、前記第二支持アクチュエータの上端とを上昇させ、前記制御部は、前記駆動アクチュエータを前記所定方向の逆方向に動作させることにより、前記第一支持アクチュエータの上端と、前記第二支持アクチュエータの上端とを下降させる、構成であっても良い。

ロボットは、前記第一基準軸及び前記第二基準軸の夫々は、所定の角度範囲内で回転駆動される、構成であっても良い。

ロボットは、前記駆動アクチュエータと、前記リンク機構と、前記第一関節の一部と、前記第二関節の一部とは、前記胴体の内部に位置し、前記第一支持アクチュエータは、前記第一開口を介して前記胴体から突出しており、前記第二支持アクチュエータは、前記第二開口を介して前記胴体から突出している、構成であっても良い。

ロボットは、前記駆動アクチュエータと、前記リンク機構と、前記第一関節の一部と、前記第二関節の一部とは、前記胴体の内部に位置し、前記第一支持アクチュエータは、前記第一開口を介して前記胴体から突出しており、前記第二支持アクチュエータは、前記第二開口を介して前記胴体から突出している、構成であっても良い。

ロボットは、前記制御部は、前記駆動アクチュエータを駆動すると共に、前記第一直交アクチュエータ及び前記第二直交アクチュエータを回転させることにより、前記第一支持アクチュエータの上端と、前記第二支持アクチュエータの上端とを上昇させる、構成であっても良い。

ロボットは、前記第一基準軸の上端は、前記第一基準軸の下端に対し前記胴体の背面側に位置し、前記第二基準軸の上端は、前記第二基準軸の下端に対し前記胴体の背面側に位置する、構成であっても良い。

ロボットは、床面上に立つ脚部と、前記脚部及び前記胴体を接続する腰関節と、を更に備え、前記制御部は、前記腰関節の状態に基づいて、前記駆動アクチュエータの駆動量を決定する、構成であっても良い。

実施形態のロボットの構成を示す模式図である。 肩関節２５０ａを胴体ピッチ軸５３０の負方向に見た模式図である。 肩関節２５０近傍を、肩ロール軸３４０の負方向に見た図である。 内旋開始状態の肩関節２５０を、肩ヨー軸３２０の負方向に見た図である。 内旋終了状態の肩関節２５０を、肩ヨー軸３２０の負方向に見た図である。 内旋開始状態のロボットの上半身を示す正面図である。 内旋中間状態のロボットの上半身を示す正面図である。 内旋終了状態のロボットの上半身を示す正面図である。 内旋開始状態のロボットの上半身を示す斜視図である。 内旋中間状態のロボットの上半身を示す斜視図である。 内旋終了状態のロボットの上半身を示す斜視図である。 ピッチ関節３３０の回転による肩カバー５５０の上端の高さの変化を示す模式図である。 第二の複合動作において肩関節２５０ａを胴体ピッチ軸５３０の負方向に見た模式図である。 運動制御処理を示すフローチャートである。 肩上下動制御処理を示すフローチャートである。

本実施形態のロボットは、人型ロボットであり、鉛直方向に対し胴体の左右方向の軸の周りに所定の鋭角だけ傾いている肩ヨー軸を有することにより、ロボットの正面から見たユーザに対し、肩ヨー軸の回転で肩の上下運動を表現することができる。

図１は、実施形態のロボットの構成を示す模式図である。

このロボットは、脚部１１０ａ、１１０ｂと、股関節２１０ａ、２１０ｂと、腰部１２０と、腰関節２２０と、胴体１３０と、首関節２４０と、頭部１４０と、肩関節２５０ａ、２５０ｂと、腕部１５０ａ、１５０ｂとを含む。脚部１１０ａ、１１０ｂの夫々は、下面が床面上に接触することにより床面上に立つ。脚部１１０ａ、１１０ｂの上端には、股関節２１０ａ、２１０ｂを夫々介して腰部１２０の下端が接続されている。腰部１２０の上端には、腰関節２２０を介して胴体１３０の下端が接続されている。胴体１３０の上端には、首関節２４０を介して、頭部１４０の下端が接続されている。胴体１３０の上部における左右の側面には、肩関節２５０ａ、２５０ｂを介して、腕部１５０ａ、１５０ｂの基端が夫々接続されている。この図中で円柱により表された軸は、関節の回転軸を示す。ロボットは更に、頭部１４０等に含まれるセンサからの情報を処理すると共に、各関節を制御する制御部１００を含む。

以後、符号のアルファベットによって要素を区別する必要がない場合、符号のアルファベットを省略することがある。

制御部１００は、例えばコンピュータにより実現される。このコンピュータは、プログラム及びデータを格納するメモリと、そのプログラムに従って関節を制御するマイクロプロセッサとを有する。このプログラムは、コンピュータ読み取り可能な媒体に格納され、その媒体からコンピュータへ読み出されても良い。

ここでは、ロボットの鉛直方向をヨー軸５２０、ロボットの左右方向をピッチ軸５３０、ロボットの進行方向をロール軸５４０と呼ぶ。また説明の便宜上、図１に示した各軸の矢印の方向を正方向とする。脚部１１０ａ、股関節２１０ａ、肩関節２５０ａ、腕部１５０ａは、胴体１３０の前方に対して左側に設けられており、脚部１１０ｂ、股関節２１０ｂ、肩関節２５０ｂ、腕部１５０ｂは、胴体１３０の前方に対して右側に設けられている。

脚部１１０ａ、１１０ｂの夫々は、膝関節、足首関節等を含んでいてもよい。腕部１５０ａ、１５０ｂの夫々は、肘関節、手首関節等を含んでいてもよい。

肩関節２５０ａは、ヨー関節３２０ａと、ピッチ関節３３０ａと、ロール関節３４０ａとを含む。同様に、肩関節２５０ｂは、ヨー関節３２０ｂと、ピッチ関節３３０ｂと、ロール関節３４０ｂとを含む。ヨー関節３２０の軸方向は、ロボットの鉛直方向、すなわち、ヨー軸５２０に対して傾いて設けられている。ピッチ関節３３０は、ヨー関節３２０の体側側であって、ピッチ関節３３０の軸方向は、ヨー関節３２０の軸方向に直交し、かつピッチ軸５３０に平行する方向に配置される。ロール関節３４０は、ピッチ関節３３０の体側側であって、ロール関節３４０の軸方向は、ピッチ関節３３０の軸方向に直交する方向に配置される。

図２は、肩関節２５０ａをピッチ軸５３０の負方向に見た模式図である。

ヨー関節３２０の軸３２１方向は、ロボットの鉛直方向であるヨー軸５２０に対しピッチ軸５３０周りに所定の傾斜角θだけ回転（ピッチング）している。θは、０度より大きく且つ９０度より小さく、２０〜３０度が望ましい。ピッチ関節３３０は、ヨー関節３２０の体側側外側であって、ピッチ関節３３０の軸３３１方向は、ヨー関節３２０の軸３２１方向に直交している。この例では、ヨー関節３２０の軸３３１方向はロボットのピッチ軸５３０に平行している場合を示す。更にロール関節３４０は、ピッチ関節３３０の体側側外側であって、ロール関節３４０の軸３４１方向は、ピッチ関節３３０の軸３３１方向に直交している。この例では、ロール関節３４０の軸３４１方向はロボットのロール軸５４０に平行している場合を示す。

制御部１００は、ヨー関節３２０を動作させることにより、腕部１５０を胴体側方から胴体前方へ回転させる内旋を行うことができる。同様に、制御部１００は、内旋と逆方向にヨー関節３２０ａを動作させることにより、腕部１５０を胴体前方から胴体側方へ回転させる外旋を行うことができる。更に制御部１００は、ピッチ関節３３０を動作させることにより、腕部１５０をピッチ軸５３０周りに下方から前後方向へ振り上げる動きと、腕部１５０を前後方向からから下方へ振り下げる動きとを行うことができる。更に制御部１００は、ロール関節３４０を動作させることにより、腕部１５０をロール軸５４０周りに下方から側方へ持ち上げる動きと、腕部１５０を側方から下方へ下す動きとを行うことができる。

図３は、肩関節２５０近傍を、胴体正面側から見た図である。

ヨー関節３２０はヨー関節駆動モータ４１０と、駆動軸３１０と、リンク機構４２０と、肩ヨー軸３２２とからなり、ピッチ関節３３０はピッチ関節駆動モータ４３０ａ、４３０ｂと、肩ピッチ軸３３２とからなる。更にロール関節３４０はロール関節駆動モータ４４０ａ、４４０ｂと肩ロール軸３４２を含む。ヨー関節駆動モータ４１０は、固定部材４１２により胴体１３０に支持され、制御部１００からの指示に従って駆動軸３１０を回転させる。リンク機構４２０は、駆動軸３１０の回転を肩ヨー軸３２２ａ、３２２ｂへ伝達し、肩ヨー軸３２２ａ、３２２ｂを互いに逆方向に回転させる。なお、肩ヨー軸３２２は支持部材４３２により胴体１３０に軸支されている。これにより、制御部１００は、ヨー関節３２０ａ、３２０ｂを所定の角度範囲内で回転させる。ピッチ関節駆動モータ４３０ａ、４３０ｂは、肩ヨー軸３２２ａ、３２２ｂにより夫々支持され、制御部１００からの指示に従って肩ピッチ軸３３２ａ、３３２ｂを夫々回転させる。ロール関節駆動モータ４４０ａ、４４０ｂは、肩ピッチ軸３３２ａ、３３２ｂの先端部に夫々支持され、制御部１００からの指示に従って肩ロール軸３４２ａ、３４２ｂを夫々回転させる。肩ロール軸３４２には、腕部１５０の基端が取り付けられている。ヨー軸駆動モータ４１０と、ピッチ軸駆動モータ４３０と、ロール軸駆動モータ４４０の夫々は、回転型のアクチュエータを用いた例を記載しているが、他のアクチュエータであってもよい。例えば、ヨー関節駆動モータ４１０の代わりに、直線運動するアクチュエータが用いられてもよい。

以後、肩ヨー軸３２２ａ、３２２ｂの回転により腕部１５０ａ、１５０ｂを前方へ閉じる内旋の動作の一例において、内旋の動作開始時の状態を内旋開始状態と呼び、内旋動作中の状態を内旋中間状態と呼び、内旋の動作終了時の状態を内旋終了状態と呼ぶ。

図４は、内旋開始状態の肩関節２５０を、頭部１４０側からヨー軸５２０方向に見た図である。なお、ヨー関節駆動モータ４１０の固定部材４１２は図示を省略する。

リンク機構４２０は、クランクアーム４２１と、ピン４２２と、ロッド４２３と、ピン４２４と、ピン４２５と、主アーム４２６、副アーム４２７とを含む。駆動軸３１０には、クランクアーム４２１の一端が結合されている。ここでは、駆動軸３１０に垂直な仮想平面を、移動面と呼ぶ。クランクアーム４２１の他端には、ピン４２２を介してロッド４２３の基端が移動面内を回動可能に接続されている。ロッド４２３の基端に対して、先端は移動面内で胴体１３０の前方へ延びている。ロッド４２３の先端部には、ピン４２４を介して主アーム４２６の中間部が固定されている。主アーム４２６の基端には、肩ヨー軸３２２ｂが結合されている。肩ヨー軸３２２は支持部材４３２により軸支され、該支持部材４３２は胴体１３０に固定されているので、肩ヨー軸３２２は移動面内を移動しないような構成となっている。これにより、ロッド４２３を動作させると、主アーム４２６の中間部及び先端は、肩ヨー軸３２４を中心として移動面内を回動可能である。また副アーム４２７の先端にはピン４２５が嵌合するスリット４２８が設けられ、該スリット４２８内をピン４２５が移動可能な構成となっている。更に副アーム４２７はピン４２５を介して主アーム４２６と連結し、その基端には肩ヨー軸３２２ａが結合されている。これにより、副アーム４２７の先端は、主アーム４２６の移動に伴い肩ヨー軸３２２ａを中心に移動面内を回動可能である。

図５は、内旋終了状態の肩関節２５０を、頭部１４０側からヨー軸５２０方向に見た図である。図４と同様にヨー関節駆動モータ４１０の固定部材４１２は図示を省略している。

ヨー関節駆動モータ４１０が駆動軸３１０を内旋開始状態から所定の駆動角だけ右回転させた状態を内旋終了状態とする。この回転に応じて、クランクアーム４２１が駆動軸３１０を中心に移動面内で右回転し、ロッド４２３が胴体１３０の背面側に引っ張られることでピン４２４が移動面内で移動し、主アーム４２６及び副アーム４２７のそれぞれ基端は肩ヨー軸３２２により軸支されているのでロッド４２３の移動に伴いピン４２５が移動面内で胴体後方へ移動し、左側の肩ヨー軸３２２ａが右回転すると共に右側の肩ヨー軸３２２ｂは左回転する。これにより、腕部１５０ａ、１５０ｂは、胴体前方で閉じる方向に回転する。

このようなリンク機構４２０の構成によれば、ヨー関節駆動モータ４１０が駆動軸３１０を回転させることにより、肩ヨー軸３２２ａ、３２２ｂが互いに逆方向に回転する。なお、リンク機構４２０は、このような作用を有するものであれば、ギア等、他の機構であってもよい。また、リンク機構４２０を用いることにより、一つのヨー軸駆動モータ４１０で、二つの肩ヨー軸３２２ａ、３２２ｂを同時に回転させることができる。これにより、ロボット内のアクチュエータの数を抑え、ロボットを小型化及び軽量化できると共に、ロボットのコストを削減することができる。なお、肩ヨー軸３２２ａ、３２２ｂの夫々に対してアクチュエータが設けられていてもよい。この場合、制御部１００は、肩ヨー軸３２２ａ、３２２ｂを互いに独立に回転させることにより、左肩及び右肩を互いに独立に動かす運動を表現してもよい。

図６は、内旋開始状態のロボットの上半身を示す正面図である。図７は、内旋中間状態のロボットの上半身を示す正面図である。図８は、内旋終了状態のロボットの上半身を示す正面図である。なお、図６にのみ、ヨー関節駆動モータ４１０、駆動軸３１０、リンク機構４２０、肩ヨー軸３２２、ピッチ軸駆動モータ４３０、肩ピッチ軸３３２、ロール軸駆動モータ４４０、肩ロール軸３４２等の配置を理解するため破線にて記載する。

同様に、図９は、内旋開始状態のロボットの上半身を示す斜視図である。図１０は、内旋中間状態のロボットの上半身を示す斜視図である。図１１は、内旋終了状態のロボットの上半身を示す斜視図である。

ヨー軸駆動モータ４１０、駆動軸３１０、リンク機構４２０、肩ヨー軸３２２ａ、３２２ｂ、ピッチ軸駆動モータ４３０、肩ピッチ軸３３２等は、胴体１３０の内部に位置する。胴体１３０の上部の両側面には、アームホールに相当する開口５６０ａ、５６０ｂが形成されている。ロール軸駆動モータ４４０は、開口５６０内に位置し、一部は胴体１３０内、一部は胴体１３０より外部に突出し、該突出した部分はロール軸駆動モータ４４０の外周を肩カバー５５０により覆われている。ロール軸駆動モータ４４０の出力軸である肩ロール軸３４２の両端は、肩カバー５５０から突出し、腕部１５０の基端を支持している。肩ヨー軸３２２が回転することでロール駆動軸モータ４４０は、開口５６０内であって、かつヨー軸５２０と直交する面に対して所定の角度を有する面に沿って移動する。なお、ロール駆動軸モータ４４０の移動範囲は開口５６０内に制限されているので、開口５６０の口径及びロール軸駆動モータ４４０の外形により限定されることになる（図９、図１０、図１１参照）。

この内旋の動作例において、腕部１５０の先端は、鉛直方向に向いている。内旋開始状態において、肩ピッチ軸３３２のロール軸駆動モータ４４０取り付け端は、胴体後方に向いている（図４参照）。また、肩ヨー軸３２２が鉛直方向に対して傾斜した状態で取り付けられているので、内旋開始状態では肩ピッチ軸３３２のロール軸駆動モータ４４０取り付け端は下方に向いている。すなわち、ピッチ軸駆動モータ４３０の出力軸である肩ピッチ軸３３２の先端部は胴体後方かつ下方に向いている。前述したようにロール軸駆動モータ４４０の外周は肩カバー５５０に覆われ、肩ピッチ軸３３２の先端部に取り付けられているので、肩カバー５５０の全体は胴体後方かつ下方に引き下げられた状態となり、ロボットの正面から見たユーザにとって、肩カバー５５０が下がった状態に見える。このとき、ロボットの正面から見える肩カバー５５０の上端の高さをＨ１とする。

内旋中間状態において、ロボットの正面から見える肩カバー５５０の上端の高さをＨ２とする。内旋開始状態と比べると、内旋中間状態において、肩ピッチ軸３３２の先端は胴体の前方に移動し、かつ肩ヨー軸３２２が鉛直方向に対して傾斜した状態で取り付けられているので、肩ピッチ軸３３２の先端は前方に回動するに連れて上方へ移動する。このとき、ロボットの正面から見える肩カバー５５０の上端の高さをＨ２とすると、肩カバー５５０の上端の高さＨ２はＨ１より高くなる。

内旋終了状態において、肩ピッチ軸３３２の先端は、更に前方に回動し、かつ回動につれて上方に移動する。そのため、肩カバー５５０の上端はロボットの正面から見るとより一層上がった状態に見える。このとき、ロボットの正面から見える肩カバー５５０の上端の高さをＨ３とすると、Ｈ３はＨ２より高くなる。

以上の内旋動作により、ロボットの正面にいるユーザからは、肩カバー５５０の上端の高さが上昇し、肩甲骨を上下させる構造がないにも関わらず、肩甲骨を動かし、肩の上端を上昇させているように見える。内旋動作と逆方向にヨー軸駆動モータ４１０を回転させる外旋動作により、肩カバー５５０の上端の高さが下降し、肩甲骨が下降しているように見える。したがって、ロボットは、ロボットの正面にいるユーザに対して、肩甲骨の上下運動を表現することができる。

成人のサイズより小さいなどの小型ロボットにおいては、肩関節を配置するスペースが限られるため、３軸のモータに加えて肩関節を平行移動させる機構を設けることが困難になる。本実施形態によれば、肩関節２５０の自由度が肩ヨー軸３２２、肩ピッチ軸３３２、及び肩ロール軸３４２の３軸だけであっても、あたかも肩甲骨を動かす機構を有し、肩の上端を上下動させているかの如き表現することができる。また、肩ヨー軸３２２が胴体１３０内に位置し、肩カバー５５０が開口５６０から突出しており、胴体１３０のうち、肩甲骨に相当する部分が変形しなくても、肩甲骨の上下運動を表現することができる。この構成により、肩ヨー軸３２２が胴体の外部にある場合に比べて、肩関節２５０の故障を低減したり、胴体１３０の剛性を高めたりすることができる。

以下、肩ヨー軸３２２の駆動と共に、肩ヨー軸３２２以外を駆動する複合動作の例について説明する。

ここでは、第一の複合動作について説明する。

制御部１００は、第一の複合動作として、ヨー軸駆動モータ４１０によりヨー関節３２０ａ、３２０ｂの肩ヨー軸３２２ａ、３２２ｂを回転させることに加えて、ピッチ関節３３０ａ、３３０ｂのピッチ軸駆動モータ４３０ａ、４３０ｂにより肩ピッチ軸３３２ａ、３３２ｂ及びロール関節３４０ａ、３４０ｂを夫々回転させる。

図１２は、ピッチ関節３３０の回転による肩カバー５５０の上端の高さの変化を示す模式図である。

前述したようにロール関節３４０ａは、肩カバー５５０ａに覆われている。ここでは、ピッチ関節３３０の回転前の状態（ａ）において、ロール関節３４０の軸３４１方向がロール軸５４０方向である場合、ピッチ関節３３０ａの軸３３１から軸３４１から肩カバー５５０ａの前端までの距離Ｌｆが、ピッチ関節３３０ａの軸３３１から肩カバー５５０ａの上端までの距離Ｌｕより長いとする。このとき、床から肩カバー５５０ａの上端までの高さをＨとする。その後、ピッチ関節３３０の軸３３１方向が上方に向かうようにピッチ関節３３０が回転して状態（ｂ）になると、Ｈが増加する。すなわち、ロボットは、ピッチ関節３３０の動作により、正面のユーザから見たロボットの肩の高さを変更することができる。例えば、内旋開始状態において、制御部１００が、ヨー軸駆動モータ４１０を回転させることにより、腕部１５０ａ、１５０ｂを内旋させると共に、ピッチ関節３３０ａ、３３０ｂを回転させることにより、腕部１５０ａ、１５０ｂを下方から前方へ回転させる。これにより、ヨー関節３２０ａ、３２０ｂの回転とピッチ関節３３０ａ、３３０ｂの回転によるＨの増加量は、ヨー関節３２０ａ、３２０ｂの回転だけによるＨの増加量に比べて大きくなる。

次に第二の複合動作について説明する。

腰関節２２０の駆動モータによりロボットの下半身に対して上半身をピッチ軸５３０周りに動かすことが可能である。すなわち、ロボットの上半身を前屈みにしたり、後方に反らせたりすることができる。

図１３は、第二の複合動作において肩関節２５０ａをピッチ軸５３０の負方向に見た模式図である。

腰関節２２０の動作によりロボットの上半身を後方に反らせた状態にすると、ロボットの腰関節２２０と首関節２４０とを結ぶ線５２１は鉛直方向のヨー軸５２０に対して＋αだけ時計周りに回転することとなり、ヨー関節３２０の軸方向３２１は鉛直方向のヨー軸に対してθ＋α回転する。即ち、ヨー関節３２０の回転による肩カバー５５０の上端の高さの変化量は、腰関節２２０の状態により異なる。例えば、腰関節２２０の動作により胴体１３０が傾斜角αだけ後傾した状態では、上方に対するヨー関節３２０の軸３２１の傾きは、θ＋αになる。この状態で、制御部１００が肩関節２５０の内旋の動作を行うと、腰関節２２０と首関節２４０とを結ぶ線５２１が鉛直方向と平行な場合に比べて、肩カバー５５０の上端の高さの増加量は大きくなる。したがって、ヨー関節３２０の内旋と連動して腰関節２２０の駆動モータを制御して、ロボットの上半身が後方に反るようにすると、肩関節２５０だけを用いた内旋動作に比べて、肩カバー５５０の上端の高さの増加量は大きくなる。そこで、制御部１００は、腰関節２２０の状態に基づいて、ヨー軸駆動モータ４１０の回転角を決定する。

以下、制御部１００によるロボットの運動の制御について説明する。

ロボットの管理者は、各関節の動作を定める制御タイミング及び制御量等を示すシナリオやプログラムを設定し、制御部１００はそのシナリオをメモリ等に格納する。予め複数のシナリオが格納されていてもよい。シナリオのうち、肩上下動の動作は、肩上下動レベルを含む。肩上下動レベルは、ロボットの正面から見た肩カバー５５０の上端の高さの変化量を示す。制御部１００がシナリオに従ってロボットの運動を制御する処理を運動制御処理と呼ぶ。制御部１００は、ユーザから音声等の入力に基づいて、ロボットに特定のシナリオの運動を行わせるアプリケーションの実行の指示を取得すると、運動制御処理を開始する。

図１４は、運動制御処理を示すフローチャートである。

Ｓ１１０において制御部１００は、シナリオから順次、動作を読み出す。Ｓ１３０において制御部１００は、読み出された動作が肩上下動であるか否かを判定する。動作が肩上下動でないと判定された場合（Ｓ１３０：Ｎｏ）、他の動作の制御を行い、処理をＳ１７０へ移行させる。動作が肩上下動であると判定された場合（Ｓ１３０：Ｙｅｓ）、肩上下動制御を行い、処理をＳ１７０へ移行させる。

Ｓ１７０において制御部１００は、シナリオが終了したか否かを判定する。シナリオが終了していないと判定された場合（Ｓ１７０：Ｎｏ）、制御部１００は、処理をＳ１１０へ移行させ、次の動作の処理を行う。シナリオが終了していると判定された場合（Ｓ１７０：Ｙｅｓ）、制御部１００は、このフローを終了させる。

以上の運動制御処理によれば、制御部１００は、シナリオに従って、肩上下動を含む運動を制御することができる。

図１５は、肩上下動制御処理を示すフローチャートである。

制御部１００は、ヨー軸駆動モータ４１０の状態と、肩上下動レベルに影響を与える他のアクチュエータである関連アクチュエータの状態とを記憶する。関連アクチュエータは例えば、第一の複合動作におけるピッチ軸駆動モータ４３０ａ、４３０ｂであってもよいし、第二の複合動作における腰ピッチ軸駆動モータであってもよい。

Ｓ２１０において制御部１００は、肩上下動レベルをシナリオから読み出すと共に、ヨー軸駆動モータ４１０の状態と、関連アクチュエータの状態とを読み出す。その後、Ｓ２３０において制御部１００は、肩上下動が複合動作であるか否かを判定する。

肩上下動が複合動作でないと判定された場合（Ｓ２３０：Ｎｏ）、Ｓ２４０において制御部１００は、ヨー軸駆動モータ４１０の状態と関連アクチュエータの状態と肩上下動レベルとに基づいて、ヨー軸駆動モータ４１０の制御量であるヨー軸制御量を決定する。例えば、関連アクチュエータが腰ピッチ軸駆動モータである場合、制御部１００は、腰関節駆動モータの状態により胴体１３０の前傾あるいは後傾の度合いを算出し、鉛直方向に対する肩ヨー軸３２２の傾きを算出し、その傾きに基づいて、肩カバー５５０の上端の高さの変化量が肩上下動レベルに等しくなるようにヨー軸制御量を算出する。ヨー軸制御量は、ヨー軸駆動モータ４１０の回転角であるが、シナリオに応じた回転速度を含んでもよい。制御部１００は、ヨー軸駆動モータ４１０の状態と関連アクチュエータの状態と肩上下動レベルと肩ヨー軸制御量との関係を示すテーブルを予め記憶し、そのテーブルからヨー軸制御量を選択してもよい。

その後、Ｓ２４０において制御部１００は、ヨー軸制御量を用いてヨー軸駆動モータ４１０を制御し、このフローを終了する。

肩上下動が複合動作であると判定された場合（Ｓ２３０：Ｙｅｓ）、Ｓ２７０において制御部１００は、ヨー軸駆動モータ４１０の状態と関連アクチュエータの状態と肩上下動レベルとに基づいて、ヨー軸制御量と、関連アクチュエータの制御量である関連アクチュエータ制御量とを決定する。例えば、関連アクチュエータが腰ピッチ軸駆動モータである場合、制御部１００は、現在のヨー軸駆動モータ４１０の状態と腰ピッチ軸駆動モータの状態から、肩カバー５５０の上端の高さの変化量が所望の肩上下動レベルになるようにヨー軸制御量及び関連アクチュエータ制御量を算出する。関連アクチュエータ制御量は例えば、アクチュエータの移動量であるが、シナリオに応じた移動速度を含んでもよい。制御部１００は、ヨー軸駆動モータ４１０の状態と関連アクチュエータの状態と肩上下動レベルとヨー軸制御量と関連アクチュエータ制御量との関係を示すテーブルを予め記憶し、そのテーブルからヨー軸制御量及び関連アクチュエータ制御量を選択してもよい。また、制御部１００は、肩上下動レベルを、ヨー軸制御量と関連アクチュエータ制御量に分担してもよい。例えば、肩上下動レベルが、ヨー軸駆動モータ４１０のみの動作による肩カバー５５０の上端の高さの変化量の上限を超える場合、制御部１００は、その上限の動作のためのヨー軸制御量を算出し、肩上下動レベルからその上限を減じた残りを関連アクチュエータにより補うように関連アクチュエータ制御量を算出してもよい。

その後、Ｓ２８０において制御部１００は、ヨー軸制御量を用いてヨー軸駆動モータ４１０を制御すると共に、関連アクチュエータ制御量を用いて関連アクチュエータを制御し、このフローを終了する。

以上の肩上下動制御処理によれば、制御部１００は、予め設定された肩上下動レベルに応じて、ヨー軸駆動モータ４１０を制御することができる。また、制御部１００が、ヨー軸駆動モータ４１０と関連アクチュエータの複合動作を行うことにより、ヨー軸駆動モータ４１０だけの動作に比べて肩上下動を大きく見せることができる。

なお、鉛直方向に対し、ヨー関節３２０の上端が胴体前方に傾けられていてもよい。この場合、肩カバー５５０の全体が胴体前方かつ下方に引き下げられた状態から、制御部１００が肩カバー５５０を外旋させることにより、肩カバー５５０の上端の高さが上昇する。このように、ヨー関節３２０の軸３２１方向が鉛直方向に対して所定の傾斜角を成すことにより、胴体正面側からロボットを見るユーザは、肩関節２５０の内旋及び外旋に応じて、肩カバー５５０が上下に動くように見える。

なお、ピッチ関節３３０とロール軸関節３４０は、交換可能である。すなわち、ヨー関節３２０がロール軸関節３４０を支持し、ロール軸関節３４０がピッチ関節３３０を支持し、ピッチ関節３３０が腕部１５０の基端を支持する構成を用いてもよい。肩関節２５０の構成は、人型ロボットの肩関節以外の関節に適用されてもよい。例えば、肩関節２５０の構成が股関節に適用される場合、腕部に代えて脚部が用いられる。また、肩関節２５０の構成を、四足歩行ロボットや二足歩行ロボットなど、人型ロボット以外のロボットの関節に適用されてもよい。例えば、肩関節２５０の構成が四足歩行ロボットの肩関節に適用される場合、腕部に代えて前脚が用いられ、肩関節２５０の構成が四足歩行ロボットの股関節に適用される場合、腕部に代えて後脚が用いられる。これらの場合においても、ユーザが特定の方向から関節を見ると、関節の特定の軸の回転移動に伴って、関節が平行移動しているように見える。

本発明の表現のための用語について説明する。胴体として、胴体１３０等が用いられてもよい。駆動アクチュエータとして、ヨー軸駆動モータ４１０等が用いられてもよい。第一肢部として、腕部１５０ａ等が用いられてもよい。第一関節として、肩関節２５０ａ等が用いられてもよい。胴体の左右方向の軸として、ピッチ軸５３０等が用いられてもよい。所定の鋭角として、傾斜角θ等が用いられてもよい。第一基準軸として、肩ヨー軸３２２ａ等が用いられてもよい。第一直交アクチュエータとして、ピッチ軸駆動モータ４３０ａ等が用いられてもよい。第一直交軸として、肩ピッチ軸３３２ａ等が用いられてもよい。第一支持アクチュエータとして、ロール軸駆動モータ４４０ａ等が用いられてもよい。第一支持軸として、肩ロール軸３４２ａ等が用いられてもよい。第二肢部として、腕部１５０ｂ等が用いられてもよい。第二関節として、肩関節２５０ｂ等が用いられてもよい。第二基準軸として、肩ヨー軸３２２ｂ等が用いられてもよい。第二直交アクチュエータとして、ピッチ軸駆動モータ４３０ｂ等が用いられてもよい。第二直交軸として、肩ピッチ軸３３２ｂ等が用いられてもよい。第二支持アクチュエータとして、ロール軸駆動モータ４４０ｂ等が用いられてもよい。第二支持軸として、肩ロール軸３４２ｂ等が用いられてもよい。リンク機構として、リンク機構４２０等が用いられてもよい。制御部として、制御部１００等が用いられてもよい。開口として、開口５６０ａ、５６０ｂ等が用いられてもよい。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。

１００…制御部 １１０ａ、１１０ｂ…脚部 １２０…腰部 １３０…胴体 １５０ａ、１５０ｂ…腕部 ２２０…腰関節 ２５０ａ、２５０ｂ…肩関節 ３１０…駆動軸 ３２０ａ、３２０ｂ…肩ヨー軸 ３３０ａ、３３０ｂ…肩ピッチ軸 ３４０ａ、３４０ｂ…肩ロール軸 ４１０…ヨー軸駆動モータ ４２０…リンク機構 ４３０ａ、４３０ｂ…ピッチ軸駆動モータ ４４０ａ、４４０ｂ…ロール軸駆動モータ ５２０…胴体ヨー軸 ５３０…胴体ピッチ軸 ５４０…胴体ロール軸 ５５０ａ、５５０ｂ…肩カバー ５６０ａ、５６０ｂ…開口

Claims (6)

1. 胴体と、
   前記胴体の左右方向両側に設けられる第一腕部および第二腕部と、
   前記胴体と前記第一腕部とを接続する第一肩関節と、
   前記胴体と前記第二腕部とを接続する第二肩関節と、
   前記胴体により支持されるアクチュエータである駆動アクチュエータと、
   前記駆動アクチュエータに前記第一肩関節と前記第二肩関節を接続するリンク機構と、
   を備え、
   前記第一肩関節は、
   鉛直方向に対し前記胴体の左右方向の軸の周りに所定の鋭角だけ傾いている軸であって、前記駆動アクチュエータに基づく駆動力により回転駆動される第一基準軸と、
   前記第一基準軸により支持されるアクチュエータである第一直交アクチュエータと、
   前記第一基準軸に垂直な軸であって、前記第一直交アクチュエータにより支持されると共に回転駆動される第一直交軸と、
   前記第一直交軸により支持されるアクチュエータである第一支持アクチュエータと、
   前記第一直交軸に垂直な軸であって、前記第一支持アクチュエータにより支持されると共に回転駆動され、前記第一腕部を支持する第一支持軸と、
   を含み、
   前記第二肩関節は、
   前記第一基準軸に平行な軸であって、前記駆動アクチュエータに基づく駆動力により回転駆動される第二基準軸と、
   前記第二基準軸により支持されるアクチュエータである第二直交アクチュエータと、
   前記第二基準軸に垂直な軸であって、前記第二直交アクチュエータにより支持されると共に回転駆動される第二直交軸と、
   前記第二直交軸により支持されるアクチュエータである第二支持アクチュエータと、
   前記第二直交軸に垂直な軸であって、前記第二支持アクチュエータにより支持されると共に回転駆動され、前記第二腕部を支持する第二支持軸と、
   を含み、
   前記リンク機構は、前記駆動アクチュエータの駆動力を前記第一基準軸及び前記第二基準軸へ伝達することにより、前記第一基準軸及び前記第二基準軸を互いに逆方向に回転させ、
   前記胴体上部の両側面には第一開口及び第二開口が夫々形成されており、
   前記駆動アクチュエータと、前記リンク機構と、前記第一基準軸を含む前記第一肩関節の一部と、前記第二基準軸を含む前記第二肩関節の一部とは、前記胴体の内部に位置し、
   前記第一支持アクチュエータは、その一部が前記第一開口を介して前記胴体から突出しており、突出した部分は肩カバーで覆われており、
   前記第二支持アクチュエータは、その一部が前記第二開口を介して前記胴体から突出しており、突出した部分は他の肩カバーで覆われている、人型ロボット。
2. 前記駆動アクチュエータと、前記第一直交アクチュエータと、前記第二直交アクチュエータと、前記第一支持アクチュエータと、前記第二支持アクチュエータとを制御する制御部を更に備え、
   前記制御部は、前記駆動アクチュエータを所定方向に動作させることにより、前記第一支持アクチュエータの上端と、前記第二支持アクチュエータの上端とを上昇させ、
   前記制御部は、前記駆動アクチュエータを前記所定方向の逆方向に動作させることにより、前記第一支持アクチュエータの上端と、前記第二支持アクチュエータの上端とを下降させる、
   請求項１に記載の人型ロボット。
3. 前記第一基準軸及び前記第二基準軸の夫々は、所定の角度範囲内で回転駆動される、
   請求項２に記載の人型ロボット。
4. 前記第一基準軸の上端及び前記第二基準軸の上端は、前記第一基準軸の下端及び前記第二基準軸の下端に対し前記胴体の背面側に位置する、
   請求項２または３の何れかに記載の人型ロボット。
5. 前記制御部は、前記駆動アクチュエータを駆動すると共に、前記第一直交アクチュエータ及び前記第二直交アクチュエータを回転させることにより、前記第一支持アクチュエータの上端と、前記第二支持アクチュエータの上端とを上昇させる、
   請求項２乃至４の何れかに記載の人型ロボット。
6. 床面上に立つ脚部と、
   前記脚部及び前記胴体を接続する腰関節と、
   を更に備え、
   前記制御部は、前記腰関節の状態に基づいて、前記駆動アクチュエータの駆動量を決定する、
   請求項２乃至５の何れかに記載の人型ロボット。

Images