ロボット及びロボットの外力検出機構
【課題】ロボットに対する外力の大きさや入力方向を正確に検出することが可能なロボットの外力検出機構を提供する。
【解決手段】ロボット１は、上部上体２４１と下部上体２４２とが連結軸７０１を介して揺動可能に連結された関節を有する。６軸力覚センサ３８は、その外力入力部３８２の軸心が連結軸７０１と同軸となるように配置され、上部上体２４１から下部上体２４２に作用する外力を検出する。
【解決手段】ロボット１は、上部上体２４１と下部上体２４２とが連結軸７０１を介して揺動可能に連結された関節を有する。６軸力覚センサ３８は、その外力入力部３８２の軸心が連結軸７０１と同軸となるように配置され、上部上体２４１から下部上体２４２に作用する外力を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット及びロボットの外力検出機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
アクチュエータにより駆動される関節を有するロボットが知られている。例えば、特許文献１には、複数箇所の外装表面に接触検知部が配置された２脚歩行式人型ロボットが開示されている。接触検知部は、外装表面を構成する外装部と、この外装部に作用する圧力を検知する圧力センサと、外装部に作用する衝撃を緩和する衝撃吸収材とから構成されている。そして、圧力センサの検知信号から判別した転倒した状態に対する動作パターンに基づいて転倒後の起き上がり動作を行うように、関節駆動用モータ（アクチュエータ）が制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３６８２５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に開示されたロボットにおいては、圧力センサの検知信号から転倒した状態を判別すればよいので、外装部に作用する外力の有無を検知すれば十分であり、ロボットに対する外力の大きさや入力方向を正確に検出する必要はない。
【０００５】
しかしながら、ロボットに予期しない外力が作用されたとき転倒回避動作を行うためには、外力の大きさや入力方向を正確に検出する必要が生じる。
【０００６】
本発明は、以上の点に鑑み、ロボットに対する外力の大きさや入力方向を正確に検出することが可能なロボット及びロボットの外力検出機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のロボットは、２つの部材が連結軸を介して揺動可能に連結された関節を有するロボットであって、前記関節を駆動するアクチュエータと、軸心が前記連結軸と同軸となるように配置された外力入力部を有し、前記２つの部材の一方から他方に作用する外力を検出する第１の力覚センサと、前記ロボットの外装に形成された隆起部の内部に配置され、該隆起部の表面に作用する外力を検出する第２の力覚センサと、前記第１及び第２の力覚センサの検出値に基づいて前記関節の動作を決定する動作決定部と、前記動作決定部が決定した前記関節の動作に基づいて、前記アクチュエータへの駆動指令を生成する駆動指令生成部とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明のロボットによれば、第１の力覚センサは、その外力入力部の軸心が関節の連結軸と同軸となるように配置され、関節を介して連結された一方の部材から他方の部材に作用する外力を検出する。これら部材は連結軸を介して揺動可能に連結されており、一方の部材から他方の部材に作用する外力は連結軸を介して作用される。そのため、第１の力覚センサの検出値から、一方の部材から他方の部材に作用する外力を正確に検出することができる。よって、第１の力覚センサの検出値に基づき、予期しない外力によりロボットがバランスを崩すことを回避させるように動作決定部が関節の動作を決定することにより、ロボットがバランスを崩すことを回避させることが可能となる。
【０００９】
さらに、前記一方の部材に直接作用される外力に限らず、当該部材に直接的及び間接的に連結された部材に作用される外力も、第１の力覚センサを用いて検出することができる。そのため、前記他の部材をロボットの上体（胴体）等の基体とすることにより、基体に影響を及ぼす外力を検出することができ、ロボットがバランスを崩すことをより効果的に回避させることが可能となる。なお、第１の力覚センサは、３軸力覚センサや６軸力覚センサ等の多軸力覚センサであることが好ましいが、１軸力覚センサであってもよい。
【００１０】
さらに、ロボットの外装に形成された隆起部は、ロボットが移動動作等をするとき障害物等の外環境に接触しやすく、人間等の外物がロボットに接触等するとき外物に接触しやすい。そして、第２の力覚センサは、この隆起部の内部に配置され、隆起部の表面に作用する外力を検出するので、外環境や外物から作用される外力を検出しやすい。よって、第２の力覚センサの検出値に基づき、予期しない外力によりロボットがバランスを崩すことを回避させるように動作決定部が関節の動作を決定することにより、ロボットがバランスを崩すことを回避させることが可能となる。なお、第２の力覚センサは、１軸力覚センサ（圧力センサ）で十分であるが、３軸力覚センサや６軸力覚センサ等の多軸力覚センサであってもよい。
【００１１】
本発明の第１の外力検出機構は、２つの部材が連結軸を介して揺動可能に連結された関節を有するロボットの外力検出機構であって、前記関節を駆動するアクチュエータと、軸心が前記連結軸と同軸となるように配置された外力入力部を有し、前記２つの部材の一方から他方に作用する外力を検出する多軸力覚センサとを備えることを特徴とする。
【００１２】
この外力検出機構によれば、多軸力覚センサは、その外力入力部の軸心が関節の連結軸と同軸となるように配置され、関節を介して連結された一方の部材から他方の部材に作用する外力を検出する。そのため、多軸力覚センサの検出値から、一方の部材から他方の部材に作用する外力を正確に検出することができる。また、前記一方の部材に直接作用される外力に限らず、当該部材に直接的及び間接的に連結された部材に作用される外力も、多軸力覚センサを用いて検出することができる。
【００１３】
本発明の第２の外力検出機構は、前記ロボットの外装に形成された隆起部の内部に、該隆起部の表面に作用する外力を検出する力覚センサを備えることを特徴とする。
【００１４】
この外力検出機構によれば、力覚センサは、ロボットの外装に形成された隆起部の内部に配置され、隆起部の表面に作用する外力を検出するので、外環境や外物から作用される外力を検出しやすい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係るロボットの概略構成を示す斜視図。
【図２】上部上体と下部上体とを連結する関節の概略構成を示す部分側断面図。
【図３】上部上体の胸部の概略構成を示す部分縦断面図。
【図４】肩部の概略構成を示す部分側断面図。
【図５】制御ユニットの構成を示すブロック図
【図６】制御ユニットの機能的構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
まず、図１を参照して、本発明のロボットの実施形態であるロボット１の全体構成について説明する。
【００１８】
ロボット１は、２足歩行人型移動ロボットであり、上体２４から下方に延設された左右一対の脚体（脚部リンク）２Ｒ，２Ｌを備える。上体２４は、上部上体２４１と、下部上体２４２とからなる。上部上体２４１と、下部上体２４２とは、関節７０によりＺ軸まわりに相対的に回動可能に連結されている。また、上部上体２４１は、関節７２，７４によりＸ軸まわり、Ｙ軸まわりにそれぞれ下部上体２４２に対して傾動可能とされている。
【００１９】
なお、本実施形態の説明では、符号Ｒ，Ｌはそれぞれ右側、左側の構成部材であることを意味する。また、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向は、水平面上で互いに直交する２軸方向であり、Ｘ軸方向はロボット１の前後方向（ロール軸方向）、Ｙ軸方向はロボット１の左右方向（ピッチ軸方向）に相当する。また、Ｚ軸方向は鉛直方向（重力方向）であり、ロボット１の上下方向（ヨー軸方向）に相当する。
【００２０】
両脚体２Ｒ，２Ｌは同一構造であり、それぞれ６個の関節を備える。その６個の関節は上体２４側から順に、股（腰部）の回旋（回転）用（上体２４に対するヨー方向の回転用）の関節１０Ｒ，１０Ｌと、股（腰部）のロール方向（Ｘ軸まわり）の回転用の関節１２Ｒ，１２Ｌと、股（腰部）のピッチ方向（Ｙ軸まわり）の回転用の関節１４Ｒ，１４Ｌと、膝部のピッチ方向の回転用の関節１６Ｒ，１６Ｌと、足首のピッチ方向の回転用の関節１８Ｒ，１８Ｌと、足首のロール方向の回転用の関節２０Ｒ，２０Ｌとから構成される。
【００２１】
各脚体２Ｒ（Ｌ）の足首の２つの関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）の下部には、各脚体２Ｒ（Ｌ）の先端部を構成する足平２２Ｒ（Ｌ）が取着されるとともに、両脚体２Ｒ，２Ｌの最上位には、各脚体２Ｒ（Ｌ）の股の３つの関節１０Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）を介して上体２４が取り付けられている。上体２４の内部には、制御ユニット２６（図５参照）などが格納されている。
【００２２】
上記構成の各脚体２Ｒ（Ｌ）においては、股関節（又は腰関節）は関節１０Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）から構成され、膝関節は関節１６Ｒ（Ｌ）から構成され、足関節（足首関節）は関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）から構成される。また股関節と膝関節とは大腿リンク２８Ｒ（Ｌ）で連結され、膝関節と足関節とは下腿リンク３０Ｒ（Ｌ）で連結される。
【００２３】
各脚体２Ｒ（Ｌ）の上記構成により、各脚体２の足平２２Ｒ（Ｌ）は、上体２４に対して６つの自由度を与えられている。そして、ロボット１の移動に際して両脚体２Ｒ，２Ｌを合わせて１２個の関節を適宜な角度で駆動することで、両足平２２Ｒ，２２Ｌの所望の運動を行うことができる。これによりロボット１は任意に３次元空間を移動することができる。
【００２４】
上体２４の上部の両側部には左右一対の腕体８０Ｒ，８０Ｌが取り付けられる。各腕体８０Ｒ（Ｌ）は、それに備える複数の関節によって、該腕体８０Ｒ（Ｌ）を上体２４に対して前後に振る等の運動を行うことが可能となっている。
【００２５】
両腕体８０Ｒ，８０Ｌは同一構造であり、それぞれ４個の関節を備える。その４個の関節は上体２４側から順に、肩部のロール方向（Ｘ軸まわり）の回転用の関節８２Ｒ，８２Ｌと、肩部のピッチ方向（Ｙ軸まわり）の回転用の関節８４Ｒ，８４Ｌと、肘部のピッチ方向の回転用の関節８６Ｒ，８６Ｌと、手首のピッチ方向の回転用の関節８８Ｒ，８８Ｌとから構成される。各腕体８０Ｒ（Ｌ）の手首の関節８８Ｒ（Ｌ）の下部には、手部８９Ｒ（Ｌ）が設けられている。
【００２６】
各腕体８０Ｒ（Ｌ）において、肩関節は関節８２Ｒ（Ｌ），８４Ｒ（Ｌ）から構成され、肘関節は関節８６Ｒ（Ｌ）から構成され、手根関節は関節８８Ｒ（Ｌ）から構成される。また肩関節と肘関節とは上部腕体８５Ｒ（Ｌ）で連結され、肘関節と手根関節とは下部腕体８７Ｒ（Ｌ）で連結されている。
【００２７】
上体２４の上端部には頭部９０が配置される。頭部９０は、上体２４に対して関節（図示略）のまわりに回動可能とされている。頭部９０には、ロボット１の周囲を撮像するカメラ９２が設けられている。
【００２８】
そして、各脚体２の足首関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）の下方には足平２２Ｒ（Ｌ）との間に公知の６軸力覚センサ３４が介装されている。この６軸力覚センサ３４は、各脚体２の足平２２Ｒ（Ｌ）の着地の有無、及び各脚体２に作用する床反力（接地荷重）などを検出するためのものであり、床反力の並進力の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ並びにモーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出信号を制御ユニット２６に出力する。
【００２９】
また、上体２４には、Ｚ軸（鉛直方向）に対する上体２４の傾き（姿勢角）とその角速度とを検出するための傾斜センサ３６が設置され、その検出信号が該傾斜センサ３６から制御ユニット２６に出力される。
【００３０】
図２を参照して、上体２４には、本発明の第１の力覚センサに相当する６軸力覚センサ３８が配置されている。この６軸力覚センサ３８は、静電容量素子又は歪み抵抗素子等を利用した図示しないセンサチップが支持される固定台座部３８１と、外力が入力される円柱状の外力入力部３８２と、外力入力部３８２に入力された外力をセンサチップに伝達する図示しない伝達部とから構成され、伝達部から伝達された外力に応じてセンサチップが当該外力を検出する。尚、６軸力覚センサ３４は、起歪体に歪ゲージが貼付されたロードセルタイプのものであってもよい。
【００３１】
６軸力覚センサ３８は、外力入力部３８２の軸心が関節７０の連結軸７０１と同軸となるように配置され、連結軸７０１を介して連結される２つの部材のうちの一方の部材である上部上体２４１から他方の部材である下部上体２４２に作用する外力を検出する。連結軸７０１は、減速機付きの電動モータ（アクチュエータ）７０２の回転駆動がベルト７０３を介して伝達されＺ軸まわり（ヨー方向）に回転する駆動軸（出力軸）であり、上部上体２４１を下部上体２４２に対してＺ軸まわりに揺動可能に連結している。そして、固定台座３８１は下部上体２４２を構成するフレーム２４２ａに固定され、連結軸７０１はフレーム２４２ａに固定された軸受７０４に支持されている。一方、外力入力部３８２は、上部上体２４１の下部外殻を構成するフレーム２４１ａに固定されている。
【００３２】
６軸力覚センサ３８は、上部上体２４１を介して下部上体２４２に作用する外力を検出し、当該外力の並進力の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ並びにモーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出信号を制御ユニット２６（図５参照）に出力する。
【００３３】
また、図３を参照して、上部上体２４１の胸中央前面部には、本発明の第２の力覚センサに相当する力覚センサ４０が配置されている。力覚センサ４０は、公知の静電容量素子又は歪み抵抗素子等を利用した圧力センサ（１軸力覚センサ）である。
【００３４】
力覚センサ４０は、上部上体２４１の胸部外殻を構成する外装カバー２４１ｂに形成された隆起部２４１ｃと、上部上体２４１の内部骨格を構成する内部フレーム２４１ｄとの間に配置されている。そして、力覚センサ４０の外力入力部４０１の前側には、隆起部２４１ｃの内面形状に沿って形成された部材４０２が当接している。なお、隆起部２４１ｃの内面と部材４０２との間にゴム等の弾性材からなる緩衝部材を設けてもよい。
【００３５】
力覚センサ４０は、隆起部２４１ｃに作用する外力を検出し、当該外力の検出信号を制御ユニット２６（図５参照）に出力する。
【００３６】
図４を参照して、左右各肩部には、本発明の第１の力覚センサに相当する６軸力覚センサ４２が配置されている。なお、各肩部は、左右対称であり、ここでは、右側肩部について説明する。
【００３７】
６軸力覚センサ４２は、静電容量素子又は歪み抵抗素子等を利用した図示しないセンサチップが支持される固定台座部４２１と、外力が入力される円柱状の外力入力部４２２と、外力入力部４２２に入力された外力をセンサチップに伝達する図示しない伝達部とから構成され、伝達部から伝達された外力に応じてセンサチップが当該外力を検出する。
【００３８】
６軸力覚センサ４２は、外力入力部４２２の軸心が関節８４Ｒの連結軸８４１と同軸となるように配置され、連結軸８４１を介して連結される２つの部材のうちの一方の部材である上部腕体８５Ｒから他方の部材である上部上体２４１に作用する外力を検出する。連結軸８４１は、減速機付きの電動モータ（アクチュエータ）８４２の回転駆動が伝達されＹ軸まわり（ピッチ方向）に回転する駆動軸（出力軸）であり、上部腕体８５Ｒを上部上体２４１に対してＹ軸まわりに揺動可能に連結している。そして、電動モータ８４２及び固定台座４２１は上部上体２４１の内部骨格を構成する内部フレーム２４１ｄに固定されている。一方、外力入力部４２２は、連結軸８４１に外挿され、上部腕体８５Ｒの骨格を構成するフレーム８５１に固定されている。
【００３９】
６軸力覚センサ４２は、上部腕体８５Ｒを介して上部上体２４１に作用する外力を正確に検出し、当該外力の並進力の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ並びにモーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出信号を制御ユニット２６（図５参照）に出力する。
【００４０】
また、上部腕体８５Ｒの肩外側部には、本発明の第２の力覚センサに相当する力覚センサ４４が配置されている。力覚センサ４４は、公知の静電容量素子又は歪み抵抗素子等を利用した圧力センサ（１軸力覚センサ）である。
【００４１】
力覚センサ４４は、上部腕体８５Ｒの肩部外殻を構成する外装カバー８５２に形成された隆起部８５２ａと、上部腕体８５Ｒの内部骨格を構成する内部フレーム８５１との間に配置されている。そして、力覚センサ４４の入力部４４１の外側には、隆起部８５２ａの内面形状に沿って形成された部材４４２が当接している。なお、隆起部８５２ａの内面と部材４４２との間にゴム等の弾性材からなる緩衝部材を設けてもよい。
【００４２】
力覚センサ４４は、隆起部８５２ａに作用する外力を検出し、当該外力の検出信号を制御ユニット２６に出力する。なお、電動モータ８４２にかかる負荷を低減するために、重量物である力覚センサ４４は連結軸４２１と同軸に配置されている。
【００４３】
さらに、図４を参照して、ロボット１の他の各関節には、それを駆動するために電動モータ３２が設けられている。そして、電動モータ３２，７０２，８４２の回転量（各関節の回転角）を検出するためのエンコーダ（ロータリエンコーダ）３３とが設けられ、エンコーダ３３の検出信号は制御ユニット２６（図５参照）に出力される。
【００４４】
さらに、図５を参照して、ロボット１の外部には、ロボット１の操縦用のジョイスティック（操作器）４６が設けられている。ジョイスティック４６を操作することにより、直進移動しているロボット１を旋回させるなど、ロボット１の歩容に対する要求を必要に応じて制御ユニット２６に入力できる。入力できる要求は、例えばロボット１の移動時の歩容形態（歩行、走行等）、遊脚の着地位置姿勢や着地時刻、又はこれらの着地位置姿勢や着地時刻を規定する指令データ（例えばロボット１の移動方向、移動速度等）である。
【００４５】
制御ユニット２６は、マイクロコンピュータにより構成されており、ＣＰＵからなる第１の演算装置６０及び第２の演算装置６２、Ａ／Ｄ変換器５０、カウンタ５６、Ｄ／Ａ変換器６６、ＲＡＭ５４、ＲＯＭ６４、並びにこれらの間のデータ授受を行うバスライン５２を備えている。この制御ユニット２６では、６軸力覚センサ３４，３８，４２、傾斜センサ３６、力覚センサ４０，４４、ジョイスティック４６等の出力信号はＡ／Ｄ変換器５０でデジタル値に変換された後、バスライン５２を介してＲＡＭ５４に入力される。また、ロボット１の各関節のエンコーダ３３（ロータリエンコーダ）の出力はカウンタ５６を介してＲＡＭ５４に入力される。
【００４６】
第１の演算装置６０は後述のように、目標歩容を生成するとともに、関節角変位指令（各関節の変位角もしくは各電動モータ３２の回転角の指令値）を算出し、ＲＡＭ５４に送出する。また、第２の演算装置６２はＲＡＭ５４から関節角変位指令と、エンコーダ３３の出力信号に基づいて検出された関節角の実測値とを読み出し、各関節の駆動に必要な操作量を算出してＤ／Ａ変換器６６とサーボアンプ３２ａとを介して各関節を駆動する電動モータ３２，７０２，８４２に出力する。
【００４７】
次に、図６を参照して、本実施形態におけるロボット１の歩容生成装置及び制御装置について説明する。図６中の「実ロボット」の部分以外の部分が制御ユニット２６が実行する処理機能（主として第１の演算装置６０及び第２の演算装置６２の機能）によって構成される。なお、歩容制御装置及び制御装置の詳細は、本出願人が先に出願した国際公開公報ＷＯ２００６／０６４５９９号公報等に詳細に記載されているので、ここでは、簡易な説明に留める。
【００４８】
制御ユニット２６は、目標歩容を自在かつリアルタイムに生成して出力する歩容生成装置１００を備えている。歩容生成装置１００には、遊脚側の足平２２の着地位置姿勢（着地予定位置姿勢）や着地時刻（着地予定時刻）等の目標歩容生成用の基本的な要求値（要求パラメータ）が、ジョイスティック４６の所要の操作等に応じて歩容生成装置１００に与えられる。そして、歩容生成装置１００は、要求パラメータを用いて目標歩容を生成する。
【００４９】
また、歩容生成装置１００には、６軸力覚センサ３８，４２及び力覚センサ４０，４４（以下、これらを合わせて、外力覚センサ３８〜４４という）が検出した外力が与えられる。外力覚センサ３８〜４４が予期しない外力を検出したとき、ロボット１がバランスを崩すおそれがあるので、歩容生成装置１００はバランスが崩れることを回避する動作を行うための目標歩容を生成する。
【００５０】
具体的には、例えば、外力覚センサ３８〜４４の検出信号から上部上体２４１に前方から外力が作用されたと判断した場合には、作用された外力の大きさや方向に応じて、上部上体２４１を後方に移動させる、上部上体２４１を回旋させていなす、遊脚中の足平２２を後方に着地させ踏ん張る、腕体８０を前方に出しバランスをとる等の動作を行うための目標歩容を生成する。また、外力覚センサ３８〜４４の検出信号から腕体８０に外側方から外力が作用されたと判断した場合には、上部上体２４１を傾斜させる、遊脚の足平２２を側方に着地させる、遊脚を用いてバランスをとる等の動作を行うための目標歩容を生成する。
【００５１】
歩容生成装置１００は、要求パラメータ及び外力に応じて、目標歩容の目標足平位置姿勢軌道、目標床反力鉛直成分軌道等、目標歩容の一部の構成要素を規定するパラメータ（歩容パラメータという）を決定した上で、その歩容パラメータを用いて目標歩容の瞬時値を逐次決定し、該目標歩容の時系列パターンを生成する。
【００５２】
歩容生成装置１００が出力する目標歩容は、目標上体位置姿勢軌道（上体２４の目標位置及び目標姿勢の軌道）、目標足平位置姿勢軌道（各足平２２の目標位置及び目標姿勢の軌道）、目標腕姿勢軌道（各腕体８０の目標姿勢の軌道）、目標全床反力中心点（目標ＺＭＰ）軌道、及び目標全床反力軌道から構成される。
【００５３】
歩容生成装置１００で生成された目標歩容のうち、目標上体位置姿勢（軌道）、目標腕姿勢（軌道）が、ロボット幾何学モデル（逆キネマティクス演算部）１０２に送出される。
【００５４】
また、目標足平位置姿勢（軌道）、目標ＺＭＰ軌道（目標全床反力中心点軌道）、及び目標全床反力（軌道）（目標床反力水平成分と目標床反力鉛直成分）は、複合コンプライアンス動作決定部１０４に送られるとともに、目標床反力分配器１０６にも送られる。そして、目標床反力分配器１０６で、床反力は各足平２２Ｒ，２２Ｌに分配され、目標各足平床反力中心点及び目標各足平床反力が決定される。この決定された目標各足平床反力中心点及び目標各足平床反力は複合コンプライアンス動作決定部１０４に送られる。
【００５５】
複合コンプライアンス動作決定部１０４から、機構変形補償付き修正目標足平位置姿勢（軌道）がロボット幾何学モデル１０２に送られる。ロボット幾何学モデル１０２は、目標上体位置姿勢（軌道）と機構変形補償付き修正目標足平位置姿勢（軌道）を入力されると、それらを満足する各関節の関節変位指令（値）を算出して変位コントローラ１０８に送る。
【００５６】
変位コントローラ１０８は、ロボット幾何学モデル１０２で算出された関節変位指令（値）を目標値としてロボット１の各関節の変位を追従制御する。
【００５７】
また、ロボット１に生じた姿勢傾斜偏差θerrx，θerry（詳しくは目標上体姿勢角に対する実姿勢角の偏差で、ロール方向（Ｘ軸回り）の姿勢角偏差がθerrxであり、ピッチ方向（Ｙ軸回り）の姿勢角偏差がθerryである）が傾斜センサ３６を介して検出され、その検出値は姿勢安定化制御演算部１１２に送られる。この姿勢安定化制御演算部１１２で、ロボット１の上体姿勢角を目標上体姿勢角に復元するための目標全床反力中心点（目標ＺＭＰ）まわり補償全床反力モーメントが算出されて複合コンプライアンス動作決定部１０４に送られる。
【００５８】
ロボット１に生じた床反力（詳しくは実各足床反力）は６軸力覚センサ３４によって検出される。その検出値は複合コンプライアンス動作決定部１０４に送られる。複合コンプライアンス動作決定部１０４は、入力値に基づいて目標床反力を修正する。具体的には、目標全床反力中心点（目標ＺＭＰ）回りに補償全床反力モーメントが作用するように目標床反力を修正する。
【００５９】
複合コンプライアンス動作決定部１０４は、修正された目標床反力に、センサ検出値などから算出される実ロボットの状態及び床反力を一致させようと上記機構変形補償付き修正目標足平位置姿勢（軌道）を決定する。ただしすべての状態を目標に一致させることは事実上不可能であるので、これらの間にトレードオフ関係を与えて妥協的になるべく一致させる。すなわち、各目標に対する制御偏差に重みを与えて、制御偏差（又は制御偏差の２乗）の重み付き平均が最小になるように制御する。これにより、実際の足平位置姿勢と全床反力とが目標足平位置姿勢と目標全床反力とに概ね従うように制御される。
【００６０】
なお、制御ユニット２６のうち、歩容生成装置１００、ロボット幾何学モデル１０２、複合コンプライアンス動作決定部１０４、目標床反力分配器１０６及び姿勢安定化制御演算部１１２は、外力覚センサ３８〜４４の検出値に基づいて関節の動作を決定し、本発明における動作決定部に相当する。そして、制御ユニット２６のうち、変位コントローラ１０８は、動作決定部が決定した関節の動作に基づいて、電動モータ３２，７０２，８４２への駆動指令を生成し、本発明の駆動指令生成部に相当する。
【００６１】
以上のように、６軸力覚センサ３８は、その外力入力部３８２の軸心が関節７０の連結軸７０１と同軸となるように配置され、上部上体２４１から下部上体２４２に作用する外力を検出する。上部上体２４１と下部上体２４２とは連結軸７０１を介して揺動可能に連結されており、上部上体２４１から下部上体２４２に作用する外力は連結軸７０１を介して作用される。そのため、６軸力覚センサ３８の検出値から、上部上体２４１から下部上体２４２に作用する外力を正確に検出することができる。よって、６軸力覚センサ３８の検出値に基づき関節の動作を決定することにより、予期しない外力によりロボット１がバランスを崩すことを回避させることが可能となる。
【００６２】
さらに、上部上体２４１に直接作用される外力に限らず、上部上体２４１に直接的及び間接的に連結された両腕体８０Ｒ，８０Ｌや頭部９０に作用される外力も、６軸力覚センサ３８を用いて検出することができる。そのため、上部上体２４１を介して下部上体２４２に影響を及ぼす外力を検出することができ、ロボット１がバランスを崩すことをより効果的に回避させることが可能となる。
【００６３】
また、上部上体２４１の胸部の外装カバー２４１ｂに隆起部２４１ｃが形成されており、この隆起部２４１ｃに外環境や外物が接触しやすい。そして、力覚センサ４０は、隆起部２４１ｃの内部に配置され、隆起部２４１ｃの表面に作用する外力を検出するので、外環境や外物から作用される外力を検出しやすい。よって、力覚センサ４０の検出値に基づき関節の動作を決定することにより、予期しない外力によりロボット１がバランスを崩すことを回避させることが可能となる。
【００６４】
また、６軸力覚センサ４２は、その外力入力部４２２の軸心が関節８４Ｒ（Ｌ）の連結軸８４１と同軸となるように配置され、上部腕体８５Ｒ（Ｌ）から上部上体２４１に作用する外力を検出する。上部腕体８５Ｒ（Ｌ）と上部上体２４１とは連結軸８４１を介して揺動可能に連結されており、上部腕体８５Ｒ（Ｌ）から上部上体２４１に作用する外力は連結軸８４１を介して作用される。そのため、６軸力覚センサ４２の検出値から、上部腕体８５Ｒ（Ｌ）から上部上体２４１に作用する外力を正確に検出することができる。よって、６軸力覚センサ４２の検出値に基づき関節の動作を決定することにより、予期しない外力によりロボット１がバランスを崩すことを回避させることが可能となる。
【００６５】
さらに、上部腕体８５Ｒ（Ｌ）に直接作用される外力に限らず、上部腕体８５Ｒ（Ｌ）に直接的及び間接的に連結された下部腕体８７Ｒ（Ｌ）や手部８９Ｒ（Ｌ）に作用される外力も、６軸力覚センサ４２を用いて検出することができる。そのため、上部腕体８５Ｒ（Ｌ）を介して上部上体２４１に影響を及ぼす外力を検出することができ、ロボット１がバランスを崩すことをより効果的に回避させることが可能となる。
【００６６】
また、上部腕体８５Ｒ（Ｌ）の肩部の外装カバー８５２に隆起部８５２ａが形成されており、この隆起部８５２ａに外環境や外物が接触しやすい。そして、力覚センサ４４は、隆起部８５２ａの内部に配置され、隆起部８５２ａの表面に作用する外力を検出するので、外環境や外物から作用される外力を検出しやすい。よって、力覚センサ４４の検出値に基づき関節の動作を決定することにより、予期しない外力によりロボット１がバランスを崩すことを回避させることが可能となる。
【００６７】
なお、以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、実施形態では、６軸力覚センサ３８，４２は３軸力覚センサや１軸力覚センサ等であってもよく、力覚センサ４０，４４は３軸力覚センサや６軸力覚センサ等の多軸力覚センサであってもよい。
【００６８】
さらに、６軸力覚センサを他の関節に対して設けてもよく、内部に力覚センサを配置した隆起部を他の部位、例えば、背中部、腿部、頭部等に設けてもよい。
【００６９】
さらに、各関節の配置や関節や配置は、実施形態に限定されない。そして、ロボット１は、人型２足移動ロボットに限定されず、例えば、獣や昆虫等を模した４足移動ロボットや６足移動ロボットや頭部や腕体を有さないロボット等であってもよい。
【符号の説明】
【００７０】
１…ロボット、 １０Ｒ，１０Ｌ，１２Ｒ，１２Ｌ，１４Ｒ，１４Ｌ，１６Ｒ，１６Ｌ，１８Ｒ，１８Ｌ，２０Ｒ，２０Ｌ，７０，７２Ｒ，７２Ｌ，７４Ｒ，７４Ｌ，８２Ｒ，８２Ｌ，８４Ｒ，８４Ｌ，８６Ｒ，８６Ｌ，８８Ｒ，８８Ｌ…関節、 ２６…制御ユニット（動作決定部、駆動指令生成部）、 ３２，７０２，８４２…電動モータ（アクチュエータ）、 ３８，４２…６軸力覚センサ（第１の力覚センサ、力覚センサ）、 ４０，４４…力覚センサ（第２の力覚センサ）、 ３８２，４２２…外力入力部、 ８５Ｒ，８５Ｌ…上部腕体（部材）、 ２４１…上部上体（部材）、 ２４１ｂ，８５２…外装カバー（外装）、 ２４１ｃ，８５２ａ…隆起部、 ２４２…下部上体（部材）、 ７０１，８４１…連結軸。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット及びロボットの外力検出機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
アクチュエータにより駆動される関節を有するロボットが知られている。例えば、特許文献１には、複数箇所の外装表面に接触検知部が配置された２脚歩行式人型ロボットが開示されている。接触検知部は、外装表面を構成する外装部と、この外装部に作用する圧力を検知する圧力センサと、外装部に作用する衝撃を緩和する衝撃吸収材とから構成されている。そして、圧力センサの検知信号から判別した転倒した状態に対する動作パターンに基づいて転倒後の起き上がり動作を行うように、関節駆動用モータ（アクチュエータ）が制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３６８２５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に開示されたロボットにおいては、圧力センサの検知信号から転倒した状態を判別すればよいので、外装部に作用する外力の有無を検知すれば十分であり、ロボットに対する外力の大きさや入力方向を正確に検出する必要はない。
【０００５】
しかしながら、ロボットに予期しない外力が作用されたとき転倒回避動作を行うためには、外力の大きさや入力方向を正確に検出する必要が生じる。
【０００６】
本発明は、以上の点に鑑み、ロボットに対する外力の大きさや入力方向を正確に検出することが可能なロボット及びロボットの外力検出機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のロボットは、２つの部材が連結軸を介して揺動可能に連結された関節を有するロボットであって、前記関節を駆動するアクチュエータと、軸心が前記連結軸と同軸となるように配置された外力入力部を有し、前記２つの部材の一方から他方に作用する外力を検出する第１の力覚センサと、前記ロボットの外装に形成された隆起部の内部に配置され、該隆起部の表面に作用する外力を検出する第２の力覚センサと、前記第１及び第２の力覚センサの検出値に基づいて前記関節の動作を決定する動作決定部と、前記動作決定部が決定した前記関節の動作に基づいて、前記アクチュエータへの駆動指令を生成する駆動指令生成部とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明のロボットによれば、第１の力覚センサは、その外力入力部の軸心が関節の連結軸と同軸となるように配置され、関節を介して連結された一方の部材から他方の部材に作用する外力を検出する。これら部材は連結軸を介して揺動可能に連結されており、一方の部材から他方の部材に作用する外力は連結軸を介して作用される。そのため、第１の力覚センサの検出値から、一方の部材から他方の部材に作用する外力を正確に検出することができる。よって、第１の力覚センサの検出値に基づき、予期しない外力によりロボットがバランスを崩すことを回避させるように動作決定部が関節の動作を決定することにより、ロボットがバランスを崩すことを回避させることが可能となる。
【０００９】
さらに、前記一方の部材に直接作用される外力に限らず、当該部材に直接的及び間接的に連結された部材に作用される外力も、第１の力覚センサを用いて検出することができる。そのため、前記他の部材をロボットの上体（胴体）等の基体とすることにより、基体に影響を及ぼす外力を検出することができ、ロボットがバランスを崩すことをより効果的に回避させることが可能となる。なお、第１の力覚センサは、３軸力覚センサや６軸力覚センサ等の多軸力覚センサであることが好ましいが、１軸力覚センサであってもよい。
【００１０】
さらに、ロボットの外装に形成された隆起部は、ロボットが移動動作等をするとき障害物等の外環境に接触しやすく、人間等の外物がロボットに接触等するとき外物に接触しやすい。そして、第２の力覚センサは、この隆起部の内部に配置され、隆起部の表面に作用する外力を検出するので、外環境や外物から作用される外力を検出しやすい。よって、第２の力覚センサの検出値に基づき、予期しない外力によりロボットがバランスを崩すことを回避させるように動作決定部が関節の動作を決定することにより、ロボットがバランスを崩すことを回避させることが可能となる。なお、第２の力覚センサは、１軸力覚センサ（圧力センサ）で十分であるが、３軸力覚センサや６軸力覚センサ等の多軸力覚センサであってもよい。
【００１１】
本発明の第１の外力検出機構は、２つの部材が連結軸を介して揺動可能に連結された関節を有するロボットの外力検出機構であって、前記関節を駆動するアクチュエータと、軸心が前記連結軸と同軸となるように配置された外力入力部を有し、前記２つの部材の一方から他方に作用する外力を検出する多軸力覚センサとを備えることを特徴とする。
【００１２】
この外力検出機構によれば、多軸力覚センサは、その外力入力部の軸心が関節の連結軸と同軸となるように配置され、関節を介して連結された一方の部材から他方の部材に作用する外力を検出する。そのため、多軸力覚センサの検出値から、一方の部材から他方の部材に作用する外力を正確に検出することができる。また、前記一方の部材に直接作用される外力に限らず、当該部材に直接的及び間接的に連結された部材に作用される外力も、多軸力覚センサを用いて検出することができる。
【００１３】
本発明の第２の外力検出機構は、前記ロボットの外装に形成された隆起部の内部に、該隆起部の表面に作用する外力を検出する力覚センサを備えることを特徴とする。
【００１４】
この外力検出機構によれば、力覚センサは、ロボットの外装に形成された隆起部の内部に配置され、隆起部の表面に作用する外力を検出するので、外環境や外物から作用される外力を検出しやすい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係るロボットの概略構成を示す斜視図。
【図２】上部上体と下部上体とを連結する関節の概略構成を示す部分側断面図。
【図３】上部上体の胸部の概略構成を示す部分縦断面図。
【図４】肩部の概略構成を示す部分側断面図。
【図５】制御ユニットの構成を示すブロック図
【図６】制御ユニットの機能的構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
まず、図１を参照して、本発明のロボットの実施形態であるロボット１の全体構成について説明する。
【００１８】
ロボット１は、２足歩行人型移動ロボットであり、上体２４から下方に延設された左右一対の脚体（脚部リンク）２Ｒ，２Ｌを備える。上体２４は、上部上体２４１と、下部上体２４２とからなる。上部上体２４１と、下部上体２４２とは、関節７０によりＺ軸まわりに相対的に回動可能に連結されている。また、上部上体２４１は、関節７２，７４によりＸ軸まわり、Ｙ軸まわりにそれぞれ下部上体２４２に対して傾動可能とされている。
【００１９】
なお、本実施形態の説明では、符号Ｒ，Ｌはそれぞれ右側、左側の構成部材であることを意味する。また、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向は、水平面上で互いに直交する２軸方向であり、Ｘ軸方向はロボット１の前後方向（ロール軸方向）、Ｙ軸方向はロボット１の左右方向（ピッチ軸方向）に相当する。また、Ｚ軸方向は鉛直方向（重力方向）であり、ロボット１の上下方向（ヨー軸方向）に相当する。
【００２０】
両脚体２Ｒ，２Ｌは同一構造であり、それぞれ６個の関節を備える。その６個の関節は上体２４側から順に、股（腰部）の回旋（回転）用（上体２４に対するヨー方向の回転用）の関節１０Ｒ，１０Ｌと、股（腰部）のロール方向（Ｘ軸まわり）の回転用の関節１２Ｒ，１２Ｌと、股（腰部）のピッチ方向（Ｙ軸まわり）の回転用の関節１４Ｒ，１４Ｌと、膝部のピッチ方向の回転用の関節１６Ｒ，１６Ｌと、足首のピッチ方向の回転用の関節１８Ｒ，１８Ｌと、足首のロール方向の回転用の関節２０Ｒ，２０Ｌとから構成される。
【００２１】
各脚体２Ｒ（Ｌ）の足首の２つの関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）の下部には、各脚体２Ｒ（Ｌ）の先端部を構成する足平２２Ｒ（Ｌ）が取着されるとともに、両脚体２Ｒ，２Ｌの最上位には、各脚体２Ｒ（Ｌ）の股の３つの関節１０Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）を介して上体２４が取り付けられている。上体２４の内部には、制御ユニット２６（図５参照）などが格納されている。
【００２２】
上記構成の各脚体２Ｒ（Ｌ）においては、股関節（又は腰関節）は関節１０Ｒ（Ｌ），１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）から構成され、膝関節は関節１６Ｒ（Ｌ）から構成され、足関節（足首関節）は関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）から構成される。また股関節と膝関節とは大腿リンク２８Ｒ（Ｌ）で連結され、膝関節と足関節とは下腿リンク３０Ｒ（Ｌ）で連結される。
【００２３】
各脚体２Ｒ（Ｌ）の上記構成により、各脚体２の足平２２Ｒ（Ｌ）は、上体２４に対して６つの自由度を与えられている。そして、ロボット１の移動に際して両脚体２Ｒ，２Ｌを合わせて１２個の関節を適宜な角度で駆動することで、両足平２２Ｒ，２２Ｌの所望の運動を行うことができる。これによりロボット１は任意に３次元空間を移動することができる。
【００２４】
上体２４の上部の両側部には左右一対の腕体８０Ｒ，８０Ｌが取り付けられる。各腕体８０Ｒ（Ｌ）は、それに備える複数の関節によって、該腕体８０Ｒ（Ｌ）を上体２４に対して前後に振る等の運動を行うことが可能となっている。
【００２５】
両腕体８０Ｒ，８０Ｌは同一構造であり、それぞれ４個の関節を備える。その４個の関節は上体２４側から順に、肩部のロール方向（Ｘ軸まわり）の回転用の関節８２Ｒ，８２Ｌと、肩部のピッチ方向（Ｙ軸まわり）の回転用の関節８４Ｒ，８４Ｌと、肘部のピッチ方向の回転用の関節８６Ｒ，８６Ｌと、手首のピッチ方向の回転用の関節８８Ｒ，８８Ｌとから構成される。各腕体８０Ｒ（Ｌ）の手首の関節８８Ｒ（Ｌ）の下部には、手部８９Ｒ（Ｌ）が設けられている。
【００２６】
各腕体８０Ｒ（Ｌ）において、肩関節は関節８２Ｒ（Ｌ），８４Ｒ（Ｌ）から構成され、肘関節は関節８６Ｒ（Ｌ）から構成され、手根関節は関節８８Ｒ（Ｌ）から構成される。また肩関節と肘関節とは上部腕体８５Ｒ（Ｌ）で連結され、肘関節と手根関節とは下部腕体８７Ｒ（Ｌ）で連結されている。
【００２７】
上体２４の上端部には頭部９０が配置される。頭部９０は、上体２４に対して関節（図示略）のまわりに回動可能とされている。頭部９０には、ロボット１の周囲を撮像するカメラ９２が設けられている。
【００２８】
そして、各脚体２の足首関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）の下方には足平２２Ｒ（Ｌ）との間に公知の６軸力覚センサ３４が介装されている。この６軸力覚センサ３４は、各脚体２の足平２２Ｒ（Ｌ）の着地の有無、及び各脚体２に作用する床反力（接地荷重）などを検出するためのものであり、床反力の並進力の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ並びにモーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出信号を制御ユニット２６に出力する。
【００２９】
また、上体２４には、Ｚ軸（鉛直方向）に対する上体２４の傾き（姿勢角）とその角速度とを検出するための傾斜センサ３６が設置され、その検出信号が該傾斜センサ３６から制御ユニット２６に出力される。
【００３０】
図２を参照して、上体２４には、本発明の第１の力覚センサに相当する６軸力覚センサ３８が配置されている。この６軸力覚センサ３８は、静電容量素子又は歪み抵抗素子等を利用した図示しないセンサチップが支持される固定台座部３８１と、外力が入力される円柱状の外力入力部３８２と、外力入力部３８２に入力された外力をセンサチップに伝達する図示しない伝達部とから構成され、伝達部から伝達された外力に応じてセンサチップが当該外力を検出する。尚、６軸力覚センサ３４は、起歪体に歪ゲージが貼付されたロードセルタイプのものであってもよい。
【００３１】
６軸力覚センサ３８は、外力入力部３８２の軸心が関節７０の連結軸７０１と同軸となるように配置され、連結軸７０１を介して連結される２つの部材のうちの一方の部材である上部上体２４１から他方の部材である下部上体２４２に作用する外力を検出する。連結軸７０１は、減速機付きの電動モータ（アクチュエータ）７０２の回転駆動がベルト７０３を介して伝達されＺ軸まわり（ヨー方向）に回転する駆動軸（出力軸）であり、上部上体２４１を下部上体２４２に対してＺ軸まわりに揺動可能に連結している。そして、固定台座３８１は下部上体２４２を構成するフレーム２４２ａに固定され、連結軸７０１はフレーム２４２ａに固定された軸受７０４に支持されている。一方、外力入力部３８２は、上部上体２４１の下部外殻を構成するフレーム２４１ａに固定されている。
【００３２】
６軸力覚センサ３８は、上部上体２４１を介して下部上体２４２に作用する外力を検出し、当該外力の並進力の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ並びにモーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出信号を制御ユニット２６（図５参照）に出力する。
【００３３】
また、図３を参照して、上部上体２４１の胸中央前面部には、本発明の第２の力覚センサに相当する力覚センサ４０が配置されている。力覚センサ４０は、公知の静電容量素子又は歪み抵抗素子等を利用した圧力センサ（１軸力覚センサ）である。
【００３４】
力覚センサ４０は、上部上体２４１の胸部外殻を構成する外装カバー２４１ｂに形成された隆起部２４１ｃと、上部上体２４１の内部骨格を構成する内部フレーム２４１ｄとの間に配置されている。そして、力覚センサ４０の外力入力部４０１の前側には、隆起部２４１ｃの内面形状に沿って形成された部材４０２が当接している。なお、隆起部２４１ｃの内面と部材４０２との間にゴム等の弾性材からなる緩衝部材を設けてもよい。
【００３５】
力覚センサ４０は、隆起部２４１ｃに作用する外力を検出し、当該外力の検出信号を制御ユニット２６（図５参照）に出力する。
【００３６】
図４を参照して、左右各肩部には、本発明の第１の力覚センサに相当する６軸力覚センサ４２が配置されている。なお、各肩部は、左右対称であり、ここでは、右側肩部について説明する。
【００３７】
６軸力覚センサ４２は、静電容量素子又は歪み抵抗素子等を利用した図示しないセンサチップが支持される固定台座部４２１と、外力が入力される円柱状の外力入力部４２２と、外力入力部４２２に入力された外力をセンサチップに伝達する図示しない伝達部とから構成され、伝達部から伝達された外力に応じてセンサチップが当該外力を検出する。
【００３８】
６軸力覚センサ４２は、外力入力部４２２の軸心が関節８４Ｒの連結軸８４１と同軸となるように配置され、連結軸８４１を介して連結される２つの部材のうちの一方の部材である上部腕体８５Ｒから他方の部材である上部上体２４１に作用する外力を検出する。連結軸８４１は、減速機付きの電動モータ（アクチュエータ）８４２の回転駆動が伝達されＹ軸まわり（ピッチ方向）に回転する駆動軸（出力軸）であり、上部腕体８５Ｒを上部上体２４１に対してＹ軸まわりに揺動可能に連結している。そして、電動モータ８４２及び固定台座４２１は上部上体２４１の内部骨格を構成する内部フレーム２４１ｄに固定されている。一方、外力入力部４２２は、連結軸８４１に外挿され、上部腕体８５Ｒの骨格を構成するフレーム８５１に固定されている。
【００３９】
６軸力覚センサ４２は、上部腕体８５Ｒを介して上部上体２４１に作用する外力を正確に検出し、当該外力の並進力の３方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ並びにモーメントの３方向成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出信号を制御ユニット２６（図５参照）に出力する。
【００４０】
また、上部腕体８５Ｒの肩外側部には、本発明の第２の力覚センサに相当する力覚センサ４４が配置されている。力覚センサ４４は、公知の静電容量素子又は歪み抵抗素子等を利用した圧力センサ（１軸力覚センサ）である。
【００４１】
力覚センサ４４は、上部腕体８５Ｒの肩部外殻を構成する外装カバー８５２に形成された隆起部８５２ａと、上部腕体８５Ｒの内部骨格を構成する内部フレーム８５１との間に配置されている。そして、力覚センサ４４の入力部４４１の外側には、隆起部８５２ａの内面形状に沿って形成された部材４４２が当接している。なお、隆起部８５２ａの内面と部材４４２との間にゴム等の弾性材からなる緩衝部材を設けてもよい。
【００４２】
力覚センサ４４は、隆起部８５２ａに作用する外力を検出し、当該外力の検出信号を制御ユニット２６に出力する。なお、電動モータ８４２にかかる負荷を低減するために、重量物である力覚センサ４４は連結軸４２１と同軸に配置されている。
【００４３】
さらに、図４を参照して、ロボット１の他の各関節には、それを駆動するために電動モータ３２が設けられている。そして、電動モータ３２，７０２，８４２の回転量（各関節の回転角）を検出するためのエンコーダ（ロータリエンコーダ）３３とが設けられ、エンコーダ３３の検出信号は制御ユニット２６（図５参照）に出力される。
【００４４】
さらに、図５を参照して、ロボット１の外部には、ロボット１の操縦用のジョイスティック（操作器）４６が設けられている。ジョイスティック４６を操作することにより、直進移動しているロボット１を旋回させるなど、ロボット１の歩容に対する要求を必要に応じて制御ユニット２６に入力できる。入力できる要求は、例えばロボット１の移動時の歩容形態（歩行、走行等）、遊脚の着地位置姿勢や着地時刻、又はこれらの着地位置姿勢や着地時刻を規定する指令データ（例えばロボット１の移動方向、移動速度等）である。
【００４５】
制御ユニット２６は、マイクロコンピュータにより構成されており、ＣＰＵからなる第１の演算装置６０及び第２の演算装置６２、Ａ／Ｄ変換器５０、カウンタ５６、Ｄ／Ａ変換器６６、ＲＡＭ５４、ＲＯＭ６４、並びにこれらの間のデータ授受を行うバスライン５２を備えている。この制御ユニット２６では、６軸力覚センサ３４，３８，４２、傾斜センサ３６、力覚センサ４０，４４、ジョイスティック４６等の出力信号はＡ／Ｄ変換器５０でデジタル値に変換された後、バスライン５２を介してＲＡＭ５４に入力される。また、ロボット１の各関節のエンコーダ３３（ロータリエンコーダ）の出力はカウンタ５６を介してＲＡＭ５４に入力される。
【００４６】
第１の演算装置６０は後述のように、目標歩容を生成するとともに、関節角変位指令（各関節の変位角もしくは各電動モータ３２の回転角の指令値）を算出し、ＲＡＭ５４に送出する。また、第２の演算装置６２はＲＡＭ５４から関節角変位指令と、エンコーダ３３の出力信号に基づいて検出された関節角の実測値とを読み出し、各関節の駆動に必要な操作量を算出してＤ／Ａ変換器６６とサーボアンプ３２ａとを介して各関節を駆動する電動モータ３２，７０２，８４２に出力する。
【００４７】
次に、図６を参照して、本実施形態におけるロボット１の歩容生成装置及び制御装置について説明する。図６中の「実ロボット」の部分以外の部分が制御ユニット２６が実行する処理機能（主として第１の演算装置６０及び第２の演算装置６２の機能）によって構成される。なお、歩容制御装置及び制御装置の詳細は、本出願人が先に出願した国際公開公報ＷＯ２００６／０６４５９９号公報等に詳細に記載されているので、ここでは、簡易な説明に留める。
【００４８】
制御ユニット２６は、目標歩容を自在かつリアルタイムに生成して出力する歩容生成装置１００を備えている。歩容生成装置１００には、遊脚側の足平２２の着地位置姿勢（着地予定位置姿勢）や着地時刻（着地予定時刻）等の目標歩容生成用の基本的な要求値（要求パラメータ）が、ジョイスティック４６の所要の操作等に応じて歩容生成装置１００に与えられる。そして、歩容生成装置１００は、要求パラメータを用いて目標歩容を生成する。
【００４９】
また、歩容生成装置１００には、６軸力覚センサ３８，４２及び力覚センサ４０，４４（以下、これらを合わせて、外力覚センサ３８〜４４という）が検出した外力が与えられる。外力覚センサ３８〜４４が予期しない外力を検出したとき、ロボット１がバランスを崩すおそれがあるので、歩容生成装置１００はバランスが崩れることを回避する動作を行うための目標歩容を生成する。
【００５０】
具体的には、例えば、外力覚センサ３８〜４４の検出信号から上部上体２４１に前方から外力が作用されたと判断した場合には、作用された外力の大きさや方向に応じて、上部上体２４１を後方に移動させる、上部上体２４１を回旋させていなす、遊脚中の足平２２を後方に着地させ踏ん張る、腕体８０を前方に出しバランスをとる等の動作を行うための目標歩容を生成する。また、外力覚センサ３８〜４４の検出信号から腕体８０に外側方から外力が作用されたと判断した場合には、上部上体２４１を傾斜させる、遊脚の足平２２を側方に着地させる、遊脚を用いてバランスをとる等の動作を行うための目標歩容を生成する。
【００５１】
歩容生成装置１００は、要求パラメータ及び外力に応じて、目標歩容の目標足平位置姿勢軌道、目標床反力鉛直成分軌道等、目標歩容の一部の構成要素を規定するパラメータ（歩容パラメータという）を決定した上で、その歩容パラメータを用いて目標歩容の瞬時値を逐次決定し、該目標歩容の時系列パターンを生成する。
【００５２】
歩容生成装置１００が出力する目標歩容は、目標上体位置姿勢軌道（上体２４の目標位置及び目標姿勢の軌道）、目標足平位置姿勢軌道（各足平２２の目標位置及び目標姿勢の軌道）、目標腕姿勢軌道（各腕体８０の目標姿勢の軌道）、目標全床反力中心点（目標ＺＭＰ）軌道、及び目標全床反力軌道から構成される。
【００５３】
歩容生成装置１００で生成された目標歩容のうち、目標上体位置姿勢（軌道）、目標腕姿勢（軌道）が、ロボット幾何学モデル（逆キネマティクス演算部）１０２に送出される。
【００５４】
また、目標足平位置姿勢（軌道）、目標ＺＭＰ軌道（目標全床反力中心点軌道）、及び目標全床反力（軌道）（目標床反力水平成分と目標床反力鉛直成分）は、複合コンプライアンス動作決定部１０４に送られるとともに、目標床反力分配器１０６にも送られる。そして、目標床反力分配器１０６で、床反力は各足平２２Ｒ，２２Ｌに分配され、目標各足平床反力中心点及び目標各足平床反力が決定される。この決定された目標各足平床反力中心点及び目標各足平床反力は複合コンプライアンス動作決定部１０４に送られる。
【００５５】
複合コンプライアンス動作決定部１０４から、機構変形補償付き修正目標足平位置姿勢（軌道）がロボット幾何学モデル１０２に送られる。ロボット幾何学モデル１０２は、目標上体位置姿勢（軌道）と機構変形補償付き修正目標足平位置姿勢（軌道）を入力されると、それらを満足する各関節の関節変位指令（値）を算出して変位コントローラ１０８に送る。
【００５６】
変位コントローラ１０８は、ロボット幾何学モデル１０２で算出された関節変位指令（値）を目標値としてロボット１の各関節の変位を追従制御する。
【００５７】
また、ロボット１に生じた姿勢傾斜偏差θerrx，θerry（詳しくは目標上体姿勢角に対する実姿勢角の偏差で、ロール方向（Ｘ軸回り）の姿勢角偏差がθerrxであり、ピッチ方向（Ｙ軸回り）の姿勢角偏差がθerryである）が傾斜センサ３６を介して検出され、その検出値は姿勢安定化制御演算部１１２に送られる。この姿勢安定化制御演算部１１２で、ロボット１の上体姿勢角を目標上体姿勢角に復元するための目標全床反力中心点（目標ＺＭＰ）まわり補償全床反力モーメントが算出されて複合コンプライアンス動作決定部１０４に送られる。
【００５８】
ロボット１に生じた床反力（詳しくは実各足床反力）は６軸力覚センサ３４によって検出される。その検出値は複合コンプライアンス動作決定部１０４に送られる。複合コンプライアンス動作決定部１０４は、入力値に基づいて目標床反力を修正する。具体的には、目標全床反力中心点（目標ＺＭＰ）回りに補償全床反力モーメントが作用するように目標床反力を修正する。
【００５９】
複合コンプライアンス動作決定部１０４は、修正された目標床反力に、センサ検出値などから算出される実ロボットの状態及び床反力を一致させようと上記機構変形補償付き修正目標足平位置姿勢（軌道）を決定する。ただしすべての状態を目標に一致させることは事実上不可能であるので、これらの間にトレードオフ関係を与えて妥協的になるべく一致させる。すなわち、各目標に対する制御偏差に重みを与えて、制御偏差（又は制御偏差の２乗）の重み付き平均が最小になるように制御する。これにより、実際の足平位置姿勢と全床反力とが目標足平位置姿勢と目標全床反力とに概ね従うように制御される。
【００６０】
なお、制御ユニット２６のうち、歩容生成装置１００、ロボット幾何学モデル１０２、複合コンプライアンス動作決定部１０４、目標床反力分配器１０６及び姿勢安定化制御演算部１１２は、外力覚センサ３８〜４４の検出値に基づいて関節の動作を決定し、本発明における動作決定部に相当する。そして、制御ユニット２６のうち、変位コントローラ１０８は、動作決定部が決定した関節の動作に基づいて、電動モータ３２，７０２，８４２への駆動指令を生成し、本発明の駆動指令生成部に相当する。
【００６１】
以上のように、６軸力覚センサ３８は、その外力入力部３８２の軸心が関節７０の連結軸７０１と同軸となるように配置され、上部上体２４１から下部上体２４２に作用する外力を検出する。上部上体２４１と下部上体２４２とは連結軸７０１を介して揺動可能に連結されており、上部上体２４１から下部上体２４２に作用する外力は連結軸７０１を介して作用される。そのため、６軸力覚センサ３８の検出値から、上部上体２４１から下部上体２４２に作用する外力を正確に検出することができる。よって、６軸力覚センサ３８の検出値に基づき関節の動作を決定することにより、予期しない外力によりロボット１がバランスを崩すことを回避させることが可能となる。
【００６２】
さらに、上部上体２４１に直接作用される外力に限らず、上部上体２４１に直接的及び間接的に連結された両腕体８０Ｒ，８０Ｌや頭部９０に作用される外力も、６軸力覚センサ３８を用いて検出することができる。そのため、上部上体２４１を介して下部上体２４２に影響を及ぼす外力を検出することができ、ロボット１がバランスを崩すことをより効果的に回避させることが可能となる。
【００６３】
また、上部上体２４１の胸部の外装カバー２４１ｂに隆起部２４１ｃが形成されており、この隆起部２４１ｃに外環境や外物が接触しやすい。そして、力覚センサ４０は、隆起部２４１ｃの内部に配置され、隆起部２４１ｃの表面に作用する外力を検出するので、外環境や外物から作用される外力を検出しやすい。よって、力覚センサ４０の検出値に基づき関節の動作を決定することにより、予期しない外力によりロボット１がバランスを崩すことを回避させることが可能となる。
【００６４】
また、６軸力覚センサ４２は、その外力入力部４２２の軸心が関節８４Ｒ（Ｌ）の連結軸８４１と同軸となるように配置され、上部腕体８５Ｒ（Ｌ）から上部上体２４１に作用する外力を検出する。上部腕体８５Ｒ（Ｌ）と上部上体２４１とは連結軸８４１を介して揺動可能に連結されており、上部腕体８５Ｒ（Ｌ）から上部上体２４１に作用する外力は連結軸８４１を介して作用される。そのため、６軸力覚センサ４２の検出値から、上部腕体８５Ｒ（Ｌ）から上部上体２４１に作用する外力を正確に検出することができる。よって、６軸力覚センサ４２の検出値に基づき関節の動作を決定することにより、予期しない外力によりロボット１がバランスを崩すことを回避させることが可能となる。
【００６５】
さらに、上部腕体８５Ｒ（Ｌ）に直接作用される外力に限らず、上部腕体８５Ｒ（Ｌ）に直接的及び間接的に連結された下部腕体８７Ｒ（Ｌ）や手部８９Ｒ（Ｌ）に作用される外力も、６軸力覚センサ４２を用いて検出することができる。そのため、上部腕体８５Ｒ（Ｌ）を介して上部上体２４１に影響を及ぼす外力を検出することができ、ロボット１がバランスを崩すことをより効果的に回避させることが可能となる。
【００６６】
また、上部腕体８５Ｒ（Ｌ）の肩部の外装カバー８５２に隆起部８５２ａが形成されており、この隆起部８５２ａに外環境や外物が接触しやすい。そして、力覚センサ４４は、隆起部８５２ａの内部に配置され、隆起部８５２ａの表面に作用する外力を検出するので、外環境や外物から作用される外力を検出しやすい。よって、力覚センサ４４の検出値に基づき関節の動作を決定することにより、予期しない外力によりロボット１がバランスを崩すことを回避させることが可能となる。
【００６７】
なお、以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、実施形態では、６軸力覚センサ３８，４２は３軸力覚センサや１軸力覚センサ等であってもよく、力覚センサ４０，４４は３軸力覚センサや６軸力覚センサ等の多軸力覚センサであってもよい。
【００６８】
さらに、６軸力覚センサを他の関節に対して設けてもよく、内部に力覚センサを配置した隆起部を他の部位、例えば、背中部、腿部、頭部等に設けてもよい。
【００６９】
さらに、各関節の配置や関節や配置は、実施形態に限定されない。そして、ロボット１は、人型２足移動ロボットに限定されず、例えば、獣や昆虫等を模した４足移動ロボットや６足移動ロボットや頭部や腕体を有さないロボット等であってもよい。
【符号の説明】
【００７０】
１…ロボット、 １０Ｒ，１０Ｌ，１２Ｒ，１２Ｌ，１４Ｒ，１４Ｌ，１６Ｒ，１６Ｌ，１８Ｒ，１８Ｌ，２０Ｒ，２０Ｌ，７０，７２Ｒ，７２Ｌ，７４Ｒ，７４Ｌ，８２Ｒ，８２Ｌ，８４Ｒ，８４Ｌ，８６Ｒ，８６Ｌ，８８Ｒ，８８Ｌ…関節、 ２６…制御ユニット（動作決定部、駆動指令生成部）、 ３２，７０２，８４２…電動モータ（アクチュエータ）、 ３８，４２…６軸力覚センサ（第１の力覚センサ、力覚センサ）、 ４０，４４…力覚センサ（第２の力覚センサ）、 ３８２，４２２…外力入力部、 ８５Ｒ，８５Ｌ…上部腕体（部材）、 ２４１…上部上体（部材）、 ２４１ｂ，８５２…外装カバー（外装）、 ２４１ｃ，８５２ａ…隆起部、 ２４２…下部上体（部材）、 ７０１，８４１…連結軸。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの部材が連結軸を介して揺動可能に連結された関節を有するロボットであって、
前記関節を駆動するアクチュエータと、
軸心が前記連結軸と同軸となるように配置された外力入力部を有し、前記２つの部材の一方から他方に作用する外力を検出する第１の力覚センサと、
前記ロボットの外装に形成された隆起部の内部に配置され、該隆起部の表面に作用する外力を検出する第２の力覚センサと、
前記第１及び第２の力覚センサの検出値に基づいて前記関節の動作を決定する動作決定部と、
前記動作決定部が決定した関節の動作に基づいて、前記アクチュエータへの駆動指令を生成する駆動指令生成部とを備えることを特徴とするロボット。
【請求項２】
２つの部材が連結軸を介して揺動可能に連結された関節を有するロボットの外力検出機構であって、
前記関節を駆動するアクチュエータと、
軸心が前記連結軸と同軸となるように配置された外力入力部を有し、前記２つの部材の一方から他方に作用する外力を検出する多軸力覚センサとを備えることを特徴とするロボットの外力検出機構。
【請求項３】
ロボットの外力検出機構であって、
前記ロボットの外装に形成された隆起部の内部に、該隆起部の表面に作用する外力を検出する力覚センサを備えることを特徴とするロボットの外力検出機構。
【請求項１】
２つの部材が連結軸を介して揺動可能に連結された関節を有するロボットであって、
前記関節を駆動するアクチュエータと、
軸心が前記連結軸と同軸となるように配置された外力入力部を有し、前記２つの部材の一方から他方に作用する外力を検出する第１の力覚センサと、
前記ロボットの外装に形成された隆起部の内部に配置され、該隆起部の表面に作用する外力を検出する第２の力覚センサと、
前記第１及び第２の力覚センサの検出値に基づいて前記関節の動作を決定する動作決定部と、
前記動作決定部が決定した関節の動作に基づいて、前記アクチュエータへの駆動指令を生成する駆動指令生成部とを備えることを特徴とするロボット。
【請求項２】
２つの部材が連結軸を介して揺動可能に連結された関節を有するロボットの外力検出機構であって、
前記関節を駆動するアクチュエータと、
軸心が前記連結軸と同軸となるように配置された外力入力部を有し、前記２つの部材の一方から他方に作用する外力を検出する多軸力覚センサとを備えることを特徴とするロボットの外力検出機構。
【請求項３】
ロボットの外力検出機構であって、
前記ロボットの外装に形成された隆起部の内部に、該隆起部の表面に作用する外力を検出する力覚センサを備えることを特徴とするロボットの外力検出機構。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−６０８７（Ｐ２０１２−６０８７Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４１２５２（Ｐ２０１０−１４１２５２）
【出願日】平成２２年６月２２日（２０１０．６．２２）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２２日（２０１０．６．２２）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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