JP2004188530A - 歩行式移動装置並びにその動作制御装置及び動作制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成により各関節部の機械的駆動限界位置を検出して、原点出しを行なうようにした歩行式移動装置、特に二脚歩行式人型ロボットと、その動作制御装置及び動作制御方法を提供する。
【解決手段】ロボット１０は、各関節部を揺動させる駆動手段と各駆動手段を駆動制御する動作制御装置とを有する。動作制御装置４０は、動作計画部４１と、動作生成部４２と、補償部４３と、制御部４４と、検出部としてのロボットの各関節部の角度を検出する角度センサ、即ち角度計測ユニット４５及び両足部に備えられたＺＭＰ検出センサと、動作監視部４６とを備えている。動作制御装置４０は、電源投入時に、各関節部について双方の揺動方向に機械的駆動限界位置まで駆動して、その限界位置を当該関節部に設けられた角度センサ４５、力センサ又は電流センサにより検出して、当該関節部の原点出しを行なう。
【選択図】 図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二脚歩行式人型ロボット及びその動作制御装置そして動作制御方法に関し、特に低コストで且つ正確な各関節部の原点出しを実現するようにした動作制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、所謂二脚歩行式人型ロボットは、胴体部と、胴体部の下部両側にて揺動可能な中間に膝部，下端に足部を備えた脚部と、胴体部の上部両側にて揺動可能な中間に肘部，下端に手部を備えた腕部と、胴体部の上端に取り付けられた頭部とを備えており、上記脚部の足部，下腿部，大腿部そして上記腕部の手部，下腕部及び上腕部の揺動可能な関節部をそれぞれ揺動させる駆動手段と、各駆動手段をそれぞれ駆動制御する動作制御装置とを備えることにより構成されている。
【０００３】
このように構成された二脚歩行式人型ロボットによれば、動作制御装置が、歩行を含む種々の動作を実現するための動作パターンに従って、各関節部に対応する駆動手段をそれぞれ駆動制御して、各関節部を適宜に揺動させることにより、二脚歩行あるいは全身運動を実現するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような二脚歩行式ロボットにおける各関節部は、駆動手段として位置制御のためのアクチュエータを備えており、これらのアクチュエータは、電源投入時には、動作制御装置によって、それぞれ各関節部の初期状態としての目標角度位置まで瞬時に駆動制御されるようになっている。このため、電源オフ時から各関節部が揺動しない状態では、電源投入時には各関節部は殆ど揺動しない。
【０００５】
しかしながら、各関節部の組立直後や、電源オフ時に関節部が外力により強制的に揺動された場合などにおいては、各関節部の角度は、初期状態としての目標角度位置から大きくずれることがある。このような場合に、電源を投入すると、動作制御装置は、上述したように各関節部の角度位置を、それぞれ初期状態としての目標角度位置まで瞬時に駆動制御することになる。このため、各関節部の瞬時の揺動によって、人型ロボットが姿勢を崩して倒れたり、場合によっては人型ロボットが損傷してしまったり、あるいは例えば腕部の大きな揺動などによって人型ロボットの周囲の人間や動物あるいは器物等に当たってしまい、これらの損傷，破壊等を招くおそれがある。
【０００６】
他方、各関節部は、その揺動に際して、人型ロボットの構造上の制限による機械的な駆動限界を有している。そして、この機械的な駆動限界が、駆動手段による駆動範囲に対して狭く設定されている場合、駆動制御の誤りにより、関節部が駆動限界を越えて駆動されてしまうと、駆動手段が損傷してしまうことがある。従って、電源投入の際には、動作制御装置は、各関節部の原点位置および動作可能範囲を認識するため、所謂原点出しを行なう必要がある。
【０００７】
このため、従来の人型ロボットにおいては、各関節部に関して、それぞれ上述した駆動限界付近に、機械的，電気的あるいは光学的等のセンサがリミットスイッチとして設けられており、動作制御装置が、電源投入時に各関節部について双方の揺動方向に機械的駆動限界位置まで駆動して、その限界位置をリミットスイッチにより特定して当該関節部の原点出しを行なうと共に、各関節部が駆動限界を超えて駆動されないようにしている。
【０００８】
しかしながら、このような関節部毎にセンサを設ける構成は、関節数が少ないロボットにおいては効果的であるが、人型ロボットのような多関節のロボットにおいては、関節部毎にそれぞれ双方向の駆動限界付近にセンサを設けなければならず、センサの検出信号を取り出すための複雑な配線も必要になってしまう。従って、部品点数が多くなり、コストが増大してしまうと共に、センサへの配線が関節部の駆動を妨げてしまったり、関節部の駆動により配線が損傷，断線するおそれがある。さらに、小型のロボットにおいては、上述したセンサを設けるスペースを確保することが困難になってくる。
【０００９】
この発明は、以上の点にかんがみて、簡単な構成により各関節部の機械的駆動限界位置を検出して、原点出しを行なうようにした歩行式移動装置、特に二脚歩行式人型ロボットと、その動作制御装置及び動作制御方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の第一の構成によれば、本体と、本体に対してそれぞれ関節部を介して揺動可能に取り付けた複数本の脚部と、各脚部を関節部の周りに揺動させる駆動手段と、各駆動手段をそれぞれ駆動制御する動作制御装置とを有する歩行式移動装置において、上記動作制御装置が、電源投入時に、各関節部について、双方の揺動方向に機械的駆動限界位置まで揺動させて、その限界位置を角度センサ、力センサ又は電流センサにより検出して、当該関節部の原点出しを行なうことを特徴としている。
【００１１】
また、上記目的を達成するため、この発明の第二の構成によれば、胴体部と、胴体部の下部両側にて揺動可能な中間に膝部，下端に足部を備えた二本の脚部と、胴体部の上部両側にて揺動可能な中間に肘部，下端に手部を備えた腕部と、胴体部の上端に取り付けた頭部とを備えており、上記脚部の足部，下腿部，大腿部と上記腕部の手部，下腕部及び上腕部そして胴体部及び頭部の揺動可能な各関節部をそれぞれ揺動させる駆動手段と、各駆動手段をそれぞれ駆動制御する動作制御装置とを有する二脚歩行式人型ロボットにおいて、上記動作制御装置が、電源投入時に、各関節部について、双方の揺動方向に機械的駆動限界位置まで駆動して、その限界位置を当該関節部に設けられた角度センサ、力センサ又は電流センサにより検出して、当該関節部の原点出しを行なうことを特徴としている。
【００１２】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記動作制御装置が、各関節部について、駆動手段をトルク制御モードにより駆動制御して、最小トルクで駆動させることにより、機械的駆動限界位置に当接してトルクが増大したとき又は角度変化がある一定範囲内に収まったとき、機械的駆動限界位置を検出する。
【００１３】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、各関節部が、それぞれ揺動部分を機械的駆動限界位置で抑止するためのストッパ機構を備えている。
【００１４】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記ストッパ機構が、ロボットの各部のフレームに設けられている。
【００１５】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記ストッパ機構が、関節部の外形により構成されている。
【００１６】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記動作制御装置が、当該関節部の原点出しがロボットの各部と干渉しないように、他の関節部を駆動制御して、ロボットの各部を退避させておく。
【００１７】
また、上記目的を達成するため、この発明の第三の構成によれば、胴体部と、胴体部の下部両側にて揺動可能な中間に膝部，下端に足部を備えた二本の脚部と、胴体部の上部両側にて揺動可能な中間に肘部，下端に手部を備えた腕部と、胴体部の上端に取り付けられた頭部とを備えており、上記脚部の足部，下腿部，大腿部と上記腕部の手部，下腕部及び上腕部そして胴体部及び頭部の揺動可能な各関節部をそれぞれ揺動させる駆動手段とを含む二脚歩行式人型ロボットに関して、各駆動手段をそれぞれ駆動制御する二脚歩行式人型ロボットの動作制御装置において、上記動作制御装置が、電源投入時に、各関節部について、双方の揺動方向に機械的駆動限界位置まで駆動して、その限界位置を当該関節部に設けられた角度センサ、力センサ又は電流センサにより検出して、当該関節部の原点出しを行なうことを特徴とするものである。
【００１８】
本発明による二脚歩行式人型ロボットの動作制御装置は、好ましくは、上記動作制御装置が、各関節部について、駆動手段をトルク制御モードにより駆動制御して、最小トルクで駆動させることにより、機械的駆動限界位置に当接してトルクが増大したとき又は角度変化がある一定範囲内に収まったとき、機械的駆動限界位置を検出する。
【００１９】
本発明による二脚歩行式人型ロボットの動作制御装置は、好ましくは、各関節部が、それぞれ揺動部分を機械的駆動限界位置で抑止するためのストッパ機構を備えている。
【００２０】
本発明による二脚歩行式人型ロボットの動作制御装置は、好ましくは、上記ストッパ機構がロボットの各部のフレームに設けられている。
【００２１】
本発明による二脚歩行式人型ロボットの動作制御装置は、好ましくは、上記ストッパ機構が関節部の外形により構成されている。
【００２２】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記動作制御装置が、当該関節部の原点出しがロボットの各部と干渉しないように他の関節部を駆動制御して、ロボットの各部を退避させておく。
【００２３】
さらに、上記目的を達成するため、この発明の第四の構成によれば、胴体部と、胴体部の下部両側にて揺動可能な中間に膝部，下端に足部を備えた二本の脚部と、胴体部の上部両側にて揺動可能な中間に肘部，下端に手部を備えた腕部と、胴体部の上端に取り付けられた頭部とを備えており、上記脚部の足部，下腿部，大腿部と上記腕部の手部，下腕部及び上腕部そして胴体部及び頭部の揺動可能な各関節部をそれぞれ揺動させる駆動手段とを含む二脚歩行式人型ロボットに関して、各駆動手段をそれぞれ駆動制御する二脚歩行式人型ロボットの動作制御方法において、上記動作制御方法が、電源投入時に、各関節部について、双方の揺動方向に機械的駆動限界位置まで駆動して、その限界位置を当該関節部に設けられた角度センサ、力センサ又は電流センサにより検出して、当該関節部の原点出しを行なうことを特徴とするものである。
【００２４】
上記構成によれば、上記動作制御装置が、電源投入時に、各関節部に対応する駆動手段を駆動制御することによって、当該各関節部の揺動部分を一方向に揺動させて、第一の機械的駆動限界位置まで移動させる。そして、動作制御装置が、この第一の機械的駆動限界位置の角度を、各関節部の駆動制御のために設けられた角度センサ、力センサ又は電流センサにより検出して、当該関節部の一方向に関する機械的駆動限界位置とする。
その後、動作制御装置が、同様にして、当該各関節部の揺動部分を逆方向に揺動させて、第二の機械的駆動限界位置まで移動させる。そして、動作制御装置が、この第二の機械的駆動限界位置の角度を、各関節部の駆動制御のための角度センサ、力センサ又は電流センサにより検出して、当該関節部の逆方向に関する機械的駆動限界位置とする。これにより、動作制御装置は、各関節部について、それぞれ双方向の機械的駆動限界位置を検出することにより、当該関節部の原点出しを行なう。
【００２５】
従って、電源投入時に行なう原点出しが、各関節部の双方向の機械的駆動限界位置までの揺動により、当該関節部の角度位置を検出する角度センサ、力センサ又は電流センサを利用して行なわれるので、従来のように、各関節部について双方向の限界位置を検出するためのリミットスイッチが不要になり、さらに各リミットスイッチへの配線が不要となる。これにより、部品点数が少なくて済むと共に、組立作業が容易になり、また各関節部の駆動が余分な配線によって妨げられたり、各関節部の駆動によってセンサの配線が損傷，断線して限界を超えるようなことがない。さらに、小型のロボットにおいてもリミットスイッチが不要であることから、容易に各関節部の機械的駆動限界位置を検出して、原点出しを行なうことができる。
【００２６】
上記動作制御装置が、各関節部について、駆動手段をトルク制御モードにより駆動制御して、最小トルクで駆動させることにより、機械的駆動限界位置に当接してトルクが増大したとき又は角度変化がある一定範囲内に収まったとき、機械的駆動限界位置を検出する場合には、揺動部分が機械的駆動限界位置に当接すると、トルクが急激に増大するので、このトルクの急激な増大を検出することにより、容易に機械的駆動限界位置を検出することができる。なお、関節角度の変化が生じない状態を機械的駆動限界位置とみなしてよい。
【００２７】
各関節部が、それぞれ揺動部分を機械的駆動限界位置で抑止するためのストッパ機構を備えている場合には、揺動部分がストッパ機構により確実に機械的駆動限界位置で停止されることになり、当該関節部が機械的駆動限界位置を越えて揺動して、破壊するようなことがない。
【００２８】
上記ストッパ機構がロボットの各部のフレームに設けられている場合には、ロボット毎のストッパ機構による停止位置のバラツキが低減される。
【００２９】
上記ストッパ機構が関節部の外形により構成されている場合には、新たに関節部にストッパ機構のための凸部等を形成する必要がなく、関節部の外形を利用して、関節部の機械低駆動限界での揺動を抑止させることができる。
【００３０】
上記動作制御装置が、当該関節部の原点出しがロボットの各部と干渉しないように、他の関節部を駆動制御してロボットの各部を退避させておく場合には、当該関節部の原点出しの際に、当該関節部の揺動部分が揺動の途中でロボットの各部と干渉することがなく、確実に原点出しが行なわれる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて、この発明を詳細に説明する。
図１乃至図２は、この発明による二脚歩行式人型ロボットの一実施形態の構成を示している。図１において、二脚歩行式人型ロボット１０は、胴体部１１と、胴体部１１の下部両側に取り付けられた脚部１２Ｌ，１２Ｒと、胴体部の上部両側に取り付けられた腕部１３Ｌ，１３Ｒと、胴体部の上端に取り付けられた頭部１４と、を含んでいる。
【００３２】
上記胴体部１１は、上方の胸部１１ａと下方の腰部１１ｂとに分割され、胸部１１ａが、前屈部１１ｃにて腰部１１ｂに対して前後方向に揺動可能に、特に前方に前屈可能に、そして左右方向に旋回可能に支持されている。さらに、上記胴体部１１の胸部１１ａには、後述する歩行制御装置５０が内蔵されている。尚、上記前屈部１１ｃは、前後揺動用の関節部１１ｄ及び左右旋回用の関節部１１ｅを備えており、各関節部１１ｄ及び１１ｅは、それぞれ関節駆動用モータ（図２参照）により構成されている。
【００３３】
上記脚部１２Ｌ，１２Ｒは、それぞれ大腿部１５Ｌ，１５Ｒ，下腿部１６Ｌ，１６Ｒ及び足部１７Ｌ，１７Ｒと、から構成されている。
ここで、上記脚部１２Ｌ，１２Ｒは、図２に示すように、それぞれ六個の関節部、即ち上方から順に、胴体部１１の腰部１１ｂに対する脚部旋回用の関節部１８Ｌ，１８Ｒ、脚部のロール方向（ｘ軸周り）の関節部１９Ｌ，１９Ｒ、脚部のピッチ方向（ｙ軸周り）の関節部２０Ｌ，２０Ｒ、大腿部１５Ｌ，１５Ｒと下腿部１６Ｌ，１６Ｒの接続部分である膝部２１Ｌ，２１Ｒのピッチ方向の関節部２２Ｌ，２２Ｒ、足部１７Ｌ，１７Ｒに対する足首部のピッチ方向の関節部２３Ｌ，２３Ｒ、足首部のロール方向の関節部２４Ｌ，２４Ｒを備えている。尚、各関節部１８Ｌ，１８Ｒ乃至２４Ｌ，２４Ｒは、それぞれ関節駆動用モータにより構成されている。
【００３４】
このようにして、腰関節は、上記関節部１１ｄ，１１ｅから構成され、股関節は、上記関節部１８Ｌ，１８Ｒ，１９Ｌ，１９Ｒ，２０Ｌ，２０Ｒから構成され、また足関節は、関節部２３Ｌ，２３Ｒ，２４Ｌ，２４Ｒから構成されることになる。これにより、二脚歩行式人型ロボット１０の左右両側の脚部１２Ｌ，１２Ｒは、それぞれ６自由度を与えられることになり、各種動作中にこれらの１２個の関節部をそれぞれ駆動モータにより適宜の角度に駆動制御することにより、脚部１２Ｌ，１２Ｒ全体に所望の動作を与えて、例えば任意に三次元空間を歩行することができるように構成されている。
【００３５】
上記腕部１３Ｌ，１３Ｒは、それぞれ上腕部２５Ｌ，２５Ｒ，下腕部２６Ｌ，２６Ｒ及び手部２７Ｌ，２７Ｒと、から構成されている。
ここで、上記腕部１３Ｌ，１３Ｒの上腕部２５Ｌ，２５Ｒ，下腕部２６Ｌ，２６Ｒ及び手部２７Ｌ，２７Ｒは、上述した脚部１２Ｌ，１２Ｒと同様にして、図２に示すように、それぞれ五個の関節部、即ち上方から順に、肩部にて、胴体部１１に対する上腕部２５Ｌ，２５Ｒのピッチ方向の関節部２８Ｌ，２８Ｒ、ロール方向の関節部２９Ｌ，２９Ｒ、そして左右方向の関節部３０Ｌ，３０Ｒ、上腕部２５Ｌ，２５Ｒと下腕部２６Ｌ，２６Ｒの接続部分である肘部３１Ｌ，３１Ｒにてピッチ方向の関節部３２Ｌ，３２Ｒ、手首部にて下腕部２６Ｌ，２６Ｒに対する手部２７Ｌ，２７Ｒのピッチ方向の関節部３３Ｌ，３３Ｒを備えている。なお、各関節部２８Ｌ，２８Ｒ乃至３３Ｌ，３３Ｒは、それぞれ関節駆動用モータにより構成されている。
【００３６】
このようにして、二脚歩行式人型ロボット１０の左右両側の腕部１３Ｌ，１３Ｒはそれぞれ５自由度を与えられ、各種動作中にこれらの１２個の関節部をそれぞれ駆動モータにて適宜の角度に駆動制御して、腕部１３Ｌ，１３Ｒ全体に所望の動作を与えることができるように構成されている。ここで、上記肩部におけるピッチ方向の関節部２８Ｌ，２８Ｒは、ロール方向の関節部２９Ｌ，２９Ｒ及び左右方向の関節部３０Ｌ，３０Ｒに対して回転軸が前方にずれて配設されており、前方への腕部１３Ｌ，１３Ｒの振り角度が大きく設定されている。
【００３７】
上記頭部１４は、胴体部１１の上部１１ａの上端に取り付けられており、例えば視覚としてのカメラや聴覚としてのマイクが搭載されている。また、上記頭部１４は、図２に示すように、首のピッチ方向の関節部３５及び左右方向の関節部３６を備えている。なお、各関節部３５，３６は、それぞれ関節駆動用モータで構成されている。
【００３８】
このようにして、二脚歩行式人型ロボット１０の頭部１４は、２自由度を与えられ、各種動作中にこれらの２個の関節部３５，３６をそれぞれ駆動モータにて適宜の角度に駆動制御して、頭部１４を左右方向または前後方向に動かすことができるように構成されている。上記ピッチ方向の関節部３５は、左右方向の関節部３６に対して回転軸が前方にずれて配設されており、前方への頭部１４の揺動角度が大きく設定されている。
【００３９】
さらに、上記二脚歩行式人型ロボット１０においては、胴体部１１の前屈部１１ｃの関節部１１ｄと、脚部１２Ｌ，１２Ｒの前後方向の関節部、即ち股間節の関節部２０Ｌ，２０Ｒ，膝部の関節部２２Ｌ，２２Ｒ，足首部の関節部２３Ｌ，２３Ｒは、図３及び図４に示す角度範囲で揺動可能に支持されている。
【００４０】
即ち、足首部の関節部２３Ｌ，２３Ｒは、その揺動角度θ１が−２０乃至＋２０度以上の角度範囲で揺動可能である。また、膝部の関節部２２Ｌ，２２Ｒは、その揺動角度θ２が−１２０乃至０度以上の角度範囲で揺動可能である。さらに、腰関節の関節部２０Ｌ，２０Ｒは、その揺動角度θ３が−４５乃至＋６０度以上の角度範囲で揺動可能である。また、胴体部１１の前屈部１１ｃは、その揺動角度θ４が、−１０乃至＋６０度以上の角度範囲で揺動可能である。
【００４１】
これに対して、胴体部１１の前屈部１１ｃの関節部１１ｅは、図５に示す角度範囲で揺動可能に支持されている。即ち、前屈部１１ｃの関節部１１ｅは、その揺動角度θ５が図５（Ａ）に示す左方に関して−４５度以上、そして図５（Ｂ）に示す右方に関して＋４５度以上の角度範囲で旋回可能である。
【００４２】
図６は、図１乃至図５に示した二脚歩行式人型ロボット１０の電気的構成を示している。図６において、二脚歩行式人型ロボット１０は、駆動手段、即ち上述した各関節部即ち関節駆動用モータ１１ｄ，１１ｅ，１８Ｌ，１８Ｒ乃至３６を駆動制御する動作制御装置４０を備えている。
【００４３】
上記動作制御装置４０は、動作計画部４１と、動作生成部４２と、補償部４３と、制御部４４と、検出部としてのロボットの各関節部の角度を検出する角度センサ、即ち角度計測ユニット４５及び両足部１７Ｌ，１７Ｒに備えられたＺＭＰ検出センサ（図示せず）と、動作監視部４６と、を備えている。なお、二脚歩行式ロボット１０の座標系として、前後方向をｘ方向（前方＋），横方向をｙ方向（内方＋）そして上下方向をｚ方向（上方＋）とするｘｙｚ座標系を使用する。
【００４４】
上記動作計画部４１は、外部から入力された次の動作指令に基づいて当該動作指令に対応する動作を計画する。即ち、動作計画部４１は、当該動作指令に対応する動作を行なうために必要なロボットの各部の角運動量を計算して、ロボットの動作軌道すなわち動作計画を生成する。なお、この動作計画部４１は、後述するように動作監視部４６からロボットの現在の姿勢等が入力されており、動作計画の生成の際に、このロボットの現在の姿勢等を参照する。
【００４５】
上記動作生成部４２は、動作データとして、二脚歩行式人型ロボット１０の動作に必要な各関節部１５Ｌ，１５Ｒ乃至３６の角度データを生成する。その際、この動作生成部４２は、後述する補償部４３からの指令に基づいて、内部のパラメータ及び角度データを修正するようになっている。
【００４６】
上記補償部４３は、動作生成部４２からの各関節部の角度データθｒｅｆに基づいてＺＭＰ目標値を計算すると共に、角度計測ユニット４５からの姿勢情報及び前記ＺＭＰ検出センサからの検出出力に基づいて、ＺＭＰ実際値を計算する。そして、この補償部４３は、このＺＭＰ実際値をＺＭＰ目標値と比較して、その差に基づいてＺＭＰ補償量を計算して、動作生成部４２に出力する。これにより動作生成部４２は、補償部４３からのＺＭＰ補償量がフィードバックされ、このＺＭＰ補償量に基づいて動作データを修正して、モード信号と共に制御部４４へ出力する。
【００４７】
また、上記制御部４４は、動作生成部４２からの修正された動作データ及びモード信号に基づいて各関節駆動用モータの制御信号を生成し、力制御モードまたは位置制御モードにて、各関節駆動用モータを駆動制御するようになっている。なお、この制御部４４は、力制御モード時には各関節駆動用モータに対して所定のトルクで駆動制御を行なう。また、制御部４４は、位置制御モード時には各関節駆動用モータに対して所定の角度位置まで駆動制御を行なう。
【００４８】
ここで、制御部４４は、電源投入時には各関節部の原点出しを行なうようになっている。即ち、制御部４４は、電源投入時に、ロボットの各関節部について、双方の揺動方向に機械的駆動限界位置まで駆動して、その限界位置を当該関節部に設けられた角度検出ユニット４５により角度情報として検出して、原点位置として記憶することにより、所謂原点出しを行なう。その際、制御部４４は、一つの関節部の原点出しを行なう際に、当該関節部の双方向の機械的駆動限界位置への揺動がロボットの各部と干渉しないように、他の関節部を前もって決められたパラメータで駆動制御するようにしている。これにより、ロボットの各部は、当該関節部の原点出しの動作と干渉するようなことはなく、当該関節部の原点出しが確実に行なわれ得ることになる。そして、制御部４４は、このような原点出しにより検出した各関節部の原点位置を記憶する。
【００４９】
上記原点出しを、各関節部に設けられた角度センサとしての角度検出ユニット４５ではなく、各関節部に設けられた駆動モータのトルクを検出する力センサ、或いは駆動モータの駆動電流を検出する電流センサによって検出するようにしてもよい。
【００５０】
上記関節部は、図７に図式的に示すように、ストッパ機構を備えている。図７において、関節部５０は、固定部分５１と固定部分５１に対して回転軸５２の周りに揺動可能な揺動部分５３とから構成されている。さらに、関節部５０は、揺動部分５３の機械的駆動限界位置を規制するためのストッパ機構として、固定部分５１に設けられた突起５１ａと揺動部分５３に設けられた突起５３ａとを備えている。
これにより、関節部５０にて、揺動部分５３が矢印Ａ方向に揺動したとき、揺動部分５３の突起５３ａが固定部分５１の突起５１ａに当接することにより、揺動部分５３の揺動が第一の機械的駆動限界位置にて規制される。また、揺動部分５３が矢印Ａと反対方向に揺動したときには、揺動部分５３の突起５３ａが固定部分５１の図示しない第二の突起に当接することにより、同様にして、揺動部分５３の揺動が第一の機械的駆動限界位置にて規制される。この場合、各突起５１ａ，５３ａを、それぞれ固定部分５１及び揺動部分５３と一体に構成すれば、固定部分５１及び揺動部分５３の形成の際に同時に形成することができ、容易に且つ低コストで備えられる。
【００５１】
また、上記関節部は、図８に図式的に示すようなストッパ機構を備えていてもよい。即ち、図８において、関節部６０は、固定部分６１と固定部分６１に対して回転軸６２の周りに揺動可能な揺動部分６３とから構成されている。さらに、関節部６０は、揺動部分６３の機械的駆動限界位置を規制するためのストッパ機構として、固定部分６１の外形として形成された当接部６１ａ，６１ｂと、揺動部分６３の外形として形成された当接部６３ａ，６３ｂと、を備えている。
これにより、関節部６０にて、揺動部分６３が矢印Ａ方向に揺動したとき、揺動部分６３の当接部６３ａが固定部分６１の当接部６１ａに当接して、揺動部分６３の揺動が第一の機械的駆動限界位置にて規制される。また、揺動部分６３が矢印Ａと反対方向に揺動したときには、揺動部分６３の当接部６３ｂが固定部分６１の当接部６１ｂに当接することにより、同様にして、揺動部分６３の揺動が第一の機械的駆動限界位置にて規制される。この場合、各当接部６１ａ，６１ｂ，６３ａ，６３ｂは、それぞれ固定部分６１及び揺動部分６３の一部として構成されているので、固定部分６１及び揺動部分６３の形成の際に同時に形成されることにより、容易に且つ低コストで備えられる。
【００５２】
本発明実施形態による二脚歩行式ロボット１０は以上のように構成されており、動作制御装置４０は以下のように動作する。
まず、電源投入時には、上記制御部４４は、図９のフローチャートに示すように、各関節部の原点出しを行なう。図９のフローチャートにて、制御部４４は、ステップＳＴ１にて、ｉ＝１として、関節部ｉに関して原点出しを行なう。即ち、制御部４４は、ステップＳＴ２にて、各関節部を位置制御モードに設定して、ステップＳＴ３にて、各関節部を前もって決められたパラメータＰ（ｉ，ｊ）で位置制御し、他の関節部ｊ（関節部ｉを除く他の関節部）を位置制御して、関節部ｉの原点出しに関してロボットの各部が干渉しないように設定する。
【００５３】
続いて、制御部４４は、ステップＳＴ４にて、関節部ｉを力制御モードに設定して、ステップＳＴ５にて、当該関節部ｉの揺動部分を一方向に揺動させる。ここで、ステップＳＴ６にて、当該関節部ｉの揺動部分が第一の機械的駆動限界位置に当接することにより、当該関節部ｉの関節駆動用モータの負荷（トルク）が急激に増大すると又は角度変化がある一定範囲内に収まると、ステップＳＴ７にて、制御部４４は、そのときの当該関節部ｉに関連する角度計測ユニット４５からの角度情報に基づいて原点位置（第一の機械的駆動限界位置）を検出する。
【００５４】
次に、制御部４４は、ステップＳＴ８にて、当該関節部ｉの揺動部分を逆方向に揺動させる。ここで、ステップＳＴ９にて、当該関節部ｉの揺動部分が第二の機械的駆動限界位置に当接することにより、当該関節部ｉの関節駆動用モータの負荷（トルク）が急激に増大すると又は角度変化がある一定範囲内に収まると、ステップＳＴ１０にて、制御部４４は、そのときの当該関節部ｉに関連する角度計測ユニット４５からの角度情報に基づいて、原点位置（第二の機械的駆動限界位置）を検出する。これにより、制御部４４は、ステップＳＴ１１にて、双方向の機械的駆動限界位置を検出して記憶することにより、当該関節部ｉの駆動範囲を取得することができる。
【００５５】
その後、制御部４４は、ステップＳＴ１２にて、ｉ＝ｉ＋１を演算し、さらにステップＳＴ１３にて、ｉ＜ｎ（全関節部の数）であれば、ステップＳＴ２に戻って上記動作を繰り返す。そして、ステップＳＴ１３にて、ｉ＝ｎとなったら、すべての関節部の原点出しが完了したので、制御部４４は処理を終了する。
【００５６】
このようにして、各関節部の原点出しが終了した後、動作計画部４１が、外部から入力された次の動作指令に基づいて、当該動作指令に対応する動作を計画し、ロボットの動作計画を生成する。そして、動作生成部４２が、動作計画部４１により生成された動作計画に基づいて、二脚歩行式人型ロボット１０の動作に必要な各関節部の角度データを生成すると共に、補償部４３により計算されたＺＭＰ補償量に基づいて角度データを修正して、制御部４４に出力する。
【００５７】
これにより制御部４４は、動作生成部４２からの修正された動作データに基づいて各関節駆動用モータの制御信号を生成し、各関節駆動用モータを駆動制御する。その際、制御部４４は、前もって記憶している各関節部の機械的駆動限界位置の角度位置と、角度計測ユニット４５からのそのときの角度位置とを比較して、常にそのときの角度位置が駆動限界内に収まるように制御信号を生成する。これにより、各関節部は、その駆動限界を越えて揺動されることがないので、駆動限界を越える駆動制御によって各関節駆動用モータが破壊することもない。
【００５８】
このようにして、二脚歩行式人型ロボット１０は、動作制御装置４０の動作によって要求動作を実行することになる。その際、制御部４４が、各関節部を駆動限界内に収まるように各関節駆動用モータを駆動制御するので、各関節部がその駆動限界を越えて揺動されることがない。従って、駆動限界を越える駆動制御によって、各関節駆動用モータが破壊することがない。また、従来のように、各関節部に対して、その駆動限界付近にリミットスイッチを設ける必要がないので、リミットスイッチに対する配線も不要となり、部品点数が少なくて済み、部品コストが低減されると共に、各関節部の揺動が配線により制限されたり、各関節部の揺動により配線が損傷，断線することもない。
【００５９】
上述した実施形態においては、動作制御装置４０は、ＺＭＰ規範の動作制御を行なうようになっているが、これに限らず、他の任意の方法によってロボットの動作制御を行なうようにしてもよいことは明らかである。また、上述した実施形態においては二脚歩行式人型ロボット１０について説明したが、これに限らず、関節部を備えた少なくとも複数本の脚部を有する歩行式移動装置に対して本発明を適用し得ることは明らかである。
【００６０】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、上記動作制御装置が、電源投入時に、各関節部に対応する駆動手段を駆動制御することによって、当該各関節部の揺動部分を一方向に揺動させて第一の機械的駆動限界位置まで移動させる。そして、動作制御装置が、この第一の機械的駆動限界位置の角度を、各関節部の駆動制御のために設けられた角度センサ、力センサ又は電流センサにより検出して、当該関節部の一方向に関する機械的駆動限界位置とする。その後、動作制御装置が、同様にして、当該各関節部の揺動部分を逆方向に揺動させて、第二の機械的駆動限界位置まで移動させる。そして、動作制御装置が、この第二の機械的駆動限界位置の角度を、各関節部の駆動制御のための角度センサ、力センサ又は電流センサにより検出して、当該関節部の逆方向に関する機械的駆動限界位置とする。これにより、動作制御装置は、各関節部についてそれぞれ双方向の機械的駆動限界位置を検出することにより当該関節部の原点出しを行なう。
【００６１】
従って、電源投入時に行なう原点出しが、各関節部の双方向の機械的駆動限界位置までの揺動により、当該関節部の角度位置を検出する角度センサ等を利用して行なわれるので、従来のように、各関節部について双方向の限界位置を検出するためのリミットスイッチが不要になり、さらに各リミットスイッチへの配線が不要となる。したがって、部品点数が少なくて済むと共に、組立作業が容易になり、また各関節部の駆動が余分な配線によって妨げられたり、各関節部の駆動によってセンサの配線が損傷，断線して限界を超えるようなことがない。さらに、小型のロボットにおいても、リミットスイッチが不要であることから、容易に各関節部の機械的駆動限界位置を検出して、原点出しを行なうことができる。
このようにして、本発明によれば、簡単な構成により各関節部の機械的駆動限界位置を検出して、原点出しを行なうようにした歩行式移動装置、特に二脚歩行式人型ロボットと、その動作制御装置及び動作制御方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による二脚歩行式人型ロボットの一実施形態の外観を示し、（Ａ）は概略正面図、（Ｂ）は概略側面図である。
【図２】図１の二脚歩行式人型ロボットの機械的構成を示す概略図である。
【図３】図１の二脚歩行式人型ロボットの前屈部及び脚部の各関節部の前方への揺動限界を示す概略図である。
【図４】図１の二脚歩行式人型ロボットの前屈部及び脚部の各関節部の後方への揺動限界を示す概略図である。
【図５】図１の二脚歩行式人型ロボットの前屈部の各関節部の、（Ａ）左方向への旋回限界及び（Ｂ）右方向への旋回限界をそれぞれ示す概略図である。
【図６】図１の二脚歩行式人型ロボットの電気的構成を示すブロック図である。
【図７】図１の二脚歩行式人型ロボットの各関節部のストップ機構の第一の構成例を示す概略図である。
【図８】図１の二脚歩行式人型ロボットの各関節部のストップ機構の第二の構成例を示す概略図である。
【図９】図１に示す二脚歩行式人型ロボットの原点出しの動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 二脚歩行式人型ロボット
１１ 胴体部
１１ａ 上部
１１ｂ 下部
１１ｃ 前屈部
１１ｄ，１１ｅ 関節部（関節駆動用モータ）
１２Ｌ，１２Ｒ 脚部
１３Ｌ，１３Ｒ 腕部
１４ 頭部
１５Ｌ，１５Ｒ 大腿部
１６Ｌ，１６Ｒ 下腿部
１７Ｌ，１７Ｒ 足部
１８Ｌ，１８Ｒ乃至２４Ｌ，２４Ｒ 関節部（関節駆動用モータ）
２１Ｌ，２１Ｒ 膝部
２５Ｌ，２５Ｒ 上腕部
２６Ｌ，２６Ｒ 下腕部
２７Ｌ，２７Ｒ 手部
２８Ｌ，２８Ｒ乃至３３Ｌ，３３Ｒ 関節部（関節駆動用モータ）
３１Ｌ，３１Ｒ 肘部
３５，３６ 関節部（関節駆動用モータ）
４０ 動作制御装置
４１ 動作計画部
４２ 動作生成部
４３ 補償部
４４ 制御部
４５ 角度計測ユニット
４６ 動作監視部
５０，６０ 関節部
５１，６１ 固定部分
５２，６２ 揺動部分
５１ａ，６１ａ 突起
６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ 当接部

Claims (14)

1. 本体と、本体に対してそれぞれ関節部を介して揺動可能に取り付けられた複数本の脚部と、各脚部を関節部の周りに揺動させる駆動手段と、各駆動手段をそれぞれ駆動制御する動作制御装置と、を有している歩行式移動装置において、
   上記動作制御装置が、電源投入時に、各関節部について、双方の揺動方向に機械的駆動限界位置まで揺動させて、その限界位置を角度センサ、力センサ又は電流センサにより検出して、当該関節部の原点出しを行なうことを特徴とする、歩行式移動装置。
2. 胴体部と、胴体部の下部両側にて揺動可能な中間に膝部，下端に足部を備えた二本の脚部と、胴体部の上部両側にて揺動可能な中間に肘部，下端に手部を備えた腕部と、胴体部の上端に取り付けられた頭部と、を備えており、
   上記脚部の足部，下腿部，大腿部と上記腕部の手部，下腕部及び上腕部そして胴体部及び頭部の揺動可能な各関節部をそれぞれ揺動させる駆動手段と、各駆動手段をそれぞれ駆動制御する動作制御装置と、を有している二脚歩行式人型ロボットにおいて、
   上記動作制御装置が、電源投入時に、各関節部について、双方の揺動方向に機械的駆動限界位置まで駆動して、その限界位置を当該関節部に設けられた角度センサ、力センサ又は電流センサにより検出して、当該関節部の原点出しを行なうことを特徴とする、二脚歩行式人型ロボット。
3. 前記動作制御装置が、各関節部について、駆動手段をトルク制御モードにより駆動制御して、最小トルクで駆動させることにより、機械的駆動限界位置に当接してトルクが増大したとき又は角度変化がある一定範囲内に収まったとき、機械的駆動限界位置を検出することを特徴とする、請求項２に記載の二脚歩行式人型ロボット。
4. 各関節部が、それぞれ揺動部分を機械的駆動限界位置で抑止するためのストッパ機構を備えていることを特徴とする、請求項２に記載の二脚歩行式人型ロボット。
5. 前記ストッパ機構が、ロボットの各部のフレームに設けられていることを特徴とする、請求項４に記載の二脚歩行式人型ロボット。
6. 前記ストッパ機構が、関節部の外形により構成されていることを特徴とする、請求項５に記載の二脚歩行式人型ロボット。
7. 前記動作制御装置が、当該関節部の原点出しがロボットの各部と干渉しないように、他の関節部を駆動制御して、ロボットの各部を退避させておくことを特徴とする、請求項２から６の何れかに記載の二脚歩行式人型ロボット。
8. 胴体部と、胴体部の下部両側にて揺動可能な中間に膝部，下端に足部を備えた二本の脚部と、胴体部の上部両側にて揺動可能な中間に肘部，下端に手部を備えた腕部と、胴体部の上端に取り付けられた頭部と、を備えており、上記脚部の足部，下腿部，大腿部と上記腕部の手部，下腕部及び上腕部そして胴体部及び頭部の揺動可能な各関節部をそれぞれ揺動させる駆動手段と、を含む二脚歩行式人型ロボットに関して、各駆動手段をそれぞれ駆動制御する二脚歩行式人型ロボットの動作制御装置において、
   上記動作制御装置が、電源投入時に、各関節部について、双方の揺動方向に機械的駆動限界位置まで駆動して、その限界位置を当該関節部に設けられた角度センサ、力センサ又は電流センサにより検出して、当該関節部の原点出しを行なうことを特徴とする、二脚歩行式人型ロボットの動作制御装置。
9. 前記動作制御装置が、各関節部について、駆動手段をトルク制御モードにより駆動制御して、最小トルクで駆動させることにより、機械的駆動限界位置に当接してトルクが増大したとき又は角度変化がある一定範囲内に収まったとき、機械的駆動限界位置を検出することを特徴とする、請求項７に記載の二脚歩行式人型ロボットの動作制御装置。
10. 各関節部が、それぞれ揺動部分を機械的駆動限界位置で抑止するためのストッパ機構を備えていることを特徴とする、請求項８に記載の二脚歩行式人型ロボットの動作制御装置。
11. 前記ストッパ機構が、ロボットの各部のフレームに設けられていることを特徴とする、請求項１０に記載の二脚歩行式人型ロボットの動作制御装置。
12. 前記ストッパ機構が、関節部の外形により構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の二脚歩行式人型ロボットの動作制御装置。
13. 前記動作制御装置が、当該関節部の原点出しがロボットの各部と干渉しないように、他の関節部を駆動制御してロボットの各部を退避させておくことを特徴とする、請求項８から１２の何れかに記載の二脚歩行式人型ロボットの動作制御装置。
14. 胴体部と、胴体部の下部両側にて揺動可能な中間に膝部，下端に足部を備えた二本の脚部と、胴体部の上部両側にて揺動可能な中間に肘部，下端に手部を備えた腕部と、胴体部の上端に取り付けられた頭部と、を備えており、上記脚部の足部，下腿部，大腿部と上記腕部の手部，下腕部及び上腕部そして胴体部及び頭部の揺動可能な各関節部をそれぞれ揺動させる駆動手段と、を含む二脚歩行式人型ロボットに関して、各駆動手段をそれぞれ駆動制御する二脚歩行式人型ロボットの動作制御方法において、
    上記動作制御方法が、電源投入時に、各関節部について、双方の揺動方向に機械的駆動限界位置まで駆動して、その限界位置を当該関節部に設けられた角度センサ、力センサ又は電流センサにより検出して、当該関節部の原点出しを行なうことを特徴とする、二脚歩行式人型ロボットの動作制御方法。

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