JP2004174644A

JP2004174644A - 脚式移動ロボットの制御装置

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Publication number: JP2004174644A
Application number: JP2002342963A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Morikawa; 浩昭森川; Jinichi Yamaguchi; 仁一山口
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2022-11-26
Also published as: JP4155804B2

Abstract

【課題】脚式移動ロボットの作業中にオペレータや近隣のユーザを巻き込んだ事故を回避する。
【解決手段】脚式移動ロボットは、所定の部位においてユーザの手指などの挟みこみを検出すると、これを回避するための動作を実行する。機械的な可動部の動作によって人間との情報のやりとりやエンタティンメントを目的としたロボットが人の手指などを動作によって挟み込む危害を防止するようになっている。したがって、安全なロボットを提供でき、加えて恐怖感などを人に与えることがなくなり、ロボットとの情報授受を安心して楽しめるという効果がある。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも複数本の可動脚を備えた脚式移動ロボットのための制御装置に係り、特に、自由度の高い脚式移動ロボットが作業中に安全を確保するための制御装置に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、脚式移動ロボットの作業中にオペレータや近隣のユーザを巻き込んだ事故を回避するための制御装置に係り、特に、脚式移動ロボットの作業中に可動部の動作によって人の手指などを挟み込む危害を防止するための制御装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
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（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｒｏｂｏｔ）であった。
【０００４】
最近では、ヒトやサルなどの２足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作を模した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。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】
また、ヒトの生体メカニズムや動作を再現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（ｈｕｍａｎｏｉｄｒｏｂｏｔ）と呼ぶ。人間型ロボットは、例えば、生活支援、すなわち住環境その他の日常生活上のさまざまな場面における人的活動の支援などを行なうことができる。
【０００６】
人間の作業空間や居住空間のほとんどは、２足直立歩行という人間が持つ身体メカニズムや行動様式に合わせて形成されおり、車輪その他の駆動装置を移動手段とした現状の機械システムが移動するには多くの障壁が存在する。したがって、機械システムすなわちロボットがさまざまな人的作業を代行し、さらに人間の住空間に深く浸透していくためには、ロボットの移動可能範囲が人間のそれとほぼ同じであることが好ましい。これが、脚式移動ロボットの実用化が大いに期待されている所以でもある。
【０００７】
自由度の高い脚式移動ロボットは、あらゆる環境下での使用が想定され、機体の制御系が保証する運用条件を逸脱するような場面が多々存在する。
【０００８】
また、機械的な可動部を持ち、その可動部の動作によって人間との情報のやりとりやエンタティンメントを目的としたロボットは、人間が接触して触覚による情報授受を行なう場合、玩具などのロボットと異なり、人間はそのロボットの動作を予期することが困難である。
【０００９】
このため、可動部によって指などを挟み込まれる危険があるという課題がある。また、その危険による恐怖感のために情報の授受を楽しむことが困難となるという問題も発生している。
【００１０】
したがって、予期しないエラーや誤動作が発生する可能性が他の機械装置に比べ高く、オペレータや近隣のユーザを巻き込んだ事故を起こし易い。したがって、各エラーに対する回避処理をロボットが自律的に行なうことが好ましい。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、自由度の高い脚式移動ロボットが作業中に安全を確保することができる、優れた制御装置を提供することにある。
【００１２】
本発明のさらなる目的は、脚式移動ロボットの作業中にオペレータや近隣のユーザを巻き込んだ事故を回避することができる、優れた制御装置を提供することにある。
【００１３】
本発明のさらなる目的は、脚式移動ロボットの作業中に可動部の動作によって人の手指などを挟み込む危害を好適に防止することができる、優れた制御装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、少なくとも複数本の可動脚を備えた脚式移動ロボットの制御装置であって、
前記脚式移動ロボットの機械的な可動部とこれに接触する前記脚式移動ロボットの部位に配設され、該可動部の動作による物体の挟み込みを検出する挟み込み検出部と、
前記挟み込み検出部による挟み込みの検出に応答して、挟み込みを回避又は解除する動作を実行する動作制御部と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置である。
【００１５】
本発明に係る脚式移動ロボットの制御装置によれば、所定の部位においてユーザの手指などの挟みこみを検出すると、これを回避するための動作を実行する。すなわち、機械的な可動部の動作によって人間との情報のやりとりやエンタティンメントを目的としたロボットが人の手指などを動作によって挟み込む危害を防止するようになっている。したがって、安全なロボットを提供でき、加えて恐怖感などを人に与えることがなくなり、ロボットとの情報授受を安心して楽しめるという効果がある。
【００１６】
ここで、前記挟み込み検出部は、前記脚式移動ロボットの脚部の腿外側、腿裏側、腿正面、腿内側のうち少なくとも１つに配設される。
【００１７】
また、前記挟み込み検出部は、前記脚式移動ロボットの脚部の脛内側又は脛正面のうち少なくとも１つに配設される。
【００１８】
また、前記挟み込み検出部は、前記脚式移動ロボットの足の甲に配設される。
【００１９】
また、前記挟み込み検出部は、前記脚式移動ロボットの手の脇又は手の肘のうち少なくとも１つに配設される。
【００２０】
また、前記挟み込み検出部は、回転軸を持つロボットの可動部とこれに接触するロボット自身のいずれかの部位との間に手・指などが挟まり得る危険なロボット姿勢のとき、ロボット可動部とロボット自身の部位との接触点と回転軸との隙間に挟み込みを検知できる感圧センサで構成することができる。
【００２１】
また、前記動作制御部は、ロボットの姿勢状況毎に対応挙動を選択するようにしてもよい。例えば、ロボットの姿勢状況に応じて、ロボットの動作を停止し、又は、挟んだ部位を瞬時に該当する可動部を開放する方向にアクチュエータを動かし、又は瞬時に該当する可動部用アクチュエータを脱力する。
【００２２】
また、前記動作制御部は、片足接地時、両足接地時、動態時、静止時毎の対応動作を実行するようにしてもよい。
【００２３】
また、前記挟み込み検出部は、男女年齢やその他の条件など、ユーザ毎に挟み込みを検知する力を変えるようにしてもよい。
【００２４】
また、前記挟み込み検出部は、部位毎に挟み込みを検知する力を変えるようにしてもよい。
【００２５】
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。
【００２６】
【発明の実施の形態】
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。
【００２７】
図１及び図２には本発明の実施に供される「人間形」又は「人間型」の脚式移動ロボット１００が直立している様子を前方及び後方の各々から眺望した様子を示している。図示の通り、脚式移動ロボット１００は、胴体部と、頭部と、左右の上肢部と、脚式移動を行う左右２足の下肢部とで構成され、例えば胴体に内蔵されている制御部（図示しない）により機体の動作を統括的にコントロールするようになっている。
【００２８】
左右各々の下肢は、大腿部と、膝関節と、脛部と、足首と、足平とで構成され、股関節によって体幹部の略最下端にて連結されている。また、左右各々の上肢は、上腕と、肘関節と、前腕とで構成され、肩関節によって体幹部の上方の左右各側縁にて連結されている。また、頭部は、首関節によって体幹部の略最上端中央に連結されている。
【００２９】
制御部は、この脚式移動ロボット１００を構成する各関節アクチュエータの駆動制御や各センサなどからの外部入力を処理するコントローラ（主制御部）や、電源回路その他の周辺機器類を搭載した筐体である。制御部は、その他、遠隔操作用の通信インターフェースや通信装置を含んでいてもよい。本実施形態に係るロボットの制御システムは、各エラーに対する回避処理をロボットが自律的に行なうように構成されているが、この点については後に詳解する。
【００３０】
また、図３には、脚式移動ロボット１００の自由度構成を模式的に示している。
【００３１】
同図に示すロボットは、二脚二腕を有する人間型ロボットである。本ロボットは、機体に四肢が取り付けられ、肩関節ピッチ軸、肩関節ロール軸、上腕ヨー軸、肘関節ピッチ軸、前腕ヨー軸、手首ロール軸、手首ピッチ軸という７自由度からなる左右の腕部と、股関節ヨー軸、股関節ロール軸、股関節ピッチ軸、膝ピッチ軸、足首ピッチ軸、足首ロール軸という６自由度からなる左右の脚部で構成されている。
【００３２】
これらの各関節自由度は、実際にはアクチュエータ・モータにより実現される。本実施形態では、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータを搭載する。なお、この種のＡＣサーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願人に既に譲渡されている特開２０００−２９９９７０号公報（特願平１１−３３３８６号明細書）に開示されている。
【００３３】
機体には、加速度センサＡ１及びジャイロＧ１が搭載されている。また、左右の足底四隅には、足底面垂直方向の床反力を検出する１軸ロードセル（Ｆ１〜Ｆ８）と、床面までの距離を測定する赤外線測距センサ（Ｄ１〜Ｄ８）がそれぞれ４つ取り付けられている。また、左右の足底中央部には、それぞれ加速度センサ（Ａ２，Ａ３）及びジャイロ（Ｇ２，Ｇ３）が取り付けられている。
【００３４】
なお、本実施形態に係る脚式移動ロボットは、姿勢制御のための上記センサ群以外にも、オペレータの手指などの挟み込みを検出するためのセンサを装備しているが、この点については後述に譲る。
【００３５】
本実施形態に係るロボットの制御システムは、各エラーに対する回避処理をロボットが自律的に行なうように構成されている。図４には、本実施形態に係る脚式移動ロボットに適用される制御システムの機能構成を模式的に示している。
【００３６】
図示の通り、本実施形態に係る脚式移動ロボットは、機体に内部実装され自律動作を制御する思考系モジュール２０によるコマンドや、機体外に実装された遠隔操作系３０からのコマンドに従って動作するようになっている。
【００３７】
思考系モジュール２０は、機体上における自律的な行動や動作を実現する。
【００３８】
また、遠隔操作系のモジュール３０は、例えばパーソナル・コンピュータ（ＰＣ）のような無線ＬＡＮ機能を備えた計算機システムで構成され、入力デバイスとＰＣアプリケーション３１を備えている。
【００３９】
入力デバイス３２は、ジョイスティックやキーボード、マウスなどのユーザ入力装置で構成され、ユーザからの手動操作に基づくロボットに対する指示を受容する。
【００４０】
ＰＣアプリケーション３１は、ロボットと無線ＬＡＮ経由で接続し、実ロボットとの間でデータ交換を行なう。ＰＣアプリケーション３１は、入力デバイス信号を常時監視し、それをロボット用のコマンドに変換し、ロボットに送信するとともに、ロボット側からの返答やエラー通知を受け取ることができる。
【００４１】
ゲートウェイ１９は、例えばＴＣＰ／ＩＰ（ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＰｒｏｔｏｃｏｌ／ＩｎｔｅｒｎｅｔＰｒｏｔｏｃｏｌ）などの通信プロトコルを実装し、遠隔操作系３０などの外部のコンピュータとの通信（無線又は有線）を実現するロボット内オブジェクトである。
【００４２】
ロボットの各リソース管理及び姿勢遷移制御モジュール１１は、送られてきたコマンドに応じて、頭、体、腕、脚といったリソース単位で処理を分配する。また、姿勢遷移に関して、整合性を判断し、コマンドに対し不整合な姿勢から整合性のある姿勢へとの遷移も担当する。
【００４３】
復帰マネージャ１２は、ロボットが未知姿勢に陥ったときに、未知姿勢から最も近い既知姿勢へと復帰し、所定の姿勢遷移モデルへ復帰させる。
【００４４】
エージェント群は、各リソースに対する動作を計画し、内容に応じたロコモーション生成、モーション再生などの依頼を行なう。図示の例では、エージェント群には、頭部の動作を計画するＨｅａｄＡｇｅｎｔ１３Ａ、胴体の動作を計画するＢｏｄｙＡｇｅｎｔ１３Ｂ、歩行動作を計画するＷａｌｋＡｇｅｎｔ１３Ｃなどが用意されている。
【００４５】
ロコモーション生成部１４は、エージェントからの依頼に応じて、リアルタイムに歩容を生成するオブジェクトであり、生成結果に対して、姿勢の安定化も考慮して、下肢の各関節角度を算出し、デバイスへの指令値を作成する。
【００４６】
モーション再生部１５は、エージェントからの依頼されたモーションに応じて、各関節角度の指令値を変更する。
【００４７】
エラー検出部１６は、常時、各デバイスからのセンサ値を参照し、エラー状態の有無を監視する。ここで言うエラー状態として、例えば、トルク・リミッタ、過電流検出、挟み込み、転倒、安定判別などを挙げることができる。各エラーには、あらかじめ優先順位が設定されており、優先順位の高いものから検出及び回避処理を行なう。
【００４８】
本実施形態では、ロコモーション生成部１４とモーション再生部１５にはゲート（Ｇａｔｅ）１７という概念が導入されている。このゲート１７がオープンしている間は、ロコモーション生成部１４とモーション再生部１５はクライアントからのコマンドを受け付けるが、ゲート１７がクローズすると、コマンドを拒否することができる。また、ゲート１７のオープン／クローズ操作は、エラー検出部１６が担当する。また、ゲート１７のクローズ時にも、ゲート１７は、エラー検出部１６からのコマンドには対処することができ、エラー回避動作を実現することができる。
【００４９】
デバイス・マネージャ１８は、アクチュエータやセンサなど、ロボットを構成する各デバイスと通信を行ない、指令値の送信や計測値の受信を行なう。
【００５０】
図４に示す制御システムの基本動作は、遠隔操作系３０においては、ＰＣ上のアプリケーション３１で入力デバイス信号を監視し、ロボット用コマンドに変換する。作成されたコマンドは無線ＬＡＮ経由でロボット内のゲートウェイ１９を通して、ロボットのリソース管理及び姿勢遷移制御系モジュール１１に送られる。その後、そのコマンドに対する返答が同様にＰＣアプリケーション３１に送られる。
【００５１】
エラー検出時には、依頼されたコマンドがロボット内部処理によって、すべてブロックされ、操作系入力における影響がロボットに悪影響を及ぼすことはない。また、発生したエラーの種別も操作系に送られるので、それに応じた、入力デバイス３２へのフィードバックを掛けることができる。また、エラー解消時には、その旨の通知が操作系に送られ、遠隔操作系からの通常のコマンド入力を再開することができる。
【００５２】
一方、ロボットの自律行動時には、遠隔操作系３０の代わりに思考系モジュール２０からコマンド送信を行なうことができる。エラー検出時には、依頼されたコマンドがロボット内部処理によって、すべてブロックされる。また、エラー解消時には、その旨の通知が操作系に送られ、遠隔操作系３０からの通常のコマンド入力を再開することができる。また、エラー発生時にも、思考系モジュール２０においてエラー種別に応じた任意の感情表現を行なうなどの処理に利用できる。
【００５３】
以下、この制御システムの動作について説明する。
【００５４】
遠隔操作を行なう場合、ＰＣアプリケーション３１は、入力デバイス３２を介して得られた入力情報を基にロボットに対するコマンドを発行し、これを無線ＬＡＮ経由でロボットに転送する。
【００５５】
ロボットの各リソース管理及び姿勢遷移制御１１モジュールは、ゲートウェイ１９を介して、遠隔操作系３０からのコマンドを受信すると、該当するエージェント１３によって各リソースに対する動作を計画し、その内容に応じて、ロコモーション生成部１４又はモーション再生部１５に動作の発現を依頼する。ロコモーション生成部１４又はモーション再生部１５は、デバイス・マネージャ１８をコールして、該当するロボットの各種デバイスに対して指令値を送信する。
【００５６】
ロボットの各種デバイスからは、指令値に基づいて駆動したときに検出されるセンサ情報を、指令の伝播とは逆の経路で、入力デバイスまで伝達される。
【００５７】
また、デバイス・マネージャ１８は、遠隔操作系３０からの指令値に基づいて駆動したときに検出されるセンサ情報を、エラー検出部１６にも通知する。
【００５８】
エラー検出部１６は、センサ情報に基づいて、トルク・リミッタ、過電流検出、挟み込み、転倒、安定判別などのエラーを検出する。そして、機体上のエラーを検出すると、ロコモーション生成部１４とモーション再生部１５にゲート１７のクローズを指示する。ロコモーション生成部１４とモーション再生部１５は、ゲート・クローズに応答して、ゲート１７を介したクライアント（遠隔操作系３０又は思考系モジュール２０）からのコマンドを拒否する。
【００５９】
また、エラー検出部１６は、ゲート１７のクローズ指示とともに、ロコモーション生成部１４又はモーション再生部１５に対して、エラー検出時の機体動作を依頼するコマンドを発行する。
【００６０】
また、エラー検出部１６は、エラーを検出したとき、ロボットの各リソース管理及び姿勢遷移制御モジュール１１に対してエラー通知を行なう。ロボットの各リソース管理及び姿勢遷移制御モジュール１１は、ゲートウェイ１９経由で遠隔操作系３０にエラー種別を通知する。また、思考系モジュール２０にもエラー種別を通知する。
【００６１】
ロコモーション生成部１４又はモーション再生部１５は、エラー検出部１６からのコマンドに従って、エラー回避処理を行なう。また、ロコモーション生成部１４又はモーション再生部１５は、コマンド実行に伴うステータスをエラー検出部１６に返す。
【００６２】
エラー検出部１６は、ロボットの各種デバイスからのセンサ情報に基づいて、エラーが解除されたかどうかを判別する。そして、エラーが解除されると、ロコモーション生成部１４及びモーション再生部１５に対してゲート１７のオープンを指示する。ゲート１７のオープンに伴い、ロコモーション生成部１４及びモーション再生部１５は、ゲート１７を介したクライアントからのコマンドを受け付けることができる。
【００６３】
また、エラー検出部１６は、ロボットの各リソース管理及び姿勢遷移制御モジュール１１にも、エラー解除を通知する。ロボットの各リソース管理及び姿勢遷移制御モジュール１１は、ゲートウェイ１９経由で遠隔操作系３０に復帰終了通知を送るとともに、思考系モジュール２０にも復帰終了通知を送る。
【００６４】
図５には、歩行操作時における脚式移動ロボットのエラー検出処理の手順をフローチャートの形式で示している。
【００６５】
脚式移動ロボットの電源を投入すると、ハードウェアの自己診断やその他の初期化処理が実行される（ステップＳ１）。
【００６６】
次いで、ＰＣなどで構成される遠隔操作系との間で、無線ＬＡＮあるいはその他のネットワーク形態でのコネクションを確立し（ステップＳ２）、コマンドの授受が可能な状態となる。
【００６７】
遠隔操作系３０から機体操作に関するコマンドを受信すると（ステップＳ３）、ロボットの各リソースの管理及び姿勢遷移制御モジュール１１は、操作内容が現在の機体の姿勢遷移モデル上の状態と整合するかどうかを判別する（ステップＳ４）。
【００６８】
操作コマンドが姿勢遷移モデル上の状態と整合しない場合には、操作コマンドと整合性のとれた姿勢を検索して（ステップＳ５）、姿勢遷移を実行する（ステップＳ６）。
【００６９】
次いで、ロコモーション生成部１４又はモーション再生部１５は、遠隔操作系３０から入力された操作コマンドの各パラメータ（歩幅、歩行周期、方向）に応じた各関節角を逆キネマティクスなどの手法により導出する（ステップＳ７）。そして、デバイス・マネージャ１８は、各足底センサの値から姿勢安定化を考慮した制御量を付加し（ステップＳ８）、各アクチュエータへ指令値を送信する（ステップＳ９）。
【００７０】
遠隔操作系３０からのコマンドの入力がなかった場合（ステップＳ３）、又は、入力コマンドの処理が完了した後（ステップＳ９）、エラー検出部１６は、デバイス・マネージャ１８から返されるセンサ情報に基づいてエラーの検出を行なう（ステップＳ１０）。
【００７１】
エラーが検出されなかった場合には、ステップＳ３に戻り、遠隔操作系３０からの次のコマンド入力を待機する。一方、エラーが検出された場合には、エラー検出部は、ロコモーション生成部１４及びモーション再生部１５にエラーを通知して他の動作を停止するとともに、ロボットの各リソース管理及び姿勢遷移制御モジュール１１にもエラー通知する（ステップＳ１２）。ロボットの各リソース管理及び姿勢遷移制御モジュール１１は、さらにその上位の遠隔操作系へエラー種別の通知を行なう。
【００７２】
エラー検出部１６は、機体の動作保証という観点から、エラー検出の優先順位を持っている。本実施形態では、トルク・リミッタ、過電流、挟み込み、転倒検出、安定判別の順で優先順位が与えられている。
【００７３】
エラー検出部１６は、まず各関節アクチュエータにおけるトルク・リミッタのエラー検出を行なう（ステップＳ１２）。ここでエラーが検出された場合には、トルク・リミッタの働いている箇所となる各関節アクチュエータのゲインを落とし、各関節角度指令値を計測値に変更し、トルクを下げる（ステップＳ１３）。
【００７４】
次いで、エラー検出部１６は、各関節アクチュエータにおける過電流の検出を行なう（ステップＳ１４）。過電流が検出された場合には、過電流発生個所となる関節アクチュエータのゲインを落とし、各関節角度指令値を計測値に変更し、トルクを下げる（ステップＳ１５）。
【００７５】
次いで、エラー検出部１６は、各関節における挟み込みの検出を行なう（ステップＳ１６）。挟み込みが検出された場合には、所定の挟み込み対処動作を実行する（ステップＳ１７）。本実施形態では、触覚を利用した接触による人間との情報授受を行なう際に、手指などの挟み込みを回避する動作を実行するようになっているが、この点については後に詳解する。
【００７６】
次いで、エラー検出部１６は、機体の転倒の有無を検出する（ステップＳ１８）。転倒を検出した場合、各関節アクチュエータのゲインを落とし、倒れる向きに応じた受身姿勢をとる（ステップＳ１９）。
【００７７】
次いで、エラー検出部１６は、機体の安定度判別を行なう（ステップＳ２０）。安定を失っている場合には、倒れないように脚を踏ん張り重心を上げる動作を行なうよう、ロコモーション生成部又はモーション再生部に指示する（ステップＳ２１）。
【００７８】
ステップＳ１３，Ｓ１５，Ｓ１７，Ｓ１９，又はＳ２１のいずれかにおいて検出されたエラーに応じた処理を行なった後、又はエラーが検出されなかった場合、エラーが解消したかどうかを判別する（ステップＳ２２）。
【００７９】
エラーが解消されなかった場合には、ステップＳ１０に戻り、上述したエラー検出処理を繰り返し実行する。
【００８０】
また、エラーが解消された場合には、ロボットの各リソース管理及び姿勢遷移制御モジュール１１は、現在の未知姿勢に最も近い既知姿勢を検索し（ステップＳ２３）、姿勢遷移を実行してから（ステップＳ２４）、ステップＳ３に戻り、遠隔操作系からの次のコマンドの入力を待機する。
【００８１】
図５に示すフローチャートのステップＳ１７では、所定の部位においてユーザの手指などの挟みこみを検出すると、これを回避するための動作を実行する。すなわち、機械的な可動部の動作によって人間との情報のやりとりやエンタティンメントを目的としたロボットが人の手指などを動作によって挟み込む危害を防止するようになっている。
【００８２】
回転軸を持つロボットの可動部とこれに接触するロボット自身のいずれかの部位との間に手・指などが挟まり得る危険なロボット姿勢のとき、ロボット可動部とロボット自身の部位との接触点と回転軸との隙間（１２ｍｍ以下に限定しない）に挟み込みを検知できる感圧センサを挟み込みセンサとして備える。
【００８３】
感圧センサは、例えばシート型やボタン型構造のものを採用することができる。あるいは、回転軸にトルク・リミッタ機構を備える。また、ロボット筐体表面に柔軟で手、指などの被挟み込み対象物をその摩擦などにより加え込まないような形状、摩擦特性を持つ材料を備える。
【００８４】
図６及び図７には、図１〜２に示した脚式移動ロボット１００の各部位への挟み込みセンサの配置例を示している。また、下表には、挟み込みセンサの設置部位をまとめている。
【００８５】
【表１】

【００８６】
図６及び図７に示すように、機体上で挟み込みを起こす危険があると推測される部位１８箇所に、挟み込みセンサを配設している。
【００８７】
挟み込みセンサが挟み込みを検出するための挟み込み条件を定量的にするために、本発明者らは、人の指や爪について、挟み込みに対して耐えられる痛さの限界力の調査を実施した。下表には、この限界力テストの結果をまとめている。但し、指を押す物はステンレス製φ１２ｍｍの円柱とアルミ製平板の２種類とし、測定箇所は、人差し指の指先腹、爪、第１関節爪側、指先側面の４箇所とした。
【００８８】
【表２】

【００８９】
限界力テストの結果、挟み込み条件の最低荷重は２ｋｇであることが確認された。これを基に、本実施形態では、挟み込みセンサで感知する感圧力を２ｋｇと設定する。
【００９０】
挟み込みセンサは、例えばシート状の感圧センサ（シート面全体で力を感じる）、これにより挟み込む部分を広範囲にカバーし、安全性が高まる。感圧センサの取付け範囲は、ロボット可動部とロボット自身の部位との接触点と回転軸との隙間とする。
【００９１】
人の手や指などが、その挟み込み力が２ｋｇを超えると、ロボットの動作が停止され、部位毎の条件によって挟んだ部位を瞬時に開く動作をしたり、瞬時に脱力したり、ロボットの姿勢状況毎に対応挙動を選択する。これにより、ロボットが姿勢を崩し転倒したりすることによる人への２次災害を回避する。
【００９２】
また、回転軸にトルク・リミッタ機構を備え、ロボット筐体表面に柔軟で手、指などへの挟み込み力を分散し、危害を軽減、手・指などをロボット筐体表面の摩擦等により咥え込まないような形状、摩擦特性を持つ材料を備えるものとする。安全上、抜ける方向は前でも後ろでも構わないが、咥え込まれてロボット転倒時に一緒に持っていかれることを避けなければならない。指を咥え込んだまま機体が転倒すると非常に危険である。
【００９３】
本実施形態では、各部位毎に、挟み込みを検出したときのロボットの対処動作としての適応制御方法を割り当てている。また、各部位毎に、センサ感圧力やトルク・リミット値を適量にする。センサ出力により挟み込みが検知されたら、瞬時に該当する可動部用アクチュエータの動作を止め、アクチュエータのトルク又は力を減じ、該当する可動部を開放する方向にアクチュエータを動かす。
【００９４】
また、本実施形態では、ロボットの姿勢状況毎に、挟み込みを検出したときのロボットの対処動作としてのロボットの適応制御方法を割り当てる。センサ出力により挟み込みが検知されたら、瞬時に該当する可動部用アクチュエータの動作を止め、アクチュエータのトルク又は力を減じ、姿勢を大きく崩し転倒することによる２次災害を回避しつつ、該当する可動部を開放する方向にアクチュエータを動かす。
【００９５】
特に、脚の状態姿勢に応じて挟み込みセンサの検知後の対応方法を変えることで、アクチュエータのトルク又は力を減じ、姿勢を大きく崩し転倒することによる２次災害を回避する。例えば、片足接地時、両足接地時、動態時、静止時毎の対応動作を実行する。
【００９６】
図８には、脚についての挟み込みセンサによる適応姿勢・挙動の動作手順をフローチャートの形式で示している。このような動作手順は、ロコモーション生成部１４又はモーション再生部１５がエラー検出部１６からのエラー通知に応答して実行する。同図に示すように、足が地面に接地しているか否か、歩行中か立ち止まっているかにより、適応方法を選択するようになっている。
【００９７】
挟み込みセンサを検知したときのロボットの姿勢状態が動態接地の場合、さらに、その接地状態を確認する（ステップＳ１）。
【００９８】
両足接地の場合には、挟んだ軸を開放するように動き、転倒しないように他方の脚でバランスをとり（ステップＳ２）、安定姿勢へと移行する。
【００９９】
また、片足接地の場合、挟んだ軸を開放するように動き、接地していない他方の脚を接地し、バランスをとるように適応制御して（ステップＳ３）、両足で安定姿勢をとるようにする。
【０１００】
ここで、ステップＳ２又はＳ３において、バランスをとることに失敗した場合には、安全な転倒制御に従い、機体が倒れることによって、安全を確保する（ステップＳ４）。
【０１０１】
一方、挟み込みセンサを検知したときのロボットの姿勢状態が静態接地の場合、片足、両足ともに接地状態にし（ステップＳ５）、挟んだ軸を介抱する様に元の姿勢に戻り（ステップＳ６）、安定姿勢を保つ。
【０１０２】
ここで、元の姿勢に戻ることができない場合には、安全な転倒制御に従い、機体が倒れることで、安全を確保する（ステップＳ７）。
【０１０３】
ステップＳ４又はＳ７において、挟み込み回避の動作により、ロボットが転倒した場合、人や周辺への危害を防止するために、転倒の姿勢や転倒動作の適応制御方法を割り当てる。
【０１０４】
また、男女年齢やその他の条件など、ユーザ毎に挟み込みセンサの検知する力を変えるようにしてもよい。ユーザ固有の条件等については、視覚や音声で認識する。
【０１０５】
この場合、接触するユーザの体格など手の大きさや耐力によって適用する挟み込みセンサが検知する値をレベル分けし、ユーザに適した対応ができるようにする。例えば、下記表のようにあらかじめモード（ＡＢＣ・・）を分けておく。小さな子供や女性の場合、センサの検知する力の大きさを小さくし、より安全性を高める。この場合、アプリケーションレベルも場合分けされる（ゲイン値・動作速度の調整など）。
【０１０６】
【表３】

【０１０７】
また、部位毎に挟み込みセンサで検知する力を変えるようにしてもよい。また、部位によって挟み込み形状や挟まれるモーメント位置によって検知する力を変えるようにしてもよい。
【０１０８】
［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。
【０１０９】
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う機械装置であるならば、例えば玩具等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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、自由度の高い脚式移動ロボットが作業中に安全を確保することができる、優れた制御装置を提供することができる。
【０１１２】
また、本発明によれば、脚式移動ロボットの作業中にオペレータや近隣のユーザを巻き込んだ事故を回避することができる、優れた制御装置を提供することができる。
【０１１３】
また、本発明によれば、脚式移動ロボットの作業中に可動部の動作によって人の手指などを挟み込む危害を好適に防止することができる、優れた制御装置を提供することができる。
【０１１４】
本発明に係る脚式移動ロボットの制御装置によれば、オペレータとの間で触覚を利用した接触による情報の授受を行なうときに、手や指などを挟み込まれる危険をなくすことができる。したがって、安全なロボットを提供することができ、加えて恐怖感などを人に与えることがなくなり、ロボットとの情報授受を安心して楽しめるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に供される脚式移動ロボット１００が直立している様子を前方から眺望した様子を示した図である。
【図２】本発明の実施に供される脚式移動ロボット１００が直立している様子を後方から眺望した様子を示した図である。
【図３】脚式移動ロボット１００の自由度構成を模式的に示した図である。
【図４】脚式移動ロボットに適用される制御システムの機能構成を模式的に示した図である。
【図５】歩行操作時における脚式移動ロボットのエラー検出処理の手順を示したフローチャートである。
【図６】脚式移動ロボット１００の各部位への挟み込みセンサの配置例を示した図である。
【図７】脚式移動ロボット１００の各部位への挟み込みセンサの配置例を示した図である。
【図８】脚についての挟み込みセンサによる適応姿勢・挙動の動作手順を示したフローチャートである。
【符号の説明】
１１…ロボットの各リソースの管理及び姿勢遷移制御モジュール
１２…復帰マネージャ
１３…エージェント
１４…ロコモーション生成部
１５…モーション再生部
１６…エラー検出部
１７…ゲート
１８…デバイス・マネージャ
１９…ゲートウェイ
２０…思考系モジュール
３０…遠隔操作系
３１…ＰＣアプリケーション
３２…入力デバイス

Claims

少なくとも複数本の可動脚を備えた脚式移動ロボットの制御装置であって、
前記脚式移動ロボットの機械的な可動部とこれに接触する前記脚式移動ロボットの部位に配設され、該可動部の動作による物体の挟み込みを検出する挟み込み検出部と、
前記挟み込み検出部による挟み込みの検出に応答して、挟み込みを回避又は解除する動作を実行する動作制御部と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。
前記挟み込み検出部は、前記脚式移動ロボットの脚部の腿外側、腿裏側、腿正面、腿内側のうち少なくとも１つに配設される、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの制御装置。
前記挟み込み検出部は、前記脚式移動ロボットの脚部の脛内側又は脛正面のうち少なくとも１つに配設される、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの制御装置。
前記挟み込み検出部は、前記脚式移動ロボットの足の甲に配設される、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの制御装置。
前記挟み込み検出部は、前記脚式移動ロボットの手の脇又は手の肘のうち少なくとも１つに配設される、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの制御装置。
前記挟み込み検出部は、回転軸を持つロボットの可動部とこれに接触するロボット自身のいずれかの部位との間に手・指などが挟まり得る危険なロボット姿勢のとき、ロボット可動部とロボット自身の部位との接触点と回転軸との隙間に挟み込みを検知できる感圧センサで構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの制御装置。
前記動作制御部は、ロボットの姿勢状況毎に対応挙動を選択する、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの制御装置。
前記動作制御部は、ロボットの姿勢状況に応じて、ロボットの動作を停止し、又は、挟んだ部位を瞬時に該当する可動部を開放する方向にアクチュエータを動かし、又は瞬時に該当する可動部用アクチュエータを脱力する、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの制御装置。
前記動作制御部は、片足接地時、両足接地時、動態時、静止時毎の対応動作を実行する、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの制御装置。
前記挟み込み検出部は、男女年齢やその他の条件など、ユーザ毎に挟み込みを検知する力を変える、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの制御装置。
前記挟み込み検出部は、部位毎に挟み込みを検知する力を変える、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの制御装置。