脚式ロボット
【課題】手部の指部の把持面が４足歩行時に損傷するのを回避し、４足歩行時に圧覚センサを用いた制御によってロボット本体の姿勢の安定性の向上を図る。
【解決手段】４つの肢部をもつ脚式ロボットの上肢部に設けられた手部２０９，２１２を用いて、ナックル歩行により安定な４足歩行を行う。右手部２０９には、２本の指部１０１ａ，１０２ａの指背面１２５ａ，１２６ａに接地検出用の手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａが設けられている。また、左手部２１２には、２本の指部１０１ｂ，１０２ｂの指背面１２５ｂ，１２６ｂに接地検出用の手部圧覚センサ１０７ｂ，１１２ｂが設けられている。これら手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂを用いてナックル歩行時の姿勢が制御される。
【解決手段】４つの肢部をもつ脚式ロボットの上肢部に設けられた手部２０９，２１２を用いて、ナックル歩行により安定な４足歩行を行う。右手部２０９には、２本の指部１０１ａ，１０２ａの指背面１２５ａ，１２６ａに接地検出用の手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａが設けられている。また、左手部２１２には、２本の指部１０１ｂ，１０２ｂの指背面１２５ｂ，１２６ｂに接地検出用の手部圧覚センサ１０７ｂ，１１２ｂが設けられている。これら手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂを用いてナックル歩行時の姿勢が制御される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、４肢を有し、２足歩行及び４足歩行を行う脚式ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、２足歩行、４足歩行を行う様々な脚式の移動ロボットが開発されている。その中で、２足歩行、４足歩行、梯子登り、枝渡りと多くの移動形態をとれるロボットの研究が進められている（非特許文献１参照）。１つのロボットで多くの移動形態をとれることで、様々な環境での移動が可能となる。
【０００３】
人間の生活を支援するロボットの１つの形態として、人の側に常にあり、物を持ってきたり、片付けたり等の軽作業を行うことが考えられる。移動手段は車輪型では階段等段差の移動が難しいため、脚式が望ましい。また、グリッパでは軽作業が限られるため、手には多指ハンドを備えることが望ましい。多指ハンドを備えることで、ドアノブを把持してドアの開閉等にも対応できる。
【０００４】
脚式ロボットとしては２足歩行ロボットが開発され、既にホビーロボットとして市販されている。安定して２足歩行を行うためには、ロボット、環境（床面等）のモデル化とそれに基づく運動生成が必要である。動力学を考慮しないで済む静歩行でさえ、支持脚の足裏に重心の投影点を置く制御は、床に置いてある物、表面状態が異なる床面、階段等に対応することは簡単ではない。一方、４足歩行では重心の投影点は３脚の支持多角形内に置けば良いので制御はより２足歩行に比べて大幅に容易である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】米田裕成、関山浩介、長谷川泰久、福田敏男、「マルチロコモーションロボットの角運動量考慮による垂直梯子登り動作」、第２６回日本ロボット学会講演会、ＲＳＪ２００８ＡＣ１Ｄ２−０１、２００８年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、人間、類人猿の掌側にあたる指の把持面は敏感である。ロボットの把持機能の高い多指ハンドの指先も同様である。脚式ロボットが４足歩行で上肢部の手部を接地する場合は、手部における指部の把持面を保護する必要がある。
【０００７】
また、４足歩行は２足歩行に比較して制御が安定な分容易ではあるが、重心の把握が必要である。そのため、４足歩行を行う脚式ロボットでは、ジャイロ、加速度センサ等の姿勢制御センサ、４肢の力覚センサの他、足部及び手部に地面等の歩行面に接触する圧覚センサを設ける必要がある。しかしながら、これまでの多指ハンドを備えて４足歩行を行う脚式ロボットの例は無く、また、指部の接地時の圧覚センサによる接地検出も行われていなかった。
【０００８】
そこで、本発明は、手部の指部の把持面が４足歩行時に損傷するのを回避し、４足歩行時に圧覚センサを用いた制御によってロボット本体の姿勢の安定性の向上を図る脚式ロボットを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、体幹部と、前記体幹部に連結された２つの下肢部と、前記体幹部に連結された２つの上肢部と、を有するロボット本体を備え、前記各下肢部は、歩行の際に歩行面に接する足部を有し、前記各上肢部は、腕部と、前記腕部に連結され、把持対象物を把持可能な手部とを有し、前記２つの下肢部を用いて２足歩行が可能であり、前記２つの下肢部及び前記２つの上肢部を用いて４足歩行が可能な脚式ロボットにおいて、前記各手部が歩行面に接地したか否かを検出する手部圧覚センサと、前記各足部が歩行面に接地したか否かを検出する足部圧覚センサと、前記手部圧覚センサ及び前記足部圧覚センサの検出結果により前記ロボット本体の重心を求めて前記ロボット本体の姿勢を制御する制御部と、を備え、前記各手部は、４足歩行時に指関節を屈曲させて把持面とは反対側の指背面を歩行面に接地させる指部を有し、前記手部圧覚センサは、前記各手部の指部の指背面に設置されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、体幹部と、前記体幹部に連結された２つの下肢部と、前記体幹部に連結された２つの上肢部と、を有するロボット本体を備え、前記各下肢部は、歩行の際に歩行面に接する足部を有し、前記各上肢部は、腕部と、前記腕部に連結され、把持対象物を把持可能な手部とを有し、前記２つの下肢部を用いて２足歩行が可能であり、前記２つの下肢部及び前記２つの上肢部を用いて４足歩行が可能な脚式ロボットにおいて、前記各手部が歩行面に接地したか否かを検出する手部圧覚センサと、前記各足部が歩行面に接地したか否かを検出する足部圧覚センサと、前記手部圧覚センサ及び前記足部圧覚センサの検出結果により前記ロボット本体の重心を求めて前記ロボット本体の姿勢を制御する制御部と、を備え、前記各手部は、４足歩行時に指関節を屈曲させて把持面とは反対側の指背面を歩行面に接地させる指部を複数有し、前記手部圧覚センサは、前記各手部の各指部の指背面に設置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、各手部の指部の指背面を歩行面に接地させて４足歩行を行うようにしている。これにより、４足歩行時に手部の指部の把持面が損傷するのを回避することができる。そして、４足歩行時は、各圧覚センサを用いたロボット本体の姿勢制御によりロボット本体の姿勢の安定性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る脚式ロボットの概略構成を示す斜視図である。
【図２】各手部の構成を示す斜視図であり、（ａ）は左手部の斜視図、（ｂ）は右手部の斜視図である。
【図３】脚式ロボットの移動動作を示す図であり、（ａ）はナックル歩行、（ｂ）は２足歩行、（ｃ）は３足歩行、（ｄ）はよじ登り動作を示す図である。
【図４】脚式ロボットの制御システムの概略構成を示すブロック図である。
【図５】制御システムの上肢ユニットにおける接続状態を示すブロック図である。
【図６】静歩行での歩行安定性を説明するために脚式ロボットを上方から見た模式図である。（ａ）はナックル歩行での４脚支持状態である。（ｂ）はナックル歩行あるいは物を運ぶ３足歩行での３脚支持状態である。（ｃ）は物を運ぶ３足歩行での２脚支持状態あるいは２足歩行での２脚支持状態である。（ｄ）は２足歩行での１脚支持状態である。
【図７】４足歩行（ナックル歩行）での歩行制御を説明するフローチャートである。
【図８】３足歩行での歩行制御を説明するフローチャートである。
【図９】第１実施形態に係る脚式ロボットの手部の接地制御を行ったときの接地状態を示す図であり、（ａ）は手部の接地制御前の状態、（ｂ）は手部の接地制御後の状態を示している。
【図１０】第１実施形態に係る脚式ロボットの制御システムによる接地制御のフローチャートである。
【図１１】第２実施形態に係る脚式ロボットの手部の接地制御を行ったときの接地状態を示す図であり、（ａ）は手部の接地制御前の状態、（ｂ）は手部の接地制御後の状態を示している。
【図１２】第２実施形態に係る脚式ロボットの制御システムによる接地制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る脚式ロボットの概略構成を示す斜視図である。図１に示すように、脚式ロボット１００のロボット本体１００Ａは、体幹部２０５と、体幹部２０５に連結された頭部２０６と、体幹部２０５に連結された２つの上肢部２０１，２０２と、体幹部２０５に連結された２つの下肢部２０３，２０４と、を備えている。脚式ロボット１００は、２つの下肢部２０３，２０４を用いて２足歩行が可能であり、２つの下肢部２０３，２０４及び２つの上肢部２０１，２０２を用いて４足歩行が可能に構成されている。
【００１５】
体幹部２０５の右側には、右上肢部２０１及び右下肢部２０３が設けられ、体幹部２０５の左側には、左上肢部２０２及び左下肢部２０４が設けられている。つまり、右上肢部２０１と左上肢部２０２とが、Ｘ−Ｚ面に対して互いに対称配置されている。また、右下肢部２０３と左下肢部２０４とが、Ｘ−Ｚ面に対して互いに対称配置されている。体幹部２０５は、胸部２１９と、腹部２２０と、腰部２２１とからなり、胸部２１９の上部に頭部２０６が連結されている。
【００１６】
各上肢部２０１，２０２は、腕部２３１，２３２と手部２０９，２１２とを有して構成される。具体的に説明すると、右上肢部２０１は、体幹部２０５の胸部２１９の右側に基端部が連結された右上腕２０７と右上腕２０７の先端部に基端部が連結された右前腕２０８とからなる右腕部２３１を有している。また、右上肢部２０１は、右腕部２３１の右前腕２０８に、右腕部２３１の軸回りに回転可能に連結された右手部２０９を有している。また、右手部２０９は、右腕部２３１に対して揺動可能に連結されている。
【００１７】
また、左上肢部２０２は、体幹部２０５の胸部２１９の左側に基端部が連結された左上腕２１０と左上腕２１０の先端部に基端部が連結された左前腕２１１とからなる左腕部２３２を有している。また、左上肢部２０２は、左腕部２３２の左前腕２１１に、左腕部２３２の軸回りに回転可能に連結された左手部２１２を有している。また、左手部２１２は、左腕部２３２に対して揺動可能に連結されている。各手部２０９、２１２は、把持対象物を把持可能に複数（本第１実施形態では、３つ）の指を有している多指ハンドである。
【００１８】
また、各下肢部２０３，２０４は、歩行の際に地面又は床面等の歩行面に接する各足部２１５，２１８を有している。具体的に説明すると、右下肢部２０３は、体幹部２０５の腰部２２１の下部に基端部が連結された右大腿部２１３と、右大腿部２１３の先端部に基端部が連結された右下腿部２１４と、右下腿部２１４の先端部に連結された右足部２１５とを有している。また、左下肢部２０４は、体幹部２０５の腰部２２１の下部に基端部が連結された左大腿部２１６と、左大腿部２１６の先端部に基端部が連結された左下腿部２１７と、左下腿部２１７の先端部に連結された左足部２１８とを有している。
【００１９】
なお、図示は省略するが、各部は以下の自由度を持ち、その駆動、制御に必要なアクチュエータ及びセンサを備えている。頭部２０６は、自由度が３（内訳：ヨー軸、ピッチ軸、ロール軸）、体幹部２０５は、自由度が３（内訳：ヨー軸、ピッチ軸、ロール軸）である。また、各上肢部２０１，２０２は、自由度が７（内訳：肩ピッチ軸、肩ロール軸、上腕ヨー軸、肘ピッチ軸、前腕ヨー軸、手首ピッチ軸、手首ロール軸）である。また、各下肢部２０３，２０４は、自由度が６（内訳：股ヨー軸、股ピッチ軸、股ロール軸、膝ピッチ軸、足首ピッチ軸、足首ロール軸）である。また、各手部２０９，２１２は自由度が６、各足部２１５，２１８は自由度が６である。これらの自由度は一例である。なお、足部２１５，２１８はよじ登りにより適した形態にするため冗長であるが、ロール軸とピッチ軸の自由度２とすることも可能である。また、上腕部２０７，２１０と前腕部２０８，２１１のヨー軸はどちらか一方を省略することも可能である。
【００２０】
次に、各手部２０９，２１２の構成について詳細に説明する。図２は、各手部２０９，２１２の構成を示す斜視図であり、図２（ａ）は左手部２１２の斜視図、図２（ｂ）は右手部２０９の斜視図である。
【００２１】
図２（ａ）に示すように、左手部２１２は、手首１０５ｂを介して左前腕２１１に連結されている。左手部２１２は、人差指１０１ｂ、中指１０２ｂ及び拇指１０３ｂの３本の指を有している。各指１０１ｂ，１０２ｂは、把持対象物を把持する際に、掌１０４ｂ側に各指関節で屈曲する。
【００２２】
各指１０１ｂ，１０２ｂ，１０３ｂは２関節になっており、各指関節に１自由度を備える。人差指１０１ｂは、先端に配置された第１リンク１０８ｂと、第１指関節１０９ｂで第１リンク１０８ｂに連結されるとともに、第２指関節１１１ｂで手部本体１０６ｂに連結された第２リンク１１０ｂとを有している。中指１０２ｂは、先端に配置された第１リンク１１３ｂと、第１指関節１１４ｂで第１リンク１１３ｂに連結されるとともに、第２指関節１１６ｂで手部本体１０６ｂに連結された第２リンク１１５ｂとを有している。拇指１０３ｂは、先端に配置された第１リンク１１７ｂと、第１指関節１１８ｂで第１リンク１１７ｂに連結されるとともに、第２指関節１２０ｂで手部本体１０６ｂに連結された第２リンク１１９ｂとを有している。
【００２３】
図２（ａ）中に示した座標系で、人差指１０１ｂの第１指関節１０９ｂ、第２指関節１１１ｂ、中指１０２ｂの第１指関節１１４ｂ、第２指関節１１６ｂは、ロール軸の自由度をもっている。拇指１０３ｂの第１指関節１１８ｂはピッチ軸の自由度をもっている。第２指関節１２０ｂはヨー軸の自由度をもっている。この図２（ａ）は左手部２１２を示しており、右手部２０９はＸ−Ｚ平面で左手部２１２と左右対称となり、図２（ｂ）に示している。
【００２４】
図２（ｂ）に示すように、右手部２０９は、手首１０５ａを介して右前腕２０８に連結されている。右手部２０９は、人差指１０１ａ、中指１０２ａ及び拇指１０３ａの３本の指を有している。各指１０１ａ，１０２ａは、把持対象物を把持する際に、掌１０４ａ側に各指関節で屈曲する。
【００２５】
各指１０１ａ，１０２ａ，１０３ａは２関節になっており、各指関節に１自由度を備える。人差指１０１ａは、先端に配置された第１リンク１０８ａと、第１指関節１０９ａで第１リンク１０８ａに連結されるとともに、第２指関節１１１ａで手部本体１０６ａに連結された第２リンク１１０ａとを有している。中指１０２ａは、先端に配置された第１リンク１１３ａと、第１指関節１１４ａで第１リンク１１３ａに連結されるとともに、第２指関節１１６ａで手部本体１０６ａに連結された第２リンク１１５ａとを有している。拇指１０３ａは、先端に配置された第１リンク１１７ａと、第１指関節１１８ａで第１リンク１１７ａに連結されるとともに、第２指関節１２０ａで手部本体１０６ａに連結された第２リンク１１９ａとを有している。
【００２６】
右手部２０９で把持対象物を把持する際には、人差指１０１ａの第１リンク１０８ａの把持面１２１ａと第２リンク１１０ａの把持面１２２ａとを把持対象物に接触させる。また、中指１０２ａの第１リンク１１３ａの把持面１２３ａと第２リンク１１５ａの把持面１２４ａとを把持対象物に接触させる。
【００２７】
左手部２１２で把持対象物を把持する際には、人差指１０１ｂの第１リンク１０８ｂの把持面１２１ｂと第２リンク１１０ｂの把持面１２２ｂとを把持対象物に圧接させる。また、中指１０２ｂの第１リンク１１３ｂの把持面１２３ｂと第２リンク１１５ｂの把持面１２４ｂとを把持対象物に圧接させる。
【００２８】
ところで、把持動作可能な指をもつ類人猿では、４足歩行時に手の指背面を地面につける。これはナックル歩行と呼ばれる。本第１実施形態では、脚式ロボット１００は、状況に応じて２足歩行と４足歩行を使い分け、４足歩行時は、立ち気味の姿勢の方が姿勢の差が少なく、手の指への荷重を減らすことができるため、ナックル歩行としている。ナックル歩行は、４足歩行時の上肢部の実質的な長さに手部の一部を含められるようになるため、立ち気味の姿勢に適している。また、邪魔にならないサイズを考えた時、ロボット本体１００Ａの身長に対する手部２０９，２１２の長さの割合は大きくなる。これは、多指ハンドである手部２０９，２１２の指関節数が多く、機構が複雑になるためである。ナックル歩行を用いることで、手部２０９，２１２の長さを上述の立ち気味の姿勢に活かすことができる。
【００２９】
具体的に説明すると、本第１実施形態では、４足歩行時に、図２に示すように、各手部２０９，２１２の人差指１０１ａ，１０１ｂを第１指関節１０９ａ，１０９ｂで屈曲させるとともに、中指１０２ａ，１０２ｂを第１指関節１１４ａ，１１４ｂで屈曲させる。そして、右手部２０９の人差指１０１ａの第１リンク１０８ａの把持面１２１ａとは反対側の指背面１２５ａを歩行面に接地させるとともに、中指１０２ａの第１リンク１１３ａの把持面１２３ａとは反対側の指背面１２６ａを歩行面に接地させる。同様に、左手部２１２の人差指１０１ｂの第１リンク１０８ｂの把持面１２１ｂとは反対側の指背面１２５ｂを地面や床面等の歩行面に接地させるとともに、中指１０２ｂの第１リンク１１３ｂの把持面１２３ｂとは反対側の指背面１２６ｂを歩行面に接地させる。なお、本第１実施形態では、拇指１０３ａ，１０３ｂは、４足歩行時には使用しない。つまり、人差指１０１ａ，１０１ｂ及び中指１０２ａ，１０２ｂが、４足歩行時に使用する指部となる。
【００３０】
ところで、手部２０９，２１２は、上肢部で最も細いリンクである。従って、本第１実施形態では、各手部２０９，２１２は、４足歩行時に使用する指部を複数有しており、複数の指部を接地させることで、荷重を分散し、指部を保護している。各手部２０９，２１２は、各指部１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂの第１指関節における関節角度を約９０度とし、掌１０４ａ，１０４ｂを後方に向けた姿勢に設定される。
【００３１】
本第１実施形態の脚式ロボット１００は、４足歩行（ナックル歩行）の他、２足歩行、３足歩行、よじ登り等の移動動作が可能である。図３を用いて脚式ロボット１００の移動動作について説明する。図３（ａ）はナックル歩行、図３（ｂ）は２足歩行、図３（ｃ）は物を運ぶ３足歩行、図３（ｄ）はよじ登り動作を示している。図３（ｃ）ではロボットは右手部２０９で物５０１を持っている。図３（ｄ）では脚式ロボット１００は右手部２０９、左手部２１２、右足部２１５及び左足部２１８で棒５０２をよじ登っている。
【００３２】
ナックル歩行又は３足歩行で支持脚となる上肢部２０１，２０２における手部２０９，２１２は、上述した通り、人差指１０１ａ，１０１ｂと中指１０２ａ，１０２ｂを第１指関節で約９０度、手部２０９，２１２の内側に折り曲げる。そして、掌１０４ａ，１０４ｂをロボット本体１００Ａの後方に向ける。ここで、ロボット本体１００Ａの頭部２０６の顔が向いている方向を前方とし、その反対方向を後方としている。
【００３３】
こうすることで、右手部２０９の指部である人差指１０１ａ及び中指１０２ａにおける第２リンク１１０ａ，１１５ａと掌１０４ａを有する手部本体１０６ａを上肢部の長さの一部とすることができる。また、左手部２１２の指部である人差指１０１ｂ及び中指１０２ｂにおける第２リンク１１０ｂ，１１５ｂと掌１０４ｂを有する手部本体１０６ｂを上肢部の長さの一部とすることができる。したがって、上腕部及び前腕部からなる腕部２３１，２３２の長さを下肢部２０３，２０４に比較してそれ程長くしなくても、極端な前傾姿勢をとらずに済み、４足歩行から２足歩行、２足立ちの移行が容易になる。また、各指１０１ａ，１０２ａ，１０１ｂ，１０２ｂへの荷重も小さくなる。
【００３４】
さらに、把持面１２１ａ，１２３ａ，１２１ｂ，１２３ｂとは反対側の指背面１２５ａ，１２６ａ，１２５ｂ，１２６ｂを歩行面に接地させるようにしている。したがって、掌１０４ａ，１０４ｂ及び各指１０１ａ，１０２ａ，１０１ｂ，１０２ｂの把持面１２１ａ，１２２ａ，１２３ａ，１２４ａ，１２１ｂ，１２２ｂ，１２３ｂ，１２４ｂが損傷するのを回避することができる。
【００３５】
上記の移動動作を人間の生活環境の大きな部分である屋内に当てはめてみる。ナックル歩行は最も多用される。物が置いてある床面、カーペット、畳等の柔らかさ、表面状態の異なる床面、段差、階段においても、安定に転倒することなく、移動することができる。２足歩行は、フローリング等の歩行制御が容易な床面の移動、両手で持つ必要のある物の持ち運びに用いる。但し、安定に歩行するため、制御は複雑になり、場合によっては転倒の可能性がある。尚、ドアの開閉時も２足立ちになる。片手で物を運ぶ３足歩行は、小物の持ち運びを、上記の状況において、２足歩行に比べて安定に行うことができる。よじ登りは歩行では移動できない場合に用いられる。手足の把持により体を支え、３点支持により移動する。高い台や机の上へ（あるいはその逆）が一例である。
【００３６】
ところで、図３（ａ）に示すように、右足部２１５の足裏面には、歩行制御のため、右足部２１５が歩行面に接地したか否かを検出する足部圧覚センサ２４１が設置されている。同様に、左足部２１８の足裏面には、左足部２１８が歩行面に接地したか否かを検出する足部圧覚センサ２４２が設置されている。
【００３７】
更に、本第１実施形態では、手部２０９，２１２を用いてナックル歩行を安定して行うために、図２に示すように、各指背面１２５ａ，１２６ａ，１２５ｂ，１２６ｂに各手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂが設置されている。手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａは、右手部２０９が歩行面に接地したか否かを検出するためのものであり、手部圧覚センサ１０７ｂ，１１２ｂは、左手部２１２が歩行面に接地したか否かを検出するためのものである。
【００３８】
これら圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂ，２４１，２４２は、ロボット本体１００Ａの重心を求めるのに用いられる。本第１実施形態では、ロボット本体１００Ａの重心を求めるのに必要な手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂを各手部２０９，２１２の指部の指背面１２５ａ，１２６ａ，１２５ｂ，１２６ｂに設置している。したがって、手部２０９，２１２による把持動作では、手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂが把持対象物に接触するのを回避できるので、手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂによる誤検出を回避することができる。
【００３９】
圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂ，２４１，２４２としては、感圧導電性ゴムの表面に電極を設け抵抗変化を検出するもの、ピエゾ抵抗を用いたもの、圧電体を用いたもの、静電容量検出型のものを用いることができる。
【００４０】
この構成により、人差指１０１ａ，１０１ｂと中指１０２ａ，１０２ｂの関節角度を制御し、指背面の圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂを接地させ、その信号をもとに安定してナックル歩行を行うことができる。
【００４１】
また、把持動作においては、掌１０４ａ，１０４ｂ、人差指１０１ａ，１０１ｂ、中指１０２ａ，１０２ｂ、拇指１０３ａ，１０３ｂを用いて様々な把持を行うことができる。指関節の関節角度を調整することで把持対象との接触点を多くできるため、安定な把持が可能である。
【００４２】
なお、指の本数、関節数、自由度数は一例であり、これに限られるものではない。本数、関節数、自由度数が多くなれば、把持形態が増え、さらに操り等も可能になる。また、把持動作においては、既存の多指ハンドと同様に指、掌の把持面に圧覚センサを備えることで、把持制御の制御性を向上させることができる。
【００４３】
次に、脚式ロボット１００の全体の制御システムの概略について図４を用いて説明する。図４に示すように、制御部としての制御システム３００は、コントローラユニット３０１、右上肢ユニット３０２、左上肢ユニット３０３、右下肢ユニット３０４、左下肢ユニット３０５、頭ユニット３０６、体幹ユニット３０７で構成される。各ユニットはそれぞれコントローラを備え、内部にあるアクチュエータの駆動制御、センサの駆動・検出制御、信号処理を行う。
【００４４】
コントローラユニット３０１は各ユニットと制御信号を介して制御を行い、脚式ロボット全体の制御を行う。コントローラユニット３０１は内部の運動に係るプログラムと各ユニットからの制御信号に基づき各ユニットを制御し、ロボットを運動させる。運動に係るプログラムは予めコントローラユニット３０１に記憶されている他、外部からの通信により入力される。制御信号のインターフェース、通信プロトコルとしては、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等を用いることができる。
【００４５】
なお、この例ではコントローラユニット３０１に接続される各ユニットがコントローラを内蔵したが、各ユニットがコントローラを内蔵せず、コントローラユニット３０１から直接、各ユニットのアクチュエータの駆動、センサ信号の検出を行う構成も可能である。
【００４６】
図５を用いて上肢ユニット３０２，３０３の指背面接地制御に係る制御システムの概要を説明する。上肢ユニット３０２は、上肢コントローラ４０１ａを備え、上肢コントローラ４０１ａに、手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ、人差指アクチュエータ４０４ａ、中指アクチュエータ４０５ａ、手首アクチュエータ４０６ａが接続されて構成される。同様に、上肢ユニット３０３は、上肢コントローラ４０１ｂを備え、上肢コントローラ４０１ｂに、手部圧覚センサ１０７ｂ，１１２ｂ、人差指アクチュエータ４０４ｂ、中指アクチュエータ４０５ｂ、手首アクチュエータ４０６ｂが接続されて構成される。
【００４７】
手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ（１０７ｂ，１１２ｂ）からは検出結果であるセンサ信号が上肢コントローラ４０１ａ（４０１ｂ）に出力される。上肢コントローラ４０１ａ（４０１ｂ）からは駆動信号が、人差指アクチュエータ４０４ａ（４０１ｂ）、中指アクチュエータ４０５ａ（４０５ｂ）、手首アクチュエータ４０６ａ（４０６ｂ）に出力される。
【００４８】
ナックル歩行時には、上肢コントローラ４０１ａ（４０１ｂ）は手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ（１０７ｂ，１１２ｂ）の信号をもとに指アクチュエータ、手首アクチュエータを駆動する。尚、上肢ユニット３０２，３０３にはこれ以外のセンサ、アクチュエータがあるが、指背面接地制御には直接関係しないため、ここでは省略した。
【００４９】
次に、図６を用いて脚式ロボット１００の静歩行の安定性について説明する。図６は脚式ロボット１００を上方から見た模式図であり、４肢部２０１，２０２，２０３，２０４の接地状態（４肢部での支持状態）を模式的に示している。図６（ａ）はナックル歩行での４脚支持状態である。図６（ｂ）はナックル歩行あるいは物を運ぶ３足歩行での３脚支持状態である。図６（ｃ）は物を運ぶ３足歩行での２脚支持状態あるいは２足歩行での２脚支持状態である。図６（ｄ）は２足歩行での１脚支持状態である。
【００５０】
接地部（支持部）となるのは、右指背面６０１（指背面１２５ａ，１２６ａ）、左指背面６０２（指背面１２５ｂ，１２６ｂ）、右足裏面６０３、左足裏面６０４であり、斜線で示されている。指背面６０１，６０２の接地面積は足裏面６０３，６０４の接地面積よりも小さい。支持多角形６０５は接地部（支持部）の外周を結ぶものであり、破線で示されている。なお、見やすくするため、接地部（支持部）と重なる部分は若干外にずらして図示している。重心投影点６０６は、ロボット本体１００Ａの重心の歩行面への投影点である。制御システム３００は、重心投影点６０６が静歩行時に支持多角形６０５内に位置するように、各圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂ，２４１，２４２の検出結果によりロボット本体１００Ａの姿勢を制御する。
【００５１】
図６からわかるように、支持脚が少なくなる程、支持多角形６０５は小さくなり、ロボット本体１００Ａの重心を支持多角形６０５上に維持したままの歩行制御は難しくなる。したがって、図６（ｂ）に示すナックル歩行は支持多角形６０５が図６（ｃ）に示す２足歩行時の支持多角形６０５よりも大きくなるため、歩行安定性の点で優れている。
【００５２】
また、床面等の歩行面の状況（凸凹、傾斜等）によっては、重心投影点６０６をロボット本体１００Ａの姿勢から単純に求めることが難しくなる。その場合、全ての支持脚の接地圧力を圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂ，２４１，２４２で検出することにより、ナックル歩行での重心投影点６０６を容易に求めることができ、様々な状態な床面等の歩行面でも安定に移動することができる。
【００５３】
次に、図７を用いて制御システム３００による４足歩行（ナックル歩行）で歩行制御について説明する。ここでは、下肢足裏の足部圧覚センサ２４１，２４２と、上肢の指背面の手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂからの信号を歩行制御に用いる。
【００５４】
圧覚センサのセンサ信号が所定の閾値を上回ったことにより接地、そして支持脚となったことを検出する。また、圧覚センサのセンサ信号が閾値を下回ったことにより遊脚になったことを検出する。圧覚センサの信号が大きくなるよう姿勢を制御することで、重心投影点６０６をその脚に近づける。圧覚センサの信号が小さくなるように姿勢を制御することで、重心投影点６０６をその脚から遠ざける。４足の静歩行では支持脚は３あるいは４なので、支持多角形６０５は三角形あるいは四角形に近い形になる。
【００５５】
右上肢部２０１が遊脚、他の肢部２０２，２０３，２０４が支持脚になっている状態を説明での制御サイクルの始めとする。以下、ロボット本体１００Ａが前進する場合、次の処理が順次行われる。
【００５６】
まず、右上肢部２０１を進行方向前方に移動し接地する（Ｓ１）。次に、重心投影点６０６を左下肢部２０４から離れるように移動し、左下肢部２０４を遊脚にする（Ｓ２）。次に、左下肢部２０４を左上肢部２０２よりに移動し接地する（Ｓ３）。次に、重心投影点６０６を左上肢部２０２から離れるように移動し、左上肢部２０２を遊脚にする（Ｓ４）。次に、左上肢部２０２を進行方向に移動し接地する（Ｓ５）。次に、重心投影点６０６を右下肢部２０３から離れるように移動し、右下肢部２０３を遊脚にする（Ｓ６）。次に右下肢部２０３を右上肢部２０１よりに移動し接地する（Ｓ７）。次に、重心投影点６０６を右上肢部２０１から離れるように移動し、右上肢部２０１を遊脚にする（Ｓ８）。以降、初めに戻り、移動が完了するまで繰り返す。
【００５７】
各上肢部の各手部の圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂの検出結果であるセンサ信号を用いることで、各肢部２０１，２０２，２０３，２０４の接地制御、重心投影点６０６の移動制御を行うことができ、安定して歩行することができる。
【００５８】
図８を用いて制御システム３００による３足歩行（物を持って３足歩行）での歩行制御について説明する。圧覚センサの信号の扱いについては図７の説明と同様なので省略する。３足歩行の静歩行では支持脚は２あるいは３なので、支持多角形６０５は、幅をもった直線あるいは三角形に近い形になる。直線に近い支持多角形６０５では重心投影点６０６が支持多角形６０５の外に出やすくなるため、支持脚が２つになる期間はできるだけ短くする。
【００５９】
右上肢部２０１で物を持ち、他の肢部２０２，２０３，２０４が支持脚になっている状態を、説明での制御サイクルの始めとする。以下の処理が順じ行われる。まず、重心投影点６０６を左下肢部２０４から離れるように移動し、左下肢部２０４を遊脚にする（Ｓ１１）。次に、左下肢部２０４を進行方向に移動し接地する（Ｓ１２）。重心投影点６０６を右下肢部２０３から離れるように移動し、右下肢部２０３を遊脚にする（Ｓ１３）。右下肢部２０３を進行方向に移動し、接地する（Ｓ１４）。重心投影点６０６を左上肢部２０２から離れるように移動し、左上肢部２０２を遊脚にする（Ｓ１５）。左上肢部２０２を進行方向に移動し接地する（Ｓ１６）。以降、初めに戻り、移動が完了するまで繰り返す。
【００６０】
左上肢部２０２を用いて支持多角形６０５が大きくなる期間を設けることで、物を持った移動を２足歩行比べて安定に行うことができる。なお、右上肢部２０１で物を持った例を示したが、左上肢部２０２で物を持った場合は、上記の説明で左上肢部２０２を右上肢部２０１に置き換えればよいので、説明は省略する。
【００６１】
なお、右手部２０９の人差指１０１ａ及び中指１０２ａのうちのいずれか１つの指部にのみ手部圧覚センサを設ける場合であってもよいが、本第１実施形態では、人差指１０１ａ及び中指１０２ａのそれぞれに手部圧覚センサを設けている。また、左手部２１２の人差指１０１ｂ及び中指１０２ｂのうちのいずれか１つの指部にのみ手部圧覚センサを設ける場合であってもよいが、本第１実施形態では、人差指１０１ｂ及び中指１０２ｂのそれぞれに手部圧覚センサを設けている。
【００６２】
従って、本第１実施形態では、図２に示した３指ハンドである手部２０９（２１２）において、人差指１０１ａ（１０１ｂ）と中指１０２ａ（１０２ｂ）を共に接地させるために指関節角度を制御する。
【００６３】
以下、図９を参照して、手部の接地制御を行ったときの接地状態について説明する。図９（ａ）は手部の接地制御前の状態、図９（ｂ）は手部の接地制御後の状態を示している。なお、図９には、右手部２０９を示しているが、左手部２１２についても同様に動作する。
【００６４】
ナックル歩行では３指１０１ａ，１０２ａ，１０３ａを図９（ａ）のような姿勢にする。人差指１０１ａの第２指関節１１１ａと中指１０２ａの第２指関節１１６ａは伸びている。人差指１０１ａの第１指関節１０９ａと中指１０２ａの第１指関節１１４ａは約９０度に手部２０９の内側に曲がっている。この状態で人差指１０１ａの指背面１２５ａと中指１０２ａの指背面１２６ａを床面等の歩行面９０１側に向ける。掌は進行方向と逆を向いている（手の甲は進行方向を向いている）。こうすることで、２本の指１０１ａ，１０２ａの歩行面９０１への平均的な距離が等しくなるため、接地制御が容易になる。図９では人差指１０１ａが先に接地している例である。人差指１０１ａ、中指１０２ａの関節角度は、上記角度から極端に離れていなければ、動作させることは可能である。
【００６５】
図１０を用いて接地制御のフローを説明する。指背面の接地状態の検出は上述の移動制御と同様である。上肢部が接地されその後、遊脚となるまでの間、以下の制御が行われる。まず、制御システム３００のコントローラユニット３０１は、各手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａの検出結果により、人差指１０１ａ及び中指１０２ａのうちのいずれかの指部が接地したか否かを判断する（Ｓ２１）。次に、コントローラユニット３０１は、接地した指部が人差指１０１ａか中指１０２ａかを判別する（Ｓ２２）。つまり、コントローラユニット３０１は、手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａのうちいずれかの手部圧覚センサにより歩行面に接地したことが検出されたかを判別する。
【００６６】
コントローラユニット３０１は、人差指１０１ａが先に接地した指部であると判別した場合、手部２０９の他の指部である中指１０２ａの手部圧覚センサ１１２ａが歩行面に接地するように先に接地した人差指１０１ａの関節角度を調整する（Ｓ２３）。
【００６７】
続いて、コントローラユニット３０１は、中指１０２ａが接地したか否かを判断する（Ｓ２４）。コントローラユニット３０１は、中指１０２ａが接地していない場合は、ステップＳ２３の処理に戻る。コントローラユニット３０１は、中指１０２ａが接地した場合は、人差指１０１ａの関節角度を固定する（Ｓ２５）。
【００６８】
つまり、図９（ａ）に示すように、人差指１０１ａだけが歩行面９０１に接地している場合には、人差指１０１ａの関節角度を調整し、図９（ｂ）に示すように、中指１０２ａを歩行面９０１に接地させる。
【００６９】
またステップＳ２２でコントローラユニット３０１は、中指１０２ａが先に接地した指部であると判別した場合、他の指部である人差指１０１ａの手部圧覚センサ１０７ａが歩行面に接地するように先に接地した中指１０２ａの関節角度を調整する（Ｓ２６）。
【００７０】
続いて、コントローラユニット３０１は、人差指１０１ａが接地したか否かを判断する（Ｓ２７）。コントローラユニット３０１は、人差指１０１ａが接地していない場合は、ステップＳ２６の処理に戻る。コントローラユニット３０１は、人差指１０１ａが接地した場合は、中指１０２ａの関節角度を固定する（Ｓ２８）。ステップＳ２５，Ｓ２８に続いて、コントローラユニット３０１は、人差指１０１ａと中指１０２ａが接地していないか、つまり床面等の歩行面から離れたか否かを判断する（Ｓ２９）。このステップＳ２９の処理は、人差指１０１ａと中指１０２ａが歩行面から離れるまで繰り返される。コントローラユニット３０１は、接地しなくなった場合は、指部１０１ａ，１０２ａの関節角度を接地制御前の角度に戻す（Ｓ３０）。
【００７１】
以上の接地制御を行うことにより、２本の指部１０１ａ，１０２ａを確実に接地させ、２本の指部１０１ａ，１０２ａで上肢部２０１に掛かった荷重をほぼ均等に支えることができるため、指部１０１ａ，１０２ａへの負担が減少し、損傷等を防ぐことができる。また、個々の指部１０１ａ，１０２ａを細くできるため、指を用いた把持、操作の機能を向上することができる。
【００７２】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る脚式ロボットについて説明する。ロボット本体の構成は、上記第１実施形態と同様であるので、同一符号を用いて説明する。本第２実施形態では、制御部である制御システムの制御動作が異なるものである。
【００７３】
図１１は、本第２実施形態に係る脚式ロボットの手部の接地制御を行ったときの接地状態を示す図である。図１１（ａ）は手部の接地制御前の状態、図１１（ｂ）は手部の接地制御後の状態を示している。なお、図１１には、右手部２０９を示しているが、左手部２１２についても同様に動作する。
【００７４】
本第２実施形態では、手部２０９の人差指１０１ａと中指１０２ａを共に接地させるために手首１０５ａ（腕部２３１に対する手部２０９）の角度を制御する。手首１０５ａの角度を変更することにより、人差指１０１ａの指背面１２５ａと中指１０２ａの指背面１２６ａを共に接地させている。
【００７５】
図１２を用いて接地制御のフローを説明する。指背面の接地状態の検出は上述の移動制御と同様である。上肢が接地されその後、遊脚となるまでの間、以下の制御が行われる。まず、制御システム３００のコントローラユニット３０１は、各手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａの検出結果により、人差指１０１ａ及び中指１０２ａのうちのいずれかの指部が接地したか否かを判断する（Ｓ３１）。次に、コントローラユニット３０１は、接地した指部が人差指１０１ａか中指１０２ａかを判別する（Ｓ３２）。つまり、コントローラユニット３０１は、手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａのうちいずれかの手部圧覚センサにより歩行面に接地したことが検出されたかを判別する。
【００７６】
コントローラユニット３０１は、人差指１０１ａが先に接地した指部であると判別した場合、手部２０９の他の指部である中指１０２ａの手部圧覚センサ１１２ａが歩行面に接地するように手首１０５ａ（腕部２３１に対する手部２０９）の角度を調整する。具体的には、手首１０５ａを人差指１０１ａが腕部２３１に近づく方向に回転させる（Ｓ３３）。
【００７７】
続いて、コントローラユニット３０１は、中指１０２ａが接地したか否かを判断する（Ｓ３４）。コントローラユニット３０１は、中指１０２ａが接地していない場合は、ステップＳ３３の処理に戻る。コントローラユニット３０１は、中指１０２ａが接地した場合は、手首１０５ａの角度を固定する（Ｓ３５）。
【００７８】
つまり、図１１（ａ）に示すように、人差指１０１ａだけが歩行面９０１に接地している場合には、手首１０５ａの角度を調整し、図１１（ｂ）に示すように、中指１０２ａを歩行面９０１に接地させる。
【００７９】
またステップＳ３２でコントローラユニット３０１は、中指１０２ａが先に接地した指部であると判別した場合、他の指部である人差指１０１ａの手部圧覚センサ１０７ａが歩行面に接地するように手首１０５ａ（腕部２３１に対する手部２０９）の角度を調整する。具体的には、手首１０５ａを中指１０２ａが腕部２３１に近づく方向に回転させる（Ｓ３６）。
【００８０】
続いて、コントローラユニット３０１は、人差指１０１ａが接地したか否かを判断する（Ｓ３７）。コントローラユニット３０１は、人差指１０１ａが接地していない場合は、ステップＳ３６の処理に戻る。コントローラユニット３０１は、人差指１０１ａが接地した場合は、中指１０２ａの関節角度を固定する（Ｓ３５）。
【００８１】
ステップＳ３５に続いて、コントローラユニット３０１は、人差指１０１ａと中指１０２ａが接地していないか、つまり床面等の歩行面から離れたか否かを判断する（Ｓ３８）。このステップＳ３８の処理は、人差指１０１ａと中指１０２ａが歩行面から離れるまで繰り返される。コントローラユニット３０１は、接地しなくなった場合は、手首１０５ａの角度を接地制御前の角度に戻す（Ｓ３９）。
【００８２】
以上の接地制御を行うことにより、２本の指部１０１ａ，１０２ａを確実に接地させ、２本の指部１０１ａ，１０２ａで上肢部２０１に掛かった荷重をほぼ均等に支えることができるため、指部１０１ａ，１０２ａへの負担が減少し、損傷等を防ぐことができる。また、個々の指部１０１ａ，１０２ａを細くできるため、指を用いた把持、操作の機能を向上することができる。
【００８３】
なお、上記第１、第２実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。上記実施形態では、３指ハンドで２指を接地する場合について説明したが、他の形態のハンドに適用することも可能である。例えば、４指ハンドで３指を接地してもよい。また、接地させる指部が１本の場合でもよく、この場合は、図１０及び図１２に示した制御処理は行われない。
【００８４】
また、上記実施形態では、接地制御において、指部の関節角度を制御するか、手首の角度を制御する場合について説明したが、指関節と手首関節の両方を組合せての指背面の接地制御を行うことも可能である。
【符号の説明】
【００８５】
１００…脚式ロボット、１００Ａ…ロボット本体、１０１ａ，１０１ｂ…人差指（指部）、１０２ａ，１０２ｂ…中指（指部）、１０６ａ，１０６ｂ…手部本体、１０７ａ，１１２ａ…手部圧覚センサ、１０７ｂ，１１２ｂ…手部圧覚センサ、１２１ａ，１２１ｂ，１２３ａ，１２３ｂ…把持面、１２５ａ，１２５ｂ，１２６ａ，１２６ｂ…指背面、２０１，２０２…上肢部、２０３，２０４…下肢部、２０５…体幹部、２０９，２１２…手部、２１５，２１８…足部、２４１，２４２…足部圧覚センサ、３００…制御システム（制御部）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、４肢を有し、２足歩行及び４足歩行を行う脚式ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、２足歩行、４足歩行を行う様々な脚式の移動ロボットが開発されている。その中で、２足歩行、４足歩行、梯子登り、枝渡りと多くの移動形態をとれるロボットの研究が進められている（非特許文献１参照）。１つのロボットで多くの移動形態をとれることで、様々な環境での移動が可能となる。
【０００３】
人間の生活を支援するロボットの１つの形態として、人の側に常にあり、物を持ってきたり、片付けたり等の軽作業を行うことが考えられる。移動手段は車輪型では階段等段差の移動が難しいため、脚式が望ましい。また、グリッパでは軽作業が限られるため、手には多指ハンドを備えることが望ましい。多指ハンドを備えることで、ドアノブを把持してドアの開閉等にも対応できる。
【０００４】
脚式ロボットとしては２足歩行ロボットが開発され、既にホビーロボットとして市販されている。安定して２足歩行を行うためには、ロボット、環境（床面等）のモデル化とそれに基づく運動生成が必要である。動力学を考慮しないで済む静歩行でさえ、支持脚の足裏に重心の投影点を置く制御は、床に置いてある物、表面状態が異なる床面、階段等に対応することは簡単ではない。一方、４足歩行では重心の投影点は３脚の支持多角形内に置けば良いので制御はより２足歩行に比べて大幅に容易である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】米田裕成、関山浩介、長谷川泰久、福田敏男、「マルチロコモーションロボットの角運動量考慮による垂直梯子登り動作」、第２６回日本ロボット学会講演会、ＲＳＪ２００８ＡＣ１Ｄ２−０１、２００８年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、人間、類人猿の掌側にあたる指の把持面は敏感である。ロボットの把持機能の高い多指ハンドの指先も同様である。脚式ロボットが４足歩行で上肢部の手部を接地する場合は、手部における指部の把持面を保護する必要がある。
【０００７】
また、４足歩行は２足歩行に比較して制御が安定な分容易ではあるが、重心の把握が必要である。そのため、４足歩行を行う脚式ロボットでは、ジャイロ、加速度センサ等の姿勢制御センサ、４肢の力覚センサの他、足部及び手部に地面等の歩行面に接触する圧覚センサを設ける必要がある。しかしながら、これまでの多指ハンドを備えて４足歩行を行う脚式ロボットの例は無く、また、指部の接地時の圧覚センサによる接地検出も行われていなかった。
【０００８】
そこで、本発明は、手部の指部の把持面が４足歩行時に損傷するのを回避し、４足歩行時に圧覚センサを用いた制御によってロボット本体の姿勢の安定性の向上を図る脚式ロボットを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、体幹部と、前記体幹部に連結された２つの下肢部と、前記体幹部に連結された２つの上肢部と、を有するロボット本体を備え、前記各下肢部は、歩行の際に歩行面に接する足部を有し、前記各上肢部は、腕部と、前記腕部に連結され、把持対象物を把持可能な手部とを有し、前記２つの下肢部を用いて２足歩行が可能であり、前記２つの下肢部及び前記２つの上肢部を用いて４足歩行が可能な脚式ロボットにおいて、前記各手部が歩行面に接地したか否かを検出する手部圧覚センサと、前記各足部が歩行面に接地したか否かを検出する足部圧覚センサと、前記手部圧覚センサ及び前記足部圧覚センサの検出結果により前記ロボット本体の重心を求めて前記ロボット本体の姿勢を制御する制御部と、を備え、前記各手部は、４足歩行時に指関節を屈曲させて把持面とは反対側の指背面を歩行面に接地させる指部を有し、前記手部圧覚センサは、前記各手部の指部の指背面に設置されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、体幹部と、前記体幹部に連結された２つの下肢部と、前記体幹部に連結された２つの上肢部と、を有するロボット本体を備え、前記各下肢部は、歩行の際に歩行面に接する足部を有し、前記各上肢部は、腕部と、前記腕部に連結され、把持対象物を把持可能な手部とを有し、前記２つの下肢部を用いて２足歩行が可能であり、前記２つの下肢部及び前記２つの上肢部を用いて４足歩行が可能な脚式ロボットにおいて、前記各手部が歩行面に接地したか否かを検出する手部圧覚センサと、前記各足部が歩行面に接地したか否かを検出する足部圧覚センサと、前記手部圧覚センサ及び前記足部圧覚センサの検出結果により前記ロボット本体の重心を求めて前記ロボット本体の姿勢を制御する制御部と、を備え、前記各手部は、４足歩行時に指関節を屈曲させて把持面とは反対側の指背面を歩行面に接地させる指部を複数有し、前記手部圧覚センサは、前記各手部の各指部の指背面に設置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、各手部の指部の指背面を歩行面に接地させて４足歩行を行うようにしている。これにより、４足歩行時に手部の指部の把持面が損傷するのを回避することができる。そして、４足歩行時は、各圧覚センサを用いたロボット本体の姿勢制御によりロボット本体の姿勢の安定性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る脚式ロボットの概略構成を示す斜視図である。
【図２】各手部の構成を示す斜視図であり、（ａ）は左手部の斜視図、（ｂ）は右手部の斜視図である。
【図３】脚式ロボットの移動動作を示す図であり、（ａ）はナックル歩行、（ｂ）は２足歩行、（ｃ）は３足歩行、（ｄ）はよじ登り動作を示す図である。
【図４】脚式ロボットの制御システムの概略構成を示すブロック図である。
【図５】制御システムの上肢ユニットにおける接続状態を示すブロック図である。
【図６】静歩行での歩行安定性を説明するために脚式ロボットを上方から見た模式図である。（ａ）はナックル歩行での４脚支持状態である。（ｂ）はナックル歩行あるいは物を運ぶ３足歩行での３脚支持状態である。（ｃ）は物を運ぶ３足歩行での２脚支持状態あるいは２足歩行での２脚支持状態である。（ｄ）は２足歩行での１脚支持状態である。
【図７】４足歩行（ナックル歩行）での歩行制御を説明するフローチャートである。
【図８】３足歩行での歩行制御を説明するフローチャートである。
【図９】第１実施形態に係る脚式ロボットの手部の接地制御を行ったときの接地状態を示す図であり、（ａ）は手部の接地制御前の状態、（ｂ）は手部の接地制御後の状態を示している。
【図１０】第１実施形態に係る脚式ロボットの制御システムによる接地制御のフローチャートである。
【図１１】第２実施形態に係る脚式ロボットの手部の接地制御を行ったときの接地状態を示す図であり、（ａ）は手部の接地制御前の状態、（ｂ）は手部の接地制御後の状態を示している。
【図１２】第２実施形態に係る脚式ロボットの制御システムによる接地制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る脚式ロボットの概略構成を示す斜視図である。図１に示すように、脚式ロボット１００のロボット本体１００Ａは、体幹部２０５と、体幹部２０５に連結された頭部２０６と、体幹部２０５に連結された２つの上肢部２０１，２０２と、体幹部２０５に連結された２つの下肢部２０３，２０４と、を備えている。脚式ロボット１００は、２つの下肢部２０３，２０４を用いて２足歩行が可能であり、２つの下肢部２０３，２０４及び２つの上肢部２０１，２０２を用いて４足歩行が可能に構成されている。
【００１５】
体幹部２０５の右側には、右上肢部２０１及び右下肢部２０３が設けられ、体幹部２０５の左側には、左上肢部２０２及び左下肢部２０４が設けられている。つまり、右上肢部２０１と左上肢部２０２とが、Ｘ−Ｚ面に対して互いに対称配置されている。また、右下肢部２０３と左下肢部２０４とが、Ｘ−Ｚ面に対して互いに対称配置されている。体幹部２０５は、胸部２１９と、腹部２２０と、腰部２２１とからなり、胸部２１９の上部に頭部２０６が連結されている。
【００１６】
各上肢部２０１，２０２は、腕部２３１，２３２と手部２０９，２１２とを有して構成される。具体的に説明すると、右上肢部２０１は、体幹部２０５の胸部２１９の右側に基端部が連結された右上腕２０７と右上腕２０７の先端部に基端部が連結された右前腕２０８とからなる右腕部２３１を有している。また、右上肢部２０１は、右腕部２３１の右前腕２０８に、右腕部２３１の軸回りに回転可能に連結された右手部２０９を有している。また、右手部２０９は、右腕部２３１に対して揺動可能に連結されている。
【００１７】
また、左上肢部２０２は、体幹部２０５の胸部２１９の左側に基端部が連結された左上腕２１０と左上腕２１０の先端部に基端部が連結された左前腕２１１とからなる左腕部２３２を有している。また、左上肢部２０２は、左腕部２３２の左前腕２１１に、左腕部２３２の軸回りに回転可能に連結された左手部２１２を有している。また、左手部２１２は、左腕部２３２に対して揺動可能に連結されている。各手部２０９、２１２は、把持対象物を把持可能に複数（本第１実施形態では、３つ）の指を有している多指ハンドである。
【００１８】
また、各下肢部２０３，２０４は、歩行の際に地面又は床面等の歩行面に接する各足部２１５，２１８を有している。具体的に説明すると、右下肢部２０３は、体幹部２０５の腰部２２１の下部に基端部が連結された右大腿部２１３と、右大腿部２１３の先端部に基端部が連結された右下腿部２１４と、右下腿部２１４の先端部に連結された右足部２１５とを有している。また、左下肢部２０４は、体幹部２０５の腰部２２１の下部に基端部が連結された左大腿部２１６と、左大腿部２１６の先端部に基端部が連結された左下腿部２１７と、左下腿部２１７の先端部に連結された左足部２１８とを有している。
【００１９】
なお、図示は省略するが、各部は以下の自由度を持ち、その駆動、制御に必要なアクチュエータ及びセンサを備えている。頭部２０６は、自由度が３（内訳：ヨー軸、ピッチ軸、ロール軸）、体幹部２０５は、自由度が３（内訳：ヨー軸、ピッチ軸、ロール軸）である。また、各上肢部２０１，２０２は、自由度が７（内訳：肩ピッチ軸、肩ロール軸、上腕ヨー軸、肘ピッチ軸、前腕ヨー軸、手首ピッチ軸、手首ロール軸）である。また、各下肢部２０３，２０４は、自由度が６（内訳：股ヨー軸、股ピッチ軸、股ロール軸、膝ピッチ軸、足首ピッチ軸、足首ロール軸）である。また、各手部２０９，２１２は自由度が６、各足部２１５，２１８は自由度が６である。これらの自由度は一例である。なお、足部２１５，２１８はよじ登りにより適した形態にするため冗長であるが、ロール軸とピッチ軸の自由度２とすることも可能である。また、上腕部２０７，２１０と前腕部２０８，２１１のヨー軸はどちらか一方を省略することも可能である。
【００２０】
次に、各手部２０９，２１２の構成について詳細に説明する。図２は、各手部２０９，２１２の構成を示す斜視図であり、図２（ａ）は左手部２１２の斜視図、図２（ｂ）は右手部２０９の斜視図である。
【００２１】
図２（ａ）に示すように、左手部２１２は、手首１０５ｂを介して左前腕２１１に連結されている。左手部２１２は、人差指１０１ｂ、中指１０２ｂ及び拇指１０３ｂの３本の指を有している。各指１０１ｂ，１０２ｂは、把持対象物を把持する際に、掌１０４ｂ側に各指関節で屈曲する。
【００２２】
各指１０１ｂ，１０２ｂ，１０３ｂは２関節になっており、各指関節に１自由度を備える。人差指１０１ｂは、先端に配置された第１リンク１０８ｂと、第１指関節１０９ｂで第１リンク１０８ｂに連結されるとともに、第２指関節１１１ｂで手部本体１０６ｂに連結された第２リンク１１０ｂとを有している。中指１０２ｂは、先端に配置された第１リンク１１３ｂと、第１指関節１１４ｂで第１リンク１１３ｂに連結されるとともに、第２指関節１１６ｂで手部本体１０６ｂに連結された第２リンク１１５ｂとを有している。拇指１０３ｂは、先端に配置された第１リンク１１７ｂと、第１指関節１１８ｂで第１リンク１１７ｂに連結されるとともに、第２指関節１２０ｂで手部本体１０６ｂに連結された第２リンク１１９ｂとを有している。
【００２３】
図２（ａ）中に示した座標系で、人差指１０１ｂの第１指関節１０９ｂ、第２指関節１１１ｂ、中指１０２ｂの第１指関節１１４ｂ、第２指関節１１６ｂは、ロール軸の自由度をもっている。拇指１０３ｂの第１指関節１１８ｂはピッチ軸の自由度をもっている。第２指関節１２０ｂはヨー軸の自由度をもっている。この図２（ａ）は左手部２１２を示しており、右手部２０９はＸ−Ｚ平面で左手部２１２と左右対称となり、図２（ｂ）に示している。
【００２４】
図２（ｂ）に示すように、右手部２０９は、手首１０５ａを介して右前腕２０８に連結されている。右手部２０９は、人差指１０１ａ、中指１０２ａ及び拇指１０３ａの３本の指を有している。各指１０１ａ，１０２ａは、把持対象物を把持する際に、掌１０４ａ側に各指関節で屈曲する。
【００２５】
各指１０１ａ，１０２ａ，１０３ａは２関節になっており、各指関節に１自由度を備える。人差指１０１ａは、先端に配置された第１リンク１０８ａと、第１指関節１０９ａで第１リンク１０８ａに連結されるとともに、第２指関節１１１ａで手部本体１０６ａに連結された第２リンク１１０ａとを有している。中指１０２ａは、先端に配置された第１リンク１１３ａと、第１指関節１１４ａで第１リンク１１３ａに連結されるとともに、第２指関節１１６ａで手部本体１０６ａに連結された第２リンク１１５ａとを有している。拇指１０３ａは、先端に配置された第１リンク１１７ａと、第１指関節１１８ａで第１リンク１１７ａに連結されるとともに、第２指関節１２０ａで手部本体１０６ａに連結された第２リンク１１９ａとを有している。
【００２６】
右手部２０９で把持対象物を把持する際には、人差指１０１ａの第１リンク１０８ａの把持面１２１ａと第２リンク１１０ａの把持面１２２ａとを把持対象物に接触させる。また、中指１０２ａの第１リンク１１３ａの把持面１２３ａと第２リンク１１５ａの把持面１２４ａとを把持対象物に接触させる。
【００２７】
左手部２１２で把持対象物を把持する際には、人差指１０１ｂの第１リンク１０８ｂの把持面１２１ｂと第２リンク１１０ｂの把持面１２２ｂとを把持対象物に圧接させる。また、中指１０２ｂの第１リンク１１３ｂの把持面１２３ｂと第２リンク１１５ｂの把持面１２４ｂとを把持対象物に圧接させる。
【００２８】
ところで、把持動作可能な指をもつ類人猿では、４足歩行時に手の指背面を地面につける。これはナックル歩行と呼ばれる。本第１実施形態では、脚式ロボット１００は、状況に応じて２足歩行と４足歩行を使い分け、４足歩行時は、立ち気味の姿勢の方が姿勢の差が少なく、手の指への荷重を減らすことができるため、ナックル歩行としている。ナックル歩行は、４足歩行時の上肢部の実質的な長さに手部の一部を含められるようになるため、立ち気味の姿勢に適している。また、邪魔にならないサイズを考えた時、ロボット本体１００Ａの身長に対する手部２０９，２１２の長さの割合は大きくなる。これは、多指ハンドである手部２０９，２１２の指関節数が多く、機構が複雑になるためである。ナックル歩行を用いることで、手部２０９，２１２の長さを上述の立ち気味の姿勢に活かすことができる。
【００２９】
具体的に説明すると、本第１実施形態では、４足歩行時に、図２に示すように、各手部２０９，２１２の人差指１０１ａ，１０１ｂを第１指関節１０９ａ，１０９ｂで屈曲させるとともに、中指１０２ａ，１０２ｂを第１指関節１１４ａ，１１４ｂで屈曲させる。そして、右手部２０９の人差指１０１ａの第１リンク１０８ａの把持面１２１ａとは反対側の指背面１２５ａを歩行面に接地させるとともに、中指１０２ａの第１リンク１１３ａの把持面１２３ａとは反対側の指背面１２６ａを歩行面に接地させる。同様に、左手部２１２の人差指１０１ｂの第１リンク１０８ｂの把持面１２１ｂとは反対側の指背面１２５ｂを地面や床面等の歩行面に接地させるとともに、中指１０２ｂの第１リンク１１３ｂの把持面１２３ｂとは反対側の指背面１２６ｂを歩行面に接地させる。なお、本第１実施形態では、拇指１０３ａ，１０３ｂは、４足歩行時には使用しない。つまり、人差指１０１ａ，１０１ｂ及び中指１０２ａ，１０２ｂが、４足歩行時に使用する指部となる。
【００３０】
ところで、手部２０９，２１２は、上肢部で最も細いリンクである。従って、本第１実施形態では、各手部２０９，２１２は、４足歩行時に使用する指部を複数有しており、複数の指部を接地させることで、荷重を分散し、指部を保護している。各手部２０９，２１２は、各指部１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂの第１指関節における関節角度を約９０度とし、掌１０４ａ，１０４ｂを後方に向けた姿勢に設定される。
【００３１】
本第１実施形態の脚式ロボット１００は、４足歩行（ナックル歩行）の他、２足歩行、３足歩行、よじ登り等の移動動作が可能である。図３を用いて脚式ロボット１００の移動動作について説明する。図３（ａ）はナックル歩行、図３（ｂ）は２足歩行、図３（ｃ）は物を運ぶ３足歩行、図３（ｄ）はよじ登り動作を示している。図３（ｃ）ではロボットは右手部２０９で物５０１を持っている。図３（ｄ）では脚式ロボット１００は右手部２０９、左手部２１２、右足部２１５及び左足部２１８で棒５０２をよじ登っている。
【００３２】
ナックル歩行又は３足歩行で支持脚となる上肢部２０１，２０２における手部２０９，２１２は、上述した通り、人差指１０１ａ，１０１ｂと中指１０２ａ，１０２ｂを第１指関節で約９０度、手部２０９，２１２の内側に折り曲げる。そして、掌１０４ａ，１０４ｂをロボット本体１００Ａの後方に向ける。ここで、ロボット本体１００Ａの頭部２０６の顔が向いている方向を前方とし、その反対方向を後方としている。
【００３３】
こうすることで、右手部２０９の指部である人差指１０１ａ及び中指１０２ａにおける第２リンク１１０ａ，１１５ａと掌１０４ａを有する手部本体１０６ａを上肢部の長さの一部とすることができる。また、左手部２１２の指部である人差指１０１ｂ及び中指１０２ｂにおける第２リンク１１０ｂ，１１５ｂと掌１０４ｂを有する手部本体１０６ｂを上肢部の長さの一部とすることができる。したがって、上腕部及び前腕部からなる腕部２３１，２３２の長さを下肢部２０３，２０４に比較してそれ程長くしなくても、極端な前傾姿勢をとらずに済み、４足歩行から２足歩行、２足立ちの移行が容易になる。また、各指１０１ａ，１０２ａ，１０１ｂ，１０２ｂへの荷重も小さくなる。
【００３４】
さらに、把持面１２１ａ，１２３ａ，１２１ｂ，１２３ｂとは反対側の指背面１２５ａ，１２６ａ，１２５ｂ，１２６ｂを歩行面に接地させるようにしている。したがって、掌１０４ａ，１０４ｂ及び各指１０１ａ，１０２ａ，１０１ｂ，１０２ｂの把持面１２１ａ，１２２ａ，１２３ａ，１２４ａ，１２１ｂ，１２２ｂ，１２３ｂ，１２４ｂが損傷するのを回避することができる。
【００３５】
上記の移動動作を人間の生活環境の大きな部分である屋内に当てはめてみる。ナックル歩行は最も多用される。物が置いてある床面、カーペット、畳等の柔らかさ、表面状態の異なる床面、段差、階段においても、安定に転倒することなく、移動することができる。２足歩行は、フローリング等の歩行制御が容易な床面の移動、両手で持つ必要のある物の持ち運びに用いる。但し、安定に歩行するため、制御は複雑になり、場合によっては転倒の可能性がある。尚、ドアの開閉時も２足立ちになる。片手で物を運ぶ３足歩行は、小物の持ち運びを、上記の状況において、２足歩行に比べて安定に行うことができる。よじ登りは歩行では移動できない場合に用いられる。手足の把持により体を支え、３点支持により移動する。高い台や机の上へ（あるいはその逆）が一例である。
【００３６】
ところで、図３（ａ）に示すように、右足部２１５の足裏面には、歩行制御のため、右足部２１５が歩行面に接地したか否かを検出する足部圧覚センサ２４１が設置されている。同様に、左足部２１８の足裏面には、左足部２１８が歩行面に接地したか否かを検出する足部圧覚センサ２４２が設置されている。
【００３７】
更に、本第１実施形態では、手部２０９，２１２を用いてナックル歩行を安定して行うために、図２に示すように、各指背面１２５ａ，１２６ａ，１２５ｂ，１２６ｂに各手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂが設置されている。手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａは、右手部２０９が歩行面に接地したか否かを検出するためのものであり、手部圧覚センサ１０７ｂ，１１２ｂは、左手部２１２が歩行面に接地したか否かを検出するためのものである。
【００３８】
これら圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂ，２４１，２４２は、ロボット本体１００Ａの重心を求めるのに用いられる。本第１実施形態では、ロボット本体１００Ａの重心を求めるのに必要な手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂを各手部２０９，２１２の指部の指背面１２５ａ，１２６ａ，１２５ｂ，１２６ｂに設置している。したがって、手部２０９，２１２による把持動作では、手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂが把持対象物に接触するのを回避できるので、手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂによる誤検出を回避することができる。
【００３９】
圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂ，２４１，２４２としては、感圧導電性ゴムの表面に電極を設け抵抗変化を検出するもの、ピエゾ抵抗を用いたもの、圧電体を用いたもの、静電容量検出型のものを用いることができる。
【００４０】
この構成により、人差指１０１ａ，１０１ｂと中指１０２ａ，１０２ｂの関節角度を制御し、指背面の圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂを接地させ、その信号をもとに安定してナックル歩行を行うことができる。
【００４１】
また、把持動作においては、掌１０４ａ，１０４ｂ、人差指１０１ａ，１０１ｂ、中指１０２ａ，１０２ｂ、拇指１０３ａ，１０３ｂを用いて様々な把持を行うことができる。指関節の関節角度を調整することで把持対象との接触点を多くできるため、安定な把持が可能である。
【００４２】
なお、指の本数、関節数、自由度数は一例であり、これに限られるものではない。本数、関節数、自由度数が多くなれば、把持形態が増え、さらに操り等も可能になる。また、把持動作においては、既存の多指ハンドと同様に指、掌の把持面に圧覚センサを備えることで、把持制御の制御性を向上させることができる。
【００４３】
次に、脚式ロボット１００の全体の制御システムの概略について図４を用いて説明する。図４に示すように、制御部としての制御システム３００は、コントローラユニット３０１、右上肢ユニット３０２、左上肢ユニット３０３、右下肢ユニット３０４、左下肢ユニット３０５、頭ユニット３０６、体幹ユニット３０７で構成される。各ユニットはそれぞれコントローラを備え、内部にあるアクチュエータの駆動制御、センサの駆動・検出制御、信号処理を行う。
【００４４】
コントローラユニット３０１は各ユニットと制御信号を介して制御を行い、脚式ロボット全体の制御を行う。コントローラユニット３０１は内部の運動に係るプログラムと各ユニットからの制御信号に基づき各ユニットを制御し、ロボットを運動させる。運動に係るプログラムは予めコントローラユニット３０１に記憶されている他、外部からの通信により入力される。制御信号のインターフェース、通信プロトコルとしては、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等を用いることができる。
【００４５】
なお、この例ではコントローラユニット３０１に接続される各ユニットがコントローラを内蔵したが、各ユニットがコントローラを内蔵せず、コントローラユニット３０１から直接、各ユニットのアクチュエータの駆動、センサ信号の検出を行う構成も可能である。
【００４６】
図５を用いて上肢ユニット３０２，３０３の指背面接地制御に係る制御システムの概要を説明する。上肢ユニット３０２は、上肢コントローラ４０１ａを備え、上肢コントローラ４０１ａに、手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ、人差指アクチュエータ４０４ａ、中指アクチュエータ４０５ａ、手首アクチュエータ４０６ａが接続されて構成される。同様に、上肢ユニット３０３は、上肢コントローラ４０１ｂを備え、上肢コントローラ４０１ｂに、手部圧覚センサ１０７ｂ，１１２ｂ、人差指アクチュエータ４０４ｂ、中指アクチュエータ４０５ｂ、手首アクチュエータ４０６ｂが接続されて構成される。
【００４７】
手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ（１０７ｂ，１１２ｂ）からは検出結果であるセンサ信号が上肢コントローラ４０１ａ（４０１ｂ）に出力される。上肢コントローラ４０１ａ（４０１ｂ）からは駆動信号が、人差指アクチュエータ４０４ａ（４０１ｂ）、中指アクチュエータ４０５ａ（４０５ｂ）、手首アクチュエータ４０６ａ（４０６ｂ）に出力される。
【００４８】
ナックル歩行時には、上肢コントローラ４０１ａ（４０１ｂ）は手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ（１０７ｂ，１１２ｂ）の信号をもとに指アクチュエータ、手首アクチュエータを駆動する。尚、上肢ユニット３０２，３０３にはこれ以外のセンサ、アクチュエータがあるが、指背面接地制御には直接関係しないため、ここでは省略した。
【００４９】
次に、図６を用いて脚式ロボット１００の静歩行の安定性について説明する。図６は脚式ロボット１００を上方から見た模式図であり、４肢部２０１，２０２，２０３，２０４の接地状態（４肢部での支持状態）を模式的に示している。図６（ａ）はナックル歩行での４脚支持状態である。図６（ｂ）はナックル歩行あるいは物を運ぶ３足歩行での３脚支持状態である。図６（ｃ）は物を運ぶ３足歩行での２脚支持状態あるいは２足歩行での２脚支持状態である。図６（ｄ）は２足歩行での１脚支持状態である。
【００５０】
接地部（支持部）となるのは、右指背面６０１（指背面１２５ａ，１２６ａ）、左指背面６０２（指背面１２５ｂ，１２６ｂ）、右足裏面６０３、左足裏面６０４であり、斜線で示されている。指背面６０１，６０２の接地面積は足裏面６０３，６０４の接地面積よりも小さい。支持多角形６０５は接地部（支持部）の外周を結ぶものであり、破線で示されている。なお、見やすくするため、接地部（支持部）と重なる部分は若干外にずらして図示している。重心投影点６０６は、ロボット本体１００Ａの重心の歩行面への投影点である。制御システム３００は、重心投影点６０６が静歩行時に支持多角形６０５内に位置するように、各圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂ，２４１，２４２の検出結果によりロボット本体１００Ａの姿勢を制御する。
【００５１】
図６からわかるように、支持脚が少なくなる程、支持多角形６０５は小さくなり、ロボット本体１００Ａの重心を支持多角形６０５上に維持したままの歩行制御は難しくなる。したがって、図６（ｂ）に示すナックル歩行は支持多角形６０５が図６（ｃ）に示す２足歩行時の支持多角形６０５よりも大きくなるため、歩行安定性の点で優れている。
【００５２】
また、床面等の歩行面の状況（凸凹、傾斜等）によっては、重心投影点６０６をロボット本体１００Ａの姿勢から単純に求めることが難しくなる。その場合、全ての支持脚の接地圧力を圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂ，２４１，２４２で検出することにより、ナックル歩行での重心投影点６０６を容易に求めることができ、様々な状態な床面等の歩行面でも安定に移動することができる。
【００５３】
次に、図７を用いて制御システム３００による４足歩行（ナックル歩行）で歩行制御について説明する。ここでは、下肢足裏の足部圧覚センサ２４１，２４２と、上肢の指背面の手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂからの信号を歩行制御に用いる。
【００５４】
圧覚センサのセンサ信号が所定の閾値を上回ったことにより接地、そして支持脚となったことを検出する。また、圧覚センサのセンサ信号が閾値を下回ったことにより遊脚になったことを検出する。圧覚センサの信号が大きくなるよう姿勢を制御することで、重心投影点６０６をその脚に近づける。圧覚センサの信号が小さくなるように姿勢を制御することで、重心投影点６０６をその脚から遠ざける。４足の静歩行では支持脚は３あるいは４なので、支持多角形６０５は三角形あるいは四角形に近い形になる。
【００５５】
右上肢部２０１が遊脚、他の肢部２０２，２０３，２０４が支持脚になっている状態を説明での制御サイクルの始めとする。以下、ロボット本体１００Ａが前進する場合、次の処理が順次行われる。
【００５６】
まず、右上肢部２０１を進行方向前方に移動し接地する（Ｓ１）。次に、重心投影点６０６を左下肢部２０４から離れるように移動し、左下肢部２０４を遊脚にする（Ｓ２）。次に、左下肢部２０４を左上肢部２０２よりに移動し接地する（Ｓ３）。次に、重心投影点６０６を左上肢部２０２から離れるように移動し、左上肢部２０２を遊脚にする（Ｓ４）。次に、左上肢部２０２を進行方向に移動し接地する（Ｓ５）。次に、重心投影点６０６を右下肢部２０３から離れるように移動し、右下肢部２０３を遊脚にする（Ｓ６）。次に右下肢部２０３を右上肢部２０１よりに移動し接地する（Ｓ７）。次に、重心投影点６０６を右上肢部２０１から離れるように移動し、右上肢部２０１を遊脚にする（Ｓ８）。以降、初めに戻り、移動が完了するまで繰り返す。
【００５７】
各上肢部の各手部の圧覚センサ１０７ａ，１１２ａ，１０７ｂ，１１２ｂの検出結果であるセンサ信号を用いることで、各肢部２０１，２０２，２０３，２０４の接地制御、重心投影点６０６の移動制御を行うことができ、安定して歩行することができる。
【００５８】
図８を用いて制御システム３００による３足歩行（物を持って３足歩行）での歩行制御について説明する。圧覚センサの信号の扱いについては図７の説明と同様なので省略する。３足歩行の静歩行では支持脚は２あるいは３なので、支持多角形６０５は、幅をもった直線あるいは三角形に近い形になる。直線に近い支持多角形６０５では重心投影点６０６が支持多角形６０５の外に出やすくなるため、支持脚が２つになる期間はできるだけ短くする。
【００５９】
右上肢部２０１で物を持ち、他の肢部２０２，２０３，２０４が支持脚になっている状態を、説明での制御サイクルの始めとする。以下の処理が順じ行われる。まず、重心投影点６０６を左下肢部２０４から離れるように移動し、左下肢部２０４を遊脚にする（Ｓ１１）。次に、左下肢部２０４を進行方向に移動し接地する（Ｓ１２）。重心投影点６０６を右下肢部２０３から離れるように移動し、右下肢部２０３を遊脚にする（Ｓ１３）。右下肢部２０３を進行方向に移動し、接地する（Ｓ１４）。重心投影点６０６を左上肢部２０２から離れるように移動し、左上肢部２０２を遊脚にする（Ｓ１５）。左上肢部２０２を進行方向に移動し接地する（Ｓ１６）。以降、初めに戻り、移動が完了するまで繰り返す。
【００６０】
左上肢部２０２を用いて支持多角形６０５が大きくなる期間を設けることで、物を持った移動を２足歩行比べて安定に行うことができる。なお、右上肢部２０１で物を持った例を示したが、左上肢部２０２で物を持った場合は、上記の説明で左上肢部２０２を右上肢部２０１に置き換えればよいので、説明は省略する。
【００６１】
なお、右手部２０９の人差指１０１ａ及び中指１０２ａのうちのいずれか１つの指部にのみ手部圧覚センサを設ける場合であってもよいが、本第１実施形態では、人差指１０１ａ及び中指１０２ａのそれぞれに手部圧覚センサを設けている。また、左手部２１２の人差指１０１ｂ及び中指１０２ｂのうちのいずれか１つの指部にのみ手部圧覚センサを設ける場合であってもよいが、本第１実施形態では、人差指１０１ｂ及び中指１０２ｂのそれぞれに手部圧覚センサを設けている。
【００６２】
従って、本第１実施形態では、図２に示した３指ハンドである手部２０９（２１２）において、人差指１０１ａ（１０１ｂ）と中指１０２ａ（１０２ｂ）を共に接地させるために指関節角度を制御する。
【００６３】
以下、図９を参照して、手部の接地制御を行ったときの接地状態について説明する。図９（ａ）は手部の接地制御前の状態、図９（ｂ）は手部の接地制御後の状態を示している。なお、図９には、右手部２０９を示しているが、左手部２１２についても同様に動作する。
【００６４】
ナックル歩行では３指１０１ａ，１０２ａ，１０３ａを図９（ａ）のような姿勢にする。人差指１０１ａの第２指関節１１１ａと中指１０２ａの第２指関節１１６ａは伸びている。人差指１０１ａの第１指関節１０９ａと中指１０２ａの第１指関節１１４ａは約９０度に手部２０９の内側に曲がっている。この状態で人差指１０１ａの指背面１２５ａと中指１０２ａの指背面１２６ａを床面等の歩行面９０１側に向ける。掌は進行方向と逆を向いている（手の甲は進行方向を向いている）。こうすることで、２本の指１０１ａ，１０２ａの歩行面９０１への平均的な距離が等しくなるため、接地制御が容易になる。図９では人差指１０１ａが先に接地している例である。人差指１０１ａ、中指１０２ａの関節角度は、上記角度から極端に離れていなければ、動作させることは可能である。
【００６５】
図１０を用いて接地制御のフローを説明する。指背面の接地状態の検出は上述の移動制御と同様である。上肢部が接地されその後、遊脚となるまでの間、以下の制御が行われる。まず、制御システム３００のコントローラユニット３０１は、各手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａの検出結果により、人差指１０１ａ及び中指１０２ａのうちのいずれかの指部が接地したか否かを判断する（Ｓ２１）。次に、コントローラユニット３０１は、接地した指部が人差指１０１ａか中指１０２ａかを判別する（Ｓ２２）。つまり、コントローラユニット３０１は、手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａのうちいずれかの手部圧覚センサにより歩行面に接地したことが検出されたかを判別する。
【００６６】
コントローラユニット３０１は、人差指１０１ａが先に接地した指部であると判別した場合、手部２０９の他の指部である中指１０２ａの手部圧覚センサ１１２ａが歩行面に接地するように先に接地した人差指１０１ａの関節角度を調整する（Ｓ２３）。
【００６７】
続いて、コントローラユニット３０１は、中指１０２ａが接地したか否かを判断する（Ｓ２４）。コントローラユニット３０１は、中指１０２ａが接地していない場合は、ステップＳ２３の処理に戻る。コントローラユニット３０１は、中指１０２ａが接地した場合は、人差指１０１ａの関節角度を固定する（Ｓ２５）。
【００６８】
つまり、図９（ａ）に示すように、人差指１０１ａだけが歩行面９０１に接地している場合には、人差指１０１ａの関節角度を調整し、図９（ｂ）に示すように、中指１０２ａを歩行面９０１に接地させる。
【００６９】
またステップＳ２２でコントローラユニット３０１は、中指１０２ａが先に接地した指部であると判別した場合、他の指部である人差指１０１ａの手部圧覚センサ１０７ａが歩行面に接地するように先に接地した中指１０２ａの関節角度を調整する（Ｓ２６）。
【００７０】
続いて、コントローラユニット３０１は、人差指１０１ａが接地したか否かを判断する（Ｓ２７）。コントローラユニット３０１は、人差指１０１ａが接地していない場合は、ステップＳ２６の処理に戻る。コントローラユニット３０１は、人差指１０１ａが接地した場合は、中指１０２ａの関節角度を固定する（Ｓ２８）。ステップＳ２５，Ｓ２８に続いて、コントローラユニット３０１は、人差指１０１ａと中指１０２ａが接地していないか、つまり床面等の歩行面から離れたか否かを判断する（Ｓ２９）。このステップＳ２９の処理は、人差指１０１ａと中指１０２ａが歩行面から離れるまで繰り返される。コントローラユニット３０１は、接地しなくなった場合は、指部１０１ａ，１０２ａの関節角度を接地制御前の角度に戻す（Ｓ３０）。
【００７１】
以上の接地制御を行うことにより、２本の指部１０１ａ，１０２ａを確実に接地させ、２本の指部１０１ａ，１０２ａで上肢部２０１に掛かった荷重をほぼ均等に支えることができるため、指部１０１ａ，１０２ａへの負担が減少し、損傷等を防ぐことができる。また、個々の指部１０１ａ，１０２ａを細くできるため、指を用いた把持、操作の機能を向上することができる。
【００７２】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る脚式ロボットについて説明する。ロボット本体の構成は、上記第１実施形態と同様であるので、同一符号を用いて説明する。本第２実施形態では、制御部である制御システムの制御動作が異なるものである。
【００７３】
図１１は、本第２実施形態に係る脚式ロボットの手部の接地制御を行ったときの接地状態を示す図である。図１１（ａ）は手部の接地制御前の状態、図１１（ｂ）は手部の接地制御後の状態を示している。なお、図１１には、右手部２０９を示しているが、左手部２１２についても同様に動作する。
【００７４】
本第２実施形態では、手部２０９の人差指１０１ａと中指１０２ａを共に接地させるために手首１０５ａ（腕部２３１に対する手部２０９）の角度を制御する。手首１０５ａの角度を変更することにより、人差指１０１ａの指背面１２５ａと中指１０２ａの指背面１２６ａを共に接地させている。
【００７５】
図１２を用いて接地制御のフローを説明する。指背面の接地状態の検出は上述の移動制御と同様である。上肢が接地されその後、遊脚となるまでの間、以下の制御が行われる。まず、制御システム３００のコントローラユニット３０１は、各手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａの検出結果により、人差指１０１ａ及び中指１０２ａのうちのいずれかの指部が接地したか否かを判断する（Ｓ３１）。次に、コントローラユニット３０１は、接地した指部が人差指１０１ａか中指１０２ａかを判別する（Ｓ３２）。つまり、コントローラユニット３０１は、手部圧覚センサ１０７ａ，１１２ａのうちいずれかの手部圧覚センサにより歩行面に接地したことが検出されたかを判別する。
【００７６】
コントローラユニット３０１は、人差指１０１ａが先に接地した指部であると判別した場合、手部２０９の他の指部である中指１０２ａの手部圧覚センサ１１２ａが歩行面に接地するように手首１０５ａ（腕部２３１に対する手部２０９）の角度を調整する。具体的には、手首１０５ａを人差指１０１ａが腕部２３１に近づく方向に回転させる（Ｓ３３）。
【００７７】
続いて、コントローラユニット３０１は、中指１０２ａが接地したか否かを判断する（Ｓ３４）。コントローラユニット３０１は、中指１０２ａが接地していない場合は、ステップＳ３３の処理に戻る。コントローラユニット３０１は、中指１０２ａが接地した場合は、手首１０５ａの角度を固定する（Ｓ３５）。
【００７８】
つまり、図１１（ａ）に示すように、人差指１０１ａだけが歩行面９０１に接地している場合には、手首１０５ａの角度を調整し、図１１（ｂ）に示すように、中指１０２ａを歩行面９０１に接地させる。
【００７９】
またステップＳ３２でコントローラユニット３０１は、中指１０２ａが先に接地した指部であると判別した場合、他の指部である人差指１０１ａの手部圧覚センサ１０７ａが歩行面に接地するように手首１０５ａ（腕部２３１に対する手部２０９）の角度を調整する。具体的には、手首１０５ａを中指１０２ａが腕部２３１に近づく方向に回転させる（Ｓ３６）。
【００８０】
続いて、コントローラユニット３０１は、人差指１０１ａが接地したか否かを判断する（Ｓ３７）。コントローラユニット３０１は、人差指１０１ａが接地していない場合は、ステップＳ３６の処理に戻る。コントローラユニット３０１は、人差指１０１ａが接地した場合は、中指１０２ａの関節角度を固定する（Ｓ３５）。
【００８１】
ステップＳ３５に続いて、コントローラユニット３０１は、人差指１０１ａと中指１０２ａが接地していないか、つまり床面等の歩行面から離れたか否かを判断する（Ｓ３８）。このステップＳ３８の処理は、人差指１０１ａと中指１０２ａが歩行面から離れるまで繰り返される。コントローラユニット３０１は、接地しなくなった場合は、手首１０５ａの角度を接地制御前の角度に戻す（Ｓ３９）。
【００８２】
以上の接地制御を行うことにより、２本の指部１０１ａ，１０２ａを確実に接地させ、２本の指部１０１ａ，１０２ａで上肢部２０１に掛かった荷重をほぼ均等に支えることができるため、指部１０１ａ，１０２ａへの負担が減少し、損傷等を防ぐことができる。また、個々の指部１０１ａ，１０２ａを細くできるため、指を用いた把持、操作の機能を向上することができる。
【００８３】
なお、上記第１、第２実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。上記実施形態では、３指ハンドで２指を接地する場合について説明したが、他の形態のハンドに適用することも可能である。例えば、４指ハンドで３指を接地してもよい。また、接地させる指部が１本の場合でもよく、この場合は、図１０及び図１２に示した制御処理は行われない。
【００８４】
また、上記実施形態では、接地制御において、指部の関節角度を制御するか、手首の角度を制御する場合について説明したが、指関節と手首関節の両方を組合せての指背面の接地制御を行うことも可能である。
【符号の説明】
【００８５】
１００…脚式ロボット、１００Ａ…ロボット本体、１０１ａ，１０１ｂ…人差指（指部）、１０２ａ，１０２ｂ…中指（指部）、１０６ａ，１０６ｂ…手部本体、１０７ａ，１１２ａ…手部圧覚センサ、１０７ｂ，１１２ｂ…手部圧覚センサ、１２１ａ，１２１ｂ，１２３ａ，１２３ｂ…把持面、１２５ａ，１２５ｂ，１２６ａ，１２６ｂ…指背面、２０１，２０２…上肢部、２０３，２０４…下肢部、２０５…体幹部、２０９，２１２…手部、２１５，２１８…足部、２４１，２４２…足部圧覚センサ、３００…制御システム（制御部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
体幹部と、前記体幹部に連結された２つの下肢部と、前記体幹部に連結された２つの上肢部と、を有するロボット本体を備え、前記各下肢部は、歩行の際に歩行面に接する足部を有し、前記各上肢部は、腕部と、前記腕部に連結され、把持対象物を把持可能な手部とを有し、前記２つの下肢部を用いて２足歩行が可能であり、前記２つの下肢部及び前記２つの上肢部を用いて４足歩行が可能な脚式ロボットにおいて、
前記各手部が歩行面に接地したか否かを検出する手部圧覚センサと、
前記各足部が歩行面に接地したか否かを検出する足部圧覚センサと、
前記手部圧覚センサ及び前記足部圧覚センサの検出結果により前記ロボット本体の重心を求めて前記ロボット本体の姿勢を制御する制御部と、を備え、
前記各手部は、４足歩行時に指関節を屈曲させて把持面とは反対側の指背面を歩行面に接地させる指部を有し、
前記手部圧覚センサは、前記各手部の指部の指背面に設置されていることを特徴とする脚式ロボット。
【請求項２】
体幹部と、前記体幹部に連結された２つの下肢部と、前記体幹部に連結された２つの上肢部と、を有するロボット本体を備え、前記各下肢部は、歩行の際に歩行面に接する足部を有し、前記各上肢部は、腕部と、前記腕部に連結され、把持対象物を把持可能な手部とを有し、前記２つの下肢部を用いて２足歩行が可能であり、前記２つの下肢部及び前記２つの上肢部を用いて４足歩行が可能な脚式ロボットにおいて、
前記各手部が歩行面に接地したか否かを検出する手部圧覚センサと、
前記各足部が歩行面に接地したか否かを検出する足部圧覚センサと、
前記手部圧覚センサ及び前記足部圧覚センサの検出結果により前記ロボット本体の重心を求めて前記ロボット本体の姿勢を制御する制御部と、を備え、
前記各手部は、４足歩行時に指関節を屈曲させて把持面とは反対側の指背面を歩行面に接地させる指部を複数有し、
前記手部圧覚センサは、前記各手部の各指部の指背面に設置されていることを特徴とする脚式ロボット。
【請求項３】
前記制御部は、前記手部の各指部の指背面に設置された手部圧覚センサのうちいずれかの手部圧覚センサにより歩行面に接地したことが検出された場合、前記手部の他の指部の指背面に設置された手部圧覚センサが歩行面に接地するように前記手部の先に接地した指部の関節角度を調整することを特徴とする請求項２に記載の脚式ロボット。
【請求項４】
前記制御部は、前記手部の各指部の指背面に設置された手部圧覚センサのうちいずれかの手部圧覚センサにより歩行面に接地したことが検出された場合、前記手部の他の指部の指背面に設置された手部圧覚センサが歩行面に接地するように前記腕部に対する前記手部の角度を調整することを特徴とする請求項２に記載の脚式ロボット。
【請求項５】
前記手部は、４足歩行時に掌が後方に向けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の脚式ロボット。
【請求項１】
体幹部と、前記体幹部に連結された２つの下肢部と、前記体幹部に連結された２つの上肢部と、を有するロボット本体を備え、前記各下肢部は、歩行の際に歩行面に接する足部を有し、前記各上肢部は、腕部と、前記腕部に連結され、把持対象物を把持可能な手部とを有し、前記２つの下肢部を用いて２足歩行が可能であり、前記２つの下肢部及び前記２つの上肢部を用いて４足歩行が可能な脚式ロボットにおいて、
前記各手部が歩行面に接地したか否かを検出する手部圧覚センサと、
前記各足部が歩行面に接地したか否かを検出する足部圧覚センサと、
前記手部圧覚センサ及び前記足部圧覚センサの検出結果により前記ロボット本体の重心を求めて前記ロボット本体の姿勢を制御する制御部と、を備え、
前記各手部は、４足歩行時に指関節を屈曲させて把持面とは反対側の指背面を歩行面に接地させる指部を有し、
前記手部圧覚センサは、前記各手部の指部の指背面に設置されていることを特徴とする脚式ロボット。
【請求項２】
体幹部と、前記体幹部に連結された２つの下肢部と、前記体幹部に連結された２つの上肢部と、を有するロボット本体を備え、前記各下肢部は、歩行の際に歩行面に接する足部を有し、前記各上肢部は、腕部と、前記腕部に連結され、把持対象物を把持可能な手部とを有し、前記２つの下肢部を用いて２足歩行が可能であり、前記２つの下肢部及び前記２つの上肢部を用いて４足歩行が可能な脚式ロボットにおいて、
前記各手部が歩行面に接地したか否かを検出する手部圧覚センサと、
前記各足部が歩行面に接地したか否かを検出する足部圧覚センサと、
前記手部圧覚センサ及び前記足部圧覚センサの検出結果により前記ロボット本体の重心を求めて前記ロボット本体の姿勢を制御する制御部と、を備え、
前記各手部は、４足歩行時に指関節を屈曲させて把持面とは反対側の指背面を歩行面に接地させる指部を複数有し、
前記手部圧覚センサは、前記各手部の各指部の指背面に設置されていることを特徴とする脚式ロボット。
【請求項３】
前記制御部は、前記手部の各指部の指背面に設置された手部圧覚センサのうちいずれかの手部圧覚センサにより歩行面に接地したことが検出された場合、前記手部の他の指部の指背面に設置された手部圧覚センサが歩行面に接地するように前記手部の先に接地した指部の関節角度を調整することを特徴とする請求項２に記載の脚式ロボット。
【請求項４】
前記制御部は、前記手部の各指部の指背面に設置された手部圧覚センサのうちいずれかの手部圧覚センサにより歩行面に接地したことが検出された場合、前記手部の他の指部の指背面に設置された手部圧覚センサが歩行面に接地するように前記腕部に対する前記手部の角度を調整することを特徴とする請求項２に記載の脚式ロボット。
【請求項５】
前記手部は、４足歩行時に掌が後方に向けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の脚式ロボット。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−９１３００（Ｐ２０１２−９１３００Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４２１７０（Ｐ２０１０−２４２１７０）
【出願日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]