KR20010051881A - 보행 로봇 및 보행 로봇의 동작 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엎드림, 위를 향함, 옆을 향함 등 여러가지 넘어진 자세로부터도 자율적으로 확실하게 또한 원활하게 일어설 수 있는 로봇을 제공하는 것을 과제로 한다.

보행 로봇은 몸체부에 있어서 롤, 피치, 요우 등의 각 축에 자유도를 갖는다. 임의의 넘어진 자세에 있어서, 이들 몸체부의 자유도를 활용함으로써, 원활하게 일어설 수 있다. 또한, 몸체부 이외의 가동부로의 부담이나 요구 토크를 경감하는 동시에 하중 부담을 각 가동부 사이에서 분산·평균화함으로써, 특정 부위로의 집중 하중을 회피한다. 이 결과, 로봇 운용의 신뢰성이 향상되는 동시에, 기상 동작 기간 중의 에너지 효율이 향상된다.

Description

보행 로봇 및 보행 로봇의 동작 제어 방법{WALKING ROBOT AND MOTION CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 생체의 메카니즘과 동작을 모델화하여 구성되는 사실적인 로봇의 메카니즘에 관한 것으로, 특히 인간이나 원숭이 등의 보행형 동물의 신체 메카니즘을 모델화한 보행형 로봇의 메카니즘에 관한 것이다.

더욱 구체적으로는, 본 발명은 한창 보행 동작 등을 행할 때 넘어져 버린 경우라도 자력으로 일어설 수 있는 보행형 로봇의 제어 메카니즘에 관한 것으로, 특히 넘어지게 되어 다양한 자세 또는 모습으로 드러누워 있는 경우라도 자력으로 일어서고, 넘어짐에 의해 중단된 작업을 자동적으로 재개할 수 있는 보행형 로봇을 위한 제어 방법 메카니즘에 관한 것이다.

전기적 또는 자기적인 작용을 이용하여 인간의 동작과 닮은 운동을 행하는 기계 장치를 「로봇」이라고 한다. 로봇의 어원은 슬라브어의 ROBOTA(노예 기계)에서 유래한다고 전해지고 있다. 우리 나라에서는 로봇이 보급되기 시작한 것은 1960년대 말부터인데, 그 대부분은 공장에 있어서의 생산 작업의 자동화·무인화 등을 목적으로 한 매니퓰레이터나 반송 로봇 등의 산업용 로봇(industrial robot)이었다.

최근에는 인간이나 원숭이 등의 2족 직립 보행을 행하는 동물의 신체 메카니즘과 동작을 모방한 보행 로봇에 관한 연구 개발이 진전되어 실용화로의 기대도 높아져 오고 있다. 2족 직립에 의한 보행은 크롤러식이나, 4족 또는 6족식 등에 비해 불안정하고 자세 제어나 보행 제어가 어려워지지만, 고르지 못한 지면이나 장해물 등 작업 경로상에 요철이 있는 보행면이나, 계단과 사다리의 승강 등 불연속적인 보행면에 대응할 수 있는 등, 유연한 이동 작업을 실현할 수 있다는 점에서 우수하다.

인간의 생체 메카니즘과 동작을 모방한 보행 로봇의 것을, 특히 「인간 형태」 또는 「인간형」의 로봇(humanoid robot)이라고 부른다. 인간형 로봇은 예를 들어 생활 지원, 즉 주거 환경 그 밖의 일상 생활상의 다양한 장면에 있어서의 인적 활동의 지원 등을 행할 수 있다.

인간 형태 또는 인간형이라고 불리는 로봇을 연구·개발하는 의의를, 예를 들어 이하의 두 가지 관점으로부터 파악할 수 있을 것이다.

하나는 인간 과학적인 관점이다. 즉, 인간의 다리 및/또는 팔과 닮은 구조의 로봇을 만들고, 그 제어 방법을 고안하여 인간의 보행 동작을 시뮬레이트하는 과정을 통하여, 보행을 비롯한 인간의 자연스러운 동작의 메카니즘을 공학적으로 해명할 수 있다. 이러한 연구 성과는 인간 공학, 리허빌리테이션 공학, 또는 스포츠 과학 등, 인간의 운동 메카니즘을 다루는 이외의 다양한 연구 분야의 진전에 크게 환원할 수 있을 것이다.

또 하나는 인간의 파트너로서 생활을 지원하는, 즉 주거 환경 그 밖의 일상 생활상의 다양한 장면에 있어서의 인적 활동의 지원을 행하는 로봇의 개발이다. 이러한 종류의 로봇은 인간의 생활 환경의 다양한 국면에 있어서, 인간으로부터 배우면서 각각 개성이 다른 인간 또는 환경에의 적응 방법을 학습하여, 기능면에서 더욱 성장시켜 갈 필요가 있다. 이 때, 로봇이 「인간 형태」 즉 인간과 같은 형태 또는 같은 구조를 하고 있는 쪽이, 인간과 로봇의 순조로운 대화를 행하는 면에서 유효하게 기능할 것으로 생각된다.

예를 들어, 밟아서는 안되는 장해물을 피하면서 방을 빠져나가는 방법을 현장에 있어서 로봇에게 교시하는 경우, 크롤러식이나 4족식 로봇과 같이 가르치는 상대가 자신과 전혀 다른 구조를 하고 있기 보다는 같은 모습을 하고 있는 2족 보행 로봇 쪽이 사용자(작업원)는 훨씬 가르치기 쉽고, 또한 로봇에게 있어서도 배우기 쉬울 것이다[예를 들어, 다까니시 저술의 「2족 보행 로봇의 제어」(자동차 기술회 관동 지부〈고오소(高塑)〉 No. 25, 1996. 4)를 참조할 것].

인간의 작업 공간과 주거 공간의 대부분은 2족에 의한 직립 보행인 인간이 갖는 신체 메카니즘과 행동 양식에 맞추어 형성되어 있다. 환언하면, 인간의 주거 공간은 차륜 그 밖의 구동 장치를 이동 수단으로 한 현상의 기계 시스템이 이동하는 데에는 많은 장벽이 존재한다. 그러나, 기계 시스템 즉 로봇이 다양한 인적 작업을 대행하고, 게다가 인간의 주거 공간에 깊이 침투해 가기 위해서는 로봇의 이동 가능 범위가 인간의 이동 가능 범위와 대략 동일한 것이 바람직하다. 이것이 보행 로봇의 실용화가 크게 기대되고 있는 이유이기도 하다. 인간형의 형태를 갖고 있는 것은 로봇이 인간의 주거 환경과의 친화성을 높이는 면에서 필수라고 할 수 있다.

인간형 로봇의 용도의 하나로서, 산업 활동·생산 활동 등에 있어서의 각종 힘든 작업의 대행을 들 수 있다. 예를 들어, 원자력 발전 플랜트나 화력 발전 플랜트, 석유 화학 플랜트에 있어서의 보수 작업, 제조 공장에 있어서의 부품의 반송·조립 작업, 고층 빌딩에 있어서의 청소, 화재 현장 그 밖에 있어서의 구조 등과 같은 위험한 작업 및 힘든 작업의 대행이다.

단, 이러한 종류의 산업 이용에 특별히 채용된 로봇은 특정한 용도 또는 기능을 실현하는 것이 설계·제작상의 최상의 주제이며, 2족 보행을 전제로는 하지만 인간이나 원숭이 등 직립 보행 동물이 원래 갖는 신체 메카니즘과 동작을 기계 장치로서 충실히 재현할 필요는 반드시 없다. 예를 들어, 특정 용도를 실현하기 위해서 손끝의 자유도와 동작 기능을 강화하는 한편, 작업 용도와는 비교적 관계가 낮은 머리부나 몸체부(척추 등), 허리부 등의 자유도를 제한하거나 또는 생략하는 것은 어느 정도 허용해야 한다. 그 결과, 2족 보행이라고 해도 로봇의 작업이나 동작의 외관상에서 인간으로서는 부자연스러움이 남아 있는 경우가 있는데, 이러한 점은 타협하지 않을 수 없다.

또한, 인간형 로봇 이외의 용도로서, 힘든 작업의 대행 등의 생활 지원이라기 보다도 생활 밀착형, 즉 인간과의 「공생」이라는 용도를 들 수 있다. 이러한 종류의 로봇은 인간이나 원숭이 등의 2족 직립 보행을 행하는 동물이 원래 갖는 전신 협조형의 동작 메카니즘을 충실히 재현하고, 자연스럽게 원활한 동작을 실현하는 것을 최상의 목적으로 한다. 또, 인간이나 원숭이 등의 지성이 높은 직립 동물을 모방한 이상, 사지를 이용한 동작이 생체로서 자연스럽고, 또한 동작이 갖는 표현력이 풍부한 것이 바람직하다. 그리고, 미리 입력된 동작 패턴을 단순히 충실하게 실행할 뿐만 아니라, 상대의 말이나 태도 (「칭찬하다」라든가 「꾸짖다」, 「두드리다」등)에 호응한, 생생한 동작 표현을 실현하는 것도 요구된다. 이 의미에 있어서, 인간을 모방한 엔터테인먼트 지향의 인간형 로봇은 실로 「인간형」의 로봇이라고 부르기에 적합하다.

이미 주지한 바와 같이, 인체는 수백의 관절 즉 수백에 이르는 자유도를 갖고 있다. 무한히 인간에게 가까운 동작을 보행 로봇에게 부여하기 위해서는 대략 동일한 자유도를 부여하는 것이 바람직하지만, 이것은 기술적으로는 매우 곤란하다. 왜냐하면, 하나의 자유도에 대하여 적어도 각 하나의 작동기를 배치할 필요가 있는데, 수백의 작동기를 로봇이라는 기계 장치상에 장착하는 것은 제조 비용면이나, 중량, 크기 등 설계의 관점에서도 불가능과 다름없다. 또한, 자유도가 많으면 그 만큼 로봇의 위치·동작 패턴 제어나 자세 안정 제어 등을 위한 계산량이 지수 함수적으로 증대해 버린다.

이로 인해, 인체보다도 훨씬 적은 수십 정도의 관절 자유도로 인간형 로봇을 구성하는 것이 일반적이다. 따라서, 적은 자유도를 이용하여 보다 자연스러운 동작을 어떻게 해서 실현시킬지가 인간형 로봇의 설계·제어에 있어서 중요한 과제의 하나라고 할 수 있다.

예를 들어, 척추 등과 같이 유연성을 갖는 기구가 인간의 생활 장소에서 다양하고 복잡한 동작을 행하기 위해서 중요한 것은 인간 공학 등의 관점으로부터 이미 명백하다. 척추를 의미하는 몸체 관절 자유도는 산업적인 용도상으로는 존재 가치가 낮지만, 엔터테인먼트나 그 밖의 생활 밀착형의 인간형 로봇에게는 중요하다. 또 동시에, 상황에 따라서 유연함을 능동적으로 조절할 수 있는 것이 요구되고 있다.

또, 2족 직립 보행을 행하는 보행 로봇은 유연한 보행·주행 동작(예를 들어 계단의 승강이나 장해물의 뛰어 넘기 등)을 실현할 수 있는 점에서 우수한 반면, 다리의 갯수가 적어지는 동시에 중심 위치가 높아지므로, 그 만큼 자세 제어와 안정 보행 제어가 어려워진다. 특히, 생활 밀착형의 로봇인 경우, 인간이나 원숭이 등의 지성 동물에 있어서의 자연스러운 동작이나 감정을 풍부하게 표현하면서 전신의 자세와 안정 보행을 제어해야 한다.

2족 보행에 의한 보행을 행하는 형태의 로봇에 관한 자세 제어와 안정 보행에 관한 기술은 이미 다양하게 제안되어 있다. 여기서 말하는 안정된 「보행」이라 함은 「넘어지지 않고 다리를 사용하여 이동하는 일」이라고 정의할 수 있을 것이다.

로봇의 자세 안정 제어는 로봇의 넘어짐을 회피하는 면에서 매우 중요하다. 왜냐하면, 넘어짐은 로봇이 실행중인 작업을 중단하는 것을 의미하고, 또한 넘어진 상태로부터 일어나서 작업을 재개하려면 상당한 수고와 시간을 지불해야 하기 때문이다. 또, 무엇보다도 넘어짐에 의해서 로봇 본체 자체, 또는 넘어지는 로봇과 충돌하는 상대측 물체에도 치명적인 손상을 입히게 될 위험이 있기 때문이다. 따라서, 보행 로봇의 설계·개발에 있어서, 자세 안정 제어와 보행시의 넘어짐 방지는 가장 중요한 과제의 하나이다.

보행시에는 중력과 보행 운동에 수반하여 발생하는 가속도에 의해서 보행계로부터 노면에는 중력과 관성력, 및 이들의 모멘트가 작용한다. 소위 「다람벨의 원리」에 따르면, 이들은 노면으로부터 보행계로의 반작용으로서의 상(床)반력, 상반력 모멘트와 균형을 이룬다. 역학적 추론의 귀결로서, 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 변 위 또는 그 내측에 피치 및 롤축 모멘트가 제로가 되는 점, 즉 「ZMP(Zero Moment Point)」가 존재한다.

보행 로봇의 자세 안정 제어와 보행시의 넘어짐 방지에 관한 제안의 대부분은 이 ZMP를 보행의 안정도 판별의 규범으로서 이용하고 있다. ZMP 규범에 기초하는 2족 보행 패턴 생성은 발바닥 착지점을 미리 설정할 수 있고, 노면 형상에 따른 발끝의 운동학적 구속 조건을 고려하기 쉬운 등의 잇점이 있다.

예를 들어, 일본 특허 공개 평5-305579호 공보에는 보행 로봇의 보행 제어 장치에 대하여 개시하고 있다. 동공보에 기재된 보행 제어 장치는 ZMP(Zero Moment Point) 즉 보행할 때의 상반력에 의한 모멘트가 제로가 되는 바닥면 상의 점을 목표치에 일치시키도록 제어하는 것이다.

또, 일본 특허 공개 평5-305581호 공보에 기재된 보행 로봇은 ZMP가 지지 다면체(다각형)의 내부, 또는 착지, 바닥 이격시에 ZMP가 지지 다면체(다각형)의 단부로부터 적어도 소정의 여유를 갖는 위치에 있도록 구성했다. 그 결과, 외란 등을 받아도 소정 거리만큼 ZMP의 여유가 있어, 보행의 안정성의 향상을 도모할 수 있다.

또, 일본 특허 공개 평5-305583호 공보에는 보행 로봇의 보행 속도를 ZMP 목표 위치에 따라서 제어하는 점에 대하여 개시하고 있다. 즉, 동공보에 기재된 보행 로봇은 미리 설정된 보행 패턴·데이타를 이용하여, ZMP를 목표 위치에 일치시키도록 다리부 관절을 구동하는 동시에 상체의 경사를 검출하고, 그 검출치에 따라서 설정된 보행 패턴·데이타의 토출 속도를 변경하도록 하고 있다. 그 결과, 예기치 못한 요철을 밟아 로봇이 예를 들어 전방으로 기울 때는 토출 속도를 빠르게 함으로써 자세를 회복할 수 있다. 또, ZMP를 목표 위치로 제어할 수 있으므로, 양다리 지지 자세에서 토출 속도를 변경해도 지장이 없다.

또, 일본 특허 공개 평5-305585호 공보에는 보행 로봇의 착지 위치를 ZMP 목표 위치에 따라서 제어하는 점에 대하여 개시하고 있다. 즉, 동공보에 기재된 보행 로봇은 ZMP 목표 위치와 실측 위치의 차이를 검출하고, 그것을 해소하도록 다리부의 한 쪽 또는 양 쪽을 구동하거나, 또는 ZMP 목표 위치 주위의 모멘트를 검출하여 그것이 제로가 되도록 다리부를 구동함으로써 안정 보행을 행하게 되어 있다.

또, 일본 특허 공개 평5-305586호 공보에는 보행 로봇의 경사 자세를 ZMP 목표 위치에 따라서 제어하는 점에 대하여 개시하고 있다. 즉, 동공보에 기재된 보행 로봇은 ZMP 목표 위치 주위의 모멘트를 검출하여, 모멘트가 발생하고 있을 때는 그것이 제로가 되도록 다리부를 구동함으로써 안정 보행을 행하게 되어 있다.

보행 로봇의 넘어짐이라는 사태를 미연에 회피하기 위해서는 최대한의 노력을 기울여야 한다. 그러나, 특히 다리의 갯수가 적은 2족 보행 로봇인 경우, 연구 단계에서 겨우 실용화의 제1보를 내딛으려고 하는 상황하에 있는 것에 불과하여, 넘어짐의 가능성을 완전히 소거할 수는 없다.

따라서, 넘어짐을 미연에 방지하는 대책을 강구할 뿐만 아니라, 넘어졌을 때의 손해를 최소한으로 억제하는 동시에, 넘어진 후의 작업의 복구 즉 로봇의 일어서기 동작의 신뢰성을 향상시키는 것이 다리식 보행 로봇의 조기 실용화를 위해서는 중요하다.

로봇이 다양한 장해물이나 예측할 수 없는 사태를 포함하는 인간의 주거 환경하에서 동작하는 데에 있어서 「넘어짐」은 불가피하다. 원래 인간 자체가 넘어지는 것이다. 따라서, 로봇이 넘어진 상태로부터 자율적으로 일어서는 동작 패턴을 갖추는 것이 보행 로봇의 완전 자동화를 실현하기 위한 필수 조건이라고 해도 과언은 아니다.

예를 들어 일본 특허 공개 평11-48170호 공보에는 보행 로봇의 넘어짐 문제에 관하여 취급하고 있다. 그러나, 동공보는 넘어질 것 같은 상황에 있어서 로봇의 중심을 낮추도록 제어함으로써, 로봇과 로봇이 충돌하는 상대측 물체의 손상을 가능한 한 경감하는 것을 제안하는 것이며, 넘어진 후의 작업의 복구 즉 로봇의 일어서기 동작의 신뢰성을 향상시키는 점에 대해서는 전혀 언급되어 있지 않다.

또한, 오로지 로봇이 「넘어진다」고 해도 넘어진 자세는 다양하다. 예를 들어 2족의 보행 로봇인 경우, 엎드림, 위를 향함, 옆으로 향함 등 복수의 넘어진 상태가 있다. 일부의 넘어진 자세로부터 밖에 일어서지 못하는(예를 들어 엎드린 상태로부터 밖에 일어서지 못하는) 것에서는 자율적인 일어서기나 로봇의 완전 자동화를 표방하기에는 불충분하다.

예를 들어 도35에 도시한 바와 같은 보행 로봇에 대하여 고찰해 보자. 동도면에 도시한 로봇은 2족에 의한 직립 보행을 행하는 인간형 로봇이며, 머리부와, 몸체부와, 다리부와, 팔부로 구성된다. 다리부는 보행에 필요한 자유도를 갖고, 팔부는 가정되는 작업에 있어서 필요한 자유도를 가진 것이라고 하자. 예를 들어, 각 다리부는 6 자유도를 갖고, 각 팔부는 4 자유도를 갖는다. 또, 몸체부는 다리부와 팔부, 머리부를 연결하는 구조체의 중심이다. 단, 도면에 도시한 로봇의 경우, 몸체부에 자유도를 전혀 갖지 않는다.

일반적으로 보행 로봇에 있어서의 보행은 다리부의 착상면과, 중심 또는 동적인 모멘트의 중심점의 상대적인 이동을 행함으로써 실현된다. 2족 보행의 로봇인 경우라면, 좌우의 다리를 교대로 디딤 다리와 안디딤 다리로 절환함으로써 소정 방향으로의 이동을 행한다. 이 때, 기본적으로는 체중심 또는 동적인 모멘트의 중심을 디딤 다리측으로 이동시키거나, 또는 소정의 진행 방향으로 그것을 이동시키는 것이 필요해진다. 이들 동작은 보행 로봇에 있어서는 각부의 관절 자유도에 따른 협조적인 구동에 의해서 실현된다. 도35에 도시한 바와 같은 양다리에 각각 6 자유도 또는 그 이상의 자유도를 갖는 보행 로봇의 경우, 다리의 자유도만으로 보행시에 있어서의 체중심 또는 동적 모멘트의 중심을 이동시키는 것이 가능하다.

도36에는 도35에 도시한 보행 로봇이 직립하고 있는 상태를 도시하고 있다. 이러한 직립 상태에서는 몸의 정면 방향으로부터 본 로봇의 중심 위치는 양다리의 중심부 상에 있고, ZMP는 양발 착상부의 대략 중간의 자세 안정 영역 내에 있다.

또, 도37에는 이 보행 로봇이 보행을 위해서 중심을 한 쪽 다리(동도면에 도시한 예에서는 좌측 다리)로 이동시킨 상태를 도시하고 있다. 즉, 좌측 다리 관절부 및 좌측 발목 관절부의 롤방향 변위나, 이에 상응하는 우측 다리 관절부 및 우측 발목 관절부의 롤방향 변위를 주성분으로 하는 운동에 의해서 로봇의 중심이 좌측 다리쪽으로 이동하고, ZMP가 좌측 발의 착상 영역 내로 이동한다. 그 결과, 로봇은 좌측 다리만으로 전체 체중을 지지하는 것이 가능한 자세를 형성한다. 또한, 안디딤 다리로 된 우측 다리를 원하는 진행 방향으로 내디딤으로써 보행을 행할 수 있다.

주로 보행을 가정한 2족 보행 로봇의 경우, 자유도의 배치에 따라서는 다리부에 배치되는 자유도만으로도 보행이 가능하며, 실제 기계상에서도 이러한 보행 동작 패턴이 채용되는 경우가 많다. 그리고, 로봇이 행하는 작업을 위해서, 팔부와 손부에 별도의 자유도가 배치되어 있는 것이 일반적이다. 또한, 머리부에 대해서도 시각 인식 등을 목적으로 하는 자유도를 갖는 경우가 많다.

이에 대해, 몸체부에 대해서는 보행이나 작업 등의 로봇이 주목적으로 하는 동작 패턴에 필수 자유도라고는 할 수 없다. 이에 따라, 현재 실용화를 향해 개발되고 있는 보행 로봇의 대부분은 도35에 도시한 바와 같이 몸체부에 자유도를 갖고 있지 않다(전술).

여기서, 도35에 도시한 바와 같은 몸체부에 자유도를 갖고 있지 않은 형태의 보행 로봇에 관한 넘어졌을 때의 일어서기 동작에 대하여 고찰해 보자.

예를 들어 도38에 도시한 바와 같은 엎드린 자세로부터 일어서는 경우, 우선 양팔부 및 양다리 관절의 피치축 등을 구동시켜 착상 부분을 팔부와 다리부(무릎부)만으로 하고, 이어서 양착상부의 상대적 거리를 서서히 접근시킴으로써 로봇의 중심을 들어올리기 시작한다(도39 참조).

또, 중심을 들어올림과 동시에 발부를 전방으로 이동시킨다(도40 참조). 그 결과, 중심이 발부 착상 영역의 상공으로 이동하고, ZMP가 착상 영역 즉 자세 안정 영역으로 돌입하여 팔부를 바닥면으로부터 이격시키는 것이 가능해진다(도41 참조). 그리고, 다리부(무릎 관절부)를 신장시켜 중심을 들어올림으로써 일어서기 동작을 완결한다(도42 참조).

그러나, 실제로는 각 관절의 가동 각도나 부위간의 간섭 등의 문제로 인해서, 중심의 이동을 충분히 행하지 못하는 경우가 많다. 예를 들어, 상기의 도40으로부터 도41로 자세를 이행시킬 때, 팔을 접지시킨 채로는 무릎을 충분히 접을 수가 없어 ZMP를 발부의 착상 영역까지 이동시킬 수 없다. 무리하게 ZMP의 이동을 시도하면, ZMP가 안정 영역에 돌입하기 전에 팔부가 먼저 바닥으로부터 떨어지게 되어 잘 일어설 수가 없다.

또, 도43에 도시한 바와 같이 보행 로봇이 누운 자세로 넘어져 버린 경우, 로봇이 자율적으로 즉 외부로부터의 물리적인 보조없이 일어서는 것은 더욱 곤란해진다.

누운 자세로부터 일어서기 동작을 행하는 경우, 우선 다리부와 팔부로 바닥면에 접지하는 자세를 취함으로써 중심을 상방으로 들어올린다(도44 참조). 이어서, 착상하고 있는 발부와 팔부의 상대적 거리를 서서히 좁혀 간다(도45 참조).

발부와 팔부의 상대적 거리가 충분히 좁아지면, 로봇의 중심 위치를 발부 착상 영역 상공까지 이동시킬 수 있다(도46 참조). 이 상태에서는 ZMP가 발부 즉 자세 안정 영역 내에 들어가 있으므로, 팔부를 바닥면으로부터 이격시키는 동시에 다리부 즉 무릎부를 신장시킴으로써 중심을 더욱 들어올려 일어서기 동작을 완결한다(도47 참조).

그러나, 실제로는 엎드린 자세로부터 일어서는 경우와 마찬가지로, 각 관절의 가동 각도나 부위간의 간섭 등의 문제로 인해서 중심의 이동을 충분히 행하지 못하는 경우가 많다. 예를 들어, 상기의 도45로부터 도46으로 자세를 이행시킬 때, 팔을 접지시킨 채로는 무릎을 충분히 접을 수가 없어 ZMP를 발부의 착상 영역까지 이동시킬 수 없다. 무리하게 ZMP의 이동을 시도하면, ZMP가 안정 영역에 돌입하기 전에 팔부가 먼저 바닥으로부터 떨어지게 되어 잘 일어설 수가 없다.

도38 내지 도42에서 도시한 엎드린 자세로부터의 일어서기 동작, 및 도43 내지 도47에서 도시한 누운 자세로부터의 일어서기 동작의 어떠한 경우도, 다리 관절부에 있어서의 몸 전방면측으로의 가동 각도를 확장시킴으로써, 도40 및 도41, 그리고 도46 및 도47에 도시한 장해를 해소할 수 있다. 그러나, 실제 기계의 보행 로봇에 있어서 다리 관절부의 가동 각도를 크게 하기 위해서는 몸체부 및 그 주변 부재와의 간섭이 발생해 버리므로, 현실적인 해결책이라고는 말하기 어렵다.

또한, 상술한 엎드림 및 위를 향한 어떠한 자세로부터의 일어서기 동작 패턴의 경우도 발부를 매우 무겁게 구성함으로써 보행 로봇 전체의 중심 위치를 발부 부근에 설정하면, 도41과 도47에 있어서 팔부가 먼저 바닥으로부터 떨어져 버리는 경우라도 ZMP를 자세 안정 영역으로 이동시킬 수 있다. 오뚝이가 자연스럽게 일어서는 것과 같은 원리이다.

로봇의 중심이 항상 보행중인 발바닥의 접지 범위에 있는 「정(靜)보행」을 행하는 로봇의 경우라면, 오뚝이와 같이 전체의 중심 위치가 발부와 같은 낮은 부위에 있어도 안정 보행 동작을 확보할 수 있다.

이에 반해, 로봇의 중심이 발바닥 외측으로 벗어나는 「동(動)보행」을 행하는 형태의 로봇인 경우, 보행 기간 동안은 넘어지는 방향으로 지지점을 강하게 가속시킴으로써 자세 회복을 도모한다는 「도립 진자(倒立 振子)」의 개념을 도입한다. 즉, 동보행형의 로봇인 경우, 동적인 중심 이동을 가능하게 하기 위해서 중심 위치를 비교적 높은 부위가 되도록, 다리부는 상태에 비해 비교적 경량으로 설계되어 있다. 반대로 다리부의 질량이 크면, 원활한 중심 이동이 곤란해져서 보행 그 자체에 지장을 초래한다. 환언하면, 로봇 전체의 중심 위치를 낮은 부위에 설정하는 것은 동보행시의 자세 안정 제어가 곤란해지므로, 일어서기 동작을 행하는 보행 로봇의 일반적 해결로는 되지 못한다.

도38 내지 도42, 및 도43 내지 도47을 참조해도 알 수 있는 바와 같이, 몸체부에 자유도가 없는 형태의 보행 로봇인 경우, 팔부, 머리부 등과 다리부와의 상대적 위치의 가변량이 작으므로, 어떠한 넘어진 자세로부터도 일어서는 것은 곤란해진다.

한편, 로봇의 몸체부를 매우 짧게 구성함으로써, 또는 팔부를 매우 길게 구성함으로써, 팔부와 다리부의 상대적 위치의 가변량을 확장할 수 있다. 그 결과, 도41과 도47에 도시한 바와 같은 ZMP가 자세 안정 영역에 들어가기 전에 팔부가 바닥으로부터 떨어지게 되는 현상을 해소하여 일어서기 동작을 실현할 수 있다.

그러나, 몸체부를 짧게 하거나 팔부를 길게 하는 것은 인간형 로봇의 사지 또는 전신의 균형을 상실하게 되어, 「인간 형태」 또는 「인간형」을 목표로 하는 취지로부터 일탈해 버린다.

또, 본 출원시에 있어서의 보행 로봇의 동향으로서, 로봇 자신의 제어 유닛을 배면부에 탑재하는 경우가 많다. 따라서, 위를 향해 넘어진 경우에는 중심 위치가 배면측으로 크게 편중되어 버리므로, 누운 자세로부터의 일어서기 동작은 더욱 곤란해진다고 생각된다(도48 참조).

본 발명의 목적은, 인간이나 원숭이 등의 보행형 동물의 신체 메카니즘을 모델화한, 우수한 보행형 로봇의 메카니즘을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 보행 동작 등 한창 작업중 일 때 넘어져 버린 경우라도 자력으로 일어설 수 있는, 우수한 보행형 로봇 및 그 제어 메카니즘을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 넘어지게 되어 다양한 자세 또는 모습으로 드러누워 있는 경우라도 자율적으로 일어서서 넘어짐에 의해 중단된 작업을 자동적으로 재개할 수 있는, 우수한 보행형 로봇 및 그 제어 방법 메카니즘을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 엎드림, 위를 향함, 옆으로 향함 등 다양한 넘어진 자세로부터도 자율적으로 확실하고 또한 원활하게 일어설 수 있는, 우수한 보행형 로봇 및 그 제어 메카니즘을 제공하는 데에 있다.

도1은 본 발명의 실시에 제공되는 보행 로봇(100)을 전방으로부터 조망한 모습을 도시한 도면.

도2는 본 발명의 실시에 제공되는 보행 로봇(100)을 후방으로부터 조망한 모습을 도시한 도면.

도3은 보행 로봇(100)의 몸체부의 구성의 확대도(전방 사시도).

도4는 보행 로봇(100)의 몸체부의 구성의 확대도(후방 사시도).

도5는 본 실시예에 관한 보행 로봇(100)이 구비하는 자유도 구성 모델을 모식적으로 도시한 도면.

도6은 본 실시예에 관한 보행 로봇(100)의 제어 시스템 구성을 모식적으로 도시한 도면.

도7은 보행 로봇(100)의 넘어짐시에 있어서의 동작 순서를 개략적으로 도시한 플로우차트.

도8은 보행 로봇(100)이 엎드린 상태로부터 일어서기 위한 일련의 동작을 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 보행 로봇(100)이 엎드린 자세로 바닥면에 넘어진 직후의 상태를 묘사한 도면.

도9는 보행 로봇(100)이 엎드린 상태로부터 일어서기 위한 일련의 동작을 묘사한 도면이며, 보다 구체적으로는 엎드림의 넘어진 자세에 있어서 보행 로봇(100)이 일어서기 동작을 개시한 모습을 묘사한 도면.

도10은 보행 로봇(100)이 엎드린 상태로부터 일어서기 위한 일련의 동작을 묘사한 도면이며, 보다 구체적으로는 양 어깨 관절 피치축 작동기(A₈), 몸체부 피치축 작동기(A₅), 다리 관절 피치축 작동기(A₁₇)의 각 변위를 더욱 크게 함으로써, 무게 중심 위치를 상방으로 들어 올리고 있는 모습을 묘사한 도면.

도11은 보행 로봇(100)이 엎드린 상태로부터 일어서기 위한 일련의 동작을 묘사한 도면이며, 보다 구체적으로는 팔부 및 다리부 각각의 착상 부분의 거리를 더욱 짧게 하고, 이 결과 무게 중심(G)을 발판의 상방 즉 자세 안정 영역 내로 완전하게 수용시켜 가는 모습을 묘사한 도면.

도12는 보행 로봇(100)이 엎드린 상태로부터 일어서기 위한 일련의 동작을 묘사한 도면이며, 보다 구체적으로는 팔부의 선단부를 바닥면으로부터 이격하는 동시에, 양 무릎부 피치축 작동기(A₁₉)를 구동하여 다리부를 신장함으로써, 무게 중심(G)을 더욱 상방으로 들어 올려 가는 모습을 묘사한 도면.

도13은 보행 로봇(100)이 엎드린 상태로부터 일어서기 위한 일련의 동작을 묘사한 도면이며, 보다 구체적으로는 또한 무게 중심(G)을 상방으로 들어 올려 직립 자세에 가까워져 가는 모습을 도시한 도면.

도14는 보행 로봇(100)이 누운 상태로부터 일어서기 위한 일련의 동작을 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 보행 로봇(100)이 누운 자세로 바닥면에 넘어진 직후의 상태를 묘사한 도면.

도15는 보행 로봇(100)이 누운 상태로부터 일어서기 위한 일련의 동작을 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 넘어진 후, 넘어진 자세를 판단한 보행 로봇(100)이 누운 자세로부터의 일어서기 동작을 개시한 모습을 묘사한 도면.

도16은 보행 로봇(100)이 누운 상태로부터 일어서기 위한 일련의 동작을 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 허리부가 착상한 상태에서 또한 양 다리 관절 피치축 작동기(A₁₇), 양 무릎부 피치축 작동기(A₁₉), 양 발목 피치축 작동기(A₂₀)를 동작시키고, 양 발판의 발바닥으로 착상하는 자세의 준비를 행하는 모습을 묘사한 도면.

도17은 보행 로봇(100)이 누운 상태로부터 일어서기 위한 일련의 동작을 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 몸체 피치축 작동기(A₅)를 변위시키는 동시에, 팔부와 다리부 각각의 착상 부분의 거리를 짧게 해 감으로써, 무게 중심(G)의 위치를 상방으로 들어 올려 가는 모습을 묘사한 도면.

도18은 보행 로봇(100)이 누운 상태로부터 일어서기 위한 일련의 동작을 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 팔부와 다리부 각각의 착상 부분의 거리를 짧게 함으로써, ZMP를 가능한 한 발부에 접근시켜 팔부와 허리부를 바닥으로부터 이격시키는 모습을 묘사한 도면.

도19는 보행 로봇(100)이 누운 상태로부터 일어서기 위한 일련의 동작을 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 신장한 자세를 형성함으로써, 무게 중심(G)의 위치를 들어 올리는 모습을 묘사한 도면.

도20은 보행 로봇(100)이 누운 상태로부터 일어서기 위한 일련의 동작을 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 다리부를 신장시킴으로써 무게 중심(G)을 상방으로 들어 올려 직립 자세에 가까워져 가는 모습을 묘사한 도면.

도21은 보행 로봇(100)이 옆으로 넘어진 상태로부터 일어서기 위한 동작 패턴의 일예를 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 보행 로봇(100)이 옆으로 넘어진 자세로 바닥면에 넘어진 직후의 상태를 묘사한 도면.

도22는 보행 로봇(100)이 옆으로 넘어진 상태로부터 일어서기 위한 동작 패턴의 일예를 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 옆으로 넘어져 있다고 판단한 보행 로봇(100)이 엎드린 자세로 이행하기 위한 동작 패턴을 개시한 모습을 묘사한 도면.

도23은 보행 로봇(100)이 옆으로 넘어진 상태로부터 일어서기 위한 동작 패턴의 일예를 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 몸체부 요우축 작동기(A₇)를 회전시키고, 상체를 엎드린 자세에 가깝게 하고 있는 모습을 묘사한 도면.

도24는 보행 로봇(100)이 옆으로 넘어진 상태로부터 일어서기 위한 동작 패턴의 일예를 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 좌측 팔부가 착상하여 엎드린 자세에 가깝게 하고 있는 모습을 묘사한 도면.

도25는 보행 로봇(100)이 옆으로 넘어진 상태로부터 일어서기 위한 동작 패턴의 일예를 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 몸체부 요우축 작동기(A₇)와 좌측 다리 관절 피치축 작동기(A₁₇)의 회전을 계속시킨 결과로서 보행 로봇(100)의 몸 전체가 지면 전방측으로 넘어져 좌측 다리부가 착상하는 모습을 묘사한 도면.

도26은 보행 로봇(100)이 옆으로 넘어진 상태로부터 일어서기 위한 동작 패턴의 일예를 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 몸체부 요우축 작동기(A₇)와 좌측 다리 관절 피치축 작동기(A₁₇)의 회전을 계속시킨 결과로서 엎드린 자세로 완전하게 이행한 모습을 묘사한 도면.

도27은 보행 로봇(100)이 옆으로 넘어진 상태로부터 일어서기 위한 동작 패턴의 일예를 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 몸체부 요우축 작동기(A₇) 및 몸체 롤축 작동기(A₆)의 구동을 병용함으로써, 옆으로 넘어진 상태로부터 엎드린 자세로 원활하게 이행하는 모습을 묘사한 도면.

도28은 보행 로봇(100)이 옆으로 넘어진 상태로부터 일어서기 위한 동작 패턴의 일예를 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 몸체부 요우축 작동기(A₇) 및 몸체 롤축 작동기(A₆)의 구동을 병용함으로써, 옆으로 넘어진 상태로부터 엎드린 자세로 원활하게 이행하는 모습을 묘사한 도면.

도29는 보행 로봇(100)이 누운 상태로부터 일어서는 동작 패턴의 다른 예를 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 보행 로봇(100)이 누운 자세로 바닥면에 넘어진 직후의 상태를 묘사한 도면.

도30은 보행(100)이 누운 상태로부터 일어서는 동작 패턴의 다른 예를 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 양 다리 관절 요우축 작동기(A₁₆)를 회전시킴으로써, 상대적으로 상체부를 회전하고 싶은 방향으로 비트는 동시에, 좌우 각 관절의 피치축의 회전에 의해 비틀림 방향으로 무게 중심을 이동시키고 있는 모습을 묘사한 도면.

도31은 보행 로봇(100)이 누운 상태로부터 일어서는 동작 패턴의 다른 예를 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 우측 다리 관절 요우축 작동기(A₁₆)를 회전시키고, 우측 다리부 전체를 상기 비틀림 방향으로 회전시키는 동시에 우측 다리 관절 요우축 작동기(A₁₆)를 회전시키고, 우측 다리부 전체를 또한 상기 비틀림 방향으로 회전시키는 모습을 묘사한 도면.

도32는 보행 로봇(100)이 누운 상태로부터 일어서는 동작 패턴의 다른 예를 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 몸체부 요우축 작동기(A₇)를 회전시키고 우측 팔부에서의 착상을 확보하는 모습을 묘사한 도면.

도33은 보행 로봇(100)이 누운 상태로부터 일어서는 동작 패턴의 다른 예를 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 주로 우측 다리 관절 요우축 작동기(A₁₆)를 회전시키고 허리부를 소정의 회전 방향으로 비틈으로써, 비틀림 운동의 원활화를 도모하는 모습을 묘사한 도면.

도34는 보행 로봇(100)이 누운 상태로부터 일어서는 동작 패턴의 다른 예를 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 보행 로봇(100)이 대략 옆으로 넘어진 자세로의 이행이 완료된 상태를 묘사한 도면.

도35는 두 발에 의한 직립 보행을 행하는 보행 로봇(종래 예)의 외관 구성을 도시한 도면.

도36은 도35에 도시한 보행 로봇이 직립하고 있는 모습을 묘사한 도면(종래 예).

도37은 도35에 도시한 보행 로봇이 보행을 행하는 모습을 묘사한 도면(종래 예)이며, 보다 구체적으로는 좌우의 다리를 교대로 디딤 다리과 안디딤 다리로 절환하는 모습을 도시한 도면.

도38은 도35에 도시한 보행 로봇이 엎드린 자세로 넘어진 상태를 도시한 도면(종래 예).

도39는 도35에 도시한 보행 로봇이 엎드린 자세로 넘어진 상태로부터 일어서는 동작 패턴을 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 착상 중인 팔부 및 다리부의 상대적 거리를 가깝게 함으로써, 로봇의 무게 중심을 들어 올려 가는 모습을 도시한 도면(종래 예).

도40은 도35에 도시한 보행 로봇이 엎드린 자세로 넘어진 상태로부터 일어서는 동작 패턴을 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 로봇의 무게 중심을 한창 들어 올려 가는 중에 발부를 전방으로 이동시키는 모습을 도시한 도면(종래 예).

도41은 도35에 도시한 보행 로봇이 엎드린 자세로 넘어진 상태로부터 일어서는 동작 패턴을 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 보행 로봇의 ZMP를 자세 안정 영역 내로 이동시키고, 팔부를 기상시키는 모습을 도시한 도면(종래 예).

도42는 도35에 도시한 보행 로봇이 엎드린 자세로 넘어진 상태로부터 일어서는 동작 패턴을 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 보행 로봇이 팔부를 바닥으로부터 이격시킨 후, 다리부를 신장시켜 기상 동작이 완결되는 모습을 도시한 도면(종래 예).

도43은 도35에 도시한 보행 로봇이 누운 자세로 넘어진 상태를 도시한 도면(종래 예).

도44는 도35에 도시한 보행 로봇이 누운 자세로 넘어진 상태로부터 일어서는 동작 패턴을 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 다리부와 팔부로 바닥면에 접지하는 자세를 취함으로써, 무게 중심을 상방으로 들어 올리는 모습을 도시한 도면(종래 예).

도45는 도35에 도시한 보행 로봇이 누운 자세로 넘어진 상태로부터 일어서는 동작 패턴을 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 보행 로봇이 착상하고 있는 발부와 팔부의 상대적 거리를 서서히 작게 해 가는 모습을 도시한 도면(종래 예).

도46은 도35에 도시한 보행 로봇이 누운 자세로 넘어진 상태로부터 일어서는 동작 패턴을 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 보행 로봇의 무게 중심 위치를 발부 착상 영역 상공까지 이동하는 모습을 도시한 도면(종래 예).

도47은 도35에 도시한 보행 로봇이 누운 자세로 넘어진 상태로부터 일어서는 동작 패턴을 도시한 도면이며, 보다 구체적으로는 보행 로봇이 팔부를 바닥으로부터 이격시킨 후, 또한 다리부를 신장시켜 기상 동작이 완결하는 모습을 도시한 도면(종래 예).

도48은 보행 로봇이 누운 자세로부터의 일어서는 도중에 동작 진행이 불가능해진 모습을 도시한 도면(종래 예).

도49는 보행 로봇에 대한 관절 모델 구성의 일예를 모식적으로 도시한 도면.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 머리부

2 : 목 관절 요우축

3 : 목 관절 피치축

4 : 목 관절 롤축

5 : 몸체 피치축

6 : 몸체 롤축

7 : 몸체 요우축

8 : 어깨 관절 피치축

9 : 어깨 관절 롤축

10 : 상박 요우축

11 : 팔꿈치 관절 피치축

12 : 하박 요우축

13 : 손목 관절 피치축

14 : 손목 관절 롤축

15 : 손부

16 : 다리 관절 요우축

17 : 다리 관절 피치축

18 : 다리 관절 롤축

19 : 무릎 관절 피치축

20 : 발목 관절 피치축

21 : 발목 관절 롤축

22 : 발부(발바닥)

30 : 머리부 유닛

40 : 몸체부 유닛

50 : 팔부 유닛,

51 : 상박 유닛

52 : 팔꿈치 관절 유닛

53 : 하박 유닛

60 : 다리부 유닛

61 : 대퇴부 유닛

62 : 무릎 관절 유닛

63 : 정강이부 유닛

80 : 제어 유닛

81 : 주제어부

82 : 주변 회로

91, 92 : 접지 확인 센서

93 : 자세 센서

100 : 보행 로봇

본 발명은 상기 과제를 참작하여 이루어진 것으로 그 제1 측면은, 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치된 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇으로서,

넘어졌는지의 여부를 판단하는 넘어짐 판단 수단과,

넘어졌을 때의 자세를 판정하는 수단과,

넘어진 자세에 따른 일어서기 동작 패턴을 실행하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇이다.

또, 본 발명의 제2 측면은, 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치되고 몸체부에 소정의 가동 자유도를 갖는 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇으로서,

넘어졌는지의 여부를 판단하는 넘어짐 판단 수단과,

넘어졌을 때의 자세를 판정하는 수단과,

넘어진 자세에 따른 일어서기 동작 패턴을 실행하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇이다.

또, 본 발명의 제3 측면은, 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치되고 몸체부에 소정의 가동 자유도를 갖는 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇으로서,

넘어졌는지의 여부를 판단하는 넘어짐 판단 수단과,

넘어졌을 때 적어도 상기 몸체부의 가동 자유도의 변위를 수반하는 일어서기 동작 패턴을 실행하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇이다.

본 발명의 제3 측면에 관한 보행 로봇에 있어서, 상기 몸체부는 적어도 피치축 방향의 가동 자유도를 구비해도 좋다. 이 경우, 상기 일어서기 동작 패턴은 상기 몸체부 피치축 방향의 가동 자유도를 이용할 수 있다.

또는, 상기 몸체부는 적어도 요우축 방향의 가동 자유도를 구비해도 좋다. 이 경우, 상기 일어서기 동작 패턴은 상기 몸체부 요우축 방향의 가동 자유도를 이용할 수 있다.

또는, 상기 몸체부는 적어도 롤축 방향의 가동 자유도를 구비해도 좋다. 이 경우, 상기 일어서기 동작 패턴은 상기 몸체부 롤축 방향의 가동 자유도를 이용할 수 있다.

또, 본 발명의 제4 측면은, 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치되고 몸체부에 소정의 가동 자유도를 갖는 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇으로서,

넘어졌는지의 여부를 판단하는 넘어짐 판단 수단과,

넘어졌을 때의 자세를 판정하는 수단과,

넘어졌을 때 다른 넘어진 자세로 이행하기 위한 동작 패턴을 실행하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇이다.

본 발명의 제4 측면에 관한 보행 로봇에 있어서, 상기 몸체부는 적어도 피치축 방향의 가동 자유도를 구비해도 좋다. 이 경우, 다른 넘어진 자세로 이행하기 위한 상기 동작 패턴은 상기 몸체부 피치축 방향의 가동 자유도를 이용할 수 있다.

또는, 상기 몸체부는 적어도 요우축 방향의 가동 자유도를 구비해도 좋다. 이 경우, 다른 넘어진 자세로 이행하기 위한 상기 동작 패턴은 상기 몸체부 요우축 방향의 가동 자유도를 이용할 수 있다.

또는, 상기 몸체부는 적어도 롤축 방향의 가동 자유도를 구비해도 좋다. 이 경우, 다른 넘어진 자세로 이행하기 위한 상기 동작 패턴은 상기 몸체부 롤축 방향의 가동 자유도를 이용할 수 있다.

또, 본 발명의 제5 측면은, 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치되고 몸체부에 소정의 가동 자유도를 갖는 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇이 엎드린 자세로 되었을 때를 위한 동작 제어 방법으로서,

적어도 몸체부 피치축의 가동 자유도를 이용하여 팔부 및 다리부만으로 착상하는 자세를 형성하는 단계와,

적어도 몸체부 피치축의 가동 자유도를 이용하여 보행 로봇의 중심을 상방으로 들어올리는 단계와,

적어도 몸체부 피치축의 가동 자유도를 이용하여 팔부 및 다리부 각각의 착상 부분에 있어서의 상대적 위치를 작게 하는 단계와,

팔부 및 다리부 각각의 착상 부분끼리가 충분히 접근한 결과, 상기 보행 로봇의 ZMP가 발부 착상 영역에 들어간 것에 응답하여 전신의 신장을 개시하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법이다.

또, 본 발명의 제6 측면은, 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치되고 몸체부에 소정의 가동 자유도를 갖는 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇이 누운 자세로 되었을 때를 위한 동작 제어 방법으로서,

적어도 다리 관절 피치축의 가동 자유도를 이용하여 상체를 일으킨 자세를 형성하는 단계와,

적어도 몸체부 피치축의 가동 자유도를 이용하여 보행 로봇의 중심을 전방으로 이동시키는 단계와,

상기 중심이 충분히 전방으로 이동한 결과, 상기 보행 로봇의 ZMP가 발부 착상 영역에 들어간 것에 응답하여 전신의 신장을 개시하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법이다.

또, 본 발명의 제7 측면은, 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치되고 몸체부에 소정의 가동 자유도를 갖는 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇이 가로 누운 자세로 되었을 때를 위한 동작 제어 방법으로서,

적어도 몸체부 요우축의 가동 자유도를 이용하여 엎드린 자세로 이행하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법이다.

또, 본 발명의 제8 측면은, 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치되고 몸체부에 소정의 가동 자유도를 갖는 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇이 가로 누운 자세로 되었을 때를 위한 동작 제어 방법으로서,

몸체부 롤축의 가동 자유도를 이용하여 상체를 바닥면으로부터 띄우는 단계와,

몸체부 요우축의 가동 자유도를 이용하여 엎드린 자세로 이행하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법이다.

또, 본 발명의 제9 측면은, 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치되고 몸체부에 소정의 가동 자유도를 갖는 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇이 누운 자세로 되었을 때를 위한 동작 제어 방법으로서,

적어도 몸체부 요우축의 가동 자유도를 이용하여 가로 누운 자세로 이행하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법이다.

또, 본 발명의 제10 측면은, 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치되고 몸체부에 소정의 가동 자유도를 갖는 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇이 넘어진 자세로 되었을 때를 위한 동작 제어 방법으로서,

(a) 누운 자세로부터 가로 누운 자세로 이행하는 단계,

(b) 가로 누운 자세로부터 엎드린 자세로 이행하는 단계,

(c) 엎드린 자세로부터 가로 누운 자세로 이행하는 단계,

(d) 가로 누운 자세로부터 누운 자세로 이행하는 단계,

중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법이다.

본 발명에 관한 보행 로봇은, 몸체부에 있어서 롤, 피치, 요우 등의 각축에 자유도를 갖는다. 임의의 넘어진 자세에 있어서, 이들 몸체부의 자유도를 활용함으로써 원활하고도 용이하게 일어서기 동작을 실현할 수 있다.

본 발명에 관한 보행 로봇에 따르면, 일어서기 동작시에 있어서 몸체부의 자유도를 적용함으로써, 몸체부 이외의 가동부에의 부담이나 요구 토크가 경감된다. 또한, 하중 부담을 각 가동부 사이에서 분산·평균화함으로써, 특정 부위에의 집중 하중을 회피할 수 있다. 그 결과, 로봇 운용의 신뢰성이 향상하는 동시에 일어서기 동작 기간중의 에너지 효율이 향상된다.

또, 본 발명에 관한 보행 로봇에 따르면, 복수의 넘어진 자세를 차례로 이행시킴으로써, 보다 용이한 일어서기 동작을 선택적으로 실행할 수 있다.

또, 본 발명에 관한 보행 로봇에 따르면, 복수의 넘어진 자세를 차례로 반복함으로써, 일어서지 않고 평면적인 이동을 실현할 수 있다. 그 결과, 보다 용이하게 일어설 수 있는 장소까지 이동하고 나서 일어서기 동작을 실현할 수 있다.

또, 본 발명에 관한 보행 로봇에 따르면, 넘어진 자세를 변화시킬 수 있으므로, 보조해야 하는 일어서기 동작 패턴의 종류와 수를 저감할 수 있다.

예를 들어, 로봇이 미리 일어서기 동작 패턴을 준비해 두는 경우, 동작 패턴수의 감소에 의해 개발 기간의 단축과 개발 비용의 경감이 가능해진다. 또, 동작 패턴수의 감소에 의해 하드웨어의 부담도 경감되므로, 그 만큼 시스템의 향상이 예상된다.

또, 로봇이 상황에 따른 동작 패턴을 자율적으로 생성하는 경우에는 생성해야 하는 동작 패턴수가 감소함으로써, 로봇 자체에 탑재해야 하는 연산 장치의 부담이 경감되어 장치 제작 비용의 삭감과, 로봇 운전시에 있어서의 신뢰성의 향상 등이 예상된다.

또, 본 발명에 관한 보행 로봇에 따르면, 넘어진 자세를 변화시킴으로써 일어서기 동작 패턴을 한정할 수 있다. 그 결과, 일어서기 동작을 위해서 필요한 각 작동기의 출력 토크나 동작 범위 등에의 요구가 경감된다. 또한, 설계의 자유도가 향상되는 동시에 개발 기간의 단축과 제작 비용의 삭감 등을 실현할 수 있다.

또, 넘어진 자세를 변화시킴으로써 일어서기 방법을 한정할 수 있으므로, 일어서기 동작 기간중에 있어서의 로봇의 소비 전력을 절약하여 배터리 등의 공급 전원에의 부담을 적게 할 수 있다. 그 결과, 배터리 구동 시간이 연장되어 1회의 충전으로 보다 장시간의 연속 운전이 가능해지고, 로봇의 작업 시간, 작업 공간, 작업 내용 등이 확대된다. 또한, 필요한 배터리 용량도 저감되므로, 배터리의 소형·경량화가 가능해지고, 설계의 자유도가 향상된다. 또, 배터리의 요구 사양이 경감되므로, 배터리 단가를 저렴한 가격으로 억제하여 시스템 전체의 제작 비용과 운전 비용을 절약할 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적, 특징과 잇점은 후술하는 본 발명의 실시예와 첨부하는 도면에 기초하는 보다 상세한 설명에 의해서 명확해질 것이다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도1 및 도2에는 본 발명의 실시에 이용되는 「인간 형태」 또는 「인간형」의 보행 로봇(100)이 직립하고 있는 상태를 전방 및 후방의 각각으로부터 조망한 상태를 도시하고 있다. 도시한 바와 같이, 보행 로봇(100)은 보행을 행하는 좌우 2족의 다리와, 몸체부와, 좌우의 팔과, 머리부와, 제어부로 구성된다.

좌우 각각의 다리는 대퇴부와, 무릎 관절과, 종아리부와, 발목과, 발판으로 구성되고, 다리 관절에 의해서 몸체부의 대략 가장 하단부에서 연결되어 있다. 또, 좌우 각각의 팔은 상박과, 팔꿈치 관절과, 하박으로 구성되고, 어깨 관절에 의해서 몸체부 상방의 좌우 각 측부 엣지에서 연결되어 있다. 또, 머리부는 목 관절에 의해서 몸체부의 대략 가장 상단부 중앙에 연결되어 있다.

제어부는 이 보행 로봇(100)을 구성하는 각 관절 작동기의 구동 제어와 각 센서(후술) 등으로부터의 외부 입력을 처리하는 제어기(주 제어부)와, 전원 회로 그 밖의 주변 기기류를 탑재한 하우징이다. 제어부는 그 밖의 원격 조작용의 통신 인터페이스와 통신 장치를 포함하고 있어도 좋다. 또, 도1 및 도2에 도시한 예에서는 보행 로봇(100)이 제어부를 등에 짊어진 듯한 형태로 되어 있지만, 제어부의 설치 장소는 특별히 한정되지 않는다.

본 실시예에 관한 보행 로봇(100)의 특징 중 하나는, 몸체부가 관절 자유도를 갖고 있는 점이다. 보행 로봇(100)이 인간과 공존하는 데에서는 척추 등과 같이 유연성을 갖는 기구가 인간의 주거 환경·주거 공간에 있어서 다양하고 복잡한 동작을 행하기 위해서 중요하다(전술). 이 몸체부의 관절 자유도는 인간으로 말하면 「척추」에 상당한다.

도3 및 도4에는 보행 로봇(100)의 몸체부의 구성을 확대하여 묘사하고 있다.

동도면에 도시한 바와 같이, 몸체부 관절은 몸체부 롤축, 몸체부 피치축, 및 몸체부 요우축이라는 세 개의 관절 자유도를 갖고 있다. 예를 들어, 몸체부 롤축의 구동에 의해 보행 로봇(100)의 상체를 다리에 대하여 좌우로 흔들 수 있다. 또, 몸체부 피치축을 구동함으로써 보행 로봇(100)의 자세를 활 형상의 면에 있어서 「ㄴ자」형으로 굴곡시킬 수 있다. 또, 몸체부 요우축의 구동에 의해 보행 로봇의 상체가 다리에 대하여 상대적으로 회전하여 몸을 비틀리게 한 모습을 형성할 수 있다.

또, 도5에는 이 보행 로봇(100)이 구비하는 관절 자유도의 구성을 모식적으로 도시하고 있다.

도5에 도시한 바와 같이, 보행 로봇(100)은 2개의 팔부와 머리부(1)를 포함하는 상체와, 이동 동작을 실현하는 2개의 다리부로 이루어지는 다리와, 팔과 다리를 연결하는 몸체부로 구성된다.

머리부(1)를 지지하는 목 관절은 목 관절 요우축(2)과, 목 관절 피치축(3)과, 목 관절 롤축(4)이라는 3 자유도를 갖고 있다.

또, 각 팔부는 어깨 관절 피치축(8)과, 어깨 관절 롤축(9)과, 상박 요우축(10)과 팔꿈치 관절 피치축(11)과, 하박 요우축(12)과, 손목 관절 피치축(13)과, 손목 관절 롤축(14)과, 손부(15)로 구성된다. 손부(15)는 실제로는 복수개의 손가락을 포함하는 다관절·다자유도의 구조체이다. 단, 손부(15)의 동작 자체는 로봇(100)의 자세 안정 제어와 보행 동작 제어에 대한 기여나 영향이 적으므로, 본 실시예에서는 제로 자유도라고 가정한다. 따라서, 본 실시예에서는 각 팔부는 7 자유도를 갖게 된다.

또, 몸체부는 몸체부 피치축(5)과, 몸체부 롤축(6)과, 몸체부 요우축(7)이라는 3 자유도를 갖는다(전술, 그리고 도3 및 도4 참조).

또, 다리를 구성하는 각각의 다리부는 다리 관절 요우축(16)과, 다리 관절 피치축(17)과, 다리 관절 롤축(18)과, 무릎 관절 피치축(19)과, 발목 관절 피치축(20)과, 발목 관절 롤축(21)과, 발부(발바닥)(22)로 구성된다. 다리 관절 피치축(17)과 다리 관절 롤축(18)의 교점은 본 실시예에 관한 로봇(100)의 다리 관절 위치를 정의하는 것으로 한다. 인체의 발부(발바닥)(22)는 실제로는 많은 관절·많은 자유도의 발바닥을 포함한 구조체이지만, 본 실시예에 관한 보행 로봇(100)의 발바닥은 제로 자유도로 한다. 따라서, 본 실시예에서는 각 다리부는 6 자유도로 구성되어 있다.

이상을 총괄하면, 본 실시예에 관한 보행 로봇(100) 전체로서는 합계 3＋7×2＋3＋6×2＝32 자유도를 갖게 된다. 단, 엔터테인먼트형의 보행 로봇(100)이 반드시 32 자유도로 한정되는 것은 아니다. 설계·제작상의 제약 조건이나 요구 사양 등에 따라서, 자유도 즉 관절수를 적절하게 증감할 수 있음은 물론이다.

상술한 바와 같은 보행 로봇(100)이 갖는 각 자유도는 실제로는 작동기를 이용하여 실제 장착된다. 외관상에서 여분의 팽창을 배제하여 인간의 자연체 형상에 근사시키는 것, 두 발 보행이라 하는 불안정 구조체에 대해 자세 제어를 행하는 등의 요청으로부터, 작동기는 소형 또한 경량인 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 기어 직결형으로 또한 서보 제어계를 원칩화하여 모터·유닛에 내장한 타입의 소형 AC 서보·작동기를 탑재하는 것으로 했다. 또, 이러한 종류의 AC 서보·작동기에 관해서는 예를 들어 본 출원인에게 이미 양도되어 있는 일본 특허 출원 평11-33386호 명세서에 개시되어 있다.

도5에 도시한 바와 같은 자유도 구성을 구비한 보행 로봇(100)은 넘어지는 것을 미리 상정하여, 대부분 모든 넘어진 자세로부터의 복귀 즉 일어서기 동작을 가능하게 하는 배치를 갖고 있다(상세하게는 후술을 참조하기 바람). 따라서, 각 가동부의 출력 토크도 넘어진 자세로부터의 복귀 동작을 감안한 사양으로 설정해 두는 것이 바람직하다.

도6에는 보행 로봇(100)의 제어 시스템 구성을 모식적으로 도시하고 있다. 도6에 도시한 바와 같이, 보행 로봇(100)은 인간의 사지를 표현한 각 기구 유닛(30, 40, 50R/L, 60R/L)과, 각 기구 유닛 사이의 협조 동작을 실현하기 위한 적응 제어를 행하는 제어 유닛(80)으로 구성된다(단, R 및 L의 각각은 우측 및 좌측의 각각을 나타낸 접미사이다. 이하 마찬가지임).

보행 로봇(100) 전체의 동작은 제어 유닛(80)에 의해 통괄적으로 제어된다. 제어 유닛(80)은 CPU(Central Processing Unit) 칩이나 메모리 칩 등의 주요 회로 성분(도시하지 않음)으로 구성되는 주제어부(81)와, 전원 장치나 로봇(100)의 각 구성 요소와의 데이타나 커맨드의 교환을 행하는 인터페이스(모두 도시하지 않음) 등을 포함한 주변 회로(82)로 구성된다.

본 실시예에서는 전원 장치는 보행 로봇(100)을 자립적으로 구동하기 위한 배터리를 포함한 구성(도4에는 도시하지 않음)으로 되어 있다. 자립 구동형이면, 보행 로봇(100)의 물리적인 행동 반경은 전원 케이블에 의한 제한을 받지 않아 자유롭게 보행할 수 있다. 또한, 보행이나 그 밖의 팔을 포함한 각종 운동시에, 전원 케이블과의 간섭을 고려할 필요가 없어져 동작 제어가 용이해진다.

도5에 도시한 보행 로봇(100) 내의 각 관절 자유도는 각각에 대응하는 작동기에 의해 실현된다. 즉, 머리부 유닛(30)에는 목 관절 요우축(2), 목 관절 피치축(3), 목 관절 롤축(4)의 각각을 표현하는 목 관절 요우축 작동기(A₂), 목 관절 피치축 작동기(A₃), 목 관절 롤축 작동기(A₄)가 각각 배치되어 있다.

또한, 몸체부 유닛(40)에는 몸체부 피치축(5), 몸체부 롤축(6), 몸체부 요우축(7)의 각각을 표현하는 몸체부 피치축 작동기(A₅), 몸체부 롤축 작동기(A₆), 몸체부 요우축 작동기(A₇)가 각각 배치되어 있다.

그리고, 팔부 유닛(50R/L)은 상박 유닛(51R/L)과, 팔꿈치 관절 유닛(52R/L)과, 하박 유닛(53R/L)으로 세분화되지만, 어깨 관절 피치축(8), 어깨 관절 롤축(9), 상박 요우축(10), 팔꿈치 관절 피치축(11), 팔꿈치 관절 롤축(12), 손목 관절 피치축(13), 손목 관절 롤축(14)의 각각을 표현하는 어깨 관절 피치축 작동기(A₈), 어깨 관절 롤축 작동기(A₉), 상박 요우축 작동기(A₁₀), 팔꿈치 관절 피치축 작동기(A₁₁), 팔꿈치 관절 롤축 작동기(A₁₂), 손목 관절 피치축 작동기(A₁₃), 손목 관절 롤축 작동기(A₁₄)가 각각 배치되어 있다.

또한, 다리부 유닛(60R/L)은 대퇴부 유닛(61R/L)과, 무릎 유닛(62R/L)과, 정강이부 유닛(63R/L)으로 세분화되지만, 다리 관절 요우축(16), 다리 관절 피치축(17), 다리 관절 롤축(18), 무릎 관절 피치축(19), 발목 관절 피치축(20), 발목 관절 롤축(21)의 각각을 표현하는 다리 관절 요우축 작동기(A₁₆), 다리 관절 피치축 작동기(A₁₇), 다리 관절 롤축 작동기(A₁₈), 무릎 관절 피치축 작동기(A₁₉), 발목 관절 피치축 작동기(A₂₀), 발목 관절 롤축 작동기(A₂₁)가 배치되어 있다.

각 작동기(A₂, A₃…)는 보다 바람직하게는 기어 직결형으로 또한 서보 제어계를 원칩화하여 모터·유닛 내에 탑재한 타입의 소형 AC 서보·작동기(전술)이다.

머리부 유닛(30), 몸체부 유닛(40), 팔부 유닛(50), 각 다리부 유닛(60) 등의 각 기구 유닛마다 작동기 구동 제어용의 부제어부(35, 45, 55, 65)가 각각 배치되어 있다. 또한, 각 다리부(60R, L)의 발바닥이 착상했는지의 여부를 검출하는 접지 확인 센서(91 및 92)를 장착하는 동시에, 몸체부 유닛(40) 내에는 자세를 계측하는 자세 센서(93)를 장착하고 있다. 이들 각 센서(91 내지 93)의 출력에 의해 발바닥(22)의 착상 및 바닥 이격 기간, 몸체 부분의 기울기 등을 검출하여 제어 목표를 역동적으로 보정할 수 있다.

주제어부(80)는 각 센서(91 내지 93)의 출력에 응답하여 부제어부(35, 45, 55, 65)의 각각에 대해 적응적인 제어를 행하고, 보행 로봇(100)의 팔, 몸체 및 다리의 협조한 동작을 실현할 수 있다. 주제어부(81)는 사용자·커맨드 등에 따라서 소정의 동작 패턴을 호출하여, 발부 운동, ZMP(Zero Moment Point) 궤도, 몸체 운동, 팔 운동, 허리부 높이 등을 설정하는 동시에, 이들의 설정 내용에 따른 동작을 지시하는 커맨드(즉 작동기로의 지시 데이타)를 각 부제어부(35, 45, 55, 65)에 전송한다. 그리고, 각각의 부제어부(35, 45…)에서는 주제어부(81)로부터의 수신 커맨드를 해석하여 각 작동기(A₂, A₃…)에 대해 구동 제어 신호를 출력한다.

여기에서 말하는「ZMP」라 함은 보행 중인 상반력에 의한 모멘트가 제로가 되는 바닥면 상의 점의 것이며, 또한「ZMP 궤도」라 함은 예를 들어 로봇(100)의 보행 동작 기간 중 등에 ZMP가 작용하는 궤적을 의미한다.

또, 보행 로봇(100)은 자율 구동형 또는 원격 조작형 중 어떠한 것이라도 좋다. 후자의 경우, 도6에는 도시하지 않은 통신 인터페이스 및 외부 제어 장치와의 통신 수단(예를 들어 Ethernet 등의 유선 또는 무선 LAN)을 포함하여, 주제어부(80)가 아닌 외부 제어 장치로부터 공급되는 지시값에 의해 각 작동기(A₂, A₃…)의 구동 제어나 센서 출력의 처리를 행할 수 있다.

다음에, 이 보행 로봇(100)에 있어서의 넘어짐시의 동작이나 처리 순서에 대해 설명한다. 도7에는 보행 로봇(100)의 넘어짐시에 있어서의 동작 순서를 플로우차트의 형식으로 개략적으로 도시하고 있다.

주제어부(80)는 자세 센서(93) 등의 각 센서 출력을 기초로, 통상의 자세를 일탈하여 넘어짐에 이른 것을 검출 또는 판정한다(스텝 S11). 예를 들어 계획하고 있었던 자세와 실제 자세의 차이나, 발바닥의 설치 확인 센서(91 및 92)에 의해 자신이 넘어진 것을 판정할 수 있다.

보행 로봇(100)의 넘어짐시에 있어서의 일반적인 자세는「엎드림」,「위를 향함」, 또는「옆을 향함」중 어느 하나에 상당한다. 자세 센서(93)의 출력에 의해, 자세 센서 부착 부위에 있어서의 중력 방향에 대한 방향을 검출할 수 있다. 아울러, 보행 로봇(100) 자신의 각 관절 자유도에 있어서의 변위 각도를 측정함으로써, 자기 자신이 넘어질 때의 자세를 판단할 수 있다(스텝 S12).

넘어질 때의 자세가 판정되면, 주제어부(80)는 엎드림, 위를 향함, 옆으로 넘어짐 등의 각 넘어진 자세에 따른 기상 동작 패턴을 호출하고, 혹은 연산 처리에 의해 가상 동작 패턴을 생성한다(스텝 S13).

그리고, 취득한 기상 동작 패턴에 따라서, 발부 운동, ZMP(Zero Moment Point) 궤도, 몸체 운동, 팔 운동, 허리부 높이 등을 설정하는 동시에, 이들의 설정 내용에 따른 동작을 지시하는 커맨드(즉 작동기로의 지시 데이타)를 각 부제어부(35, 45, 55, 65)에 전송한다(스텝 S14).

이 결과, 각 작동기(A₂, A₃…)는 동기적으로 구동하고, 보행 로봇(100)은 일어서기 위한 전신 협조 동작을 실행한다(스텝 S15).

넘어져 있는 보행 로봇(100)에 있어서 필요한 기상 동작 패턴은 당연히 넘어져 있는 자세에 따라 각기 다르지만, 이 점은 상세하게 후술한다.

보행 로봇(100)이 자율 구동형이면, 주제어부(80)에 있어서 넘어짐의 판단, 넘어진 자세의 판정, 기상 동작 패턴의 설정 및 기상 동작의 제어 전체를 행할 필요가 있다. 단, 보행 로봇(100)이 원격 조작형이면, 로봇(100)의 넘어짐 판단, 넘어진 자세의 판정, 기상 동작 패턴의 생성 등을 외부 장치 상에서 처리하고, 이들의 처리에 의거한 지시값을 LAN(예를 들어 Ethernet이나 BlueTooth) 등의 통신 수단을 거쳐서 수취하여 구동할 수 있다.

계속해서, 본 실시예에 관한 보행 로봇(100)이 각종 넘어진 자세로부터 일어서기 위한 동작 순서에 대해 상세하게 서술한다. 본 실시예에서는 몸체부에 설치된 피치축 주위의 가동부 즉 작동기(A₅)를 활용함으로써 유연한 무게 중심 이동을 가능하게 하고, 또 기상 동작을 실현한다고 하는 점을 충분히 이해하기 바란다.

(1) 엎드린 상태로부터의 기상

도8 내지 도13에는 본 실시예에 관한 보행 로봇(100)이 엎드린 상태로부터 일어서기 위한 일련의 동작을 도해하고 있다.

도8에는 보행 로봇(100)이 엎드린 자세로 바닥면에 넘어진 직후의 상태를 도시하고 있다. 이러한 넘어진 상태에서, 주제어부(80)는 자세 센서(93) 등의 각 센서 출력을 기초로 하여 통상의 자세를 일탈하여 넘어짐에 이른 것을 검출 또는 판정한다.

또한, 주제어부(80)는 자세 센서(93)의 출력에 의해 자세 센서 부착 부위에 있어서의 중력 방향에 대한 방향을 검출하는 동시에, 각 관절 자유도에 있어서의 변위 각도를 측정함으로써, 보행 로봇(100)이 현재「엎드림」의 자세에서 넘어진 상태에 있는 것을 판단할 수 있다.

도9에는 엎드림의 넘어진 자세에 있어서 보행 로봇(100)이 기상 동작을 개시한 모습을 도시하고 있다.

도8에 도시한 넘어진 상태에서는 보행 로봇(100)의 무게 중심 위치는 바닥면 부근의 최하 위치에 있다. 넘어진 상태로부터 일어서 안정된 직립 자세로 복귀하기 위해서는, 우선 무게 중심 위치를 높은 상태로 복귀시킬 필요가 있다. 도9에 도시한 자세예에서는 팔부 및 다리부로 전신을 지지하면서 무게 중심(G)을 서서히 상방으로 이동시키고 있다. 이 때, 보행 로봇(100)은 주로 양 어깨관절 피치축 작동기(A₈), 양 팔꿈치 관절 피치축 작동기(A₁₁), 몸체부 피치축 작동기(A₈), 다리 관절 피치축 작동기(A₁₇), 무릎부 피치축 작동기(A₁₉), 및 발목 관절 피치축 작동기(A₂₀)의 각각을 변위시키고 있다.

도10에서는, 주로 양 어깨 관절 피치축 작동기(A₈), 몸체부 피치축 작동기(A₅), 다리 관절 피치축 작동기(A₁₇)의 변위를 더욱 크게 함으로써, 무게 중심(G)의 위치를 더욱 상방으로 들어 올리고 있다. 또한, 팔부에 의한 착상 부분과 다리부에 의한 착상 부분의 거리를 서서히 짧게 하고 있다. 도10에 도시한 예에서는 팔부의 착상 부분은 그 선단부(손부)이며, 다리부의 착상 부분은 발판 선단부(발끝)로 되어 있지만, 이들에는 특별히 한정되지 않는다.

도11에서는 팔부 및 다리부 각각의 착상 부분의 거리를 더욱 짧게 하고, 이 결과 무게 중심(G)을 발판(즉 자세 안정 영역)의 상방을 향해 이동시키고 있다. 또한, 팔부의 착상 부분은 그 선단부(손끝)만큼이 되는 동시에, 다리부의 착상 부분은 발판 발바닥으로 이행한다. 주로, 양 어깨 관절 피치축 작동기(A₈), 양 팔꿈치 관절 피치축 작동기(A₁₁), 몸체부 피치축 작동기(A₅), 양 다리 관절 피치축 작동기(A₁₇), 및 무릎 관절 피치축 작동기(A₁₉)를 구동함으로써, 도11에 도시한 자세로부터 이행한다. 특히, 몸체부 피치축 작동기(A5) 및 무릎 관절 피치축 작동기(A₁₉)를 최대한의 변위로 하고, 몸체부 및 무릎부를 가능한 한 굴곡시켜 무게 중심(G)과 발바닥까지의 거리를 팔부의 길이 이하로 함으로써, 양 무릎부를 양 팔부 사이에 삽입시키는 것이 가능해져 무게 중심 이동이 원활하게 행해진다.

이 결과, ZMP(Zero Point Moment)가 발판의 착상 영역 내에 완전히 수용되기므로, 팔부를 바닥면으로부터 분리하는 것이 가능해진다. [종래의 기술]란에서 예로 든 예에서는 로봇이 몸체부에 자유도를 갖지 않으므로, 팔부와 다리부를 착상시킨 자세에서는 ZMP를 발부 착상 영역으로 이동시키는 것이 곤란했다. 본 실시예에서는 몸체부가 피치축 자유도를 구비하고 있으므로, 도11에 도시한 바와 같은 자세가 가능해지는 것이다.

도12에서는 팔부의 선단부을 바닥면으로부터 이격하는 동시에, 양 무릎부 피치축 작동기(A₁₉)를 구동하여 다리부를 신장함으로써, 무게 중심(G)을 더욱 상방으로 들어 올려 가는 모습을 도시하고 있다. 주로, 몸체부 피치축 작동기(A₅), 양 다리 관절 피치축 작동기(A₁₇), 양 무릎부 피치축 작동기(A₁₉), 발목 피치축 작동기(A₂₀)를 변위시키고 있다.

도13에서는, 또한 무게 중심(G)을 상방으로 들어 올려 직립 자세에 가까워져 가는 모습을 도시하고 있다. 주로 몸체부 피치축 작동기(A₅), 양 다리 관절 피치축 작동기(A₁₇), 양 무릎 관절 피치축 작동기(A₁₉), 양 발목 관절 피치축 작동기(A₂₀)를 변위시키고 있다.

이상, 도8 내지 도13을 이용하여 설명한 바와 같이, 본 실시예에 관한 보행 로봇(100)에 따르면, 엎드림의 넘어진 자세로부터 자율적으로(즉 외부로부터의 물리적인 지원 없이) 일어설 수 있다. 일어서기 동작에 있어서, 몸체부 피치축의 변위가 중요한 요소이라는 점에 충분히 유의하기 바란다.

(2) 누운 상태로부터의 일어서기

도14 내지 도20에는 본 실시예에 관한 보행 로봇(100)이 누운 상태로부터 일어서기 위한 일련의 동작을 도해하고 있다.

도14에는 보행 로봇(100)이 누운 자세로 바닥 면에 넘어진 직후의 상태를 도시하고 있다. 이러한 넘어진 상태에서, 주제어부(80)는 자세 센서(93) 등의 각 센서 출력을 기초로 하여 통상의 자세를 일탈하여 넘어짐에 이른 것을 검출 또는 판정한다.

도15에서는 넘어짐 후, 넘어진 자세를 판단한 보행 로봇(100)이 누운 자세로부터의 기상 동작을 개시한 모습을 도시하고 있다. 즉, 주로 양 다리 관절 피치축 작동기(A₁₇)를 변위시켜 상대적으로 상체를 일으켜 허리부에 의해 착상하는 자세를 형성한다. 또한, 양 어깨 관절 피치축 작동기(A₈)를 구동시켜 양 팔부에 의해 착상하는 준비를 행한다.

도16에서는 허리부가 착상한 상태에서 다리부를 변위시키는 모습을 도시하고 있다. 보다 구체적으로는, 양 다리 관절 피치축 작동기(A₁₇), 양 무릎부 피치축 작동기(A₁₉), 양 발목 피치축 작동기(A₂₀)를 동작시켜 양 발판의 발바닥으로 착상하는 자세의 준비를 행한다.

도17에서는, 또한 몸체 피치축 작동기(A₅)를 변위시키는 동시에, 팔부와 다리부 각각의 착상 부분의 거리를 짧게 해 간다. 이 결과, 보행 로봇의 무게 중심(G)이 상방으로 들려 올라가기 시작하는 동시에, ZMP가 차례로 다리부를 향해 이동하기 시작한다.

도18에서는, 또한 팔부와 다리부 각각의 착상 부분의 거리를 짧게 함으로써, ZMP를 발부에 접근시켜 간다. 또한, 양 무릎 관절 피치축 작동기(A₁₉)를 구동시켜 무게 중심(G)을 들어 올린다. 이 결과, ZMP가 발바닥 착상 영역 내에 돌입하므로, 팔부와 허리부를 바닥면으로부터 이격하는 것이 가능해진다.

본 실시예에 관한 보행 로봇(100)에 따르면, 몸체가 최대한으로 굴곡하여 전방으로 기울어진 자세를 형성함으로써, ZMP를 발부에 접근시켜 발바닥 착상 영역 내로 이행시킬 수 있다. 즉, 몸체부 피치축 작동기(A₅) 주위의 가동부를 활용함으로써, 팔부와 허리부를 바닥으로부터 이격시킬 수 있다고 하는 점을 충분 이해하기 바란다.

도19에서는 팔부를 바닥으로부터 이격시킨 후, 신장한 자세를 형성함으로써, 무게 중심(G)의 위치를 들어 올린다. 이 때, 주로 양 발목 관절 피치축 작동기(A₂₀), 양 무릎 관절 피치축 작동기(A₁₉), 양 다리 관절 피치축 작동기(A₁₇), 몸체 관절 피치축 작동기(A₅)를 구동시킨다.

도20에서는, 또한 다리부를 신장시킴으로써 무게 중심(G)을 상방으로 들어 올려 직립 자세에 가까워져 가는 모습을 도시하고 있다. 주로, 몸체부 피치축 작동기(A₅), 양 다리 관절 피치축 작동기(A₁₇), 양 무릎 관절 피치축 작동기(A₁₉), 양발목 관절 피치축 작동기(A₂₀)를 변위시키고 있다.

위를 향한다고 하는 자세는 일반적으로는 보행 로봇이 일어서기 어려운 넘어진 상태의 하나이다. 본 실시예에 관한 보행 로봇(100)에 따르면, 몸체부의 피치축 주위의 가동부를 이용함으로써, 도15 내지 도20에 도시한 일련의 동작 패턴에 따라서 원활하게 일어설 수 있다. 즉, 몸체부에 1 이상의 가동 자유도를 형성함으로써, 넘어진 자세로부터의 기상 동작이 가능해지거나 또는 용이해진다.

또, 누운 자세로부터의 기상 동작은 상술한 바와 같은 몸체 전방면 방향으로 일어서는 동작 패턴 이외에도, 또한 옆으로 넘어져 자세를 바꾸고 나서 일어서는 동작 패턴이 상도된다. 후자에 관해서는 후에 상세하게 서술한다.

(3) 옆으로 넘어진 상태로부터의 일어서기

보행 로봇(100)이 옆으로 넘어진 자세로부터 직접 일어서는 것이 곤란하더라도, 예를 들어 옆으로 넘어진 자세로부터 엎드린 자세 또는 누운 자세 등 일어서기 동작이 가능한 상태로 일단 변환함으로써, 상술한 어떠한 동작 패턴에 따라서 넘어진 상태로부터 직립 상태까지 복귀하는 것이 가능하다. 여기에서는 옆으로 넘어진 상태로부터 엎드린 상태로 자율적으로 변환하기 위한 동작 순서에 대해 설명한다. 본 명세서에서 취급하는 옆으로 넘어진 상태는 좌우 대칭이라 이해하길 바란다(이하 마찬가지임).

도21 내지 도26에는 본 실시예에 관한 보행 로봇(100)이 옆으로 넘어진 상태로부터 일어서기 위한 동작 패턴의 일예를 도해하고 있다. 이 일어서기 동작 패턴은 기본적으로는 몸체부 요우축 주위의 가동부를 이용함으로써 넘어진 자세를 엎드린 상태로 변화시키는 것이다.

도21에는 보행 로봇(100)이 옆으로 넘어진 자세로 바닥면에 넘어진 직후의 상태를 도시하고 있다. 이러한 넘어진 상태에서, 주제어부(80)는 자세 센서(93) 등의 각 센서 출력을 기초로 하여 통상의 자세를 일탈하여 넘어짐에 이른 것을 검출 또는 판정한다.

도22에서는 자신이 옆으로 넘어져 있다고 판단한 보행 로봇(100)이 엎드린 자세로 이행하기 위한 동작 패턴을 개시한 모습을 도시하고 있다. 보다 구체적으로는, 좌측 어깨 관절의 피치축 작동기(A₈) 등을 변위시켜 좌측 팔부를 몸체 전방면측으로 이동시켜 무게 중심(G)의 변위를 시도하고 있다.

도23에서는 몸체부 요우축 작동기(A₇)를 회전시켜 상체를 엎드린 자세에 가깝게 하고 있다. 또한, 동시에 좌측 다리 관절 피치축 작동기(A₁₇)를 변위시키고, 좌측 팔부 전체를 몸 전방면측으로 이동시켜, 무게 중심(G)을 지면 전방측으로 이동시키고 있다.

도24에서는 몸체부 요우축 작동기(A₇)와 좌측 다리 관절 피치축 작동기(A₁₇)의 회전을 계속시킨 결과로서, 좌측 팔부가 착상하고, 또한 엎드린 자세에 가까워져 있다.

도25에서는 몸체부 요우축 작동기(A₇)와 좌측 다리 관절 피치축 작동기(A₁₇)의 회전을 계속시킨 결과로서 무게 중심(G)이 안정을 잃는다. 이 결과, 보행 로봇(100)의 몸 전체가 지면 전방측으로 넘어져 좌측 다리부가 착상한다. 상체의 엎드린 자세로의 이행은 상당 정도 진행하고 있다.

도26에서는 몸체부 요우축 작동기(A₇)와 좌측 다리 관절 피치축 작동기(A₁₇)의 회전을 계속시킨 결과로서, 보행 로봇(100)이 엎드린 자세로 완전하게 이행하고 있다. 이 자세로부터는 예를 들어 도8 내지 도13을 참조하면서 이미 설명한 바와 같은 동작 패턴에 따라서, 보행 로봇(100)은 자율적으로(즉 외부로부터의 물리적인 보조 없이) 일어설 수 있다.

도21 내지 도26을 참조하면서 설명한 예에서는 주로 몸체 요우축 작동기(A₇)의 구동을 이용하여 엎드린 자세로 이행하는 동작 패턴을 설명해 왔다. 이 이외에도, 몸체 롤축 작동기(A₆)의 구동을 더 이용(보다 구체적으로는 몸체 요우축의 앞에 몸체 롤축을 변위시킴)함으로써, 보다 원활한 자세 이행을 실현할 수 있다. 몸체 롤축 작동기(A₆) 및 몸체 요우축 작동기(A₇)를 병용하여 옆으로 넘어진 상태로부터 엎드린 자세로 이행하는 동작 패턴에 대해, 도27 및 도28을 참조하면서 설명해 둔다.

도27에서는 몸체 롤축을 회전시킴으로써 다리부만으로 착상하고 있는 자세를 형성한다. 이러한 자세에서는 우측 어깨부에서의 접지 반력이 경감되어 상체를 바닥으로부터 이격시킬 수 있다.

도28에서는 계속해서 몸체 요우축 작동기(A₇)를 회전시킨다. 몸체 롤축 작동기(A₆)를 이미 변위시키고 있으므로, 몸체 요우축 작동기(A₇)의 구동에 요하는 토크가 경감된다. 또한, 보행 로봇(100) 전체의 자세 변화도 적게 할 수 있다. 이 결과, 옆으로 넘어진 자세로부터 엎드린 자세로 이행하기 위해 소모되는 에너지 즉 배터리 용량을 절약할 수 있다.

상술한 바와 같은 2 가지의 동작 패턴을 적용함으로써, 보행 로봇(100)을 옆으로 넘어진 상태로부터 엎드린 자세를 형성할 수 있다. 도8에 도시한 바와 같은 엎드린 상태를 일단 형성할 수 있으면, 상술한 바와 같이 도9 내지 도13에 도시한 바와 같은 일련의 기상 동작 패턴에 따라, 보행 로봇(100)은 자율적으로(즉 물리적인 보조 없이) 직립 상태까지 복귀할 수 있다.

또, 팔부, 발부 등이 자유로이 동작할 수 있는 상태이면, 그들 동작의 합력의 반력을 이용하여, 몸체부 요우축 주위가 고속인 동작을 만들어 낼 수 있다. 그러나, 일반적인 보행 로봇이 넘어진 상태를 상정하면, 이러한「탄력」을 이용하는 수법은 확실성이 부족하고, 또한 이동 속도를 제어하기 어려우므로 로봇 자신의 보전이나 주위 환경으로의 악영향도 염려된다. 넘어짐이라 하는 정상을 일탈한 상태인 것도 감안하면, 상술한 바와 같은 저속이지만 확실하게 자세를 변화시켜 가는 동작 패턴이 보다 바람직하다고 생각된다.

(4) 누운 상태로부터의 일어서기

도29 내지 도34에는 본 실시예에 관한 보행 로봇(100)이 누운 상태로부터 일어서는 동작의 다른 예를 도해하고 있다. 도14 내지 도20을 참조하면서 설명한 상술한 예에서는 보행 로봇(100)이 몸체 전방면 방향을 향해 일어서는 동작 패턴을 소개하였지만, 여기에서는 누운 자세로부터 일단 옆으로 넘어져 다른 자세로 이행하고 나서 일어서는 동작 패턴에 대해 설명한다.

도29에는 보행 로봇(100)이 누운 자세에서 바닥면에 넘어진 직후의 상태를 도시하고 있다. 이러한 넘어진 상태에서, 주제어부(80)는 자세 센서(93) 등의 각 센서 출력을 기초로 하여 통상의 자세를 일탈하여 넘어짐에 이른 것을 검출 또는 판정한다. 이 예에서는, 또한 일단 옆으로 넘어진 자세로 이행하고, 또한 엎드린 자세로 이행하고 나서 일어서는 동작 패턴을 선택한 것으로 한다.

도30에서는 양 발부와 배면부가 착상한 상태인 채, 양 다리 관절 요우축 작동기(A16)를 회전시킴으로써 상대적으로 상체부를 회전하고 싶은 방향으로 비튼다. 동시에, 우측 어깨 관절의 피치축 작동기(A₈)를 회전시킴으로써 상체부와 바닥 면과의 간섭을 피하고, 또한 좌측 어깨 관절의 피치축 작동기(A₈)를 회전시킴으로써, 상기 비틀림 방향으로의 무게 중심 이동을 촉진하고 있다.

도31에서는 왼발부를 착상시킨 상태에서, 우측 다리 관절 요우축 작동기(A₁₆)를 회전시키고, 우측 다리부 전체를 상기 비틀림 방향으로 회전시킨다. 또한, 동시에 좌측 어깨 관절 피치축 작동기(A₈)와 몸체부 요우축 작동기(A₇)를 회전시킴으로써, 무게 중심을 소정 방향으로 이동시킨다.

도32에서는, 또한 몸체부 요우축 작동기(A₇)를 회전시키고, 상체부의 회전을 대략 종료하고, 동시에 우측 팔부에서의 착상을 확보한다.

도33에서는, 주로 우측 다리 관절 요우축 작동기(A₁₆)를 회전시키고, 허리부를 소정의 회전 방향으로 비트는 것으로, 비틀림 운동의 원활화를 도모한다.

도34에서는 대략 옆으로 넘어진 자세로의 이행이 완료된 상태를 도시하고 있다. 몸체부 롤축 작동기(A₆)를 더 회전시킴으로써, 비틀림 운동을 촉진할 수 있고, 또한 옆으로 넘어진 자세로부터 엎드린 자세로 원활하게 이행시킬 수 있다.

누운 자세로부터 옆으로 넘어진 자세로, 또한 옆으로 넘어진 자세로부터 엎드린 자세로 이행하는 동작 패턴을 서포트함으로써, 보행 로봇(100)은 엎드린 상태로부터의 일어서기 동작을 가질 뿐으로, 임의의 넘어진 상태로부터 자율적으로 일어서는 것이 가능해진다.

또, 도34로부터 시작되어 도29에서 종료되는 상술함과는 반대 방향의 동작 패턴을 실행함으로써, 도21에 도시한 바와 같은 옆으로 넘어진 상태로부터 도29에 도시한 바와 같은 누운 상태로 이행하는 것도 가능하다.

또한, 누운 상태로부터 옆으로 넘어진 상태로, 옆으로 넘어진 상태로부터 엎드린 상태로, 라고 하는 자세의 이행을 반복 실행함으로써, 보행 로봇(100)은 넘어진 채의 상태에서 바닥면 즉 평면 상의 이동을 행하는 것도 가능하다. 예를 들어, 넘어진 탄력으로 상부에 장해물이 있는 장소(혹은 천장이 낮은 장소)로 들어가 버린 경우라도, 넘어진 상태에서 이러한 평면적인 이동을 행함으로써, 상부에 장해물이 없는 장소까지 이동할 수 있다.

이상, 특정한 실시예를 참조하면서, 본 발명에 대해 상술해 왔다. 그러나, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 당업자가 상기 실시예의 수정이나 대용을 이룰 수 있는 것은 자명하다.

본 명세서 중에서는 두 발에 의한 보행을 행하는 보행 로봇(100)에 대한 넘어짐시의 기상 동작의 대표예를 설명해 왔지만, 기상의 동작 패턴은 첨부 도면에 도시한 것에는 한정되지 않는다. 기체의 성능이나 상태, 혹은 주위의 상태·환경 등에 의해 바람직한 기상 동작 패턴은 변동할 수 있다고 이해하기 바란다.

요컨대, 본 발명은 이제까지 예시적인 형태로 개시해왔지만 이를 한정적으로 해석해서는 안된다. 본 발명의 요지를 판단하기 위해서는 특허 청구 범위를 참작해야 할 것이다.

또, 본 발명의 요지를 판단한 다음, 두 발 보행의 보행 로봇(100)에 대한 관절 등의 호칭에 있어서 도3을 엄격하게 적용하는 것은 타당하지 않으며, 현실의 인간이나 원숭이 등의 두 발 직립 보행 동물의 신체 메카니즘과의 대비에 의해 유연하게 해석하기 바란다.

참고를 위해, 보행 로봇의 관절 모델 구성을 도49에 도해해 둔다. 도49에 도시한 예에서는 어깨 관절(5)로부터 상박, 팔꿈치 관절(6), 하박, 손목(7) 및 손부(8)로 이루어지는 부분을「팔」이라 부른다. 또한, 어깨 관절(5)로부터 다리 관절(11)까지의 범위를「몸체부」라 부르며, 인간의 몸통에 상당한다. 또한, 몸체부 중 특히 다리 관절(11)로부터 몸체 관절(10)까지의 범위를「허리부」라 부른다. 몸체 관절(10)은 인간의 등뼈가 갖는 자유도를 표현하는 작용을 갖는다. 또한, 다리 관절(11)보다 하부의 대퇴부(12), 무릎 관절(14), 종아리부(13), 발목(15) 및 발부(16)로 이루어지는 부분을「다리」라 부른다. 일반적으로는 다리 관절보다 상방을「상체」라 부르고, 그보다 하방을「하체」라 부른다.

또, 도49에서 이용한 참조 번호는 도5 등 본 명세서 중에서 참조된 그 밖의 도면과는 일치하지 않는 점을 이해하기 바란다.

이상 서술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 보행 동작 등 작업이 한창일 때에 넘어져 버린 경우라도 스스로의 힘으로 일어설 수 있는 우수한 보행형 로봇 및 그 제어 메카니즘을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 넘어져 버리는 여러가지 자세 혹은 모습으로 누워 있는 경우라도 자율적으로 일어서며, 넘어짐에 의해 중단한 작업을 자동적으로 재개할 수 있는 우수한 보행형 로봇 및 그 제어 방법 메카니즘을 제공할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따르면 엎드림, 위를 향함, 옆을 향함 등 다양한 넘어진 자세로부터도 자율적으로 확실하게 또한 원활하게 일어설 수 있는 우수한 보행형 로봇 및 그 제어 메카니즘을 제공할 수 있다.

본 발명에 의해, 보행 로봇의 넘어진 자세로부터의 복귀 즉 기상 동작이 용이해진다. 또한, 기상 동작시에 있어서의 몸체부 이외의 가동부로의 부담이나 요구 토크가 경감된다. 또한, 하중 부담을 각 가동부 사이에서 분산·평균화함으로써, 특정 부위로의 집중 하중을 회피할 수 있다. 이 결과, 로봇 운용의 신뢰성을 향상하는 동시에, 기상 동작 기간 중의 에너지 효율이 향상된다.

또한, 본 발명에 관한 보행 로봇에 따르면, 복수의 넘어진 자세를 차례로 이행시킴으로써, 보다 용이한 기상 동작을 선택적으로 실행할 수 있다.

그리고, 본 발명에 관한 보행 로봇에 따르면, 복수의 넘어진 자세를 차례로 반복함으로써, 일어서는 일 없이 평면적인 이동을 실현할 수 있다. 이 결과, 보다 용이하게 기립할 수 있는 장소까지 이동하고 나서 기상 동작을 실행할 수 있다.

또한, 본 발명에 관한 보행 로봇에 따르면, 넘어진 자세를 변화시킬 수 있으므로, 서포트해야만 하는 기상 동작 패턴의 종류나 수를 저감할 수 있다.

예를 들어, 로봇이 미리 기상 동작 패턴을 준비해 두는 바와 같은 경우, 동작 패턴수의 감소에 의해 개발 기간의 단축이나 개발 비용의 경감이 가능해진다. 또한, 동작 패턴수의 감소에 의해 하드웨어의 부담도 경감되므로, 그 만큼 시스템의 향상이 예상된다.

또한, 로봇이 상황에 따른 동작 패턴을 자율적으로 생성하는 경우에는 생성해야 할 동작 패턴수가 감소함으로써, 로봇 자체에 탑재해야 할 연산 장치의 부담이 경감되고, 장치 제작 비용의 삭감이나 로봇 운전시에 있어서의 신뢰성의 향상 등이 예상된다.

그리고, 본 발명에 관한 보행 로봇에 따르면, 넘어진 자세를 변화시키는 것으로 기상 동작 패턴을 한정할 수 있다. 이 결과, 기상 동작을 위해 필요한 각작동기의 출력 토크나 동작 범위 등으로의 요구가 경감된다. 이 결과, 설계의 자유도가 향상하는 동시에, 개발 기간의 단축이나 제작 비용의 삭감 등을 실현할 수 있다.

또한, 넘어진 자세를 변화시키는 것으로 기상 방법을 한정할 수 있으므로, 기상 동작 기간 중에 있어서의 로봇의 소비 전력을 절약하고, 배터리 등의 공급 전원으로의 부하를 적게 할 수 있다. 이 결과, 배터리 구동 시간이 연장하여 1회의 충전으로 보다 장시간의 연속 운전이 가능해져 로봇의 작업 시간, 작업 공간, 작업 내용 등이 확대된다. 또한, 필요한 공간의 이용료도 저감하므로, 배터리의 소형·경량화가 가능해져 설계의 자유도가 향상된다. 또한, 배터리의 요구 방법이 경감하므로, 배터리 단가를 저렴하게 억제하여 시스템 전체의 제작 비용이나 운전 비용을 절약할 수 있다.

Claims (26)

1. 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치된 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇으로서,

   넘어졌는지의 여부를 판단하는 넘어짐 판단 수단과,

   넘어졌을 때의 자세를 판정하는 수단과,

   넘어진 자세에 따른 일어서기 동작 패턴을 실행하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇.
2. 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치되고 몸체부에 소정의 가동 자유도를 갖는 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇으로서,

   넘어졌는지의 여부를 판단하는 넘어짐 판단 수단과,

   넘어졌을 때의 자세를 판정하는 수단과,

   넘어진 자세에 따른 일어서기 동작 패턴을 실행하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇.
3. 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치되고 몸체부에 소정의 가동 자유도를 갖는 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇으로서,

   넘어졌는지의 여부를 판단하는 넘어짐 판단 수단과,

   넘어졌을 때 적어도 상기 몸체부의 가동 자유도의 변위를 수반하는 일어서기 동작 패턴을 실행하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇.
4. 제3항에 있어서, 상기 몸체부는 적어도 피치축 방향의 가동 자유도를 갖고, 상기 일어서기 동작 패턴은 상기 몸체부 피치축 방향의 가동 자유도를 이용하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇.
5. 제3항에 있어서, 상기 몸체부는 적어도 요우축 방향의 가동 자유도를 갖고, 상기 일어서기 동작 패턴은 상기 몸체부 요우축 방향의 가동 자유도를 이용하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇.
6. 제3항에 있어서, 상기 몸체부는 적어도 롤축 방향의 가동 자유도를 갖고, 상기 일어서기 동작 패턴은 상기 몸체부 롤축 방향의 가동 자유도를 이용하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇.
7. 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치되고 몸체부에 소정의 가동 자유도를 갖는 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇으로서,

   넘어졌는지의 여부를 판단하는 넘어짐 판단 수단과,

   넘어졌을 때의 자세를 판정하는 수단과,

   넘어졌을 때 다른 넘어진 자세로 이행하기 위한 동작 패턴을 실행하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇.
8. 제7항에 있어서, 상기 몸체부는 적어도 피치축 방향의 가동 자유도를 갖고, 다른 넘어진 자세로 이행하기 위한 상기 동작 패턴은 상기 몸체부 피치축 방향의 가동 자유도를 이용하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇.
9. 제7항에 있어서, 상기 몸체부는 적어도 요우축 방향의 가동 자유도를 갖고, 다른 넘어진 자세로 이행하기 위한 상기 동작 패턴은 상기 몸체부 요우축 방향의 가동 자유도를 이용하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇.
10. 제7항에 있어서, 상기 몸체부는 적어도 롤축 방향의 가동 자유도를 갖고, 다른 넘어진 자세로 이행하기 위한 상기 동작 패턴은 상기 몸체부 롤축 방향의 가동 자유도를 이용하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇.
11. 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치된 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇을 위한 동작 제어 방법으로서,

    넘어졌는지의 여부를 판단하는 단계와,

    넘어졌을 때의 자세를 판정하는 단계와,

    넘어진 자세에 따른 일어서기 동작 패턴을 실행하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법.
12. 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치되고 몸체부에 소정의 가동 자유도를 갖는 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇을 위한 동작 제어 방법으로서,

    넘어졌는지의 여부를 판단하는 단계와,

    넘어졌을 때의 자세를 판정하는 단계와,

    넘어진 자세에 따른 일어서기 동작 패턴을 실행하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법.
13. 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치되고 몸체부에 소정의 가동 자유도를 갖는 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇을 위한 동작 제어 방법으로서,

    넘어졌는지의 여부를 판단하는 단계와,

    넘어졌을 때 적어도 상기 몸체부의 가동 자유도의 변위를 수반하는 일어서기 동작 패턴을 실행하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 몸체부는 적어도 피치축 방향의 가동 자유도를 갖고, 상기 일어서기 동작 패턴은 상기 몸체부 피치축 방향의 가동 자유도를 이용하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법.
15. 제13항에 있어서, 상기 몸체부는 적어도 요우축 방향의 가동 자유도를 갖고, 상기 일어서기 동작 패턴은 상기 몸체부 요우축 방향의 가동 자유도를 이용하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법.
16. 제13항에 있어서, 상기 몸체부는 적어도 롤축 방향의 가동 자유도를 갖고, 상기 일어서기 동작 패턴은 상기 몸체부 롤축 방향의 가동 자유도를 이용하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법.
17. 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치되고 몸체부에 소정의 가동 자유도를 갖는 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇을 위한 동작 제어 방법으로서,

    넘어졌는지의 여부를 판단하는 단계와,

    넘어졌을 때 다른 넘어진 자세로 이행하기 위한 동작 패턴을 실행하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 몸체부는 적어도 피치축 방향의 가동 자유도를 갖고, 다른 넘어진 자세로 이행하기 위한 상기 동작 패턴은 상기 몸체부 피치축 방향의 가동 자유도를 이용하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법.
19. 제17항에 있어서, 상기 몸체부는 적어도 요우축 방향의 가동 자유도를 갖고, 다른 넘어진 자세로 이행하기 위한 상기 동작 패턴은 상기 몸체부 요우축 방향의 가동 자유도를 이용하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법.
20. 제17항에 있어서, 상기 몸체부는 적어도 롤축 방향의 가동 자유도를 갖고, 다른 넘어진 자세로 이행하기 위한 상기 동작 패턴은 상기 몸체부 롤축 방향의 가동 자유도를 이용하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법.
21. 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치되고 몸체부에 소정의 가동 자유도를 갖는 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇이 엎드린 자세로 되었을 때를 위한 동작 제어 방법으로서,

    적어도 몸체부 피치축의 가동 자유도를 이용하여 팔부 및 다리부만으로 착상하는 자세를 형성하는 단계와,

    적어도 몸체부 피치축의 가동 자유도를 이용하여 보행 로봇의 중심을 상방으로 들어올리는 단계와,

    적어도 몸체부 피치축의 가동 자유도를 이용하여 팔부 및 다리부 각각의 착상 부분에 있어서의 상대적 위치를 작게 하는 단계와,

    팔부 및 다리부 각각의 착상 부분끼리가 충분히 접근한 결과, 상기 보행 로봇의 ZMP가 발부 착상 영역에 들어간 것에 응답하여 전신의 신장을 개시하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법.
22. 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치되고 몸체부에 소정의 가동 자유도를 갖는 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇이 누운 자세로 되었을 때를 위한 동작 제어 방법으로서,

    적어도 다리 관절 피치축의 가동 자유도를 이용하여 상체를 일으킨 자세를 형성하는 단계와,

    적어도 몸체부 피치축의 가동 자유도를 이용하여 보행 로봇의 중심을 전방으로 이동시키는 단계와,

    상기 중심이 충분히 전방으로 이동한 결과, 상기 보행 로봇의 ZMP가 다리부 착상 영역에 들어간 것에 응답하여 전신의 신장을 개시하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법.
23. 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치되고 몸체부에 소정의 가동 자유도를 갖는 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇이 가로 누운 자세로 되었을 때를 위한 동작 제어 방법으로서,

    적어도 몸체부 요우축의 가동 자유도를 이용하여 엎드린 자세로 이행하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법.
24. 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치되고 몸체부에 소정의 가동 자유도를 갖는 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇이 가로 누운 자세로 되었을 때를 위한 동작 제어 방법으로서,

    몸체부 롤축의 가동 자유도를 이용하여 상체를 바닥면으로부터 띄우는 단계와,

    몸체부 요우축의 가동 자유도를 이용하여 엎드린 자세로 이행하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법.
25. 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치되고 몸체부에 소정의 가동 자유도를 갖는 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇이 누운 자세로 되었을 때를 위한 동작 제어 방법으로서,

    적어도 몸체부 요우축의 가동 자유도를 이용하여 가로 누운 자세로 이행하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법.
26. 적어도 다리와, 상기 다리의 상방에 배치되고 몸체부에 소정의 가동 자유도를 갖는 상체로 구성되고, 다리의 운동에 의해 이동 가능한 보행 로봇이 넘어진 자세로 되었을 때를 위한 동작 제어 방법으로서,

    (a) 누운 자세로부터 가로 누운 자세로 이행하는 단계,

    (b) 가로 누운 자세로부터 엎드린 자세로 이행하는 단계,

    (c) 엎드린 자세로부터 가로 누운 자세로 이행하는 단계,

    (d) 가로 누운 자세로부터 누운 자세로 이행하는 단계,

    중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행 로봇의 동작 제어 방법.