ロボット装置、並びに負荷吸収装置及び負荷吸収方法
【課題】モータの破壊や機体の変形に至りかねない過大な負荷を好適に検出し、モータへの過負荷が緩和する。
【解決手段】モータの出力軸に連結されたリンクに印加されるトルクと前記モータによる発生トルクの絶対値の和により負荷トルクのＤＣ成分を検出し、これが所定時間以上継続して第１の閾値を越えると過負荷を認識する。また、モータの出力軸に与えられるエネルギの変化量がモータのトルクと角速度の積に比例するという性質に基づき、エネルギ変化量から負荷トルクのＡＣ成分を検出し、これが第２の閾値を越えたことに応答して、過負荷を認識する。
【解決手段】モータの出力軸に連結されたリンクに印加されるトルクと前記モータによる発生トルクの絶対値の和により負荷トルクのＤＣ成分を検出し、これが所定時間以上継続して第１の閾値を越えると過負荷を認識する。また、モータの出力軸に与えられるエネルギの変化量がモータのトルクと角速度の積に比例するという性質に基づき、エネルギ変化量から負荷トルクのＡＣ成分を検出し、これが第２の閾値を越えたことに応答して、過負荷を認識する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータに印加された負荷を吸収するロボット装置、並びに負荷吸収装置及び負荷吸収方法に係り、特に、多関節型ロボットの関節駆動用アクチュエータとして用いられるモータのためのロボット装置、並びに負荷吸収装置及び負荷吸収方法に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、モータの破壊や機体の変形に至りかねない過大な負荷を好適に検出しモータへの過負荷が緩和するような制御を行なうロボット装置、並びに負荷吸収装置及び負荷吸収方法に係り、特に、複数のアクチュエータ・モータからなる多関節型ロボットにおいて、単軸若しくは複数軸のモータに過大な負荷が印加されて部材又は機体が破壊されてしまうことを防止するためのロボット装置、並びに負荷吸収装置及び負荷吸収方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行なう機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の“ＲＯＢＯＴＡ（奴隷機械）”に由来すると言われている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔ）であった。最近では、脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。ヒトの動作をモデルにした脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、若しくは「人間型」のロボット（ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ）と呼ぶ。
【０００４】
２足直立による脚式移動は、クローラ式や、４足又は６足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。
【０００５】
この種の脚式移動ロボットは、一般に、多数の関節自由度を備え、関節の動きをアクチュエータ・モータで実現するようになっている。すなわち、モータの出力軸には、腕や脚などの構造部材を構成するリンクが減速機を介して連結され、リンクの他端にはさらに次の関節駆動用モータが連結されている。また、各モータの回転位置、回転量などを取り出して、サーボ制御を行なうことにより、所望の動作パターンを再現するとともに、姿勢制御を行なうようになっている。
【０００６】
ロボットの関節自由度を実現するためにサーボ・モータを用いるのが一般的である。これは、取扱いが容易で、小型且つ高トルクで、しかも応答性に優れているという理由に依拠する。特に、ＡＣサーボ・モータは、ブラシがなく、メンテナンス・フリーであることから、無人化された作業空間で稼動することが望まれるような自動機械、例えば自由歩行を行なう脚式ロボットの関節アクチュエータなどに適用することができる。ＡＣサーボ・モータは、回転子（ロータ）側に永久磁石を、固定子（ステータ）側に複数相（例えば３相）のコイルを配置して、正弦波磁束分布と正弦波電流により回転子に対して回転トルクを発生させるようになっている。
【０００７】
高度な脚式移動ロボットは、歩行やその他の脚式作業を例えば自立的に行なう。さらにうつ伏せや仰向けなどの床上姿勢からの起き上がり動作や、腕を利用した物体の把持・運搬といった動作を行なうことができる。他方、転倒や進行途上の物体との衝突、あるいは計画軌道上で異物の挟み込みなどによって、過大な負荷が関節アクチュエータに印加されるケースが想定される。
【０００８】
このような過負荷によって、機体が破損したり、あるいは塑性変形を起こしてしまったりするなど、致命的な損傷を被ることがある。このため、関節アクチュエータを構成する各モータにおいて負荷吸収のための機構を採り入れることが重要であると思料される。
【０００９】
図３３には、ロボットを簡素なモデルで示している。すなわち、ロボットは、図示しない上位コントローラの制御の下で、モータ１２０を駆動し、その出力トルクを、ギア１２１を介してリンク１２２に与えることにより可動部を駆動し得るようになされている。
【００１０】
図示の例では、ギア１２１及びリンク１２２間にトルク・リミッタが設けられており、リンク１２２に与えられる外部からの衝撃をこのトルク・リミッタによって吸収することにより、衝撃に起因するモータ１２０の出力軸の変形などのモータ１２０等の破損を未然に防止し得るようになされている。
【００１１】
ここで、トルク・リミッタ（又はサーボ・セーバ）としては、従来から種々の形態のものが提案されている（例えば、特許文献１を参照のこと）。図３４には、トルク・リミッタの一構成例を示している。
【００１２】
図示のトルク・リミッタ１３０においては、リンク１３５に固定される環体１３１の内側に半環状の第１及び第２の摩擦板１３２Ａ、１３２Ｂが設けられている。これら第１及び第２の摩擦板１３２Ａ、１３２Ｂがゴム又は圧縮コイルばねなどの弾性体１３３を介してモータの出力軸１３４に固定されている。そして、第１及び第２の摩擦板１３２Ａ、１３２Ｂは、弾性体１３３により環体１３１の内壁面に一定の圧力で押し付けられている。
【００１３】
図示のトルク・リミッタ１３０においては、通常時には第１及び第２の摩擦板１３２Ａ、１３２Ｂと環体１３１との間に生じる摩擦力によってモータの出力軸１３４と一体に環体１３１を回転させることができる。一方、リンク１３５に衝撃が与えられるなどして環体１３１に第１及び第２の摩擦板１３２Ａ、１３２Ｂとの間の静止摩擦力よりも大きい負荷が与えられたときには、当該環体１３１と第１及び第２の摩擦板１３２Ａ、１３２Ｂとの間に滑りが生じることにより、モータの出力軸１３４に環体１３１と第１及び第２の摩擦板１３２Ａ、１３２Ｂとの間の動摩擦力以上の負荷がかからないようなっている。
【００１４】
ところが、かかる従来のトルク・リミッタ１３０においては、環体１３１と第１及び第２の摩擦板１３２Ａ、１３２Ｂとの間の静止摩擦係数の数値スペックが個体間でばらつき易いという問題がある。また、そのばらつきの幅も大きいためロボット全体としての設計マージンをとることが難しいなど使い難い。
【００１５】
また、従来のトルク・リミッタ１３０においては、環体１３１と第１及び第２の摩擦板１３２Ａ、１３２Ｂとの間の静止摩擦係数が温度によって変化し易く、この点においても使い難いという問題がある。
【００１６】
さらに従来のトルク・リミッタ１３０は、上述のように機構的に構成されているため、小型軽量化が難しく、その分モータを組込むロボット全体の小型軽量化の妨げとなるという問題もある。
【００１７】
【特許文献１】実開昭６０−１９２８９３号公報（第１図及び第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の目的は、多関節型ロボットの関節駆動用アクチュエータとして用いられるモータのための優れたロボット装置、並びに負荷吸収装置及び負荷吸収方法を提供することにある。
【００１９】
本発明のさらなる目的は、モータの破壊や機体の変形に至りかねない過大な負荷を好適に検出し、モータへの過負荷が緩和するような制御を行なうことができる、優れたロボット装置、並びに負荷吸収装置及び負荷吸収方法を提供することにある。
【００２０】
本発明のさらなる目的は、複数のアクチュエータ・モータからなる多関節型ロボットにおいて、単軸若しくは複数軸のモータに過大な負荷が印加されて部材又は機体が破壊されてしまうことを好適に防止することができる、優れたロボット装置、並びに負荷吸収装置及び負荷吸収方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、複数の可動関節部を有するロボット装置であって、
前記関節部を駆動する複数のモータと、
前記の各モータの負荷状態を検出する複数の第１の負荷状態検出手段と、
前記第１の過負荷状態検出手段により、いずれかのモータにおいて過負荷状態が検出されたことに応答して、当該モータに対する負荷を吸収するための動作を制御する負荷吸収動作制御手段と、
２以上の前記モータにおける負荷状態の合計が過負荷状態かどうかを検出する第２の負荷状態検出手段と、
前記第２の過負荷状態検出手段により過負荷状態が検出されたことに応答して、所定の機体保護動作を実行する機体保護動作制御手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置である。
【００２２】
脚式移動ロボットを始めとする多関節型ロボットは、関節アクチュエータ用の複数のモータと、これらモータの出力軸に連結されたリンクで構成される。このような場合、各モータ単体では過負荷を回避した状態であっても、複数のモータの総体で判断すると過負荷状態に陥っている場合も想定される。このような場合には、各モータ単体についての負荷吸収動作とは別に、機体全体としての負荷回避オペレーションが必要であると思料される。
【００２３】
本発明の第１の側面に係るロボット装置によれば、第２の負荷状態検出手段が、２以上のモータにおける負荷状態の合計が過負荷状態かどうかを監視し、モータ単体では過負荷状態ではなくても、腕部や脚部などの所定の部位単位、あるいは機体全体として過負荷状態に陥っているかどうかを検出することができる。そして、複数のモータの合計として過負荷が検出された場合には、モータ単体としての負荷吸収動作ではなく、機体全体として過負荷状態を取り除く機体保護オペレーションを実行するようになっている。
【００２４】
ここで言う機体保護オペレーションとしては、例えば、該当するモータ群又は機体全体のモータへの電源遮断や、該当するモータ群又は機体全体のモータの脱力などが挙げられる。モータの脱力は、発生トルクをゼロにしたり、サーボ・ゲイン調整などによりモータの粘性抵抗を低減したりすることにより実現する。
【００２５】
また、本発明の第２の側面は、モータに印加される負荷を吸収する負荷吸収装置であって、
前記モータの出力軸に連結されたリンクに印加されるトルクと前記モータによる発生トルクとの絶対値の和に基づいて負荷トルクを計測するトルク計測手段と、
前記トルク計測手段により検出された負荷トルクが所定時間以上継続して第１の閾値を越えたことに応答して過負荷状態を検出する過負荷状態検出手段と、
前記過負荷検出手段により過負荷状態が検出されたことに応答して、前記モータへの負荷を吸収するための動作を制御する負荷吸収動作制御手段と、
を具備することを特徴とする負荷吸収装置である。
【００２６】
また、本発明の第３の側面は、モータに印加される負荷を吸収する負荷吸収装置であって、
前記モータの出力軸に与えられる運動エネルギを計測する運動エネルギ計測手段と、
前記運動エネルギ計測手段により検出された運動エネルギの変化量が第２の閾値を越えたことに応答して過負荷状態を検出する過負荷状態検出手段と、
前記過負荷検出手段により過負荷状態が検出されたことに応答して、前記モータへの負荷を吸収するための動作を制御する負荷吸収動作制御手段と、
を具備することを特徴とする負荷吸収装置である。
【００２７】
また、本発明の第４の側面は、モータに印加される負荷を吸収する負荷吸収装置であって、
前記モータの出力軸に連結されたリンクに印加されるトルクと前記モータによる発生トルクとの絶対値の和に基づいて負荷トルクを計測するトルク計測手段と、
前記モータの出力軸に与えられる運動エネルギの変化量を計測する運動エネルギ変化量計測手段と、
前記トルク計測手段により検出された負荷トルク又は前記運動エネルギ変化量計測手段により計測された運動エネルギ変化量に基づいて過負荷状態を検出する過負荷状態検出手段と、
前記過負荷状態検出手段により過負荷状態が検出されたことに応答して、前記モータへの負荷を吸収するための動作を制御する負荷吸収動作制御手段と、
を具備することを特徴とする負荷吸収装置である。
【００２８】
脚式移動ロボットを始めとする多関節型ロボットは、一般に、関節アクチュエータ用の複数のモータと、これらモータの出力軸に連結されたリンクで構成される。ここで、歩行やその他の脚式作業中において、転倒や進行途上の物体との衝突、あるいは計画軌道上での異物の挟み込みなどによって、過大な負荷が関節アクチュエータ用のモータに印加されるケースが想定される。このような過負荷によって、機体が破損（リンクが折れる、減速ギアの歯が欠ける）したり、あるいは塑性変形を起こしてしまったりするなど、致命的な損傷を被ることがある。
【００２９】
ここで、関節アクチュエータ用のモータに印加される負荷トルクには、衝突などによりリンクなどの部材の破壊に至る歪みエネルギを被るインパルス的な、いわば「衝撃負荷」と、このような衝撃負荷ほど高いトルクではないが、比較的高い負荷トルクが一定時間以上継続して（すなわち定常的に）印加され部材の塑性変形を招来する、いわば「定常負荷」に大別することができる。後者の定常的な負荷トルク値は、例えば使用するモータのストール・トルク近傍、あるいは回路保護の限界などの閾値である。本発明者らは、衝撃負荷を負荷トルクのＡＣ成分、定常負荷を負荷トルクのＤＣ成分としてそれぞれ位置付けている。
【００３０】
本発明の第１の側面によれば、定常負荷すなわち負荷トルクのＤＣ成分を、前記モータの出力軸に連結されたリンクに印加されるトルクと前記モータによる発生トルクの絶対値の和に基づいて検出し、負荷トルクが所定時間以上継続して第１の閾値を越えたことに応答して、負荷のＤＣ成分が過大であることを認識することができる。モータのトルクはモータ通電電流に比例するという性質から、モータ電流を電流−電圧変換することを経てトルクを計測することができる。
【００３１】
ここで言う第１の閾値は、例えば使用するモータのストール・トルク近傍、あるいは回路保護の限界などの閾値で構成される。
【００３２】
そして、定常負荷による破損を回避するために、モータの発生トルクを低減する、あるいはモータの粘性係数を低減するなど、所定の負荷吸収動作を実行することができる。このような負荷吸収装置は、個体間でのばらつきが少なく、また、温度の影響が低い。また、トルク検出の構成が簡素であることから、モータに内蔵しても小型軽量化を実現することができる。
【００３３】
また、本発明の第２の側面によれば、モータの出力軸に与えられる運動エネルギの変化量がモータに印加されるトルクと角速度の積に比例するという性質に基づいて、運動エネルギ変化量に基づいて負荷トルクを検出し、この負荷トルクが部材の破壊に至るような第２の閾値を越えたことに応答して、負荷のＡＣ成分が過大であることを認識することができる。
【００３４】
そして、衝撃負荷による破損を回避するために、モータの発生トルクを低減する、あるいはモータの粘性係数を低減するなど、所定の負荷吸収動作を実行することができる。このような負荷吸収装置は、個体間でのばらつきが少なく、また、温度の影響が低い。また、トルク検出の構成が簡素であることから、モータに内蔵しても小型軽量化を実現することができる。
【００３５】
ここで、負荷トルクのＡＣ成分に関しては、インパルス的な性質を持つことから、瞬時に過負荷域に到達してしまい、負荷吸収動作が間に合わない、という可能性がある。上述したように、運動エネルギの変化量がモータに印加されるトルクと角速度の積に比例するという性質に基づいた場合、トルクが過負荷域に到達するまで待たなければ過負荷を検出することができないが、これでは応答性に問題がある。
【００３６】
そこで、単に運動エネルギの変化量を計測するのではなく、運動エネルギを時間軸上で２階微分して、変化量の傾きをみて、この傾きが所定値以上であれば過負荷域に到達することを予測し、応答性よく負荷吸収動作を実行するようにすれば良い。
【００３７】
また、運動エネルギの時間による２階微分は、トルク変化速度と角速度の積で近似することができる。一方、モータのトルクはモータ電流に比例するという性質により、モータ電流を電流−電圧変換することを経てトルクを計測できるので、その時間微分によりトルクの変化速度を取り出すことができる。
【００３８】
さらに、本発明の第３の側面に係る負荷吸収装置は、モータに印加される負荷トルクのＡＣ成分とＤＣ成分の双方を検出して負荷吸収動作を実行することができるので、脚式移動ロボットが自律動作を行なう際に、予期しないで機体が被るさまざまな衝撃に対応することが可能となる。
【００３９】
本発明の第１乃至第３の側面に係る負荷吸収装置によれば、モータ単軸に対して過負荷が印加された場合には、負荷のＡＣ成分並びにＤＣ成分を好適に吸収し、モータや、モータの出力軸に印加されたリンクなどの部材の破損を回避し、被害が他の部材へと拡大するのを防止することができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、多関節型ロボットの関節駆動用アクチュエータとして用いられるモータのための優れたロボット装置、並びに負荷吸収装置及び負荷吸収方法を提供することができる。
【００４１】
また、本発明によれば、モータの破壊や機体の変形に至りかねない過大な負荷を好適に検出し、モータへの過負荷が緩和するような制御を行なうことができる、優れたロボット装置、並びに負荷吸収装置及び負荷吸収方法を提供することができる。
【００４２】
また、本発明によれば、複数のアクチュエータ・モータからなる多関節型ロボットにおいて、単軸若しくは複数軸のモータに過大な負荷が印加されて部材又は機体が破壊されてしまうことを好適に防止することができる、優れたロボット装置、並びに負荷吸収装置及び負荷吸収方法を提供することができる。
【００４３】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００４５】
Ａ．本実施の形態によるロボットの構成
図１及び図２には、本発明の一実施形態に係る脚式移動ロボットの全体構成を示している。また、図３には、ロボットの自由度構成を模式的に示している。参照番号１は２足歩行型のロボット全体を示している。ロボット１の胴体部ユニット２の上部に頭部ユニット３が配設されるとともに、胴体部ユニット２の上部左右にそれぞれ同じ構成の腕部ユニット４Ａ、４Ｂがそれぞれ配設され、且つ胴体部ユニット２の下部左右に同じ構成の脚部ユニット５Ａ、５Ｂがそれぞれ所定位置に取り付けられている。
【００４６】
胴体部ユニット２は、体幹上部を形成するフレーム１０及び体幹下部を形成する腰ベース１１が腰関節機構１２を介して連結することにより構成されている。そして、体幹下部の腰ベース１１に固定された腰関節機構１２の各アクチュエータＡ1、Ａ2をそれぞれ駆動することによって、体幹上部を図３に示す直交するロール軸１３及びピッチ軸１４の回りにそれぞれ独立して回転させることができる。
【００４７】
また、頭部ユニット３は、フレーム１０の上端に固定された肩ベース１５の上面中央部に首関節機構１６を介して取り付けられている。そして、首関節機構１６の各アクチュエータＡ3、Ａ4をそれぞれ駆動することによって、図３に示す直交するピッチ軸１７及びヨー軸１８の回りにそれぞれ独立に回転させることができる。
【００４８】
また、各腕部ユニット４Ａ、４Ｂは、それぞれ肩関節機構１９を介して肩ベース１５の左右に取り付けられている。そして、左右それぞれ対応する肩関節機構１９の各アクチュエータＡ5、Ａ6並びにＡ9、Ａ10をそれぞれ駆動することによって、図３に示す直交するピッチ軸２０及びロール軸２１の回りにそれぞれ独立に回転させることができる。
【００４９】
図示の例では、左右各腕部ユニット４Ａ、４Ｂは、それぞれ上腕部を形成するアクチュエータＡ7並びにＡ11の出力軸に肘関節機構２２を介して前腕部を形成するアクチュエータＡ8並びにＡ12が連結され、前腕部の先端に手部２３が取り付けられている。左右の各腕部ユニット４Ａ、４Ｂでは、各アクチュエータＡ7並びにＡ11を駆動することによって、前腕部を図３に示すヨー軸２４の回りに回転させることができる。また、各アクチュエータＡ8並びにＡ12を駆動することによって、前腕部を図３に示すピッチ軸２５の回りに回転させることができる。
【００５０】
また、各脚部ユニット５Ａ、５Ｂは、股関節機構２６を介して体幹下部の腰ベース１１にそれぞれ取り付けられている。そして、左右それぞれに対応する股関節機構２６の各アクチュエータＡ13〜Ａ18並びにＡ19〜Ａ24を駆動することによって、図３に示す互いに直交するヨー軸２７、ロール軸２８及びピッチ軸２９の回りにそれぞれ独立に回転させることができる。
【００５１】
図示の例では、各脚部ユニット５Ａ、５Ｂは、それぞれ大腿部を形成するフレーム３０の下端に膝関節機構３１を介して下腿部を形成するフレーム３２が連結されるとともに、フレーム３２の下端に足首関節機構３３を介して足部３４が連結されている。左右の各脚部ユニット５Ａ、５Ｂでは、膝関節機構３１を形成するアクチュエータＡ16又はＡ22を駆動することによって、下腿部を図３に示すピッチ軸３５の回りに回転させることができる。また、左右の足首関節機構３３のアクチュエータＡ17、Ａ18又はＡ23、Ａ24をそれぞれ駆動することによって、足部３４を図３に示す直交するピッチ軸３６及びロール軸３７の回りにそれぞれ独立して回転させることができる。
【００５２】
図４には、本実施形態に係る脚式移動ロボット１の制御構成を模式的に示している。胴体部ユニット２の体幹下部を形成する腰ベース１１の背面側には、ロボット１全体の動作制御を司るメイン制御部４０と、電源回路及び通信回路などの周辺回路４１と、バッテリ４５となどが収納されてなる制御ユニット４２が配設されている。
【００５３】
また、図５には、制御ユニット４２の内部構成を模式的に示している。制御ユニット４２は、各構成ユニット（胴体部ユニット２、頭部ユニット３、各腕部ユニット４Ａ、４Ｂ及び各脚部ユニット５Ａ、５Ｂ）内にそれぞれ配設された各サブ制御部４３Ａ〜４３Ｄと接続しており、これらサブ制御部４３Ａ〜４３Ｄに対して必要な電源電圧を供給したり、これらサブ制御部４３Ａ〜４３Ｄとデータ通信を行なったりすることができる。
【００５４】
各サブ制御部４３Ａ〜４３Ｄは、それぞれ対応する構成ユニット内の各アクチュエータＡ1〜Ａ24と接続しており、構成ユニット内の各アクチュエータＡ1〜Ａ24をメイン制御部４０から与えられる各種制御コマンドに基づいて指定された状態に駆動する。
【００５５】
頭部ユニット３には、図５に示すように、このロボット１の「目」として機能するＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）カメラ５０や、「耳」として機能するマイクロホン５１などの各種外部センサと、「口」として機能するスピーカ５２となどの出力装置がそれぞれ所定位置に配設されている。また、手部２３の表面や足部３４の底面部などには、外部センサとしてのタッチ・センサ５３が配設されている。さらに、制御ユニット４２内には、バッテリ・センサ５４や、加速度センサ５５など、各種の内部センサが配設されている。
【００５６】
ＣＣＤカメラ５０は、周囲の状況を撮像し、得られた画像信号Ｓ１Ａをメイン制御部に送出する。また、マイクロホン５１は、各種外部音を集音し、得られた音声信号Ｓ１Ｂをメイン制御部４０に送出する。また、タッチ・センサ５３は、ユーザからの物理的な働きかけや、外部との物理的な接触を検出し、検出結果を圧力検出信号Ｓ１Ｃとしてメイン制御部４０に送出する。また、バッテリ・センサ５４は、主電源としてのバッテリ４５の残量を所定周期毎に検出し、バッテリ残量検出信号Ｓ２Ａとしてメイン制御部４０に送出する。また、加速度センサ５６は、３軸方向（ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸）の加速度を所定周期毎に検出し、加速度検出信号Ｓ２Ｂとしてメイン制御部４０に送出する。
【００５７】
メイン制御部４０は、ＣＣＤカメラ５０、マイクロホン５１、タッチ・センサ５３などからそれぞれ供給される外部センサ出力としての画像信号Ｓ１Ａ、音声信号Ｓ１Ｂ及び圧力検出信号Ｓ１Ｃなどと、バッテリ・センサ５４や加速度センサ５５などからそれぞれ供給される内部センサ出力としてのバッテリ残量検出信号Ｓ２Ａ及び加速度検出信号Ｓ２Ｂなどに基づいて、ロボット１の周囲及び内部の状況や、外部物体との接触などを判断する。
【００５８】
そして、メイン制御部４０は、この判断結果と、あらかじめ内部メモリ４０Ａに格納されている制御プログラムと、そのとき装填されている外部メモリ５６に格納されている各種制御パラメータとに基づいて続く行動を決定し、決定結果に基づく制御コマンドを対応するサブ制御部４３Ａ〜４３Ｄに送出する。この結果、この制御コマンドに基づき、そのサブ制御部４３Ａ〜４３Ｄの制御の下に、対応するアクチュエータＡ1〜Ａ24が駆動され、かくして頭部ユニット３を上下左右に揺動させたり、腕部ユニット４Ａ、４Ｂを上にあげたり、歩行するなどの行動がロボット１により発現されることとなる。
【００５９】
また、メイン制御部４０は、音声信号Ｓ１Ｂに基づく音声認識処理によりユーザの発話内容を認識するとともに、認識結果に応じた音声信号Ｓ３をスピーカ５２に与えることにより、ユーザと対話するための合成音声を外部に出力させる。
【００６０】
このようにして、ロボット１は、周囲及び内部の状況などに基づいて自律的に行動することができ、またユーザと対話することもができる。
【００６１】
図６には、本実施形態に係る脚式移動ロボット１上で稼動するソフトウェア制御構成を模式的に示している。
【００６２】
同図に示すように、ロボット制御用のソフトウェアは、複数層のソフトウェアで構成される階層構造を備え、制御用ソフトウェアにはオブジェクト指向プログラミングを採り入れることができる。各ソフトウェアは、データとそのデータに対する処理手続きとを一体化させた「オブジェクト」というモジュール単位で扱われる。
【００６３】
最下層のデバイス・ドライバは、各関節アクチュエータの駆動やセンサ出力の受信などハードウェアに対して直接アクセスすることを許容されたオブジェクトであり、ハードウェアからの割り込み要求に応答して該当する処理を行なう。
【００６４】
仮想ロボットは、各種デバイス・ドライバと所定のオブジェクト間通信プロトコルに基づいて動作するオブジェクトとの仲介となるオブジェクトである。脚式移動ロボット１を構成する各ハードウェア装置へのアクセスは、この仮想ロボットを介して行なわれる。
【００６５】
サービス・マネージャは、コネクション・ファイルに記述されたオブジェクト間の接続情報を基に、各オブジェクトに接続を促すシステム・オブジェクトである。
【００６６】
システム層（ＯＳ）より上位のソフトウェアは、オブジェクト（プロセス）毎にモジュール化されており、必要な機能毎にオブジェクトを選択して置換容易な構成になっている。したがって、コネクション・ファイルを書き換えることで、データ型が一致するオブジェクトの入出力を自由に接続することができる。
【００６７】
デバイス・ドライバ層とシステム層以外のソフトウェア・モジュールは、ミドルウェア層とアプリケーション層に大別される。
【００６８】
図７には、ミドルウェア層の内部構成を模式的に図解している。
【００６９】
ミドルウェア層は、脚式移動ロボット１の基本的な機能を提供するソフトウェア・モジュールの集まりであり、各モジュールの構成は脚式移動ロボット１の機械的・電気的な特性や仕様、形状などハードウェア属性の影響を受ける。このミドルウェア層は、機能的に、認識系のミドルウェア（図７の左半分）と、出力系のミドルウエア（図７の右半分）に分けることができる。
【００７０】
認識系のミドルウェアでは、画像データや音声データ、その他のセンサから得られる検出データなど、ハードウェアから供給される生データを仮想ロボット経由で受け取ってこれらを処理する。例えば、各種入力情報に基づき、音声認識、距離検出、姿勢検出、接触、動き検出、色認識などの処理を行ない、認識結果を得る（例えば、「ボールを検出した」、「転倒を検出した」、「撫でられた」、「叩かれた」、「ドミソの音階が聞こえた」、「（動く物体を）検出した」、「（障害物を）検出した」、「（障害物を）認識した」など）。認識結果は、入力セマンティクス・コンバータを介して上位のアプリケーション層に通知され、その後の行動計画や学習などに利用される。
【００７１】
一方、出力系のミドルウェアでは、歩行、動きの再生、出力音の合成、目に相当するＬＥＤの点灯制御などの機能を提供する。すなわち、アプリケーション層において立案された行動計画を出力セマンティクス・コンバータ経由で受信処理し、脚式移動ロボット１の機能毎にロボットの各ジョイントのサーボ指令値や出力音、出力光（ＬＥＤ）、出力音声などを生成し、仮想ロボットを介して脚式移動ロボット１の機体動作として発現する。また、本実施形態では、複数のアクチュエータ・モータの総体での過負荷状態を検出する負荷監視モジュール部や、かかる過負荷状態の検出に応答して機体保護動作を実行するモジュール部などを含んでいる（後述）。
【００７２】
図８には、アプリケーション層の内部構成を模式的に図解している。アプリケーション層は、脚式移動ロボット１の機体動作や本能・感情などの内部状態を制御する１以上のアプリケーション・ソフトウェアで構成される。
【００７３】
アプリケーションは、入力セマンティクス・コンバータ経由で受け取った認識結果を使って、脚式移動ロボット１の行動計画を決定して、出力セマンティクス・コンバータ経由で決定された行動を返す。
【００７４】
アプリケーションは、ロボットの感情をモデル化した感情モデルと、本能をモデル化した本能モデルと、外部事象を逐次記憶していく学習モジュールと、行動パターンをモデル化した行動モデルと、行動モデルによって決定された行動の出力先を切り替える行動切替部とで構成される。
【００７５】
入力セマンティクス・コンバータ経由で入力される認識結果は、感情モデル、本能モデル、行動モデルに入力されるとともに、学習モジュールには学習教示信号として入力される。
【００７６】
行動モデルによって決定された脚式移動ロボット１の行動は、行動切替部並びに出力セマンティクス・コンバータ経由でミドルウェアに送信され、脚式移動ロボット１の機体上で実行される。あるいは、行動切替部を介して、行動履歴として感情モデル、本能モデル、学習モジュールに、行動履歴として供給される。
【００７７】
感情モデルと本能モデルは、それぞれ認識結果と行動履歴を入力に持ち、感情値と本能値を管理している。行動モデルは、これら感情値や本能値を参照することができる。また、学習モジュールは、学習教示信号に基づいて行動選択確率を更新して、更新内容を行動モデルに供給する。
【００７８】
Ｂ．アクチュエータＡ1〜Ａ24の構成
既に述べたように、本実施形態に係る脚式移動ロボット１の各関節自由度は、アクチュエータＡ1〜Ａ24によって実現される。
【００７９】
図９には、アクチュエータＡ1〜Ａ24の内部構成を示している。同図に示すように、アクチュエータＡ1〜Ａ24は、回転トルクを発生させるモータ部６０と、当該モータ部６０において発生された回転トルクを増幅して出力するトルク増幅部６１で構成されている。
【００８０】
モータ部６０においては、金属等の導電材からなるモータ・ケース６２の内部に回転軸受け６３Ａ、６３Ｂにより回転自在に枢支されたロータ軸６４が設けられている。図１０には、ロータ軸６４及びロータ軸磁極角度センサの構成を示している。同図に示すように、ロータ軸６４にロータ基体６５が２極に着磁されたリング状の永久磁石でなるロータ・マグネット６５が同軸に一体化されることによりロータ６６が形成されている。
【００８１】
また、図１１には、ロータ６６及びステータス鉄心６７Ａ〜６７Ｆの位置関係を図解している。モータ・ケース６２の内側には、同図に示すように、ロータ６６を取り囲むように６つのステータ鉄心６７Ａ〜６７Ｆが等間隔（６０°間隔）で固着されている。これら各ステータ鉄心６７（６７Ａ〜６７Ｆ）には、それぞれ巻線が施され、３相のコイル６８（６８ｕ、６８ｖ、６８ｗ）を構成している。
【００８２】
図示のように、３組のそれぞれ対向する２つのコイル６８をそれぞれｕ相、ｖ相、及びｗ相とする。そして、これらｕ相、ｖ相及びｗ相の各コイル６８にそれぞれ１２０度ずつ位相がずれたコイル電流を印加し、各コイル６８に駆動電流の電流値に応じた強さの磁界を発生させることによって、ロータ６６を介してコイル電流の電流値に応じた大きさの回転トルクをロータ６６に発生させることができる。
【００８３】
図１２には、トルク増幅部６１の構成を示している。図６並びに図９から分かるように、トルク増幅部６１においては、モータ・ケース６２の先端部に着脱自在に固定されたギア・ケース６９を有する。そして、ギア・ケース６９の内部には、ギア・ケース６９の内側面に固定された環状の内歯車７０と、ロータ軸６４の先端部に固定された太陽歯車７１と、内歯車７０及び太陽歯車７１間に１２０度の間隔で配置された第１〜第３の遊星歯車７２Ａ〜７２Ｃからなる遊星歯車機構７３が設けられている。
【００８４】
また、遊星歯車機構７３を構成する第１〜第３の遊星歯車７２Ａ〜７２Ｃの各軸７４Ａ〜７４Ｃは、それぞれギア・ケース６９の先端に回転自在に配置された出力軸７５に固定されている。これにより、トルク増幅部６１においては、モータ部６０からロータ軸６４を介して与えられる回転トルクを、遊星歯車機構７３を介して増幅して出力軸７５に伝達し、当該出力軸７５を介して外部に出力することができる。
【００８５】
また、モータ部６０のモータ・ケース６２の内部には、ロータ軸６４の回転一を検出するエンコーダ７６と、外部の上位コントローラ（対応するサブ制御部４３Ａ〜４３Ｄ）からの動作指令に基づいて出力軸６４の回転角度、回転トルクなどを制御する制御基板７７が収納されている（図９を参照のこと）。
【００８６】
この場合、エンコーダ７６は、ロータ６６のロータ基体６５の前端面に固着された、２極に着磁された樹脂マグネット７８と、第１及び第２のホール素子７９Ａ、７９Ｂで構成されている（図１０（Ｃ）を参照のこと）。図１３には制御基板７７の構成を示している。同図（Ｂ）に示すように、第１及び第２のホール素子７９Ａ、７９Ｂは、ロータ軸６４と同心円状に９０度の位相差を以って位置するように制御基板７７に搭載されている。
【００８７】
また、エンコーダ７６は、ロータ６６のロータ基体６５の前端面に固着された、２極に着磁された樹脂マグネット７８と、第１及び第２のホール素子７９Ａ、７９Ｂで構成されている（図１０（Ｃ）を参照のこと）。図１３及び図１４には、制御基板７７の構成を示している。同図（Ｂ）に示すように、第１及び第２のホール素子７９Ａ、７９Ｂは、ロータ軸６４と同心円状に９０度の位相差を以って位置するように制御基板７７に搭載されている。このような構成により、エンコーダ７６においては、ロータ軸６４の回転位置を、ローラ軸６４と一体に回転する樹脂マグネット７８の回転に伴また、本実施形態では、複数のアクチュエータ・モータの総体での過負荷状態を検出する負荷監視モジュール部や、かかる過負荷状態の検出に応答して機体保護動作を実行するモジュール部などを含んでいる（後述）。第１及び第２のホール素子７９Ａ、７９Ｂの配設位置における磁束密度の変化として検出することができる。
【００８８】
また、図１４に示すように、制御基板７７においては、環状に形成されたプリント配線板の一面側に、制御ＩＣ８０が搭載されるとともに、制御ＩＣ８０の制御の下にモータ部６０の各コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗに駆動電流Ｉu、Ｉv、Ｉwを供給する駆動回路８１が形成されることにより構成されている。制御ＩＣ８０は、第１及び第２のホール素子７９Ａ、７９Ｂの出力をそれぞれ第１及び第２の位置検出信号Ｓ１０Ａ、Ｓ１０Ｂとして入力し、これら入力値に基づいてロータ軸６４の回転位置を検出することができる。
【００８９】
また、制御基板７７においては、ケーブル８３（図９を参照のこと）を通じて上位コントローラ（対応するサブ制御部）と接続されており、かくして制御ＩＣ８０がこのケーブル８３経由で上位コントローラと通信し、且つ電源電圧ＶCCを入力する。
【００９０】
制御ＩＣ８０は、ケーブル８３を介して上位コントローラから与えられる動作指定ＣＯＭと、第１及び第２の位置検出信号Ｓ１０Ａ、Ｓ１０Ｂに基づいて駆動回路８１を制御することにより、モータ部６０のｕ相、ｖ相及びｗ相の各コイル６８に対してそれぞれ対応する電流値の駆動電流Ｉu、Ｉv、Ｉwを印加する。これにより、上位コントローラからの動作指令ＣＯＭに応じた回転角度又は回転トルクとなるようにモータ部６０を回転駆動させることができる。
【００９１】
Ｃ．制御ＩＣ８０及び駆動回路８１の具体的構成
図１５には、制御ＩＣ８０及び駆動回路８１の構成を示している、同図に示すように、制御ＩＣ８０は、演算処理部９０、ＰＷＭ制御部９１及び付加論理回路９２から構成されている。
【００９２】
演算処理部９０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭなどを含むマイクロコンピュータ構成でなり、上位コントローラからの動作指令ＣＯＭに基づくモータ部６０のロータ軸６４の目標とすべき回転位置と、このときエンコーダ７６から与えられる第１及び第２の位置検出信号Ｓ１０Ａ、Ｓ１０Ｂに基づき算出される現在のロータ軸６４の回転位置との差分を演算するとともに、この差分を解消するために目標とすべき出力トルク（以下、これを目標トルクと呼ぶ）を演算し、当該演算結果をトルク指令信号Ｓ１２としてＰＷＭ制御部９１に送出する。
【００９３】
ＰＷＭ制御部９１は、供給されるトルク指令信号Ｓ１２に基づいて、モータ部６０の出力トルクとして目標トルクを得られるように、付加論理回路９２を介して駆動回路８１をＰＷＭ制御する。
【００９４】
駆動回路８１は、ｕ相用の一対のＰＮＰ型トランジスタＴＲu1及びＮＰＮ型トランジスタＴＲu2と、ｖ相用の一対のＰＮＰ型トランジスタＴＲv1及びＮＰＮ型トランジスタＴＲv2と、ｗ相用の一対のＰＮＰ型トランジスタＴＲw1及びＮＰＮ型トランジスタＴＲw2で構成されている。
【００９５】
各ＰＮＰ型トランジスタＴＲu1、ＴＲv1、ＴＲw1は、それぞれエミッタが電源電圧ＶCCに接続されるとともに、コレクタがそれぞれ対をなすＮＰＮ型トランジスタＴＲu2、ＴＲv2、ＴＲw2のコレクタと接続され、各ＮＰＮ型トランジスタＴＲu2、ＴＲv2、ＴＲw2は、それぞれエミッタが接地されている。また、各ＰＮＰ型トランジスタＴＲu1、ＴＲv1、ＴＲw1のコレクタと、これと対をなすＮＰＮ型トランジスタＴＲu2、ＴＲv2、ＴＲw2のコレクタとの各接続中点Ｐ１〜Ｐ３は、ｕ相用のコイル６８ｕ及びｗ相用のコイル６８ｗの接続中点Ｐ４、ｕ相用のコイル６８ｕ及びｖ相用のコイル６８ｖの接続中点Ｐ６、並びにｖ相用のコイル６８ｖ及びｗ相用のコイル６８ｗの接続中点Ｐ６とそれぞれ接続されている。
【００９６】
駆動回路８１におけるｕ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲu1及びｖ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲv2をオンにするとともに、ｕ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲu2及びｖ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲv1をオフにすることによって、ｕ相のコイル６８ｕを通電状態とさせて矢印方向に駆動電流Ｉuを流すことができる。また、ｕ相用及びｖ相用の各ＰＮＰ型トランジスタＴＲu1、ＴＲv1をオフ、ｕ相用及びｖ相用の各ＮＰＮ型トランジスタＴＲu2、ＴＲv2をオフとすることによって、端子Ｐ４、Ｐ５をオープン状態とし、ｕ相のコイル６８ｕの非通電状態とすることができる。
【００９７】
同様に、駆動回路８１におけるｖ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲv1及びｗ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲw2をオンにするとともに、ｖ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲv2及びｗ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲw1をオフにすることによって、ｖ相のコイル６８ｖを通電状態とさせて矢印方向に駆動電流Ｉvを流すことができる。また、ｖ相用及びｗ相用の各ＰＮＰ型トランジスタＴＲv1、ＴＲw1をオフ、各ＮＰＮ型トランジスタＴＲv2、ＴＲw2をオフとすることによって、端子Ｐ５、Ｐ６をオープン状態とし、ｖ相のコイル６８ｖの非通電状態とすることができる。
【００９８】
また同様に、駆動回路８１におけるｗ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲw1及びｕ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲu2をオンにするとともに、ｗ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲw2及びｕ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲu1をオフにすることによってｗ相のコイル６８ｗを通電状態とさせて矢印方向に駆動電流Ｉwを流すことができる。また、ｗ相用及びｕ相用の各ＰＮＰ型トランジスタＴＲw1、ＴＲu1をオフ、各ＮＰＮ型トランジスタＴＲw2、ＴＲu2をオフとすることによって、端子Ｐ６、Ｐ４をオープン状態とし、ｗ相のコイル６８ｗの非通電状態とすることができる。
【００９９】
このようにして、ＰＷＭ制御部９１は、駆動回路８１のｕ相用、ｖ相用及びｗ相用の各ＰＮＰ型トランジスタＴＲu1、ＴＲv1、ＴＲw1及び各ＮＰＮ型トランジスタＴＲu2、ＴＲv2、ＴＲw2のベースに対してトルク指令信号Ｓ１２に基づいて得られる目標トルクに応じた第１〜第６のＰＷＭ信号Ｓ１３u1、Ｓ１３u2、Ｓ１３v1、Ｓ１３v2、Ｓ１３w1、Ｓ１３w2を印加することにより、ｕ相、ｖ相及びｗ相の各コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗをそれぞれ所定のタイミングで通電状態及び非通電状態に順次切り換え、これによりモータ部６０を回転駆動させることができる。
【０１００】
なお、このようなＰＷＭ制御によりモータ部６０の位置制御を行なう場合、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの非通電時に当該コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６をオープン状態とすると、モータ部６０に通電された電流（厳密には電荷）が抜けてしまうことによるトルク・ロスの発生や、コギングによるトルクむらの影響を受け易くなるという問題が生じる。
【０１０１】
本実施形態では、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの非通電時、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６をオープン状態とせずに短絡（ショート）状態とすることにより、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗに通電された電流（厳密には電荷）が抜け難くなるという性質を利用することで、このトルク・ロスの問題を解決するようにしている。図１６には、コイルの終端をオープン状態並びに短絡状態にした場合におけるコイル電流の過渡応答特性を示しているが、短絡状態にした方が過渡特性の整定時間が長くなり、コイル電流が抜けにくくなることが分かる
【０１０２】
これは、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６を短絡状態とすることによって、モータ部６０のコイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの直流抵抗とインダクタンスに起因する過渡応答の時間遅れを利用したものである。またその短絡状態により、モータ部６０のコイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗにロータ・マグネット６５からの磁束密度により逆起電力が発生する。この逆起電力によりロータ６６の回転方向の逆方向に力が作用し、外力による回転に対する粘性抵抗を作り出すことができ、ブレーキに類似した効果を得ることができる。このようなモータ部６０への粘性係数を作り出すことによる粘性抵抗により、トルク・ロスがなくコギングによるトルクむらの影響を軽減できる。
【０１０３】
但し、このようにコイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６の短絡状態を形成した場合、上述のようにモータ部６０に一種の粘性抵抗を与えることとなり、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６の短絡によるブレーキの影響を受けてモータ部６０のコンプライアンス（機械的受動性）がなくなる問題を招来する。
【０１０４】
そこで、本実施形態では、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの非通電状態の期間、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６をオープン状態と短絡状態とに順次交互に切り換えるとともに、この際オープン状態の期間と短絡状態の期間との比率を所望するコンプライアンスとなるように調整することによって、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６をオープン状態とすることによるトルク・ロスなどの問題と、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６を短絡状態とすることによるコンプライアンスの低下という問題とをともに解決するようにしている。
【０１０５】
実際上、各コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６をオープン状態と短絡状態とに順次切り換える手段として、ＰＷＭ制御部９１の後段に付加論理回路９２が設けられている。付加論理回路９２には、あらかじめ設定されたコイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６におけるオープン状態及び短絡状態の各期間の比率に応じてＰＷＭ変調された矩形波状のＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４が、第１〜第６のＰＷＭ信号Ｓ１３u1、Ｓ１３u2、Ｓ１３v1、Ｓ１３v2、Ｓ１３w1、Ｓ１３w2とともにＰＷＭ制御部９１から与えられる。図１７には、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号の波形例を示している。
【０１０６】
付加論理回路９２は、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの非通電時であって、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４が論理「１」レベルの期間は、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６を短絡させるように対応する第１〜第６のＰＷＭ信号ＰＷＭ信号Ｓ１３u1、Ｓ１３u2、Ｓ１３v1、Ｓ１３v2、Ｓ１３w1、Ｓ１３w2の論理レベルを必要に応じて切り換えるようになっている。
【０１０７】
具体的には、通常のコイル非通電時には、ＰＷＭ制御部９１からは、ｕ相のコイル６８ｕの端子Ｐ４、Ｐ５をオープン状態にするため、ｕ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲu1及びｖ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲv1をオフ、ｕ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲu2及びｖ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲv2をオフにする第１〜第４のＰＷＭ信号Ｓ１３u1、Ｓ１３u2、Ｓ１３v1、Ｓ１３v2が出力される。これに対し、付加論理回路９２は、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４が論理「１」レベルの期間は、オフ状態のｕ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲu1、並びにｖ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲv1をそれぞれオンに転じて、ｕ相のコイル６８ｕの端子Ｐ４及びＰ５の短絡状態を間歇的に形成する。
【０１０８】
同様に、通常のコイル非通電時には、ＰＷＭ制御部９１からは、ｖ相のコイル６８ｖの端子Ｐ５、Ｐ６をオープン状態にするため、ｖ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲv1及びｗ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲw1をオフ、ｖ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲv2及びｗ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲw2をオフにする第３〜第６のＰＷＭ信号Ｓ１３v1、Ｓ１３v2、Ｓ１３w1、Ｓ１３w2が出力される。これに対し、付加論理回路９２は、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４が論理「１」レベルの期間は、オフ状態のｖ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲv1、並びにｗ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲw1をそれぞれオンに転じて、ｖ相のコイル６８ｖの端子Ｐ５及びＰ６の短絡状態を間歇的に形成する。
【０１０９】
また同様に、通常のコイル非通電時、ＰＷＭ制御部９１からは、ｗ相のコイル６８ｗの端子Ｐ６、Ｐ４をオープン状態にするため、ｗ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲw1及びｕ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲu1をオフ、ｗ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲw2及びｕ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲu2をオフにする第１、第２、第５及び第６のＰＷＭ信号Ｓ１３u1、Ｓ１３u2、Ｓ１３w1、Ｓ１３w2が出力される。これに対し、付加論理回路９２は、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４が論理「１」レベルの期間は、オフ状態のｗ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲw1、並びにｕ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲu1をそれぞれオンに転じて、ｗ相のコイル６８ｗの端子Ｐ６及びＰ４の短絡状態を間歇的に形成する。
【０１１０】
一方、付加論理回路９２は、通常のコイル非通電時、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４が論理「０」レベルのときには、ＰＷＭ制御部９１からの第１〜第６のＰＷＭ信号Ｓ１３u1、Ｓ１３u2、Ｓ１３v1、Ｓ１３v2、Ｓ１３w1、Ｓ１３w2を、切り替えることなくそのまま出力する。したがって、論理「０」レベルの期間には、ｕ相、ｖ相及びｗ相の各コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６はそれぞれオープン状態のままとなる。
【０１１１】
図１８には、付加論理回路９２の具体的構成を示している。図示の付加論理回路９２においては、ＰＷＭ制御部９１からの第１のＰＷＭ信号Ｓ１３u1、第３のＰＷＭ信号Ｓ１３v1及び第５のＰＷＭ信号Ｓ１３w1の論理積がＡＮＤ回路１００で演算されるとともに、第２のＰＷＭ信号Ｓ１３u2、第４のＰＷＭ信号Ｓ１３v2及び第６のＰＷＭ信号Ｓ１３w2の排他的論理和がＮＯＲ回路１０１において演算される。
【０１１２】
また、これらＡＮＤ回路１００の出力と、ＮＯＲ回路１０１の出力との論理積の反転がＮＡＮＤ回路１０２Ｂにおいて演算され、このＮＡＮＤ回路１０２Ｂの出力と、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４の反転信号が１０２Ａから出力された結果との論理和がＯＲ回路１０３において演算される。
【０１１３】
さらに、このＯＲ回路１０３の出力と、元の第１〜第６のＰＷＭ信号Ｓ１３u1、Ｓ１３u2、Ｓ１３v1、Ｓ１３v2、Ｓ１３w1、Ｓ１３w2との論理積が第１〜第６のＡＮＤ回路１０４Ａ〜１０４Ｆにおいてそれぞれ演算される。そして、これら第１〜第６のＡＮＤ回路１０４Ａ〜１０４Ｆの出力がそれぞれ上述のようにｕ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲu1及びＮＰＮ型トランジスタＴＲu2と、ｖ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲv1及びＮＰＮ型トランジスタＴＲv2と、ｗ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲw1及びＮＰＮ型トランジスタＴＲw2にそれぞれ与えられる。
【０１１４】
ここで、コイル非通電時にコイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６を短絡状態にすると、図１６を参照しながら説明したしたように、過渡応答により、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの駆動電流Ｉu、Ｉv、Ｉwがゼロに戻るまでの時間が長くなる。したがって、オープン状態と短絡状態のスイッチング動作を繰り返した場合、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの非通電時に駆動電流Ｉu、Ｉv、Ｉwがゼロに戻る前に次の通電が開始される。
【０１１５】
これによりコイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗに供給される駆動電流Ｉu、Ｉv、Ｉwの最大値は、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの通電及び非通電の動作の度に逐次上昇していくが、その上昇傾向はデューティ比すなわちＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４が論理「１」レベルとなる比率にほぼ比例する。同様に、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの駆動電流Ｉu、Ｉv、Ｉwの実効値も徐々に増加していくことになるが、その上昇傾向はデューティ比すなわちＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４が論理「１」レベルとなる比率にほぼ比例する。
【０１１６】
また、モータ部６０の出力トルクは、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗに供給する駆動電流Ｉu、Ｉv、Ｉwの値の和にモータ部６０のトルク定数Ｋtを乗じた値となるので、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの通電状態及び非通電状態を繰り返したとき、駆動電流Ｉu、Ｉv、Ｉwの値の和の増大に伴って、モータ部６０の出力トルクの実効値は増大していく。
【０１１７】
このときの上昇傾向は、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比すなわち当該ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４が論理「１」レベルとなる比率にほぼ比例する。そして、モータ部６０の出力トルクの出力が上昇していく傾きの大小が、モータ部６０の粘性係数の大きさに比例する。言い換えれば、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比によってモータ部６０の粘性係数を、デューティの分解能の範囲で動的に任意に設定することができる。
【０１１８】
したがって、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比を変化させることによって、モータ部６０の粘性係数を制御できる。また、ｕ相、ｖ相及びｗ相の各コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの非通電時において、当該コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗに入る電流（電荷の量）を制御できる。
【０１１９】
このとき、粘性係数が大きくなるようにＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比を設定すると、モータ部６０の保持力が向上し、コギングなどのトルクの外乱が減る。また外力へのコンプライアンス量を制御することができる。
【０１２０】
このように、ＰＷＭ制御部９１が付加論理回路９２に供給するＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比をＰＷＭ制御することにより、非通電時におけるコイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６オープン状態と短絡状態の期間の比率を調整することにより、所望のコンプライアンスを得ることができる。図１９には、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比とモータ部６０の粘性係数の関係を示している。
【０１２１】
Ｄ．アクチュエータＡ1〜Ａ24の負荷吸収機構
高度な脚式移動ロボットは、歩行やその他の脚式作業を例えば自立的に行なう。さらにうつ伏せや仰向けなどの床上姿勢からの起き上がり動作や、腕を利用した物体の把持・運搬といった動作を行なうことができる。他方、転倒や進行途上の物体との衝突、あるいは計画軌道上で異物の挟み込みなどによって、過大な負荷が関節アクチュエータに印加されるケースが想定される。このような過負荷によって、機体が破損したり、あるいは塑性変形を起こしてしまったりするなど、致命的な損傷を被ることがある。このため、関節アクチュエータを構成する各モータにおいて負荷吸収のための機構を採り入れることが重要である。
【０１２２】
この項では、このロボット１の関節駆動に用いられる各アクチュエータＡ1〜Ａ24に搭載された負荷吸収機能について説明する。
【０１２３】
本発明者らは、関節アクチュエータ用のモータに印加される負荷トルクを、衝突などによりリンクなどの部材の破壊に至る歪みエネルギを被るインパルス的な、いわば「衝撃負荷」と、このような衝撃負荷ほど高いトルクではないが、比較的高い負荷トルクが一定時間以上継続して（すなわち定常的に）印加され部材の塑性変形を招来する、いわば「定常負荷」に大別して取り扱うことにした（図２０を参照のこと）。後者の定常的な負荷トルク値は、例えば使用するモータのストール・トルク近傍、あるいは回路保護の限界などの閾値である。本発明者らは、衝撃負荷を負荷トルクのＡＣ成分、定常負荷を負荷トルクのＤＣ成分として位置付けている。
【０１２４】
定常負荷すなわち負荷トルクのＤＣ成分に関しては、アクチュエータ・モータの出力軸に連結されたリンクに静的に印加される負荷トルクとアクチュエータ・モータ自身による発生トルクの絶対値の和に基づいて検出することができる。そして、そのトルク和が所定時間以上継続して塑性変形に至る閾値を越えたことに応答して、負荷のＤＣ成分が過大であることを認識することができる。モータの発生トルクはモータ電流に比例するという性質から、モータ電流を電流−電圧変換することを経てトルクを計測することができる。
【０１２５】
例えば、図２１に示すように、一端部がアクチュエータ１１０の出力軸１１１に連結されたリンク１１２の他端部（出力軸１１１から距離Ｌ１の位置）が壁や物体などに当たるなどしてリンク１１２が動かないように保持された状態になった時に当該リンク１１２の他端部に壁や物体から外力Ｆ１が与えられ、アクチュエータ１１０が新たに増えた負荷分のトルクを発生している場合を考える。
【０１２６】
この場合、アクチュエータ１１０が最初に発生している発生トルクをＴORG、アクチュエータ１１０の出力軸１１１に与えられると当該アクチュエータ１１０が壊れる負荷トルクの値をＴBRKとして、アクチュエータ１１０に破損が生じない条件は、次式に示すように、外力Ｆ１による新たに増えた負荷トルクとアクチュエータ１１０の発生トルクＴORGとの絶対値の和の値Ｔoutが所定時間以上ＴBRKを越えないことである。
【０１２７】
【数１】
【０１２８】
このような負荷トルクＴoutは、負荷のＤＣ成分に相当し、以下では「静的な負荷トルク」とも呼ぶ。上式（１）より、次式を満たすようにアクチュエータ１１０の発生トルクＴoutを制御することによって、アクチュエータ１１０に破損が生じるのを未然に防止することができる。
【０１２９】
【数２】
【０１３０】
アクチュエータ１１０の発生トルクＴoutは、アクチュエータ１１０へ供給するコイル電流として検出することができる。ここで、負荷トルクの閾値をコイル電流に置き換えた値を２．５Ａとし、この閾値が継続する時間の限界を２．０秒とし、図２５にはトルクの検出結果を示している。継続して電流値をサンプリングする場合、チャタリングの問題がある。すなわち、実質的には２．５Ａを越える期間が２．０秒継続していても、チャタリングにより閾値を下回る度にカウンタがリセットされて、検出タイミングを逸しかねない。そこで、閾値を下回る期間が非常に短い（例えば４．０ミリ秒以内）であれば、これを無視して閾値以上であるとしてカウンタ実行を継続するようにしても良い。
【０１３１】
一方、衝撃負荷すなわち負荷のＡＣ成分に関しては、本発明者らは、モータの出力軸に与えられる運動エネルギの変化量がモータに印加されるトルクと角速度の積に比例するという性質を導出した。またその運動エネルギが出力軸部材に加わる歪みエネルギとほぼ等しいという性質があるため、この性質を利用して運動エネルギ変化量に基づいて衝撃に対する負荷トルクを検出し、この負荷トルクが部材の破壊に至るような閾値を越えたことに応答して、負荷のＡＣ成分が過大であることを認識することができる。
【０１３２】
例えば、図２２に示すように、リンク１１２の他端部出力軸１１１から距離Ｌ２の位置）に物体が落下するなどして、この他端部にリンク１１２を回転させるような衝撃に対する負荷トルクが与えられた場合について考える。このような負荷トルクは、負荷のＡＣ成分に相当し、以下では「動的な負荷トルク」とも呼ぶ。
【０１３３】
このときのこの動的な負荷トルクによりリンク１１２に与えられる運動エネルギをＫE、これにより回転するリンク１１２の回転角度をφ、リンク１１２の慣性モーメントをＪとすると、これらは次式を満たす。
【０１３４】
【数３】
【０１３５】
そして、この運動エネルギＫEがすべて出力軸１１１を通してアクチュエータ１１０に伝わり、歪みエネルギに変換されるものとして、その歪みエネルギがアクチュエータ１１０において各部材の歪みとして吸収可能な弾性範囲内であればアクチュエータ１１０に破損が生じず、これに対して弾性範囲を越えて塑性範囲となるとアクチュエータ１１０に破損が生じることとなる。
【０１３６】
そこで、このように歪みエネルギがアクチュエータ１１０における各部材の弾性範囲を越える大きさのものであったときに、アクチュエータ１１０の発生トルクＴoutを下げるように制御することにより、かかる動的な負荷トルクによる当該アクチュエータ１１０の破損を防止することができる。
【０１３７】
ここで、リンク１１２に与えられた動的な負荷トルクの運動エネルギＫEの変化量を検出するため上式（３）を時間ｔについて１階微分すると、次式のようになる。
【０１３８】
【数４】
【０１３９】
上式（４）において、Ｔoutは前述の通りアクチュエータ１１０の出力トルクを表す。すなわち、エネルギの変化量はモータに印加されるトルクと角速度の積に比例するので、エネルギ変化量に基づいて負荷トルクを検出し、この負荷トルクが部材の破壊に至る閾値を越えたことに応答して、負荷のＡＣ成分が過大であることを認識することができる。
【０１４０】
ここで、負荷トルクのＡＣ成分に関しては、インパルス的な性質を持つことから（図２０を参照のこと）、瞬時に過負荷域に到達してしまい、負荷吸収動作が間に合わない、という可能性がある。上述したように、エネルギの変化量がモータに印加されるトルクと角速度の積に比例するという性質に直接的に基づいた場合、トルクが過負荷域に到達するまで待たなければ過負荷を検出することができないが、これでは応答性に問題がある。
【０１４１】
そこで、単にエネルギの変化量を計測するのではなく、エネルギを時間軸上で２階微分して、変化量の傾きをみて、この傾きが所定値以上であれば過負荷域に到達することを予測し、応答性よく負荷吸収動作を実行する。上式（４）を時間軸上でさらに微分すると（すなわち、エネルギに関する上式（３）を時間ｔで２階微分すると）、下式のようになる。
【０１４２】
【数５】
【０１４３】
上式（５）は、運動エネルギＫEの変化の加速度を表すものである。式（５）における右辺の演算結果がアクチュエータ１１０における各部材の弾性範囲から塑性範囲の境界となる所定の閾値以上となった場合に、アクチュエータ１１０の発生トルクＴoutを下げるように制御することにより、アクチュエータ１１０の破損を未然に防止することができる。
【０１４４】
但し、上式（５）式における右辺第２項のような２次微分演算は演算処理が煩雑となる。また、本発明者らによる実験の結果、右辺第２項は演算結果への寄与が小さいことが判明している。そこで、式（５）の右辺第２項を省略し、右辺の第１項に所定の比例定数ＧKを乗算したものと近似し、次式に示す評価関数ｆ（ｔ）を導入することにする。
【０１４５】
【数６】
【０１４６】
この評価関数ｆ（ｔ）の演算結果が上述の閾値以上となった場合に、アクチュエータ１１０の発生トルクＴoutを下げるように制御することで、より容易な演算処理でアクチュエータ１１０の破損を未然に防止することができる。図３２には、運動エネルギＫEの変化量をみた場合と、評価関数ｆ（ｔ）を導入した場合における負荷吸収機構の応答特性を比較している。同図からも分かるように、後者の方が、発生トルクの低い段階で、しかもより応答性よく過負荷状態を検出することができる。
【０１４７】
制御基板７７は、上述したような原理に基づいて、図２１並びに図２２を参照しながら説明した静的及び動的な負荷トルクによるアクチュエータＡ1〜Ａ24の破損を防止するための負荷吸収手段として作用する。図１４に示すように、制御基板７７におけるプリント配線板の一面側には、駆動回路８１に対する電源供給ラインＬＩＮを流れる電流ＩR1の大きさを電圧Ｖiとして検出する電圧検出部８２が設けられている。
【０１４８】
電圧検出部８２は、駆動回路８１に対する電源供給ラインＬＩＮの一部に設けられた第１の抵抗Ｒ1と、第２〜第５の抵抗Ｒ２〜Ｒ５及びオペアンプ８３からなる差動増幅器８４とから形成され、第１の抵抗Ｒ1による降下電圧Ｖiを差動増幅器８４において検出し、この検出結果を電圧検出信号Ｓ１１として制御ＩＣ８０に送出する。
【０１４９】
電圧Ｖiは第１の抵抗Ｒ1を流れる電流ＩR1に比例し、また、電流ＩR1は、上式（１）の左辺に比例することから、この電圧Ｖiも上式（１）式の左辺に比例する。ここで、ＫViを比例定数として次式が成り立つものとする。
【０１５０】
【数７】
【０１５１】
そして、常に次式を満足するように、ＰＷＭ制御部９１を制御することによって、静的な負荷トルクによるアクチュエータＡ1〜Ａ24の破損を防止することができる。
【０１５２】
【数８】
【０１５３】
図２３には、制御ＩＣ８０の演算処理部９０が実行する、第１の負荷吸収処理手順ＲＴ１をフローチャートの形式で示している。演算処理部９０は、同処理手順ＲＴ１に従って、電圧検出部８２から供給される電圧検出信号Ｓ１１を基に、電圧Ｖiが、あらかじめ設定された所定の第１の閾値ＳＨ１（上式（８）のＴBRK／ＫVi）を超えないようにＰＷＭ制御部９１を制御することにより、対応するリンクに静的な負荷トルクすなわち負荷のＤＣ成分が与えられた場合のアクチュエータＡ1〜Ａ24の破損を防止する。
【０１５４】
演算処理部９０は、上述のような上位コントローラから与えられる動作指令ＣＯＭに基づく対応するモータ部６０に対する位置制御と並行してこの第１の負荷吸収処理手順ＲＴ１をステップＳＰ０において開始し、続くステップＳＰ１において、電圧検出部８２から与えられる電圧検出信号Ｓ１１に基づき得られる電圧Ｖiが第１の閾値ＳＨ１以上となったか否かを判断する。そして演算処理部９０は、このステップＳＰ１において否定結果を得ると、肯定結果を得るまでこのステップＳＰ１を繰り返す。
【０１５５】
そして、演算処理部９０は、この後対応するリンクが壁や外部物体に当たるなどして当該リンクに静的な負荷トルクが与えられることによりステップＳＰ１において肯定結果を得ると、ステップＳＰ２に進んでＰＷＭ制御部９１を制御してＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比を０〔ｍＮ−ｍ／（ｒａｄ／ｓ）〕に変更させることにより対応するモータ部６０のコンプライアンスを増加させ、続くステップＳＰ３において、モータ部６０の各コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗに流れる電流の実行値が小さくなるようにＰＷＭ制御部９１を制御し、発生トルクＴoutが小さくなるようにする。
【０１５６】
続いて、演算処理部９０は、ステップＳＰ４に進んで、上位コントローラに対して負荷吸収処理（ステップＳＰ２及びステップＳＰ３）を実行した旨を通知し、この後ステップＳＰ５に進んで、上位コントローラからその衝撃吸収処理を解除すべき旨の通知があるのを待ち受ける。
【０１５７】
そして、演算処理部９０は、やがて上位コントローラからこの通知を受けることによりステップＳＰ５において肯定結果を得ると、ステップＳＰ６に進んで、ＰＷＭ制御部９１を制御してＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比、すなわちモータ粘性係数を元の値に戻させることによりモータ部６０のコンプライアンスを衝撃検出前の状態に戻した後、ステップＳＰ７に進んで、モータ部６０の各コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗに印加する駆動電流Ｉu、Ｉv、Ｉwの実効値を元に戻すようにＰＷＭ制御部９１を制御し、発生トルクＴoutが所定の値をとるようにする。そして演算処理部９０は、その後ステップＳＰ１に戻り、同様の処理繰り返す。
【０１５８】
このようにして、演算処理部９０は、対応するリンクに静的な負荷トルクが与えられたときに、これに応じて対応するアクチュエータＡ1〜Ａ24におけるモータ部６０のモータ粘性係数及び発生トルクＴoutを制御する。
【０１５９】
一方、上式（６）において、アクチュエータＡ1〜Ａ24の出力トルクτは、電圧検出部８２における抵抗Ｒ1を流れる電流ＩR1に比例し、また電流ＩR1は、上述のように第１の抵抗Ｒ1による降下電圧Ｖiと比例することから、比例定数をＫi、Ｋθとして、式（６）を次式のように変形することができる。
【０１６０】
【数９】
【０１６１】
上式（９）からも明らかなように、上式（６）で与えられる評価関数ｆ（ｘ）の時々刻々の値は、電圧検出部８２により検出される電圧Ｖiの時間的変化量に比例定数Ｋｉを乗算した乗算結果と、エンコーダ７６により検出されるモータ部６０のロータ軸６４の回転位置φの時間的変化量に比例定数Ｋθを乗算した乗算結果との積として求めることができる。
【０１６２】
図２４には、制御ＩＣ８０内の演算処理部９０が実行する、第２の負荷吸収処理手順ＲＴ２をフローチャートの形式で示している。演算処理部９０は、この処理手順ＲＴ２に従って、電圧検出部８２から与えられる電圧検出信号Ｓ１１に基づき得られる電圧Ｖiと、エンコーダ７６から与えられる第１及び第２の位置検出信号Ｓ１０Ａ、Ｓ１０Ｂから得られるモータ部６０のロータ軸６４の回転位置φに基づいて、評価関数ｆ（ｔ）があらかじめ設定された所定の第２の閾値ＳＨ２を超えないようにＰＷＭ制御部９１を制御することにより、対応するリンクに動的な負荷トルクすなわち負荷のＡＣ成分が与えられた場合のアクチュエータＡ1〜Ａ24の破損を防止する。
【０１６３】
演算処理部９０は、第１の負荷吸収処理手順ＲＴ１と並行して第２の負荷吸収処理手順ＲＴ２をステップＳＰ１０において開始する。続くステップＳＰ１１において、電圧検出部８２からの電圧検出信号Ｓ１１及びエンコーダ７６からの位置検出信号Ｓ１０Ａ、Ｓ１０Ｂに基づいて上式（９）の演算処理を実行するとともに、この演算結果が第２の閾値ＳＨ２以上となったか否かを判断する。なお、上式（９）におけるＫiは１．０、Ｋθは４．０に設定されており、また第２の閾値ＳＨ２は実験結果より最適と考えられる１．３〜４．０〔 ｍＮ−ｍ・ｒａｄ／Ｓ２〕の範囲で設定されている。そして、演算処理部９０は、肯定結果を得るまでこのステップＳＰ１１を繰り返す。
【０１６４】
そして、演算処理部９０は、やがて対応するリンクが衝撃を受けることによりステップＳＰ１１において肯定結果を得ると、ステップＳＰ１２に進んで、ＰＷＭ制御部９１を制御してＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比を０〔ｍＮ−ｍ／（ｒａｄ／ｓ）〕に変更させることによりモータ部６０のコンプライアンスを増加させる。続くステップＳＰ１３において、上位コントローラからの動作指令等に基づき算出される目標トルクの最大値を本来算出される値の１０〜２０〔％〕となるようにＰＷＭ制御部９１を制御して発生トルクＴoutを発生させる。
【０１６５】
続いて、演算処理部９０は、ステップＳＰ１４に進んで、上位コントローラに対して負荷吸収処理（ステップＳＰ１２及びステップＳＰ１３）を実行した旨を通知する。その後、ステップＳＰ１５に進んで、上位コントローラからその衝撃吸収処理を解除すべき旨の通知があるのを待ち受ける。
【０１６６】
そして、演算処理部９０は、やがて上位コントローラからこの通知を受けることによりステップＳＰ１５において肯定結果を得ると、ステップＳＰ１６に進んで、ＰＷＭ制御部９１を制御してＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比、すなわちモータ粘性係数を元の値に戻させることにより、モータ部６０のコンプライアンスを衝撃検出前の状態に戻す。その後、ステップＳＰ１７に進んで、モータ部６０の各コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗに印加する駆動電流Ｉu、Ｉv、Ｉwの実効値を元に戻すようにＰＷＭ制御部９１を制御し、発生トルクＴoutを所定の値に戻す。そして演算処理部９０は、この後ステップＳＰ１１に戻り、この後は同様の処理繰り返す。
【０１６７】
このようにして、演算処理部９０は、対応するリンクに動的な負荷トルクが与えられたときに、これに応じて対応するアクチュエータＡ1〜Ａ24におけるモータ部６０のモータ粘性係数及び発生トルクを制御する。
【０１６８】
以上の構成において、このロボット１では、各アクチュエータＡ1〜Ａ24の出力軸７５と連結されたリンクに対してアクチュエータが破壊するおそれのある静的又は動的な負荷トルクが与えられた場合、アクチュエータＡ1〜Ａ24のコンプライアンスが向上するとともに、アクチュエータＡ1〜Ａ24の出力トルクが下がることにより、負荷トルクに応じて倣うようにそのリンクが変位する。
【０１６９】
例えば図３３に示した従来のトルク・リミッタ１３０を用いた場合と同様に衝撃によるアクチュエータＡ1〜Ａ24の破損を未然に防止することができる一方、かかる負荷吸収が電気的なアクチュエータＡ1〜Ａ24に対する制御のみによって行なわれる。従来のメカ的な構成を有するトルク・リミッタ１３０を用いる場合に比べ、本発明に係る負荷吸収に関するアクチュエータＡ1〜Ａ24の特性に大きなばらつきは生じ難く、また温度による影響も少ない。
【０１７０】
また、かかる負荷吸収の制御をアクチュエータＡ1〜Ａ24の通常の位置制御を行なう制御ＩＣ８０により併せて行なうことができる。すなわち、新たな部品を必要としないため、従来のメカ的な構成を有するトルク・リミッタ１３０を用いる場合に比してアクチュエータＡ1〜Ａ24全体としての構成を簡易化及び小型軽量化させることができる。
【０１７１】
以上の構成によれば、アクチュエータＡ1〜Ａ24の出力軸７５に連結されたリンクに新たに与えられた静的な負荷トルクと、アクチュエータＡ1〜Ａ24の発生トルクとの絶対値の和を電圧Ｖiとして検出し、当該和分が所定の第１の閾値ＳＨ１以上となったときに、発生トルクを下げるようにアクチュエータＡ1〜Ａ24を制御する。一方、当該リンクに与えられた動的な負荷トルクのエネルギ変化量を検出し、検出したエネルギ変化量が所定の第２の閾値ＳＨ２以上となったときに、発生トルクを下げるようにアクチュエータＡ1〜Ａ24を制御する。従来のメカ的な構成を有するトルク・リミッタ１３０を用いる場合に比べ、本発明に係る負荷吸収に関するアクチュエータＡ1〜Ａ24の特性に大きなばらつきは生じ難く、また温度による影響も少なくすることができ、使い勝手の良い負荷吸収装置を構築することができる。
【０１７２】
また、本発明に係る負荷吸収装置を構築したことにより、従来のメカ的な構成を有するトルク・リミッタ１３０を用いる場合に比し、アクチュエータＡ1〜Ａ24全体すなわちシステム全体としての構成を簡易化及び小型軽量化させることができる。
【０１７３】
Ｅ．ロボット全体での負荷吸収機構
上述したようなアクチュエータＡ1〜Ａ24の負荷吸収機構によれば、アクチュエータ・モータ単軸に対して過負荷が印加された場合には、負荷のＡＣ成分並びにＤＣ成分を好適に吸収し、モータや、モータの出力軸に印加されたリンクなどの部材の破損を回避し、被害が他の部材へと拡大するのを防止することができる。
【０１７４】
他方、脚式移動ロボットを始めとする多関節型ロボットは、関節アクチュエータ用の複数のモータと、これらモータの出力軸に連結されたリンクで構成される。このような場合、各モータ単体では過負荷を回避した状態であっても、複数のモータの総体で判断すると過負荷状態に陥っている場合も想定される。このような場合には、モータ毎の負荷吸収動作とは別に、機体全体としての負荷回避オペレーションが必要であると思料される。
【０１７５】
そこで、本実施形態に係るロボット１においては、個々のアクチュエータ・モータ単体での静的並びに動的な負荷トルクの吸収を実行するのに並行して、２以上のモータにおける負荷状態の合計が過負荷状態かどうかを監視し、モータ単体では過負荷状態ではなくても、腕部や脚部などの所定の部位単位、あるいは機体全体として過負荷状態に陥っているかどうかを検出することができる。
【０１７６】
そして、複数のモータの合計として過負荷が検出された場合には、モータ単体としての負荷吸収動作ではなく、機体全体として過負荷状態を取り除く機体保護オペレーションを実行する。ここで言う機体保護オペレーションとしては、例えば、該当するモータ群又は機体全体のモータへの電源遮断や、該当するモータ群又は機体全体のモータの脱力などが挙げられる。モータの脱力は、発生トルクをゼロにしたり、ゲイン調整などによりモータの粘性抵抗を低減したりすることにより実現する。
【０１７７】
例えば、ロボット１がうつ伏せの状態から起き上がろうとする動作の途上で、図２６に示すように、両脚が図中破線で示した障害物に接触し、そのまま動作を続けると実線矢印の方向に反力が加わる。この結果、右肩ピッチ、右腿ロール、右腿ピッチ、右足首ピッチの部位に負荷が加わる。このとき、各軸単軸では破損に至る負荷にはならないが、機体そのもののフレーム部分の塑性変形やカバー部分の破損に至る場合がある。
【０１７８】
このような状態を検知するために、各関節単軸のアクチュエータ負荷を消費する電流を検知することで検出し、それらを上位制御系で合計して機体全体の総合負荷として監視する。
【０１７９】
より具体的に説明するならば、各モータ単軸での負荷トルクＴは、上式（７）によりＴ＝Ｋvi・Ｖiすなわちモータへの印加電圧により監視されている。したがって、ｋ番目のアクチュエータＡk（但し、本実施形態では１≦ｋ≦２４）とし、その負荷トルクをＴkとすると、負荷トルク機体全体での負荷トルクの合計Ｔsumは下式で表される。
【０１８０】
【数１０】
【０１８１】
図２６に示すようにうつ伏せ姿勢から両手を床に着いて起き上がる動作を行なう場合には、左右の肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ5及びＡ9、左右の股関節ロール軸Ａ14及びＡ20、股関節ピッチ軸Ａ15及びＡ21、左右の足首関節ロール軸Ａ17及びＡ23に大きな負荷がかかり、上式（１０）は以下のように表される。そして、残りの関節アクチュエータにおける負荷トルクの合計Ｏ（ＴK）を無視することができる。
【０１８２】
【数１１】
【０１８３】
そして、その総合負荷の値Ｔsumが設定した閾値を一定時間以上超えた場合、機体の破損を回避するために、シャットダウンなどの機体保護シーケンスに入る。
【０１８４】
図２７には、アクチュエータ・モータ単軸での衝撃負荷並びに定常負荷の検出、複数軸における過大な負荷の検出、並びにそれぞれの負荷検出に応答した機体保護オペレーションを行なうための処理手順をフローチャートの形式で示している。
【０１８５】
まず、ある関節単軸において、破損に至る衝撃負荷が印加されたかどうかをチェックする（ステップＳ１）。アクチュエータに衝撃負荷が印加されたかどうかは、上式（６）に示した評価関数ｆ（ｔ）を用いて判別することができる。
【０１８６】
ここで、あるアクチュエータに衝撃負荷が印加されたことが判明した場合には、当該アクチュエータ内の負荷吸収機構が作動し、過負荷状態の回避を試みる（ステップＳ２）。より具体的には、制御ＩＣ８０内の演算処理部９０が図２４に示した負荷吸収処理手順ＲＴ２を実行し、評価関数ｆ（ｔ）が第２の閾値ＳＨ２を超えないように、モータ電流ＩR1をＰＷＭ制御する。
【０１８７】
そして、演算処理部９０は、ロボット１の運動制御を行なうミドルウェア層（図６を参照のこと）に負荷吸収動作を通知する（ステップＳ３）。
【０１８８】
ここで、過負荷状態を回避できた場合には（ステップＳ４）、姿勢・状態の復帰シーケンスに入る（ステップＳ５）。
【０１８９】
図２８には、アクチュエータに衝撃負荷が印加されたときの負荷吸収動作並びに復帰動作を行なうためのソフトウェア上のオペレーションを模式的に図解している。
【０１９０】
アクチュエータ内で衝撃負荷が印加されたことを検出すると（Ｓ１）、アクチュエータ内の負荷吸収機構（図２４を参照のこと）が作動し、モータ電流をＰＷＭ制御してモータの粘性係数を調整しながら過負荷状態の解消を試みる（Ｓ２）。そして、アクチュエータ内の演算制御部９０は、負荷吸収機構を作動させたことを、上位ソフトウェアすなわちミドルウェア層に通知する（Ｓ３）。ミドルウェア層は、過負荷状態を回避できたと判断した場合には（Ｓ４）、制御をアクチュエータに戻す（Ｓ５）。アクチュエータ側では、姿勢・状態の復帰シーケンスに入り、モータの粘性係数を元の値に戻す。
【０１９１】
再び図２７に戻って、負荷検出並びに機体保護オペレーションについて説明する。今度は、ある関節単軸において、破損に至る定常負荷が印加されたかどうかをチェックする（ステップＳ６）。アクチュエータに衝撃負荷が印加されたかどうかは、上式（２）を用いて判別することができる。
【０１９２】
ここで、あるアクチュエータに定常負荷が印加されたことが判明した場合には、当該アクチュエータ内の演算処理部９０は、ロボット１の運動制御を行なうミドルウェア層（図６を参照のこと）に過負荷状態を通知する（ステップＳ７）。
【０１９３】
ミドルウェア層は、過負荷状態に通知に応答して、当該アクチュエータ・モータのサーボ・ゲインの低下を指示する（ステップＳ８）。
【０１９４】
ここで、過負荷状態を回避できた場合には（ステップＳ４）、姿勢・状態の復帰シーケンスに入る（ステップＳ５）。
【０１９５】
図２９には、アクチュエータに衝撃負荷が印加されたときの負荷吸収動作並びに復帰動作を行なうためのソフトウェア上のオペレーションを模式的に図解している。
【０１９６】
アクチュエータ内で衝撃負荷が印加されたことを検出すると（Ｓ６）、上位ソフトウェアすなわちミドルウェア層に通知する（Ｓ７）。ミドルウェア層では、アクチュエータのサーボ・ゲインの低下を指示する（Ｓ８）。そして、ミドルウェア層は、過負荷状態を回避できたと判断した場合には（Ｓ４）、制御をアクチュエータに戻す（Ｓ５）。アクチュエータ側では、姿勢・状態の復帰シーケンスに入り、モータのサーボ・ゲインを元の値に戻す。
【０１９７】
再び図２７に戻って、負荷検出並びに機体保護オペレーションについて説明する。今度は、２以上の関節において同時に負荷が印加されたことにより過負荷状態に陥ったかどうかをチェックする（ステップＳ９）。具体的には、モータの印か電圧に基づいて監視される各アクチュエータの負荷トルク値の合計を表した上式（１０）又は（１１）に基づいて判断する。複数のモータの合計として過負荷が検出される状況として、例えば、ロボット１がうつ伏せの状態から起き上がろうとする動作の途上で両脚が障害物に接触し、そのまま動作を続けると反力が加わる場合（図２６を参照のこと）が想定される。
【０１９８】
ここで、過負荷状態が検出されると、ミドルウェア層の運動制御系を通じて機体保護モジュール部に通知し（ステップＳ１０）、機体保護オペレーションを起動する（ステップＳ１１）。機体保護オペレーションとして、例えば、全身又は該当する部位のアクチュエータ・モータの電源を遮断し、関節を脱力させるなどを行なう。
【０１９９】
図３０には、複数の関節軸における過負荷状態を検出し、機体保護動作を行なうためのミドルウェア層内の構成を模式的に示している。同図に示すように、ミドルウェア層内には、負荷監視モジュール部と機体保護モジュール部が配設されている。
【０２００】
負荷監視モジュール部は、複数のアクチュエータ・モータＡ1〜Ａ24から負荷状態（例えば、負荷トルクに相当する電圧検出値Ｖi）を同時並行して入力し、これらの合計値に基づいて機体全体についての負荷状態を検出する。
【０２０１】
また、機体保護モジュール部は、負荷監視モジュール部において過負荷状態が検出されたことに応答して起動し、機体保護オペレーションを実行する。例えば、全身又は該当する部位のアクチュエータ・モータの電源を遮断し、関節を脱力させるなどを行なう。
【０２０２】
また、図３１には、複数の関節軸における過負荷状態が検出されたときの負荷吸収動作並びに復帰動作を行なうためのソフトウェア上のオペレーションを模式的に図解している。
【０２０３】
ミドルウェア層内では、負荷監視モジュール部が複数の関節軸における過負荷状態を検出すると（Ｓ９）、機体保護モジュール部に通知する（Ｓ１０）。機体保護モジュール部は、これに応答して、機体保護オペレーションを実行する（Ｓ１１）。例えば、全身又は該当する部位のアクチュエータ・モータの電源を遮断し、関節を脱力させるなどを行なう。
【０２０４】
［追補］
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。
【０２０５】
本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行なう機械装置あるいはその他一般的な移動体装置であるならば、例えば玩具などのような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。
【０２０６】
本明細書では、本発明を図１〜図５について２足歩行型のロボット１に適用するようにした場合について述べたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、この他種々のロボット装置、あるいはロボット装置以外の可動部の動力源としてサーボ・モータを用いるこの他種々の装置に広く適用することができる。
【０２０７】
また、本明細書では、アクチュエータＡ1〜Ａ24の出力軸７５に連結されたリンクに新たに与えられた静的な負荷トルクと、アクチュエータＡ1〜Ａ24の発生トルクとの絶対値の和を検出し、この和分が所定の第１の閾値以上となったときに、発生トルクを下げるようにモータを制御する制御手段とを、上位コントローラからの動作指令ＣＯＭに基づいて当該アクチュエータＡ1〜Ａ24位置制御を行なう制御ＩＣ８０により構成するようにした場合について述べたが、本発明の要旨はこれに限らず、かかる和分検出手段及び制御手段を制御ＩＣ８０とは別個に設けるようにしても良い。
【０２０８】
また、本明細書では、アクチュエータＡ1〜Ａ24の出力軸７５に連結されたリンクに与えられた動的な負荷トルクのエネルギ変化量を検出するエネルギ変化量検出手段と、エネルギ変化量検出手段により検出されたエネルギ変化量が所定の閾値以上となったときに、発生トルクを下げるようにモータを制御する制御手段とを、上位コントローラからの動作指令ＣＯＭに基づいて当該アクチュエータＡ1〜Ａ24の位置制御を行なう制御ＩＣ８０により構成するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、かかるエネルギ変化量検出手段及び制御手段を制御ＩＣ８０とは別個に設けるようにしても良い。
【０２０９】
また、本明細書では、上式（９）における比例定数Ｋiを１．０、比例定数Ｋθを４．０に設定し、第２の閾値ＳＨ２を実験結果より最適と考えられる１．３〜４．０〔ｍＮ−ｍ・ｒａｄ／Ｓ２〕の範囲で設定するようにした場合について述べたが、本発明の要旨はこれに限らず、これら各比例定数Ｋi、Ｋθの値や、第２の閾値ＳＨ２の値としては、対応するアクチュエータの構造等に応じてこの他種々の値を適用することができる。
【０２１０】
また、本明細書では、駆動回路８１に対する電源供給ラインＬＩＮを流れる電流ＩR1の大きさを電圧Ｖiとして検出し、当該検出した電圧Ｖiに基づいてアクチュエータＡ1〜Ａ24の出力軸７５に連結されたリンクに与えられた静的な負荷トルクや、動的な負荷トルクのエネルギ変化量を検出するようにした場合について述べたが、本発明の要旨はこれに限らず、要は、これら静的な負荷トルク及び動的な負荷トルクのエネルギ変化量を確実に検出できるのであれば、その検出方法としては駆動回路８１に対する電源供給ラインＬＩＮを流れる電流ＩR1に基づくものでなくても良い。
【０２１１】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０２１２】
【図１】図１は、本実施の形態によるロボット１の外部構成を示した斜視図である。
【図２】図２は、ロボット１の外部構成を示した斜視図である。
【図３】図３は、ロボット１の外部構成を説明するための略線図である。
【図４】図４は、ロボット１の内部構成の説明するためのブロック図である。
【図５】図５は、ロボット１の内部構成の説明するためのブロック図である。
【図６】図６は、ロボット１上で稼動するソフトウェア制御構成を模式的に示した図である。
【図７】図７は、ミドルウェア層の内部構成を模式的に示した図である。
【図８】図８は、アプリケーション層の内部構成を模式的に示した図である。
【図９】図９は、アクチュエータＡ1〜Ａ24の内部構成を示した図である。
【図１０】図１０は、ロータ軸６４及びロータ軸磁極角度センサの構成を示した図である。
【図１１】図１１は、ロータ６６及びステータス鉄心６７Ａ〜６７Ｆの位置関係を示した図である。
【図１２】図１２は、トルク増幅部６１の構成を示した図である。
【図１３】図１３は、制御基板７７の構成を示した図である。
【図１４】図１４は、制御基板７７の構成を示した図である。
【図１５】図１５は、制御ＩＣ８０及び駆動回路８１の構成を示した図である。
【図１６】図１６は、コイルの終端をオープン状態並びに短絡状態にした場合におけるコイル電流の過渡応答特性を示した図である。
【図１７】図１７は、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号の波形例を示した図である。
【図１８】図１８は、付加論理回路９２の具体的構成を示した図である。
【図１９】図１９は、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比とモータ部６０の粘性係数の関係を示した図である。
【図２０】図２０は、アクチュエータに印加される負荷トルクのＡＣ成分とＤＣ成分を示した図である。
【図２１】図２１は、本発明に係る負荷吸収のメカニズムを説明するための図である。
【図２２】図２２は、本発明に係る負荷吸収のメカニズムを説明するための図である。
【図２３】図２３は、制御ＩＣ８０の演算処理部９０が実行する、第１の負荷吸収処理手順ＲＴ１を示したフローチャートである。
【図２４】図２４は、制御ＩＣ８０の演算処理部９０が実行する、第２の負荷吸収処理手順ＲＴ１を示したフローチャートである。
【図２５】図２５は、トルクの検出結果の例を示した図である。
【図２６】図２６は、ロボット１がうつ伏せの状態から起き上がろうとする動作の途上で、両脚で異物を挟み込む様子を示した図である。
【図２７】図２７は、アクチュエータ・モータ単軸での衝撃負荷並びに定常負荷の検出、複数軸における過大な負荷の検出、並びにそれぞれの負荷検出に応答した機体保護オペレーションを行なうための処理手順を示したフローチャートである。
【図２８】図２８は、アクチュエータに衝撃負荷が印加されたときの負荷吸収動作並びに復帰動作を行なうためのソフトウェア上のオペレーションを模式的に示した図である。
【図２９】図２９は、アクチュエータに定常負荷が印加されたときの負荷吸収動作並びに復帰動作を行なうためのソフトウェア上のオペレーションを模式的に示した図である。
【図３０】図３０は、複数の関節軸における過負荷状態を検出し、機体保護動作を行なうためのミドルウェア層内の構成を模式的に示した図である。
【図３１】図３１は、複数の関節軸における過負荷状態を検出し、負荷吸収動作並びに復帰動作を行なうためのソフトウェア上のオペレーションを模式的に示した図である。
【図３２】図３２は、運動エネルギＫEの変化量をみた場合と、評価関数ｆ（ｔ）を導入した場合における負荷吸収機構の応答特性の比較を示したチャートである。
【図３３】図３３は、従来のロボットにおける可動部の駆動の説明に供する概念図である。
【図３４】図３４は、従来のトルク・リミッタの構成を簡略的に示す概念図である。
【符号の説明】
【０２１３】
１…ロボット
６０…モータ部
６１…トルク増幅部
６２…モータ・ケース
６４…ロータ軸
６８、６８ｕ、６８ｖ、６８ｗ…コイル
７５…出力軸
７６…エンコーダ
８０…制御ＩＣ
８１…駆動回路
８２…電圧検出部
９０…演算処理部
９１…ＰＷＭ制御部
９２…付加理論回路
ＲＴ１…第１の衝撃吸収処理手順
ＲＴ２……第２の衝撃吸収処理手順
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータに印加された負荷を吸収するロボット装置、並びに負荷吸収装置及び負荷吸収方法に係り、特に、多関節型ロボットの関節駆動用アクチュエータとして用いられるモータのためのロボット装置、並びに負荷吸収装置及び負荷吸収方法に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、モータの破壊や機体の変形に至りかねない過大な負荷を好適に検出しモータへの過負荷が緩和するような制御を行なうロボット装置、並びに負荷吸収装置及び負荷吸収方法に係り、特に、複数のアクチュエータ・モータからなる多関節型ロボットにおいて、単軸若しくは複数軸のモータに過大な負荷が印加されて部材又は機体が破壊されてしまうことを防止するためのロボット装置、並びに負荷吸収装置及び負荷吸収方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行なう機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の“ＲＯＢＯＴＡ（奴隷機械）”に由来すると言われている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔ）であった。最近では、脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。ヒトの動作をモデルにした脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、若しくは「人間型」のロボット（ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ）と呼ぶ。
【０００４】
２足直立による脚式移動は、クローラ式や、４足又は６足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。
【０００５】
この種の脚式移動ロボットは、一般に、多数の関節自由度を備え、関節の動きをアクチュエータ・モータで実現するようになっている。すなわち、モータの出力軸には、腕や脚などの構造部材を構成するリンクが減速機を介して連結され、リンクの他端にはさらに次の関節駆動用モータが連結されている。また、各モータの回転位置、回転量などを取り出して、サーボ制御を行なうことにより、所望の動作パターンを再現するとともに、姿勢制御を行なうようになっている。
【０００６】
ロボットの関節自由度を実現するためにサーボ・モータを用いるのが一般的である。これは、取扱いが容易で、小型且つ高トルクで、しかも応答性に優れているという理由に依拠する。特に、ＡＣサーボ・モータは、ブラシがなく、メンテナンス・フリーであることから、無人化された作業空間で稼動することが望まれるような自動機械、例えば自由歩行を行なう脚式ロボットの関節アクチュエータなどに適用することができる。ＡＣサーボ・モータは、回転子（ロータ）側に永久磁石を、固定子（ステータ）側に複数相（例えば３相）のコイルを配置して、正弦波磁束分布と正弦波電流により回転子に対して回転トルクを発生させるようになっている。
【０００７】
高度な脚式移動ロボットは、歩行やその他の脚式作業を例えば自立的に行なう。さらにうつ伏せや仰向けなどの床上姿勢からの起き上がり動作や、腕を利用した物体の把持・運搬といった動作を行なうことができる。他方、転倒や進行途上の物体との衝突、あるいは計画軌道上で異物の挟み込みなどによって、過大な負荷が関節アクチュエータに印加されるケースが想定される。
【０００８】
このような過負荷によって、機体が破損したり、あるいは塑性変形を起こしてしまったりするなど、致命的な損傷を被ることがある。このため、関節アクチュエータを構成する各モータにおいて負荷吸収のための機構を採り入れることが重要であると思料される。
【０００９】
図３３には、ロボットを簡素なモデルで示している。すなわち、ロボットは、図示しない上位コントローラの制御の下で、モータ１２０を駆動し、その出力トルクを、ギア１２１を介してリンク１２２に与えることにより可動部を駆動し得るようになされている。
【００１０】
図示の例では、ギア１２１及びリンク１２２間にトルク・リミッタが設けられており、リンク１２２に与えられる外部からの衝撃をこのトルク・リミッタによって吸収することにより、衝撃に起因するモータ１２０の出力軸の変形などのモータ１２０等の破損を未然に防止し得るようになされている。
【００１１】
ここで、トルク・リミッタ（又はサーボ・セーバ）としては、従来から種々の形態のものが提案されている（例えば、特許文献１を参照のこと）。図３４には、トルク・リミッタの一構成例を示している。
【００１２】
図示のトルク・リミッタ１３０においては、リンク１３５に固定される環体１３１の内側に半環状の第１及び第２の摩擦板１３２Ａ、１３２Ｂが設けられている。これら第１及び第２の摩擦板１３２Ａ、１３２Ｂがゴム又は圧縮コイルばねなどの弾性体１３３を介してモータの出力軸１３４に固定されている。そして、第１及び第２の摩擦板１３２Ａ、１３２Ｂは、弾性体１３３により環体１３１の内壁面に一定の圧力で押し付けられている。
【００１３】
図示のトルク・リミッタ１３０においては、通常時には第１及び第２の摩擦板１３２Ａ、１３２Ｂと環体１３１との間に生じる摩擦力によってモータの出力軸１３４と一体に環体１３１を回転させることができる。一方、リンク１３５に衝撃が与えられるなどして環体１３１に第１及び第２の摩擦板１３２Ａ、１３２Ｂとの間の静止摩擦力よりも大きい負荷が与えられたときには、当該環体１３１と第１及び第２の摩擦板１３２Ａ、１３２Ｂとの間に滑りが生じることにより、モータの出力軸１３４に環体１３１と第１及び第２の摩擦板１３２Ａ、１３２Ｂとの間の動摩擦力以上の負荷がかからないようなっている。
【００１４】
ところが、かかる従来のトルク・リミッタ１３０においては、環体１３１と第１及び第２の摩擦板１３２Ａ、１３２Ｂとの間の静止摩擦係数の数値スペックが個体間でばらつき易いという問題がある。また、そのばらつきの幅も大きいためロボット全体としての設計マージンをとることが難しいなど使い難い。
【００１５】
また、従来のトルク・リミッタ１３０においては、環体１３１と第１及び第２の摩擦板１３２Ａ、１３２Ｂとの間の静止摩擦係数が温度によって変化し易く、この点においても使い難いという問題がある。
【００１６】
さらに従来のトルク・リミッタ１３０は、上述のように機構的に構成されているため、小型軽量化が難しく、その分モータを組込むロボット全体の小型軽量化の妨げとなるという問題もある。
【００１７】
【特許文献１】実開昭６０−１９２８９３号公報（第１図及び第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の目的は、多関節型ロボットの関節駆動用アクチュエータとして用いられるモータのための優れたロボット装置、並びに負荷吸収装置及び負荷吸収方法を提供することにある。
【００１９】
本発明のさらなる目的は、モータの破壊や機体の変形に至りかねない過大な負荷を好適に検出し、モータへの過負荷が緩和するような制御を行なうことができる、優れたロボット装置、並びに負荷吸収装置及び負荷吸収方法を提供することにある。
【００２０】
本発明のさらなる目的は、複数のアクチュエータ・モータからなる多関節型ロボットにおいて、単軸若しくは複数軸のモータに過大な負荷が印加されて部材又は機体が破壊されてしまうことを好適に防止することができる、優れたロボット装置、並びに負荷吸収装置及び負荷吸収方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、複数の可動関節部を有するロボット装置であって、
前記関節部を駆動する複数のモータと、
前記の各モータの負荷状態を検出する複数の第１の負荷状態検出手段と、
前記第１の過負荷状態検出手段により、いずれかのモータにおいて過負荷状態が検出されたことに応答して、当該モータに対する負荷を吸収するための動作を制御する負荷吸収動作制御手段と、
２以上の前記モータにおける負荷状態の合計が過負荷状態かどうかを検出する第２の負荷状態検出手段と、
前記第２の過負荷状態検出手段により過負荷状態が検出されたことに応答して、所定の機体保護動作を実行する機体保護動作制御手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置である。
【００２２】
脚式移動ロボットを始めとする多関節型ロボットは、関節アクチュエータ用の複数のモータと、これらモータの出力軸に連結されたリンクで構成される。このような場合、各モータ単体では過負荷を回避した状態であっても、複数のモータの総体で判断すると過負荷状態に陥っている場合も想定される。このような場合には、各モータ単体についての負荷吸収動作とは別に、機体全体としての負荷回避オペレーションが必要であると思料される。
【００２３】
本発明の第１の側面に係るロボット装置によれば、第２の負荷状態検出手段が、２以上のモータにおける負荷状態の合計が過負荷状態かどうかを監視し、モータ単体では過負荷状態ではなくても、腕部や脚部などの所定の部位単位、あるいは機体全体として過負荷状態に陥っているかどうかを検出することができる。そして、複数のモータの合計として過負荷が検出された場合には、モータ単体としての負荷吸収動作ではなく、機体全体として過負荷状態を取り除く機体保護オペレーションを実行するようになっている。
【００２４】
ここで言う機体保護オペレーションとしては、例えば、該当するモータ群又は機体全体のモータへの電源遮断や、該当するモータ群又は機体全体のモータの脱力などが挙げられる。モータの脱力は、発生トルクをゼロにしたり、サーボ・ゲイン調整などによりモータの粘性抵抗を低減したりすることにより実現する。
【００２５】
また、本発明の第２の側面は、モータに印加される負荷を吸収する負荷吸収装置であって、
前記モータの出力軸に連結されたリンクに印加されるトルクと前記モータによる発生トルクとの絶対値の和に基づいて負荷トルクを計測するトルク計測手段と、
前記トルク計測手段により検出された負荷トルクが所定時間以上継続して第１の閾値を越えたことに応答して過負荷状態を検出する過負荷状態検出手段と、
前記過負荷検出手段により過負荷状態が検出されたことに応答して、前記モータへの負荷を吸収するための動作を制御する負荷吸収動作制御手段と、
を具備することを特徴とする負荷吸収装置である。
【００２６】
また、本発明の第３の側面は、モータに印加される負荷を吸収する負荷吸収装置であって、
前記モータの出力軸に与えられる運動エネルギを計測する運動エネルギ計測手段と、
前記運動エネルギ計測手段により検出された運動エネルギの変化量が第２の閾値を越えたことに応答して過負荷状態を検出する過負荷状態検出手段と、
前記過負荷検出手段により過負荷状態が検出されたことに応答して、前記モータへの負荷を吸収するための動作を制御する負荷吸収動作制御手段と、
を具備することを特徴とする負荷吸収装置である。
【００２７】
また、本発明の第４の側面は、モータに印加される負荷を吸収する負荷吸収装置であって、
前記モータの出力軸に連結されたリンクに印加されるトルクと前記モータによる発生トルクとの絶対値の和に基づいて負荷トルクを計測するトルク計測手段と、
前記モータの出力軸に与えられる運動エネルギの変化量を計測する運動エネルギ変化量計測手段と、
前記トルク計測手段により検出された負荷トルク又は前記運動エネルギ変化量計測手段により計測された運動エネルギ変化量に基づいて過負荷状態を検出する過負荷状態検出手段と、
前記過負荷状態検出手段により過負荷状態が検出されたことに応答して、前記モータへの負荷を吸収するための動作を制御する負荷吸収動作制御手段と、
を具備することを特徴とする負荷吸収装置である。
【００２８】
脚式移動ロボットを始めとする多関節型ロボットは、一般に、関節アクチュエータ用の複数のモータと、これらモータの出力軸に連結されたリンクで構成される。ここで、歩行やその他の脚式作業中において、転倒や進行途上の物体との衝突、あるいは計画軌道上での異物の挟み込みなどによって、過大な負荷が関節アクチュエータ用のモータに印加されるケースが想定される。このような過負荷によって、機体が破損（リンクが折れる、減速ギアの歯が欠ける）したり、あるいは塑性変形を起こしてしまったりするなど、致命的な損傷を被ることがある。
【００２９】
ここで、関節アクチュエータ用のモータに印加される負荷トルクには、衝突などによりリンクなどの部材の破壊に至る歪みエネルギを被るインパルス的な、いわば「衝撃負荷」と、このような衝撃負荷ほど高いトルクではないが、比較的高い負荷トルクが一定時間以上継続して（すなわち定常的に）印加され部材の塑性変形を招来する、いわば「定常負荷」に大別することができる。後者の定常的な負荷トルク値は、例えば使用するモータのストール・トルク近傍、あるいは回路保護の限界などの閾値である。本発明者らは、衝撃負荷を負荷トルクのＡＣ成分、定常負荷を負荷トルクのＤＣ成分としてそれぞれ位置付けている。
【００３０】
本発明の第１の側面によれば、定常負荷すなわち負荷トルクのＤＣ成分を、前記モータの出力軸に連結されたリンクに印加されるトルクと前記モータによる発生トルクの絶対値の和に基づいて検出し、負荷トルクが所定時間以上継続して第１の閾値を越えたことに応答して、負荷のＤＣ成分が過大であることを認識することができる。モータのトルクはモータ通電電流に比例するという性質から、モータ電流を電流−電圧変換することを経てトルクを計測することができる。
【００３１】
ここで言う第１の閾値は、例えば使用するモータのストール・トルク近傍、あるいは回路保護の限界などの閾値で構成される。
【００３２】
そして、定常負荷による破損を回避するために、モータの発生トルクを低減する、あるいはモータの粘性係数を低減するなど、所定の負荷吸収動作を実行することができる。このような負荷吸収装置は、個体間でのばらつきが少なく、また、温度の影響が低い。また、トルク検出の構成が簡素であることから、モータに内蔵しても小型軽量化を実現することができる。
【００３３】
また、本発明の第２の側面によれば、モータの出力軸に与えられる運動エネルギの変化量がモータに印加されるトルクと角速度の積に比例するという性質に基づいて、運動エネルギ変化量に基づいて負荷トルクを検出し、この負荷トルクが部材の破壊に至るような第２の閾値を越えたことに応答して、負荷のＡＣ成分が過大であることを認識することができる。
【００３４】
そして、衝撃負荷による破損を回避するために、モータの発生トルクを低減する、あるいはモータの粘性係数を低減するなど、所定の負荷吸収動作を実行することができる。このような負荷吸収装置は、個体間でのばらつきが少なく、また、温度の影響が低い。また、トルク検出の構成が簡素であることから、モータに内蔵しても小型軽量化を実現することができる。
【００３５】
ここで、負荷トルクのＡＣ成分に関しては、インパルス的な性質を持つことから、瞬時に過負荷域に到達してしまい、負荷吸収動作が間に合わない、という可能性がある。上述したように、運動エネルギの変化量がモータに印加されるトルクと角速度の積に比例するという性質に基づいた場合、トルクが過負荷域に到達するまで待たなければ過負荷を検出することができないが、これでは応答性に問題がある。
【００３６】
そこで、単に運動エネルギの変化量を計測するのではなく、運動エネルギを時間軸上で２階微分して、変化量の傾きをみて、この傾きが所定値以上であれば過負荷域に到達することを予測し、応答性よく負荷吸収動作を実行するようにすれば良い。
【００３７】
また、運動エネルギの時間による２階微分は、トルク変化速度と角速度の積で近似することができる。一方、モータのトルクはモータ電流に比例するという性質により、モータ電流を電流−電圧変換することを経てトルクを計測できるので、その時間微分によりトルクの変化速度を取り出すことができる。
【００３８】
さらに、本発明の第３の側面に係る負荷吸収装置は、モータに印加される負荷トルクのＡＣ成分とＤＣ成分の双方を検出して負荷吸収動作を実行することができるので、脚式移動ロボットが自律動作を行なう際に、予期しないで機体が被るさまざまな衝撃に対応することが可能となる。
【００３９】
本発明の第１乃至第３の側面に係る負荷吸収装置によれば、モータ単軸に対して過負荷が印加された場合には、負荷のＡＣ成分並びにＤＣ成分を好適に吸収し、モータや、モータの出力軸に印加されたリンクなどの部材の破損を回避し、被害が他の部材へと拡大するのを防止することができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、多関節型ロボットの関節駆動用アクチュエータとして用いられるモータのための優れたロボット装置、並びに負荷吸収装置及び負荷吸収方法を提供することができる。
【００４１】
また、本発明によれば、モータの破壊や機体の変形に至りかねない過大な負荷を好適に検出し、モータへの過負荷が緩和するような制御を行なうことができる、優れたロボット装置、並びに負荷吸収装置及び負荷吸収方法を提供することができる。
【００４２】
また、本発明によれば、複数のアクチュエータ・モータからなる多関節型ロボットにおいて、単軸若しくは複数軸のモータに過大な負荷が印加されて部材又は機体が破壊されてしまうことを好適に防止することができる、優れたロボット装置、並びに負荷吸収装置及び負荷吸収方法を提供することができる。
【００４３】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００４５】
Ａ．本実施の形態によるロボットの構成
図１及び図２には、本発明の一実施形態に係る脚式移動ロボットの全体構成を示している。また、図３には、ロボットの自由度構成を模式的に示している。参照番号１は２足歩行型のロボット全体を示している。ロボット１の胴体部ユニット２の上部に頭部ユニット３が配設されるとともに、胴体部ユニット２の上部左右にそれぞれ同じ構成の腕部ユニット４Ａ、４Ｂがそれぞれ配設され、且つ胴体部ユニット２の下部左右に同じ構成の脚部ユニット５Ａ、５Ｂがそれぞれ所定位置に取り付けられている。
【００４６】
胴体部ユニット２は、体幹上部を形成するフレーム１０及び体幹下部を形成する腰ベース１１が腰関節機構１２を介して連結することにより構成されている。そして、体幹下部の腰ベース１１に固定された腰関節機構１２の各アクチュエータＡ1、Ａ2をそれぞれ駆動することによって、体幹上部を図３に示す直交するロール軸１３及びピッチ軸１４の回りにそれぞれ独立して回転させることができる。
【００４７】
また、頭部ユニット３は、フレーム１０の上端に固定された肩ベース１５の上面中央部に首関節機構１６を介して取り付けられている。そして、首関節機構１６の各アクチュエータＡ3、Ａ4をそれぞれ駆動することによって、図３に示す直交するピッチ軸１７及びヨー軸１８の回りにそれぞれ独立に回転させることができる。
【００４８】
また、各腕部ユニット４Ａ、４Ｂは、それぞれ肩関節機構１９を介して肩ベース１５の左右に取り付けられている。そして、左右それぞれ対応する肩関節機構１９の各アクチュエータＡ5、Ａ6並びにＡ9、Ａ10をそれぞれ駆動することによって、図３に示す直交するピッチ軸２０及びロール軸２１の回りにそれぞれ独立に回転させることができる。
【００４９】
図示の例では、左右各腕部ユニット４Ａ、４Ｂは、それぞれ上腕部を形成するアクチュエータＡ7並びにＡ11の出力軸に肘関節機構２２を介して前腕部を形成するアクチュエータＡ8並びにＡ12が連結され、前腕部の先端に手部２３が取り付けられている。左右の各腕部ユニット４Ａ、４Ｂでは、各アクチュエータＡ7並びにＡ11を駆動することによって、前腕部を図３に示すヨー軸２４の回りに回転させることができる。また、各アクチュエータＡ8並びにＡ12を駆動することによって、前腕部を図３に示すピッチ軸２５の回りに回転させることができる。
【００５０】
また、各脚部ユニット５Ａ、５Ｂは、股関節機構２６を介して体幹下部の腰ベース１１にそれぞれ取り付けられている。そして、左右それぞれに対応する股関節機構２６の各アクチュエータＡ13〜Ａ18並びにＡ19〜Ａ24を駆動することによって、図３に示す互いに直交するヨー軸２７、ロール軸２８及びピッチ軸２９の回りにそれぞれ独立に回転させることができる。
【００５１】
図示の例では、各脚部ユニット５Ａ、５Ｂは、それぞれ大腿部を形成するフレーム３０の下端に膝関節機構３１を介して下腿部を形成するフレーム３２が連結されるとともに、フレーム３２の下端に足首関節機構３３を介して足部３４が連結されている。左右の各脚部ユニット５Ａ、５Ｂでは、膝関節機構３１を形成するアクチュエータＡ16又はＡ22を駆動することによって、下腿部を図３に示すピッチ軸３５の回りに回転させることができる。また、左右の足首関節機構３３のアクチュエータＡ17、Ａ18又はＡ23、Ａ24をそれぞれ駆動することによって、足部３４を図３に示す直交するピッチ軸３６及びロール軸３７の回りにそれぞれ独立して回転させることができる。
【００５２】
図４には、本実施形態に係る脚式移動ロボット１の制御構成を模式的に示している。胴体部ユニット２の体幹下部を形成する腰ベース１１の背面側には、ロボット１全体の動作制御を司るメイン制御部４０と、電源回路及び通信回路などの周辺回路４１と、バッテリ４５となどが収納されてなる制御ユニット４２が配設されている。
【００５３】
また、図５には、制御ユニット４２の内部構成を模式的に示している。制御ユニット４２は、各構成ユニット（胴体部ユニット２、頭部ユニット３、各腕部ユニット４Ａ、４Ｂ及び各脚部ユニット５Ａ、５Ｂ）内にそれぞれ配設された各サブ制御部４３Ａ〜４３Ｄと接続しており、これらサブ制御部４３Ａ〜４３Ｄに対して必要な電源電圧を供給したり、これらサブ制御部４３Ａ〜４３Ｄとデータ通信を行なったりすることができる。
【００５４】
各サブ制御部４３Ａ〜４３Ｄは、それぞれ対応する構成ユニット内の各アクチュエータＡ1〜Ａ24と接続しており、構成ユニット内の各アクチュエータＡ1〜Ａ24をメイン制御部４０から与えられる各種制御コマンドに基づいて指定された状態に駆動する。
【００５５】
頭部ユニット３には、図５に示すように、このロボット１の「目」として機能するＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）カメラ５０や、「耳」として機能するマイクロホン５１などの各種外部センサと、「口」として機能するスピーカ５２となどの出力装置がそれぞれ所定位置に配設されている。また、手部２３の表面や足部３４の底面部などには、外部センサとしてのタッチ・センサ５３が配設されている。さらに、制御ユニット４２内には、バッテリ・センサ５４や、加速度センサ５５など、各種の内部センサが配設されている。
【００５６】
ＣＣＤカメラ５０は、周囲の状況を撮像し、得られた画像信号Ｓ１Ａをメイン制御部に送出する。また、マイクロホン５１は、各種外部音を集音し、得られた音声信号Ｓ１Ｂをメイン制御部４０に送出する。また、タッチ・センサ５３は、ユーザからの物理的な働きかけや、外部との物理的な接触を検出し、検出結果を圧力検出信号Ｓ１Ｃとしてメイン制御部４０に送出する。また、バッテリ・センサ５４は、主電源としてのバッテリ４５の残量を所定周期毎に検出し、バッテリ残量検出信号Ｓ２Ａとしてメイン制御部４０に送出する。また、加速度センサ５６は、３軸方向（ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸）の加速度を所定周期毎に検出し、加速度検出信号Ｓ２Ｂとしてメイン制御部４０に送出する。
【００５７】
メイン制御部４０は、ＣＣＤカメラ５０、マイクロホン５１、タッチ・センサ５３などからそれぞれ供給される外部センサ出力としての画像信号Ｓ１Ａ、音声信号Ｓ１Ｂ及び圧力検出信号Ｓ１Ｃなどと、バッテリ・センサ５４や加速度センサ５５などからそれぞれ供給される内部センサ出力としてのバッテリ残量検出信号Ｓ２Ａ及び加速度検出信号Ｓ２Ｂなどに基づいて、ロボット１の周囲及び内部の状況や、外部物体との接触などを判断する。
【００５８】
そして、メイン制御部４０は、この判断結果と、あらかじめ内部メモリ４０Ａに格納されている制御プログラムと、そのとき装填されている外部メモリ５６に格納されている各種制御パラメータとに基づいて続く行動を決定し、決定結果に基づく制御コマンドを対応するサブ制御部４３Ａ〜４３Ｄに送出する。この結果、この制御コマンドに基づき、そのサブ制御部４３Ａ〜４３Ｄの制御の下に、対応するアクチュエータＡ1〜Ａ24が駆動され、かくして頭部ユニット３を上下左右に揺動させたり、腕部ユニット４Ａ、４Ｂを上にあげたり、歩行するなどの行動がロボット１により発現されることとなる。
【００５９】
また、メイン制御部４０は、音声信号Ｓ１Ｂに基づく音声認識処理によりユーザの発話内容を認識するとともに、認識結果に応じた音声信号Ｓ３をスピーカ５２に与えることにより、ユーザと対話するための合成音声を外部に出力させる。
【００６０】
このようにして、ロボット１は、周囲及び内部の状況などに基づいて自律的に行動することができ、またユーザと対話することもができる。
【００６１】
図６には、本実施形態に係る脚式移動ロボット１上で稼動するソフトウェア制御構成を模式的に示している。
【００６２】
同図に示すように、ロボット制御用のソフトウェアは、複数層のソフトウェアで構成される階層構造を備え、制御用ソフトウェアにはオブジェクト指向プログラミングを採り入れることができる。各ソフトウェアは、データとそのデータに対する処理手続きとを一体化させた「オブジェクト」というモジュール単位で扱われる。
【００６３】
最下層のデバイス・ドライバは、各関節アクチュエータの駆動やセンサ出力の受信などハードウェアに対して直接アクセスすることを許容されたオブジェクトであり、ハードウェアからの割り込み要求に応答して該当する処理を行なう。
【００６４】
仮想ロボットは、各種デバイス・ドライバと所定のオブジェクト間通信プロトコルに基づいて動作するオブジェクトとの仲介となるオブジェクトである。脚式移動ロボット１を構成する各ハードウェア装置へのアクセスは、この仮想ロボットを介して行なわれる。
【００６５】
サービス・マネージャは、コネクション・ファイルに記述されたオブジェクト間の接続情報を基に、各オブジェクトに接続を促すシステム・オブジェクトである。
【００６６】
システム層（ＯＳ）より上位のソフトウェアは、オブジェクト（プロセス）毎にモジュール化されており、必要な機能毎にオブジェクトを選択して置換容易な構成になっている。したがって、コネクション・ファイルを書き換えることで、データ型が一致するオブジェクトの入出力を自由に接続することができる。
【００６７】
デバイス・ドライバ層とシステム層以外のソフトウェア・モジュールは、ミドルウェア層とアプリケーション層に大別される。
【００６８】
図７には、ミドルウェア層の内部構成を模式的に図解している。
【００６９】
ミドルウェア層は、脚式移動ロボット１の基本的な機能を提供するソフトウェア・モジュールの集まりであり、各モジュールの構成は脚式移動ロボット１の機械的・電気的な特性や仕様、形状などハードウェア属性の影響を受ける。このミドルウェア層は、機能的に、認識系のミドルウェア（図７の左半分）と、出力系のミドルウエア（図７の右半分）に分けることができる。
【００７０】
認識系のミドルウェアでは、画像データや音声データ、その他のセンサから得られる検出データなど、ハードウェアから供給される生データを仮想ロボット経由で受け取ってこれらを処理する。例えば、各種入力情報に基づき、音声認識、距離検出、姿勢検出、接触、動き検出、色認識などの処理を行ない、認識結果を得る（例えば、「ボールを検出した」、「転倒を検出した」、「撫でられた」、「叩かれた」、「ドミソの音階が聞こえた」、「（動く物体を）検出した」、「（障害物を）検出した」、「（障害物を）認識した」など）。認識結果は、入力セマンティクス・コンバータを介して上位のアプリケーション層に通知され、その後の行動計画や学習などに利用される。
【００７１】
一方、出力系のミドルウェアでは、歩行、動きの再生、出力音の合成、目に相当するＬＥＤの点灯制御などの機能を提供する。すなわち、アプリケーション層において立案された行動計画を出力セマンティクス・コンバータ経由で受信処理し、脚式移動ロボット１の機能毎にロボットの各ジョイントのサーボ指令値や出力音、出力光（ＬＥＤ）、出力音声などを生成し、仮想ロボットを介して脚式移動ロボット１の機体動作として発現する。また、本実施形態では、複数のアクチュエータ・モータの総体での過負荷状態を検出する負荷監視モジュール部や、かかる過負荷状態の検出に応答して機体保護動作を実行するモジュール部などを含んでいる（後述）。
【００７２】
図８には、アプリケーション層の内部構成を模式的に図解している。アプリケーション層は、脚式移動ロボット１の機体動作や本能・感情などの内部状態を制御する１以上のアプリケーション・ソフトウェアで構成される。
【００７３】
アプリケーションは、入力セマンティクス・コンバータ経由で受け取った認識結果を使って、脚式移動ロボット１の行動計画を決定して、出力セマンティクス・コンバータ経由で決定された行動を返す。
【００７４】
アプリケーションは、ロボットの感情をモデル化した感情モデルと、本能をモデル化した本能モデルと、外部事象を逐次記憶していく学習モジュールと、行動パターンをモデル化した行動モデルと、行動モデルによって決定された行動の出力先を切り替える行動切替部とで構成される。
【００７５】
入力セマンティクス・コンバータ経由で入力される認識結果は、感情モデル、本能モデル、行動モデルに入力されるとともに、学習モジュールには学習教示信号として入力される。
【００７６】
行動モデルによって決定された脚式移動ロボット１の行動は、行動切替部並びに出力セマンティクス・コンバータ経由でミドルウェアに送信され、脚式移動ロボット１の機体上で実行される。あるいは、行動切替部を介して、行動履歴として感情モデル、本能モデル、学習モジュールに、行動履歴として供給される。
【００７７】
感情モデルと本能モデルは、それぞれ認識結果と行動履歴を入力に持ち、感情値と本能値を管理している。行動モデルは、これら感情値や本能値を参照することができる。また、学習モジュールは、学習教示信号に基づいて行動選択確率を更新して、更新内容を行動モデルに供給する。
【００７８】
Ｂ．アクチュエータＡ1〜Ａ24の構成
既に述べたように、本実施形態に係る脚式移動ロボット１の各関節自由度は、アクチュエータＡ1〜Ａ24によって実現される。
【００７９】
図９には、アクチュエータＡ1〜Ａ24の内部構成を示している。同図に示すように、アクチュエータＡ1〜Ａ24は、回転トルクを発生させるモータ部６０と、当該モータ部６０において発生された回転トルクを増幅して出力するトルク増幅部６１で構成されている。
【００８０】
モータ部６０においては、金属等の導電材からなるモータ・ケース６２の内部に回転軸受け６３Ａ、６３Ｂにより回転自在に枢支されたロータ軸６４が設けられている。図１０には、ロータ軸６４及びロータ軸磁極角度センサの構成を示している。同図に示すように、ロータ軸６４にロータ基体６５が２極に着磁されたリング状の永久磁石でなるロータ・マグネット６５が同軸に一体化されることによりロータ６６が形成されている。
【００８１】
また、図１１には、ロータ６６及びステータス鉄心６７Ａ〜６７Ｆの位置関係を図解している。モータ・ケース６２の内側には、同図に示すように、ロータ６６を取り囲むように６つのステータ鉄心６７Ａ〜６７Ｆが等間隔（６０°間隔）で固着されている。これら各ステータ鉄心６７（６７Ａ〜６７Ｆ）には、それぞれ巻線が施され、３相のコイル６８（６８ｕ、６８ｖ、６８ｗ）を構成している。
【００８２】
図示のように、３組のそれぞれ対向する２つのコイル６８をそれぞれｕ相、ｖ相、及びｗ相とする。そして、これらｕ相、ｖ相及びｗ相の各コイル６８にそれぞれ１２０度ずつ位相がずれたコイル電流を印加し、各コイル６８に駆動電流の電流値に応じた強さの磁界を発生させることによって、ロータ６６を介してコイル電流の電流値に応じた大きさの回転トルクをロータ６６に発生させることができる。
【００８３】
図１２には、トルク増幅部６１の構成を示している。図６並びに図９から分かるように、トルク増幅部６１においては、モータ・ケース６２の先端部に着脱自在に固定されたギア・ケース６９を有する。そして、ギア・ケース６９の内部には、ギア・ケース６９の内側面に固定された環状の内歯車７０と、ロータ軸６４の先端部に固定された太陽歯車７１と、内歯車７０及び太陽歯車７１間に１２０度の間隔で配置された第１〜第３の遊星歯車７２Ａ〜７２Ｃからなる遊星歯車機構７３が設けられている。
【００８４】
また、遊星歯車機構７３を構成する第１〜第３の遊星歯車７２Ａ〜７２Ｃの各軸７４Ａ〜７４Ｃは、それぞれギア・ケース６９の先端に回転自在に配置された出力軸７５に固定されている。これにより、トルク増幅部６１においては、モータ部６０からロータ軸６４を介して与えられる回転トルクを、遊星歯車機構７３を介して増幅して出力軸７５に伝達し、当該出力軸７５を介して外部に出力することができる。
【００８５】
また、モータ部６０のモータ・ケース６２の内部には、ロータ軸６４の回転一を検出するエンコーダ７６と、外部の上位コントローラ（対応するサブ制御部４３Ａ〜４３Ｄ）からの動作指令に基づいて出力軸６４の回転角度、回転トルクなどを制御する制御基板７７が収納されている（図９を参照のこと）。
【００８６】
この場合、エンコーダ７６は、ロータ６６のロータ基体６５の前端面に固着された、２極に着磁された樹脂マグネット７８と、第１及び第２のホール素子７９Ａ、７９Ｂで構成されている（図１０（Ｃ）を参照のこと）。図１３には制御基板７７の構成を示している。同図（Ｂ）に示すように、第１及び第２のホール素子７９Ａ、７９Ｂは、ロータ軸６４と同心円状に９０度の位相差を以って位置するように制御基板７７に搭載されている。
【００８７】
また、エンコーダ７６は、ロータ６６のロータ基体６５の前端面に固着された、２極に着磁された樹脂マグネット７８と、第１及び第２のホール素子７９Ａ、７９Ｂで構成されている（図１０（Ｃ）を参照のこと）。図１３及び図１４には、制御基板７７の構成を示している。同図（Ｂ）に示すように、第１及び第２のホール素子７９Ａ、７９Ｂは、ロータ軸６４と同心円状に９０度の位相差を以って位置するように制御基板７７に搭載されている。このような構成により、エンコーダ７６においては、ロータ軸６４の回転位置を、ローラ軸６４と一体に回転する樹脂マグネット７８の回転に伴また、本実施形態では、複数のアクチュエータ・モータの総体での過負荷状態を検出する負荷監視モジュール部や、かかる過負荷状態の検出に応答して機体保護動作を実行するモジュール部などを含んでいる（後述）。第１及び第２のホール素子７９Ａ、７９Ｂの配設位置における磁束密度の変化として検出することができる。
【００８８】
また、図１４に示すように、制御基板７７においては、環状に形成されたプリント配線板の一面側に、制御ＩＣ８０が搭載されるとともに、制御ＩＣ８０の制御の下にモータ部６０の各コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗに駆動電流Ｉu、Ｉv、Ｉwを供給する駆動回路８１が形成されることにより構成されている。制御ＩＣ８０は、第１及び第２のホール素子７９Ａ、７９Ｂの出力をそれぞれ第１及び第２の位置検出信号Ｓ１０Ａ、Ｓ１０Ｂとして入力し、これら入力値に基づいてロータ軸６４の回転位置を検出することができる。
【００８９】
また、制御基板７７においては、ケーブル８３（図９を参照のこと）を通じて上位コントローラ（対応するサブ制御部）と接続されており、かくして制御ＩＣ８０がこのケーブル８３経由で上位コントローラと通信し、且つ電源電圧ＶCCを入力する。
【００９０】
制御ＩＣ８０は、ケーブル８３を介して上位コントローラから与えられる動作指定ＣＯＭと、第１及び第２の位置検出信号Ｓ１０Ａ、Ｓ１０Ｂに基づいて駆動回路８１を制御することにより、モータ部６０のｕ相、ｖ相及びｗ相の各コイル６８に対してそれぞれ対応する電流値の駆動電流Ｉu、Ｉv、Ｉwを印加する。これにより、上位コントローラからの動作指令ＣＯＭに応じた回転角度又は回転トルクとなるようにモータ部６０を回転駆動させることができる。
【００９１】
Ｃ．制御ＩＣ８０及び駆動回路８１の具体的構成
図１５には、制御ＩＣ８０及び駆動回路８１の構成を示している、同図に示すように、制御ＩＣ８０は、演算処理部９０、ＰＷＭ制御部９１及び付加論理回路９２から構成されている。
【００９２】
演算処理部９０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭなどを含むマイクロコンピュータ構成でなり、上位コントローラからの動作指令ＣＯＭに基づくモータ部６０のロータ軸６４の目標とすべき回転位置と、このときエンコーダ７６から与えられる第１及び第２の位置検出信号Ｓ１０Ａ、Ｓ１０Ｂに基づき算出される現在のロータ軸６４の回転位置との差分を演算するとともに、この差分を解消するために目標とすべき出力トルク（以下、これを目標トルクと呼ぶ）を演算し、当該演算結果をトルク指令信号Ｓ１２としてＰＷＭ制御部９１に送出する。
【００９３】
ＰＷＭ制御部９１は、供給されるトルク指令信号Ｓ１２に基づいて、モータ部６０の出力トルクとして目標トルクを得られるように、付加論理回路９２を介して駆動回路８１をＰＷＭ制御する。
【００９４】
駆動回路８１は、ｕ相用の一対のＰＮＰ型トランジスタＴＲu1及びＮＰＮ型トランジスタＴＲu2と、ｖ相用の一対のＰＮＰ型トランジスタＴＲv1及びＮＰＮ型トランジスタＴＲv2と、ｗ相用の一対のＰＮＰ型トランジスタＴＲw1及びＮＰＮ型トランジスタＴＲw2で構成されている。
【００９５】
各ＰＮＰ型トランジスタＴＲu1、ＴＲv1、ＴＲw1は、それぞれエミッタが電源電圧ＶCCに接続されるとともに、コレクタがそれぞれ対をなすＮＰＮ型トランジスタＴＲu2、ＴＲv2、ＴＲw2のコレクタと接続され、各ＮＰＮ型トランジスタＴＲu2、ＴＲv2、ＴＲw2は、それぞれエミッタが接地されている。また、各ＰＮＰ型トランジスタＴＲu1、ＴＲv1、ＴＲw1のコレクタと、これと対をなすＮＰＮ型トランジスタＴＲu2、ＴＲv2、ＴＲw2のコレクタとの各接続中点Ｐ１〜Ｐ３は、ｕ相用のコイル６８ｕ及びｗ相用のコイル６８ｗの接続中点Ｐ４、ｕ相用のコイル６８ｕ及びｖ相用のコイル６８ｖの接続中点Ｐ６、並びにｖ相用のコイル６８ｖ及びｗ相用のコイル６８ｗの接続中点Ｐ６とそれぞれ接続されている。
【００９６】
駆動回路８１におけるｕ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲu1及びｖ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲv2をオンにするとともに、ｕ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲu2及びｖ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲv1をオフにすることによって、ｕ相のコイル６８ｕを通電状態とさせて矢印方向に駆動電流Ｉuを流すことができる。また、ｕ相用及びｖ相用の各ＰＮＰ型トランジスタＴＲu1、ＴＲv1をオフ、ｕ相用及びｖ相用の各ＮＰＮ型トランジスタＴＲu2、ＴＲv2をオフとすることによって、端子Ｐ４、Ｐ５をオープン状態とし、ｕ相のコイル６８ｕの非通電状態とすることができる。
【００９７】
同様に、駆動回路８１におけるｖ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲv1及びｗ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲw2をオンにするとともに、ｖ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲv2及びｗ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲw1をオフにすることによって、ｖ相のコイル６８ｖを通電状態とさせて矢印方向に駆動電流Ｉvを流すことができる。また、ｖ相用及びｗ相用の各ＰＮＰ型トランジスタＴＲv1、ＴＲw1をオフ、各ＮＰＮ型トランジスタＴＲv2、ＴＲw2をオフとすることによって、端子Ｐ５、Ｐ６をオープン状態とし、ｖ相のコイル６８ｖの非通電状態とすることができる。
【００９８】
また同様に、駆動回路８１におけるｗ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲw1及びｕ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲu2をオンにするとともに、ｗ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲw2及びｕ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲu1をオフにすることによってｗ相のコイル６８ｗを通電状態とさせて矢印方向に駆動電流Ｉwを流すことができる。また、ｗ相用及びｕ相用の各ＰＮＰ型トランジスタＴＲw1、ＴＲu1をオフ、各ＮＰＮ型トランジスタＴＲw2、ＴＲu2をオフとすることによって、端子Ｐ６、Ｐ４をオープン状態とし、ｗ相のコイル６８ｗの非通電状態とすることができる。
【００９９】
このようにして、ＰＷＭ制御部９１は、駆動回路８１のｕ相用、ｖ相用及びｗ相用の各ＰＮＰ型トランジスタＴＲu1、ＴＲv1、ＴＲw1及び各ＮＰＮ型トランジスタＴＲu2、ＴＲv2、ＴＲw2のベースに対してトルク指令信号Ｓ１２に基づいて得られる目標トルクに応じた第１〜第６のＰＷＭ信号Ｓ１３u1、Ｓ１３u2、Ｓ１３v1、Ｓ１３v2、Ｓ１３w1、Ｓ１３w2を印加することにより、ｕ相、ｖ相及びｗ相の各コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗをそれぞれ所定のタイミングで通電状態及び非通電状態に順次切り換え、これによりモータ部６０を回転駆動させることができる。
【０１００】
なお、このようなＰＷＭ制御によりモータ部６０の位置制御を行なう場合、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの非通電時に当該コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６をオープン状態とすると、モータ部６０に通電された電流（厳密には電荷）が抜けてしまうことによるトルク・ロスの発生や、コギングによるトルクむらの影響を受け易くなるという問題が生じる。
【０１０１】
本実施形態では、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの非通電時、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６をオープン状態とせずに短絡（ショート）状態とすることにより、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗに通電された電流（厳密には電荷）が抜け難くなるという性質を利用することで、このトルク・ロスの問題を解決するようにしている。図１６には、コイルの終端をオープン状態並びに短絡状態にした場合におけるコイル電流の過渡応答特性を示しているが、短絡状態にした方が過渡特性の整定時間が長くなり、コイル電流が抜けにくくなることが分かる
【０１０２】
これは、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６を短絡状態とすることによって、モータ部６０のコイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの直流抵抗とインダクタンスに起因する過渡応答の時間遅れを利用したものである。またその短絡状態により、モータ部６０のコイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗにロータ・マグネット６５からの磁束密度により逆起電力が発生する。この逆起電力によりロータ６６の回転方向の逆方向に力が作用し、外力による回転に対する粘性抵抗を作り出すことができ、ブレーキに類似した効果を得ることができる。このようなモータ部６０への粘性係数を作り出すことによる粘性抵抗により、トルク・ロスがなくコギングによるトルクむらの影響を軽減できる。
【０１０３】
但し、このようにコイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６の短絡状態を形成した場合、上述のようにモータ部６０に一種の粘性抵抗を与えることとなり、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６の短絡によるブレーキの影響を受けてモータ部６０のコンプライアンス（機械的受動性）がなくなる問題を招来する。
【０１０４】
そこで、本実施形態では、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの非通電状態の期間、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６をオープン状態と短絡状態とに順次交互に切り換えるとともに、この際オープン状態の期間と短絡状態の期間との比率を所望するコンプライアンスとなるように調整することによって、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６をオープン状態とすることによるトルク・ロスなどの問題と、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６を短絡状態とすることによるコンプライアンスの低下という問題とをともに解決するようにしている。
【０１０５】
実際上、各コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６をオープン状態と短絡状態とに順次切り換える手段として、ＰＷＭ制御部９１の後段に付加論理回路９２が設けられている。付加論理回路９２には、あらかじめ設定されたコイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６におけるオープン状態及び短絡状態の各期間の比率に応じてＰＷＭ変調された矩形波状のＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４が、第１〜第６のＰＷＭ信号Ｓ１３u1、Ｓ１３u2、Ｓ１３v1、Ｓ１３v2、Ｓ１３w1、Ｓ１３w2とともにＰＷＭ制御部９１から与えられる。図１７には、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号の波形例を示している。
【０１０６】
付加論理回路９２は、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの非通電時であって、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４が論理「１」レベルの期間は、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６を短絡させるように対応する第１〜第６のＰＷＭ信号ＰＷＭ信号Ｓ１３u1、Ｓ１３u2、Ｓ１３v1、Ｓ１３v2、Ｓ１３w1、Ｓ１３w2の論理レベルを必要に応じて切り換えるようになっている。
【０１０７】
具体的には、通常のコイル非通電時には、ＰＷＭ制御部９１からは、ｕ相のコイル６８ｕの端子Ｐ４、Ｐ５をオープン状態にするため、ｕ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲu1及びｖ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲv1をオフ、ｕ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲu2及びｖ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲv2をオフにする第１〜第４のＰＷＭ信号Ｓ１３u1、Ｓ１３u2、Ｓ１３v1、Ｓ１３v2が出力される。これに対し、付加論理回路９２は、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４が論理「１」レベルの期間は、オフ状態のｕ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲu1、並びにｖ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲv1をそれぞれオンに転じて、ｕ相のコイル６８ｕの端子Ｐ４及びＰ５の短絡状態を間歇的に形成する。
【０１０８】
同様に、通常のコイル非通電時には、ＰＷＭ制御部９１からは、ｖ相のコイル６８ｖの端子Ｐ５、Ｐ６をオープン状態にするため、ｖ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲv1及びｗ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲw1をオフ、ｖ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲv2及びｗ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲw2をオフにする第３〜第６のＰＷＭ信号Ｓ１３v1、Ｓ１３v2、Ｓ１３w1、Ｓ１３w2が出力される。これに対し、付加論理回路９２は、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４が論理「１」レベルの期間は、オフ状態のｖ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲv1、並びにｗ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲw1をそれぞれオンに転じて、ｖ相のコイル６８ｖの端子Ｐ５及びＰ６の短絡状態を間歇的に形成する。
【０１０９】
また同様に、通常のコイル非通電時、ＰＷＭ制御部９１からは、ｗ相のコイル６８ｗの端子Ｐ６、Ｐ４をオープン状態にするため、ｗ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲw1及びｕ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲu1をオフ、ｗ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲw2及びｕ相用のＮＰＮ型トランジスタＴＲu2をオフにする第１、第２、第５及び第６のＰＷＭ信号Ｓ１３u1、Ｓ１３u2、Ｓ１３w1、Ｓ１３w2が出力される。これに対し、付加論理回路９２は、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４が論理「１」レベルの期間は、オフ状態のｗ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲw1、並びにｕ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲu1をそれぞれオンに転じて、ｗ相のコイル６８ｗの端子Ｐ６及びＰ４の短絡状態を間歇的に形成する。
【０１１０】
一方、付加論理回路９２は、通常のコイル非通電時、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４が論理「０」レベルのときには、ＰＷＭ制御部９１からの第１〜第６のＰＷＭ信号Ｓ１３u1、Ｓ１３u2、Ｓ１３v1、Ｓ１３v2、Ｓ１３w1、Ｓ１３w2を、切り替えることなくそのまま出力する。したがって、論理「０」レベルの期間には、ｕ相、ｖ相及びｗ相の各コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６はそれぞれオープン状態のままとなる。
【０１１１】
図１８には、付加論理回路９２の具体的構成を示している。図示の付加論理回路９２においては、ＰＷＭ制御部９１からの第１のＰＷＭ信号Ｓ１３u1、第３のＰＷＭ信号Ｓ１３v1及び第５のＰＷＭ信号Ｓ１３w1の論理積がＡＮＤ回路１００で演算されるとともに、第２のＰＷＭ信号Ｓ１３u2、第４のＰＷＭ信号Ｓ１３v2及び第６のＰＷＭ信号Ｓ１３w2の排他的論理和がＮＯＲ回路１０１において演算される。
【０１１２】
また、これらＡＮＤ回路１００の出力と、ＮＯＲ回路１０１の出力との論理積の反転がＮＡＮＤ回路１０２Ｂにおいて演算され、このＮＡＮＤ回路１０２Ｂの出力と、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４の反転信号が１０２Ａから出力された結果との論理和がＯＲ回路１０３において演算される。
【０１１３】
さらに、このＯＲ回路１０３の出力と、元の第１〜第６のＰＷＭ信号Ｓ１３u1、Ｓ１３u2、Ｓ１３v1、Ｓ１３v2、Ｓ１３w1、Ｓ１３w2との論理積が第１〜第６のＡＮＤ回路１０４Ａ〜１０４Ｆにおいてそれぞれ演算される。そして、これら第１〜第６のＡＮＤ回路１０４Ａ〜１０４Ｆの出力がそれぞれ上述のようにｕ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲu1及びＮＰＮ型トランジスタＴＲu2と、ｖ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲv1及びＮＰＮ型トランジスタＴＲv2と、ｗ相用のＰＮＰ型トランジスタＴＲw1及びＮＰＮ型トランジスタＴＲw2にそれぞれ与えられる。
【０１１４】
ここで、コイル非通電時にコイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６を短絡状態にすると、図１６を参照しながら説明したしたように、過渡応答により、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの駆動電流Ｉu、Ｉv、Ｉwがゼロに戻るまでの時間が長くなる。したがって、オープン状態と短絡状態のスイッチング動作を繰り返した場合、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの非通電時に駆動電流Ｉu、Ｉv、Ｉwがゼロに戻る前に次の通電が開始される。
【０１１５】
これによりコイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗに供給される駆動電流Ｉu、Ｉv、Ｉwの最大値は、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの通電及び非通電の動作の度に逐次上昇していくが、その上昇傾向はデューティ比すなわちＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４が論理「１」レベルとなる比率にほぼ比例する。同様に、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの駆動電流Ｉu、Ｉv、Ｉwの実効値も徐々に増加していくことになるが、その上昇傾向はデューティ比すなわちＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４が論理「１」レベルとなる比率にほぼ比例する。
【０１１６】
また、モータ部６０の出力トルクは、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗに供給する駆動電流Ｉu、Ｉv、Ｉwの値の和にモータ部６０のトルク定数Ｋtを乗じた値となるので、コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの通電状態及び非通電状態を繰り返したとき、駆動電流Ｉu、Ｉv、Ｉwの値の和の増大に伴って、モータ部６０の出力トルクの実効値は増大していく。
【０１１７】
このときの上昇傾向は、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比すなわち当該ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４が論理「１」レベルとなる比率にほぼ比例する。そして、モータ部６０の出力トルクの出力が上昇していく傾きの大小が、モータ部６０の粘性係数の大きさに比例する。言い換えれば、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比によってモータ部６０の粘性係数を、デューティの分解能の範囲で動的に任意に設定することができる。
【０１１８】
したがって、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比を変化させることによって、モータ部６０の粘性係数を制御できる。また、ｕ相、ｖ相及びｗ相の各コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの非通電時において、当該コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗに入る電流（電荷の量）を制御できる。
【０１１９】
このとき、粘性係数が大きくなるようにＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比を設定すると、モータ部６０の保持力が向上し、コギングなどのトルクの外乱が減る。また外力へのコンプライアンス量を制御することができる。
【０１２０】
このように、ＰＷＭ制御部９１が付加論理回路９２に供給するＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比をＰＷＭ制御することにより、非通電時におけるコイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗの端子Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６オープン状態と短絡状態の期間の比率を調整することにより、所望のコンプライアンスを得ることができる。図１９には、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比とモータ部６０の粘性係数の関係を示している。
【０１２１】
Ｄ．アクチュエータＡ1〜Ａ24の負荷吸収機構
高度な脚式移動ロボットは、歩行やその他の脚式作業を例えば自立的に行なう。さらにうつ伏せや仰向けなどの床上姿勢からの起き上がり動作や、腕を利用した物体の把持・運搬といった動作を行なうことができる。他方、転倒や進行途上の物体との衝突、あるいは計画軌道上で異物の挟み込みなどによって、過大な負荷が関節アクチュエータに印加されるケースが想定される。このような過負荷によって、機体が破損したり、あるいは塑性変形を起こしてしまったりするなど、致命的な損傷を被ることがある。このため、関節アクチュエータを構成する各モータにおいて負荷吸収のための機構を採り入れることが重要である。
【０１２２】
この項では、このロボット１の関節駆動に用いられる各アクチュエータＡ1〜Ａ24に搭載された負荷吸収機能について説明する。
【０１２３】
本発明者らは、関節アクチュエータ用のモータに印加される負荷トルクを、衝突などによりリンクなどの部材の破壊に至る歪みエネルギを被るインパルス的な、いわば「衝撃負荷」と、このような衝撃負荷ほど高いトルクではないが、比較的高い負荷トルクが一定時間以上継続して（すなわち定常的に）印加され部材の塑性変形を招来する、いわば「定常負荷」に大別して取り扱うことにした（図２０を参照のこと）。後者の定常的な負荷トルク値は、例えば使用するモータのストール・トルク近傍、あるいは回路保護の限界などの閾値である。本発明者らは、衝撃負荷を負荷トルクのＡＣ成分、定常負荷を負荷トルクのＤＣ成分として位置付けている。
【０１２４】
定常負荷すなわち負荷トルクのＤＣ成分に関しては、アクチュエータ・モータの出力軸に連結されたリンクに静的に印加される負荷トルクとアクチュエータ・モータ自身による発生トルクの絶対値の和に基づいて検出することができる。そして、そのトルク和が所定時間以上継続して塑性変形に至る閾値を越えたことに応答して、負荷のＤＣ成分が過大であることを認識することができる。モータの発生トルクはモータ電流に比例するという性質から、モータ電流を電流−電圧変換することを経てトルクを計測することができる。
【０１２５】
例えば、図２１に示すように、一端部がアクチュエータ１１０の出力軸１１１に連結されたリンク１１２の他端部（出力軸１１１から距離Ｌ１の位置）が壁や物体などに当たるなどしてリンク１１２が動かないように保持された状態になった時に当該リンク１１２の他端部に壁や物体から外力Ｆ１が与えられ、アクチュエータ１１０が新たに増えた負荷分のトルクを発生している場合を考える。
【０１２６】
この場合、アクチュエータ１１０が最初に発生している発生トルクをＴORG、アクチュエータ１１０の出力軸１１１に与えられると当該アクチュエータ１１０が壊れる負荷トルクの値をＴBRKとして、アクチュエータ１１０に破損が生じない条件は、次式に示すように、外力Ｆ１による新たに増えた負荷トルクとアクチュエータ１１０の発生トルクＴORGとの絶対値の和の値Ｔoutが所定時間以上ＴBRKを越えないことである。
【０１２７】
【数１】
【０１２８】
このような負荷トルクＴoutは、負荷のＤＣ成分に相当し、以下では「静的な負荷トルク」とも呼ぶ。上式（１）より、次式を満たすようにアクチュエータ１１０の発生トルクＴoutを制御することによって、アクチュエータ１１０に破損が生じるのを未然に防止することができる。
【０１２９】
【数２】
【０１３０】
アクチュエータ１１０の発生トルクＴoutは、アクチュエータ１１０へ供給するコイル電流として検出することができる。ここで、負荷トルクの閾値をコイル電流に置き換えた値を２．５Ａとし、この閾値が継続する時間の限界を２．０秒とし、図２５にはトルクの検出結果を示している。継続して電流値をサンプリングする場合、チャタリングの問題がある。すなわち、実質的には２．５Ａを越える期間が２．０秒継続していても、チャタリングにより閾値を下回る度にカウンタがリセットされて、検出タイミングを逸しかねない。そこで、閾値を下回る期間が非常に短い（例えば４．０ミリ秒以内）であれば、これを無視して閾値以上であるとしてカウンタ実行を継続するようにしても良い。
【０１３１】
一方、衝撃負荷すなわち負荷のＡＣ成分に関しては、本発明者らは、モータの出力軸に与えられる運動エネルギの変化量がモータに印加されるトルクと角速度の積に比例するという性質を導出した。またその運動エネルギが出力軸部材に加わる歪みエネルギとほぼ等しいという性質があるため、この性質を利用して運動エネルギ変化量に基づいて衝撃に対する負荷トルクを検出し、この負荷トルクが部材の破壊に至るような閾値を越えたことに応答して、負荷のＡＣ成分が過大であることを認識することができる。
【０１３２】
例えば、図２２に示すように、リンク１１２の他端部出力軸１１１から距離Ｌ２の位置）に物体が落下するなどして、この他端部にリンク１１２を回転させるような衝撃に対する負荷トルクが与えられた場合について考える。このような負荷トルクは、負荷のＡＣ成分に相当し、以下では「動的な負荷トルク」とも呼ぶ。
【０１３３】
このときのこの動的な負荷トルクによりリンク１１２に与えられる運動エネルギをＫE、これにより回転するリンク１１２の回転角度をφ、リンク１１２の慣性モーメントをＪとすると、これらは次式を満たす。
【０１３４】
【数３】
【０１３５】
そして、この運動エネルギＫEがすべて出力軸１１１を通してアクチュエータ１１０に伝わり、歪みエネルギに変換されるものとして、その歪みエネルギがアクチュエータ１１０において各部材の歪みとして吸収可能な弾性範囲内であればアクチュエータ１１０に破損が生じず、これに対して弾性範囲を越えて塑性範囲となるとアクチュエータ１１０に破損が生じることとなる。
【０１３６】
そこで、このように歪みエネルギがアクチュエータ１１０における各部材の弾性範囲を越える大きさのものであったときに、アクチュエータ１１０の発生トルクＴoutを下げるように制御することにより、かかる動的な負荷トルクによる当該アクチュエータ１１０の破損を防止することができる。
【０１３７】
ここで、リンク１１２に与えられた動的な負荷トルクの運動エネルギＫEの変化量を検出するため上式（３）を時間ｔについて１階微分すると、次式のようになる。
【０１３８】
【数４】
【０１３９】
上式（４）において、Ｔoutは前述の通りアクチュエータ１１０の出力トルクを表す。すなわち、エネルギの変化量はモータに印加されるトルクと角速度の積に比例するので、エネルギ変化量に基づいて負荷トルクを検出し、この負荷トルクが部材の破壊に至る閾値を越えたことに応答して、負荷のＡＣ成分が過大であることを認識することができる。
【０１４０】
ここで、負荷トルクのＡＣ成分に関しては、インパルス的な性質を持つことから（図２０を参照のこと）、瞬時に過負荷域に到達してしまい、負荷吸収動作が間に合わない、という可能性がある。上述したように、エネルギの変化量がモータに印加されるトルクと角速度の積に比例するという性質に直接的に基づいた場合、トルクが過負荷域に到達するまで待たなければ過負荷を検出することができないが、これでは応答性に問題がある。
【０１４１】
そこで、単にエネルギの変化量を計測するのではなく、エネルギを時間軸上で２階微分して、変化量の傾きをみて、この傾きが所定値以上であれば過負荷域に到達することを予測し、応答性よく負荷吸収動作を実行する。上式（４）を時間軸上でさらに微分すると（すなわち、エネルギに関する上式（３）を時間ｔで２階微分すると）、下式のようになる。
【０１４２】
【数５】
【０１４３】
上式（５）は、運動エネルギＫEの変化の加速度を表すものである。式（５）における右辺の演算結果がアクチュエータ１１０における各部材の弾性範囲から塑性範囲の境界となる所定の閾値以上となった場合に、アクチュエータ１１０の発生トルクＴoutを下げるように制御することにより、アクチュエータ１１０の破損を未然に防止することができる。
【０１４４】
但し、上式（５）式における右辺第２項のような２次微分演算は演算処理が煩雑となる。また、本発明者らによる実験の結果、右辺第２項は演算結果への寄与が小さいことが判明している。そこで、式（５）の右辺第２項を省略し、右辺の第１項に所定の比例定数ＧKを乗算したものと近似し、次式に示す評価関数ｆ（ｔ）を導入することにする。
【０１４５】
【数６】
【０１４６】
この評価関数ｆ（ｔ）の演算結果が上述の閾値以上となった場合に、アクチュエータ１１０の発生トルクＴoutを下げるように制御することで、より容易な演算処理でアクチュエータ１１０の破損を未然に防止することができる。図３２には、運動エネルギＫEの変化量をみた場合と、評価関数ｆ（ｔ）を導入した場合における負荷吸収機構の応答特性を比較している。同図からも分かるように、後者の方が、発生トルクの低い段階で、しかもより応答性よく過負荷状態を検出することができる。
【０１４７】
制御基板７７は、上述したような原理に基づいて、図２１並びに図２２を参照しながら説明した静的及び動的な負荷トルクによるアクチュエータＡ1〜Ａ24の破損を防止するための負荷吸収手段として作用する。図１４に示すように、制御基板７７におけるプリント配線板の一面側には、駆動回路８１に対する電源供給ラインＬＩＮを流れる電流ＩR1の大きさを電圧Ｖiとして検出する電圧検出部８２が設けられている。
【０１４８】
電圧検出部８２は、駆動回路８１に対する電源供給ラインＬＩＮの一部に設けられた第１の抵抗Ｒ1と、第２〜第５の抵抗Ｒ２〜Ｒ５及びオペアンプ８３からなる差動増幅器８４とから形成され、第１の抵抗Ｒ1による降下電圧Ｖiを差動増幅器８４において検出し、この検出結果を電圧検出信号Ｓ１１として制御ＩＣ８０に送出する。
【０１４９】
電圧Ｖiは第１の抵抗Ｒ1を流れる電流ＩR1に比例し、また、電流ＩR1は、上式（１）の左辺に比例することから、この電圧Ｖiも上式（１）式の左辺に比例する。ここで、ＫViを比例定数として次式が成り立つものとする。
【０１５０】
【数７】
【０１５１】
そして、常に次式を満足するように、ＰＷＭ制御部９１を制御することによって、静的な負荷トルクによるアクチュエータＡ1〜Ａ24の破損を防止することができる。
【０１５２】
【数８】
【０１５３】
図２３には、制御ＩＣ８０の演算処理部９０が実行する、第１の負荷吸収処理手順ＲＴ１をフローチャートの形式で示している。演算処理部９０は、同処理手順ＲＴ１に従って、電圧検出部８２から供給される電圧検出信号Ｓ１１を基に、電圧Ｖiが、あらかじめ設定された所定の第１の閾値ＳＨ１（上式（８）のＴBRK／ＫVi）を超えないようにＰＷＭ制御部９１を制御することにより、対応するリンクに静的な負荷トルクすなわち負荷のＤＣ成分が与えられた場合のアクチュエータＡ1〜Ａ24の破損を防止する。
【０１５４】
演算処理部９０は、上述のような上位コントローラから与えられる動作指令ＣＯＭに基づく対応するモータ部６０に対する位置制御と並行してこの第１の負荷吸収処理手順ＲＴ１をステップＳＰ０において開始し、続くステップＳＰ１において、電圧検出部８２から与えられる電圧検出信号Ｓ１１に基づき得られる電圧Ｖiが第１の閾値ＳＨ１以上となったか否かを判断する。そして演算処理部９０は、このステップＳＰ１において否定結果を得ると、肯定結果を得るまでこのステップＳＰ１を繰り返す。
【０１５５】
そして、演算処理部９０は、この後対応するリンクが壁や外部物体に当たるなどして当該リンクに静的な負荷トルクが与えられることによりステップＳＰ１において肯定結果を得ると、ステップＳＰ２に進んでＰＷＭ制御部９１を制御してＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比を０〔ｍＮ−ｍ／（ｒａｄ／ｓ）〕に変更させることにより対応するモータ部６０のコンプライアンスを増加させ、続くステップＳＰ３において、モータ部６０の各コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗに流れる電流の実行値が小さくなるようにＰＷＭ制御部９１を制御し、発生トルクＴoutが小さくなるようにする。
【０１５６】
続いて、演算処理部９０は、ステップＳＰ４に進んで、上位コントローラに対して負荷吸収処理（ステップＳＰ２及びステップＳＰ３）を実行した旨を通知し、この後ステップＳＰ５に進んで、上位コントローラからその衝撃吸収処理を解除すべき旨の通知があるのを待ち受ける。
【０１５７】
そして、演算処理部９０は、やがて上位コントローラからこの通知を受けることによりステップＳＰ５において肯定結果を得ると、ステップＳＰ６に進んで、ＰＷＭ制御部９１を制御してＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比、すなわちモータ粘性係数を元の値に戻させることによりモータ部６０のコンプライアンスを衝撃検出前の状態に戻した後、ステップＳＰ７に進んで、モータ部６０の各コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗに印加する駆動電流Ｉu、Ｉv、Ｉwの実効値を元に戻すようにＰＷＭ制御部９１を制御し、発生トルクＴoutが所定の値をとるようにする。そして演算処理部９０は、その後ステップＳＰ１に戻り、同様の処理繰り返す。
【０１５８】
このようにして、演算処理部９０は、対応するリンクに静的な負荷トルクが与えられたときに、これに応じて対応するアクチュエータＡ1〜Ａ24におけるモータ部６０のモータ粘性係数及び発生トルクＴoutを制御する。
【０１５９】
一方、上式（６）において、アクチュエータＡ1〜Ａ24の出力トルクτは、電圧検出部８２における抵抗Ｒ1を流れる電流ＩR1に比例し、また電流ＩR1は、上述のように第１の抵抗Ｒ1による降下電圧Ｖiと比例することから、比例定数をＫi、Ｋθとして、式（６）を次式のように変形することができる。
【０１６０】
【数９】
【０１６１】
上式（９）からも明らかなように、上式（６）で与えられる評価関数ｆ（ｘ）の時々刻々の値は、電圧検出部８２により検出される電圧Ｖiの時間的変化量に比例定数Ｋｉを乗算した乗算結果と、エンコーダ７６により検出されるモータ部６０のロータ軸６４の回転位置φの時間的変化量に比例定数Ｋθを乗算した乗算結果との積として求めることができる。
【０１６２】
図２４には、制御ＩＣ８０内の演算処理部９０が実行する、第２の負荷吸収処理手順ＲＴ２をフローチャートの形式で示している。演算処理部９０は、この処理手順ＲＴ２に従って、電圧検出部８２から与えられる電圧検出信号Ｓ１１に基づき得られる電圧Ｖiと、エンコーダ７６から与えられる第１及び第２の位置検出信号Ｓ１０Ａ、Ｓ１０Ｂから得られるモータ部６０のロータ軸６４の回転位置φに基づいて、評価関数ｆ（ｔ）があらかじめ設定された所定の第２の閾値ＳＨ２を超えないようにＰＷＭ制御部９１を制御することにより、対応するリンクに動的な負荷トルクすなわち負荷のＡＣ成分が与えられた場合のアクチュエータＡ1〜Ａ24の破損を防止する。
【０１６３】
演算処理部９０は、第１の負荷吸収処理手順ＲＴ１と並行して第２の負荷吸収処理手順ＲＴ２をステップＳＰ１０において開始する。続くステップＳＰ１１において、電圧検出部８２からの電圧検出信号Ｓ１１及びエンコーダ７６からの位置検出信号Ｓ１０Ａ、Ｓ１０Ｂに基づいて上式（９）の演算処理を実行するとともに、この演算結果が第２の閾値ＳＨ２以上となったか否かを判断する。なお、上式（９）におけるＫiは１．０、Ｋθは４．０に設定されており、また第２の閾値ＳＨ２は実験結果より最適と考えられる１．３〜４．０〔 ｍＮ−ｍ・ｒａｄ／Ｓ２〕の範囲で設定されている。そして、演算処理部９０は、肯定結果を得るまでこのステップＳＰ１１を繰り返す。
【０１６４】
そして、演算処理部９０は、やがて対応するリンクが衝撃を受けることによりステップＳＰ１１において肯定結果を得ると、ステップＳＰ１２に進んで、ＰＷＭ制御部９１を制御してＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比を０〔ｍＮ−ｍ／（ｒａｄ／ｓ）〕に変更させることによりモータ部６０のコンプライアンスを増加させる。続くステップＳＰ１３において、上位コントローラからの動作指令等に基づき算出される目標トルクの最大値を本来算出される値の１０〜２０〔％〕となるようにＰＷＭ制御部９１を制御して発生トルクＴoutを発生させる。
【０１６５】
続いて、演算処理部９０は、ステップＳＰ１４に進んで、上位コントローラに対して負荷吸収処理（ステップＳＰ１２及びステップＳＰ１３）を実行した旨を通知する。その後、ステップＳＰ１５に進んで、上位コントローラからその衝撃吸収処理を解除すべき旨の通知があるのを待ち受ける。
【０１６６】
そして、演算処理部９０は、やがて上位コントローラからこの通知を受けることによりステップＳＰ１５において肯定結果を得ると、ステップＳＰ１６に進んで、ＰＷＭ制御部９１を制御してＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比、すなわちモータ粘性係数を元の値に戻させることにより、モータ部６０のコンプライアンスを衝撃検出前の状態に戻す。その後、ステップＳＰ１７に進んで、モータ部６０の各コイル６８ｕ、６８ｖ、６８ｗに印加する駆動電流Ｉu、Ｉv、Ｉwの実効値を元に戻すようにＰＷＭ制御部９１を制御し、発生トルクＴoutを所定の値に戻す。そして演算処理部９０は、この後ステップＳＰ１１に戻り、この後は同様の処理繰り返す。
【０１６７】
このようにして、演算処理部９０は、対応するリンクに動的な負荷トルクが与えられたときに、これに応じて対応するアクチュエータＡ1〜Ａ24におけるモータ部６０のモータ粘性係数及び発生トルクを制御する。
【０１６８】
以上の構成において、このロボット１では、各アクチュエータＡ1〜Ａ24の出力軸７５と連結されたリンクに対してアクチュエータが破壊するおそれのある静的又は動的な負荷トルクが与えられた場合、アクチュエータＡ1〜Ａ24のコンプライアンスが向上するとともに、アクチュエータＡ1〜Ａ24の出力トルクが下がることにより、負荷トルクに応じて倣うようにそのリンクが変位する。
【０１６９】
例えば図３３に示した従来のトルク・リミッタ１３０を用いた場合と同様に衝撃によるアクチュエータＡ1〜Ａ24の破損を未然に防止することができる一方、かかる負荷吸収が電気的なアクチュエータＡ1〜Ａ24に対する制御のみによって行なわれる。従来のメカ的な構成を有するトルク・リミッタ１３０を用いる場合に比べ、本発明に係る負荷吸収に関するアクチュエータＡ1〜Ａ24の特性に大きなばらつきは生じ難く、また温度による影響も少ない。
【０１７０】
また、かかる負荷吸収の制御をアクチュエータＡ1〜Ａ24の通常の位置制御を行なう制御ＩＣ８０により併せて行なうことができる。すなわち、新たな部品を必要としないため、従来のメカ的な構成を有するトルク・リミッタ１３０を用いる場合に比してアクチュエータＡ1〜Ａ24全体としての構成を簡易化及び小型軽量化させることができる。
【０１７１】
以上の構成によれば、アクチュエータＡ1〜Ａ24の出力軸７５に連結されたリンクに新たに与えられた静的な負荷トルクと、アクチュエータＡ1〜Ａ24の発生トルクとの絶対値の和を電圧Ｖiとして検出し、当該和分が所定の第１の閾値ＳＨ１以上となったときに、発生トルクを下げるようにアクチュエータＡ1〜Ａ24を制御する。一方、当該リンクに与えられた動的な負荷トルクのエネルギ変化量を検出し、検出したエネルギ変化量が所定の第２の閾値ＳＨ２以上となったときに、発生トルクを下げるようにアクチュエータＡ1〜Ａ24を制御する。従来のメカ的な構成を有するトルク・リミッタ１３０を用いる場合に比べ、本発明に係る負荷吸収に関するアクチュエータＡ1〜Ａ24の特性に大きなばらつきは生じ難く、また温度による影響も少なくすることができ、使い勝手の良い負荷吸収装置を構築することができる。
【０１７２】
また、本発明に係る負荷吸収装置を構築したことにより、従来のメカ的な構成を有するトルク・リミッタ１３０を用いる場合に比し、アクチュエータＡ1〜Ａ24全体すなわちシステム全体としての構成を簡易化及び小型軽量化させることができる。
【０１７３】
Ｅ．ロボット全体での負荷吸収機構
上述したようなアクチュエータＡ1〜Ａ24の負荷吸収機構によれば、アクチュエータ・モータ単軸に対して過負荷が印加された場合には、負荷のＡＣ成分並びにＤＣ成分を好適に吸収し、モータや、モータの出力軸に印加されたリンクなどの部材の破損を回避し、被害が他の部材へと拡大するのを防止することができる。
【０１７４】
他方、脚式移動ロボットを始めとする多関節型ロボットは、関節アクチュエータ用の複数のモータと、これらモータの出力軸に連結されたリンクで構成される。このような場合、各モータ単体では過負荷を回避した状態であっても、複数のモータの総体で判断すると過負荷状態に陥っている場合も想定される。このような場合には、モータ毎の負荷吸収動作とは別に、機体全体としての負荷回避オペレーションが必要であると思料される。
【０１７５】
そこで、本実施形態に係るロボット１においては、個々のアクチュエータ・モータ単体での静的並びに動的な負荷トルクの吸収を実行するのに並行して、２以上のモータにおける負荷状態の合計が過負荷状態かどうかを監視し、モータ単体では過負荷状態ではなくても、腕部や脚部などの所定の部位単位、あるいは機体全体として過負荷状態に陥っているかどうかを検出することができる。
【０１７６】
そして、複数のモータの合計として過負荷が検出された場合には、モータ単体としての負荷吸収動作ではなく、機体全体として過負荷状態を取り除く機体保護オペレーションを実行する。ここで言う機体保護オペレーションとしては、例えば、該当するモータ群又は機体全体のモータへの電源遮断や、該当するモータ群又は機体全体のモータの脱力などが挙げられる。モータの脱力は、発生トルクをゼロにしたり、ゲイン調整などによりモータの粘性抵抗を低減したりすることにより実現する。
【０１７７】
例えば、ロボット１がうつ伏せの状態から起き上がろうとする動作の途上で、図２６に示すように、両脚が図中破線で示した障害物に接触し、そのまま動作を続けると実線矢印の方向に反力が加わる。この結果、右肩ピッチ、右腿ロール、右腿ピッチ、右足首ピッチの部位に負荷が加わる。このとき、各軸単軸では破損に至る負荷にはならないが、機体そのもののフレーム部分の塑性変形やカバー部分の破損に至る場合がある。
【０１７８】
このような状態を検知するために、各関節単軸のアクチュエータ負荷を消費する電流を検知することで検出し、それらを上位制御系で合計して機体全体の総合負荷として監視する。
【０１７９】
より具体的に説明するならば、各モータ単軸での負荷トルクＴは、上式（７）によりＴ＝Ｋvi・Ｖiすなわちモータへの印加電圧により監視されている。したがって、ｋ番目のアクチュエータＡk（但し、本実施形態では１≦ｋ≦２４）とし、その負荷トルクをＴkとすると、負荷トルク機体全体での負荷トルクの合計Ｔsumは下式で表される。
【０１８０】
【数１０】
【０１８１】
図２６に示すようにうつ伏せ姿勢から両手を床に着いて起き上がる動作を行なう場合には、左右の肩関節ピッチ軸アクチュエータＡ5及びＡ9、左右の股関節ロール軸Ａ14及びＡ20、股関節ピッチ軸Ａ15及びＡ21、左右の足首関節ロール軸Ａ17及びＡ23に大きな負荷がかかり、上式（１０）は以下のように表される。そして、残りの関節アクチュエータにおける負荷トルクの合計Ｏ（ＴK）を無視することができる。
【０１８２】
【数１１】
【０１８３】
そして、その総合負荷の値Ｔsumが設定した閾値を一定時間以上超えた場合、機体の破損を回避するために、シャットダウンなどの機体保護シーケンスに入る。
【０１８４】
図２７には、アクチュエータ・モータ単軸での衝撃負荷並びに定常負荷の検出、複数軸における過大な負荷の検出、並びにそれぞれの負荷検出に応答した機体保護オペレーションを行なうための処理手順をフローチャートの形式で示している。
【０１８５】
まず、ある関節単軸において、破損に至る衝撃負荷が印加されたかどうかをチェックする（ステップＳ１）。アクチュエータに衝撃負荷が印加されたかどうかは、上式（６）に示した評価関数ｆ（ｔ）を用いて判別することができる。
【０１８６】
ここで、あるアクチュエータに衝撃負荷が印加されたことが判明した場合には、当該アクチュエータ内の負荷吸収機構が作動し、過負荷状態の回避を試みる（ステップＳ２）。より具体的には、制御ＩＣ８０内の演算処理部９０が図２４に示した負荷吸収処理手順ＲＴ２を実行し、評価関数ｆ（ｔ）が第２の閾値ＳＨ２を超えないように、モータ電流ＩR1をＰＷＭ制御する。
【０１８７】
そして、演算処理部９０は、ロボット１の運動制御を行なうミドルウェア層（図６を参照のこと）に負荷吸収動作を通知する（ステップＳ３）。
【０１８８】
ここで、過負荷状態を回避できた場合には（ステップＳ４）、姿勢・状態の復帰シーケンスに入る（ステップＳ５）。
【０１８９】
図２８には、アクチュエータに衝撃負荷が印加されたときの負荷吸収動作並びに復帰動作を行なうためのソフトウェア上のオペレーションを模式的に図解している。
【０１９０】
アクチュエータ内で衝撃負荷が印加されたことを検出すると（Ｓ１）、アクチュエータ内の負荷吸収機構（図２４を参照のこと）が作動し、モータ電流をＰＷＭ制御してモータの粘性係数を調整しながら過負荷状態の解消を試みる（Ｓ２）。そして、アクチュエータ内の演算制御部９０は、負荷吸収機構を作動させたことを、上位ソフトウェアすなわちミドルウェア層に通知する（Ｓ３）。ミドルウェア層は、過負荷状態を回避できたと判断した場合には（Ｓ４）、制御をアクチュエータに戻す（Ｓ５）。アクチュエータ側では、姿勢・状態の復帰シーケンスに入り、モータの粘性係数を元の値に戻す。
【０１９１】
再び図２７に戻って、負荷検出並びに機体保護オペレーションについて説明する。今度は、ある関節単軸において、破損に至る定常負荷が印加されたかどうかをチェックする（ステップＳ６）。アクチュエータに衝撃負荷が印加されたかどうかは、上式（２）を用いて判別することができる。
【０１９２】
ここで、あるアクチュエータに定常負荷が印加されたことが判明した場合には、当該アクチュエータ内の演算処理部９０は、ロボット１の運動制御を行なうミドルウェア層（図６を参照のこと）に過負荷状態を通知する（ステップＳ７）。
【０１９３】
ミドルウェア層は、過負荷状態に通知に応答して、当該アクチュエータ・モータのサーボ・ゲインの低下を指示する（ステップＳ８）。
【０１９４】
ここで、過負荷状態を回避できた場合には（ステップＳ４）、姿勢・状態の復帰シーケンスに入る（ステップＳ５）。
【０１９５】
図２９には、アクチュエータに衝撃負荷が印加されたときの負荷吸収動作並びに復帰動作を行なうためのソフトウェア上のオペレーションを模式的に図解している。
【０１９６】
アクチュエータ内で衝撃負荷が印加されたことを検出すると（Ｓ６）、上位ソフトウェアすなわちミドルウェア層に通知する（Ｓ７）。ミドルウェア層では、アクチュエータのサーボ・ゲインの低下を指示する（Ｓ８）。そして、ミドルウェア層は、過負荷状態を回避できたと判断した場合には（Ｓ４）、制御をアクチュエータに戻す（Ｓ５）。アクチュエータ側では、姿勢・状態の復帰シーケンスに入り、モータのサーボ・ゲインを元の値に戻す。
【０１９７】
再び図２７に戻って、負荷検出並びに機体保護オペレーションについて説明する。今度は、２以上の関節において同時に負荷が印加されたことにより過負荷状態に陥ったかどうかをチェックする（ステップＳ９）。具体的には、モータの印か電圧に基づいて監視される各アクチュエータの負荷トルク値の合計を表した上式（１０）又は（１１）に基づいて判断する。複数のモータの合計として過負荷が検出される状況として、例えば、ロボット１がうつ伏せの状態から起き上がろうとする動作の途上で両脚が障害物に接触し、そのまま動作を続けると反力が加わる場合（図２６を参照のこと）が想定される。
【０１９８】
ここで、過負荷状態が検出されると、ミドルウェア層の運動制御系を通じて機体保護モジュール部に通知し（ステップＳ１０）、機体保護オペレーションを起動する（ステップＳ１１）。機体保護オペレーションとして、例えば、全身又は該当する部位のアクチュエータ・モータの電源を遮断し、関節を脱力させるなどを行なう。
【０１９９】
図３０には、複数の関節軸における過負荷状態を検出し、機体保護動作を行なうためのミドルウェア層内の構成を模式的に示している。同図に示すように、ミドルウェア層内には、負荷監視モジュール部と機体保護モジュール部が配設されている。
【０２００】
負荷監視モジュール部は、複数のアクチュエータ・モータＡ1〜Ａ24から負荷状態（例えば、負荷トルクに相当する電圧検出値Ｖi）を同時並行して入力し、これらの合計値に基づいて機体全体についての負荷状態を検出する。
【０２０１】
また、機体保護モジュール部は、負荷監視モジュール部において過負荷状態が検出されたことに応答して起動し、機体保護オペレーションを実行する。例えば、全身又は該当する部位のアクチュエータ・モータの電源を遮断し、関節を脱力させるなどを行なう。
【０２０２】
また、図３１には、複数の関節軸における過負荷状態が検出されたときの負荷吸収動作並びに復帰動作を行なうためのソフトウェア上のオペレーションを模式的に図解している。
【０２０３】
ミドルウェア層内では、負荷監視モジュール部が複数の関節軸における過負荷状態を検出すると（Ｓ９）、機体保護モジュール部に通知する（Ｓ１０）。機体保護モジュール部は、これに応答して、機体保護オペレーションを実行する（Ｓ１１）。例えば、全身又は該当する部位のアクチュエータ・モータの電源を遮断し、関節を脱力させるなどを行なう。
【０２０４】
［追補］
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。
【０２０５】
本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行なう機械装置あるいはその他一般的な移動体装置であるならば、例えば玩具などのような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。
【０２０６】
本明細書では、本発明を図１〜図５について２足歩行型のロボット１に適用するようにした場合について述べたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、この他種々のロボット装置、あるいはロボット装置以外の可動部の動力源としてサーボ・モータを用いるこの他種々の装置に広く適用することができる。
【０２０７】
また、本明細書では、アクチュエータＡ1〜Ａ24の出力軸７５に連結されたリンクに新たに与えられた静的な負荷トルクと、アクチュエータＡ1〜Ａ24の発生トルクとの絶対値の和を検出し、この和分が所定の第１の閾値以上となったときに、発生トルクを下げるようにモータを制御する制御手段とを、上位コントローラからの動作指令ＣＯＭに基づいて当該アクチュエータＡ1〜Ａ24位置制御を行なう制御ＩＣ８０により構成するようにした場合について述べたが、本発明の要旨はこれに限らず、かかる和分検出手段及び制御手段を制御ＩＣ８０とは別個に設けるようにしても良い。
【０２０８】
また、本明細書では、アクチュエータＡ1〜Ａ24の出力軸７５に連結されたリンクに与えられた動的な負荷トルクのエネルギ変化量を検出するエネルギ変化量検出手段と、エネルギ変化量検出手段により検出されたエネルギ変化量が所定の閾値以上となったときに、発生トルクを下げるようにモータを制御する制御手段とを、上位コントローラからの動作指令ＣＯＭに基づいて当該アクチュエータＡ1〜Ａ24の位置制御を行なう制御ＩＣ８０により構成するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、かかるエネルギ変化量検出手段及び制御手段を制御ＩＣ８０とは別個に設けるようにしても良い。
【０２０９】
また、本明細書では、上式（９）における比例定数Ｋiを１．０、比例定数Ｋθを４．０に設定し、第２の閾値ＳＨ２を実験結果より最適と考えられる１．３〜４．０〔ｍＮ−ｍ・ｒａｄ／Ｓ２〕の範囲で設定するようにした場合について述べたが、本発明の要旨はこれに限らず、これら各比例定数Ｋi、Ｋθの値や、第２の閾値ＳＨ２の値としては、対応するアクチュエータの構造等に応じてこの他種々の値を適用することができる。
【０２１０】
また、本明細書では、駆動回路８１に対する電源供給ラインＬＩＮを流れる電流ＩR1の大きさを電圧Ｖiとして検出し、当該検出した電圧Ｖiに基づいてアクチュエータＡ1〜Ａ24の出力軸７５に連結されたリンクに与えられた静的な負荷トルクや、動的な負荷トルクのエネルギ変化量を検出するようにした場合について述べたが、本発明の要旨はこれに限らず、要は、これら静的な負荷トルク及び動的な負荷トルクのエネルギ変化量を確実に検出できるのであれば、その検出方法としては駆動回路８１に対する電源供給ラインＬＩＮを流れる電流ＩR1に基づくものでなくても良い。
【０２１１】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０２１２】
【図１】図１は、本実施の形態によるロボット１の外部構成を示した斜視図である。
【図２】図２は、ロボット１の外部構成を示した斜視図である。
【図３】図３は、ロボット１の外部構成を説明するための略線図である。
【図４】図４は、ロボット１の内部構成の説明するためのブロック図である。
【図５】図５は、ロボット１の内部構成の説明するためのブロック図である。
【図６】図６は、ロボット１上で稼動するソフトウェア制御構成を模式的に示した図である。
【図７】図７は、ミドルウェア層の内部構成を模式的に示した図である。
【図８】図８は、アプリケーション層の内部構成を模式的に示した図である。
【図９】図９は、アクチュエータＡ1〜Ａ24の内部構成を示した図である。
【図１０】図１０は、ロータ軸６４及びロータ軸磁極角度センサの構成を示した図である。
【図１１】図１１は、ロータ６６及びステータス鉄心６７Ａ〜６７Ｆの位置関係を示した図である。
【図１２】図１２は、トルク増幅部６１の構成を示した図である。
【図１３】図１３は、制御基板７７の構成を示した図である。
【図１４】図１４は、制御基板７７の構成を示した図である。
【図１５】図１５は、制御ＩＣ８０及び駆動回路８１の構成を示した図である。
【図１６】図１６は、コイルの終端をオープン状態並びに短絡状態にした場合におけるコイル電流の過渡応答特性を示した図である。
【図１７】図１７は、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号の波形例を示した図である。
【図１８】図１８は、付加論理回路９２の具体的構成を示した図である。
【図１９】図１９は、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号Ｓ１４のデューティ比とモータ部６０の粘性係数の関係を示した図である。
【図２０】図２０は、アクチュエータに印加される負荷トルクのＡＣ成分とＤＣ成分を示した図である。
【図２１】図２１は、本発明に係る負荷吸収のメカニズムを説明するための図である。
【図２２】図２２は、本発明に係る負荷吸収のメカニズムを説明するための図である。
【図２３】図２３は、制御ＩＣ８０の演算処理部９０が実行する、第１の負荷吸収処理手順ＲＴ１を示したフローチャートである。
【図２４】図２４は、制御ＩＣ８０の演算処理部９０が実行する、第２の負荷吸収処理手順ＲＴ１を示したフローチャートである。
【図２５】図２５は、トルクの検出結果の例を示した図である。
【図２６】図２６は、ロボット１がうつ伏せの状態から起き上がろうとする動作の途上で、両脚で異物を挟み込む様子を示した図である。
【図２７】図２７は、アクチュエータ・モータ単軸での衝撃負荷並びに定常負荷の検出、複数軸における過大な負荷の検出、並びにそれぞれの負荷検出に応答した機体保護オペレーションを行なうための処理手順を示したフローチャートである。
【図２８】図２８は、アクチュエータに衝撃負荷が印加されたときの負荷吸収動作並びに復帰動作を行なうためのソフトウェア上のオペレーションを模式的に示した図である。
【図２９】図２９は、アクチュエータに定常負荷が印加されたときの負荷吸収動作並びに復帰動作を行なうためのソフトウェア上のオペレーションを模式的に示した図である。
【図３０】図３０は、複数の関節軸における過負荷状態を検出し、機体保護動作を行なうためのミドルウェア層内の構成を模式的に示した図である。
【図３１】図３１は、複数の関節軸における過負荷状態を検出し、負荷吸収動作並びに復帰動作を行なうためのソフトウェア上のオペレーションを模式的に示した図である。
【図３２】図３２は、運動エネルギＫEの変化量をみた場合と、評価関数ｆ（ｔ）を導入した場合における負荷吸収機構の応答特性の比較を示したチャートである。
【図３３】図３３は、従来のロボットにおける可動部の駆動の説明に供する概念図である。
【図３４】図３４は、従来のトルク・リミッタの構成を簡略的に示す概念図である。
【符号の説明】
【０２１３】
１…ロボット
６０…モータ部
６１…トルク増幅部
６２…モータ・ケース
６４…ロータ軸
６８、６８ｕ、６８ｖ、６８ｗ…コイル
７５…出力軸
７６…エンコーダ
８０…制御ＩＣ
８１…駆動回路
８２…電圧検出部
９０…演算処理部
９１…ＰＷＭ制御部
９２…付加理論回路
ＲＴ１…第１の衝撃吸収処理手順
ＲＴ２……第２の衝撃吸収処理手順
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の可動関節部を有するロボット装置であって、
前記関節部を駆動する複数のモータと、
前記の各モータの負荷状態を検出する複数の第１の負荷状態検出手段と、
前記第１の過負荷状態検出手段により、いずれかのモータにおいて過負荷状態が検出されたことに応答して、当該モータに対する負荷を吸収するための動作を制御する負荷吸収動作制御手段と、
２以上の前記モータにおける負荷状態の合計が過負荷状態かどうかを検出する第２の負荷状態検出手段と、
前記第２の過負荷状態検出手段により過負荷状態が検出されたことに応答して、所定の機体保護動作を実行する機体保護動作制御手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置。
【請求項２】
モータに印加される負荷を吸収する負荷吸収装置であって、
前記モータの出力軸に連結されたリンクに印加されるトルクと前記モータによる発生トルクとの絶対値の和に基いて負荷トルクを計測するトルク計測手段と、
前記トルク計測手段により検出された負荷トルクが所定時間以上継続して第１の閾値を越えたことに応答して過負荷状態を検出する過負荷状態検出手段と、
前記過負荷検出手段により過負荷状態が検出されたことに応答して、前記モータへの負荷を吸収するための動作を制御する負荷吸収動作制御手段と、
を具備することを特徴とする負荷吸収装置。
【請求項３】
前記第１の閾値は、前記モータのストール・トルク近傍、あるいは回路保護の限界などの閾値で構成される、
ことを特徴とする請求項２に記載の負荷吸収装置。
【請求項４】
前記負荷吸収動作制御手段は、過負荷の検出に応答して、前記モータの発生トルクを低減させる、
ことを特徴とする請求項２に記載の負荷吸収装置。
【請求項５】
前記負荷吸収動作制御手段は、過負荷状態の検出に応答して、前記モータの粘性係数を変化させる、
ことを特徴とする請求項２に記載の負荷吸収装置。
【請求項６】
モータに印加される負荷を吸収する負荷吸収装置であって、
前記モータの出力軸に連結されたリンクに印加されるトルクと前記モータによる発生トルクとの絶対値の和に基いて負荷トルクを計測するトルク計測手段と、
前記モータの出力軸に与えられる運動エネルギの変化量を計測する運動エネルギ変化量計測手段と、
前記トルク計測手段により検出された負荷トルク又は前記運動エネルギ変化量計測手段により計測された運動エネルギ変化量に基づいて過負荷状態を検出する過負荷状態検出手段と、
前記過負荷状態検出手段により過負荷状態が検出されたことに応答して、前記モータへの負荷を吸収するための動作を制御する負荷吸収動作制御手段と、
を具備することを特徴とする負荷吸収装置。
【請求項７】
モータに印加される負荷を吸収する負荷吸収方法であって、
前記モータの出力軸に連結されたリンクに印加されるトルクと前記モータによる発生トルクの絶対値の和を含んだ負荷トルクを計測するトルク計測ステップと、
前記トルク計測ステップにおいて検出された負荷トルクが所定時間以上継続して第１の閾値を越えたことに応答して過負荷を検出する過負荷検出ステップと、
前記過負荷検出ステップにおいて過負荷が検出されたことに応答して、前記モータへの負荷を吸収するための動作を制御する負荷吸収動作制御ステップと、
を具備することを特徴とする負荷吸収方法。
【請求項８】
前記第１の閾値は、前記モータのストール・トルク近傍、あるいは回路保護の限界などの閾値で構成される、
ことを特徴とする請求項７に記載の負荷吸収方法。
【請求項９】
前記負荷吸収動作制御ステップでは、過負荷の検出に応答して、前記モータの発生トルクを低減させる、
ことを特徴とする請求項７に記載の負荷吸収方法。
【請求項１０】
前記負荷吸収動作制御ステップでは、過負荷の検出に応答して、前記モータの粘性係数を低減させる、
ことを特徴とする請求項７に記載の負荷吸収方法。
【請求項１１】
モータに印加される負荷を吸収する負荷吸収方法であって、
前記モータの出力軸に連結されたリンクに印加されるトルクと前記モータによる発生トルクの絶対値の和を含んだ負荷トルクを計測するトルク計測ステップと、
前記モータの出力軸に与えられる運動エネルギの変化量を計測する運動エネルギ変化量計測ステップと、
前記トルク計測ステップにより検出された負荷トルク又は前記運動エネルギ変化量計測手段により計測された運動エネルギ変化量に基づいて過負荷を検出する過負荷検出ステップと、
前記過負荷検出ステップにより過負荷が検出されたことに応答して、前記モータへの負荷を吸収するための動作を制御する負荷吸収動作制御ステップと、
を具備することを特徴とする負荷吸収方法。
【請求項１２】
関節アクチュエータ用の複数のモータを備えたロボット装置であって、
請求項２に記載の負荷吸収装置を備える、
ことを特徴とするロボット装置。
【請求項１】
複数の可動関節部を有するロボット装置であって、
前記関節部を駆動する複数のモータと、
前記の各モータの負荷状態を検出する複数の第１の負荷状態検出手段と、
前記第１の過負荷状態検出手段により、いずれかのモータにおいて過負荷状態が検出されたことに応答して、当該モータに対する負荷を吸収するための動作を制御する負荷吸収動作制御手段と、
２以上の前記モータにおける負荷状態の合計が過負荷状態かどうかを検出する第２の負荷状態検出手段と、
前記第２の過負荷状態検出手段により過負荷状態が検出されたことに応答して、所定の機体保護動作を実行する機体保護動作制御手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置。
【請求項２】
モータに印加される負荷を吸収する負荷吸収装置であって、
前記モータの出力軸に連結されたリンクに印加されるトルクと前記モータによる発生トルクとの絶対値の和に基いて負荷トルクを計測するトルク計測手段と、
前記トルク計測手段により検出された負荷トルクが所定時間以上継続して第１の閾値を越えたことに応答して過負荷状態を検出する過負荷状態検出手段と、
前記過負荷検出手段により過負荷状態が検出されたことに応答して、前記モータへの負荷を吸収するための動作を制御する負荷吸収動作制御手段と、
を具備することを特徴とする負荷吸収装置。
【請求項３】
前記第１の閾値は、前記モータのストール・トルク近傍、あるいは回路保護の限界などの閾値で構成される、
ことを特徴とする請求項２に記載の負荷吸収装置。
【請求項４】
前記負荷吸収動作制御手段は、過負荷の検出に応答して、前記モータの発生トルクを低減させる、
ことを特徴とする請求項２に記載の負荷吸収装置。
【請求項５】
前記負荷吸収動作制御手段は、過負荷状態の検出に応答して、前記モータの粘性係数を変化させる、
ことを特徴とする請求項２に記載の負荷吸収装置。
【請求項６】
モータに印加される負荷を吸収する負荷吸収装置であって、
前記モータの出力軸に連結されたリンクに印加されるトルクと前記モータによる発生トルクとの絶対値の和に基いて負荷トルクを計測するトルク計測手段と、
前記モータの出力軸に与えられる運動エネルギの変化量を計測する運動エネルギ変化量計測手段と、
前記トルク計測手段により検出された負荷トルク又は前記運動エネルギ変化量計測手段により計測された運動エネルギ変化量に基づいて過負荷状態を検出する過負荷状態検出手段と、
前記過負荷状態検出手段により過負荷状態が検出されたことに応答して、前記モータへの負荷を吸収するための動作を制御する負荷吸収動作制御手段と、
を具備することを特徴とする負荷吸収装置。
【請求項７】
モータに印加される負荷を吸収する負荷吸収方法であって、
前記モータの出力軸に連結されたリンクに印加されるトルクと前記モータによる発生トルクの絶対値の和を含んだ負荷トルクを計測するトルク計測ステップと、
前記トルク計測ステップにおいて検出された負荷トルクが所定時間以上継続して第１の閾値を越えたことに応答して過負荷を検出する過負荷検出ステップと、
前記過負荷検出ステップにおいて過負荷が検出されたことに応答して、前記モータへの負荷を吸収するための動作を制御する負荷吸収動作制御ステップと、
を具備することを特徴とする負荷吸収方法。
【請求項８】
前記第１の閾値は、前記モータのストール・トルク近傍、あるいは回路保護の限界などの閾値で構成される、
ことを特徴とする請求項７に記載の負荷吸収方法。
【請求項９】
前記負荷吸収動作制御ステップでは、過負荷の検出に応答して、前記モータの発生トルクを低減させる、
ことを特徴とする請求項７に記載の負荷吸収方法。
【請求項１０】
前記負荷吸収動作制御ステップでは、過負荷の検出に応答して、前記モータの粘性係数を低減させる、
ことを特徴とする請求項７に記載の負荷吸収方法。
【請求項１１】
モータに印加される負荷を吸収する負荷吸収方法であって、
前記モータの出力軸に連結されたリンクに印加されるトルクと前記モータによる発生トルクの絶対値の和を含んだ負荷トルクを計測するトルク計測ステップと、
前記モータの出力軸に与えられる運動エネルギの変化量を計測する運動エネルギ変化量計測ステップと、
前記トルク計測ステップにより検出された負荷トルク又は前記運動エネルギ変化量計測手段により計測された運動エネルギ変化量に基づいて過負荷を検出する過負荷検出ステップと、
前記過負荷検出ステップにより過負荷が検出されたことに応答して、前記モータへの負荷を吸収するための動作を制御する負荷吸収動作制御ステップと、
を具備することを特徴とする負荷吸収方法。
【請求項１２】
関節アクチュエータ用の複数のモータを備えたロボット装置であって、
請求項２に記載の負荷吸収装置を備える、
ことを特徴とするロボット装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【公開番号】特開２００７−１４４６２０（Ｐ２００７−１４４６２０Ａ）
【公開日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−６４３３（Ｐ２００７−６４３３）
【出願日】平成１９年１月１５日（２００７．１．１５）
【分割の表示】特願２００３−３６７４７７（Ｐ２００３−３６７４７７）の分割
【原出願日】平成１５年１０月２８日（２００３．１０．２８）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月１５日（２００７．１．１５）
【分割の表示】特願２００３−３６７４７７（Ｐ２００３−３６７４７７）の分割
【原出願日】平成１５年１０月２８日（２００３．１０．２８）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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