JP3682525B2 - 二脚歩行式人型ロボット - Google Patents
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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、前もって設定された歩行パターン（以下、歩容という）データを生成して、この歩容データに従って歩行制御を行なって、所定の歩行パターンで脚部を動作させることにより二脚歩行を実現するようにしている。
ところで、このような二脚歩行式人型ロボットは、例えば床面状況，ロボット自体の物理パラメータの誤差等によって歩行の際の姿勢が不安定になりやすく、場合によっては転倒してしまうことがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の二脚歩行式人型ロボットは、できるだけ転倒しないように設計はしてあるが、転倒時に受け身動作を行なったり転倒した状態から起き上がるようには設計されていない。
即ち、従来の二脚歩行式人型ロボットは、転倒時に、各部に作用する衝撃を緩和させたり、転倒した状態を検出するようには設計されていない。
また、従来の二脚歩行式人型ロボットは、胴体部や脚部，腕部の外装表面が比較的平坦な面により構成されていることから、このため、転倒時の起き上がり動作を行なわせようとしても、動的且つ円滑な動作遷移を実現することは困難であった。
【０００４】
さらに、二脚歩行式人型ロボットに前転等の床面上での運動を行なわせる場合にも、同様の問題があった。
【０００５】
本発明は、以上の点にかんがみて、転倒時等に各部に作用する衝撃を緩和させると共に、転倒状態を検出するようにした二脚歩行式人型ロボットを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、本発明によれば、胴体部と、胴体部の下部両側に取り付けられた脚部と、胴体部の上部両側に取り付けられた腕部と、胴体部の上端に取り付けられた頭部とを備えており、上記脚部が、胴体部に対して三軸方向に揺動可能に取り付けられた二つの大腿部と、各大腿部の下端に対してそれぞれ一軸方向に揺動可能に取り付けられた下腿部と、各下腿部の下端に対して二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部とを含んでいて、上記腕部が、胴体部に対して二軸方向に揺動可能に取り付けられた二つの上腕部と、各上腕部に対してそれぞれ一軸方向に揺動可能に取り付けられた下腕部と、各下腕部に対して二軸方向に揺動可能に取り付けられた手部とを含んでおり、また上記胴体部が途中の前屈部にて前屈可能に構成されていて、さらに、上記脚部の足部，下腿部，大腿部そして上記腕部の手，下腕部及び上腕部そして前屈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制御部とを有している二脚歩行式人型ロボットにおいて、上記各腕部の上腕部及び下腕部の間の肘部外側と、上記各腕部の下腕部と手部の間の手首部外側と、上記足部の爪先部下側と、上記足部の踵部下側と、上記足部の大腿部及び下腿部の間の膝部外側と、上記胴体部の尻部，背中部と、にそれぞれ接触検知部を備え、各接触検知部が、それぞれ外装表面を構成する外装部と、この外装部に作用する圧力を検知する圧力センサと、この外装部に作用する衝撃を緩和する衝撃吸収材と、から構成されており、上記制御部が、上記各接触検知部の圧力センサからの検出信号に基づいて転倒した状態を判別することを特徴とする二脚歩行式人型ロボットにより達成される。
【０００７】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記各接触検知部における圧力センサ及び衝撃吸収材が一体に構成されている。
【０００８】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記各接触検知部における外装部，圧力センサ及び衝撃吸収材が一体に構成されている。
【０００９】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記各接触検知部における外装部が最も外側に配置されている。
【００１０】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記各接触検知部における圧力センサが最も外側に配置されている。
【００１１】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記各接触検知部における衝撃吸収材が最も外側に配置されている。
【００１２】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記胴体部，腕部の上腕部，下腕部，脚部の大腿部，下腿部が、凸状の曲面形状から成る外装表面を有している。
【００１３】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記足部が、下腿部に対して前後方向に関して−２０乃至＋２０度以上の角度範囲で揺動可能であり、上記下腿部が、大腿部に対して前後方向に関して０乃至＋６０度以上の角度範囲で揺動可能であって、また、上記大腿部が、胴体部に対して前後方向に関して０乃至＋４５度以上の角度範囲で揺動可能であり、さらに、上記胴体部が、前後方向に関して０乃至＋３０度以上の角度範囲で前屈可能である。
【００１４】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記脚部の足部，下腿部，大腿部をそれぞれ揺動させるための駆動手段が、互いに足部，下腿部及び大腿部の揺動を妨げないように、相互に斜めに配置されている。前記制御部は、転倒した状態に対する動作パターンに基づいて転倒後の起き上がり動作を行うように、前記各駆動手段をそれぞれ駆動制御する。
【００１５】
上記構成によれば、二脚歩行式人型ロボットが転倒する際、あるいは前転等の床面上での運動を行なう場合に、床面等に衝突し得る部分、即ち各腕部の上腕部及び下腕部の間の肘部外側と、上記各腕部の下腕部と手部の間の手首部外側と、上記足部の爪先部下側と、上記足部の踵部下側と、上記足部の大腿部及び下腿部の間の膝部外側と、上記胴体部の尻部，背中部と、にそれぞれ接触検知部が備えられているので、これらの部分が床面等に衝突したとしても、接触検知部の衝撃吸収材によって衝突による衝撃が吸収されることになる。
従って、転倒時等における二脚歩行式人型ロボットの各部における内部構造に対する衝撃が緩和され、転倒時等に各部が破損するようなことはない。
【００１６】
そして、二脚歩行式人型ロボットの転倒時に、上記各部のうち床面等に接触している部分の接触検知部の圧力センサが圧力を検知することによって制御部により二脚歩行式人型ロボットの転倒状態が把握される。従って、制御部が、現在の転倒状態に基づいて、駆動手段を駆動制御して、腕部及び脚部を適宜に動作させることにより、転倒するときに受け身動作を行なったり、起き上がり動作によって、二脚で立ち上がった状態に移行することができる。
【００１７】
上記各接触検知部における圧力センサ及び衝撃吸収材が一体に構成されている場合、または上記各接触検知部における外装部，圧力センサ及び衝撃吸収材が一体に構成されている場合は、各接触検知部が簡単な構成で容易に組み立てられ得る。
【００１８】
上記各接触検知部における外装部が最も外側に配置されている場合には、二脚歩行式人型ロボットの転倒の際に各接触検知部が床面等に衝突したとしても、外装部が直接に床面等により接触し、内側の圧力センサ，衝撃吸収材さらに内部構造を衝撃から保護することができる。
【００１９】
上記各接触検知部における圧力センサが最も外側に配置されている場合には、二脚歩行式人型ロボットの転倒の際に、各接触検知部の圧力センサが床面等に直接に接触し、圧力センサが床面等への接触を確実に検出することができる。
【００２０】
上記各接触検知部における衝撃吸収材が最も外側に配置されている場合には、二脚歩行式人型ロボットの転倒の際に各接触検知部が床面等に衝突したとしても、衝撃吸収材が直接に床面等により接触して衝撃が確実に吸収され、内側の外装部，圧力センサ及び内部構造を衝撃から保護することができる。
【００２１】
上記胴体部，腕部の上腕部，下腕部，脚部の大腿部，下腿部が凸状の曲面形状から成る外装表面を有している場合には、二脚歩行式人型ロボットの転倒状態からの起き上がり動作の際に、これらの曲面形状の外装表面が床面等に接触し、起き上がり動作を円滑に行なうことができる。
【００２２】
上記足部が、下腿部に対して前後方向に関して−２０乃至＋２０度以上の角度範囲で揺動可能であり、上記下腿部が、大腿部に対して前後方向に関して０乃至＋６０度以上の角度範囲で揺動可能であって、また、上記大腿部が、胴体部に対して前後方向に関して０乃至＋４５度以上の角度範囲で揺動可能であり、さらに、上記胴体部が、前後方向に関して０乃至＋３０度以上の角度範囲で前屈可能である場合には、二脚歩行式人型ロボットの転倒状態からの起き上がり動作の際に、上述した動作範囲により確実に起き上がり動作を行なうことができる。
【００２３】
上記脚部の足部，下腿部，大腿部をそれぞれ揺動させるための駆動手段が、互いに足部，下腿部及び大腿部の揺動を妨げないように相互に斜めに配置されている場合には、二脚歩行式人型ロボットの転倒状態からの起き上がり動作の際に、脚部の足部，下腿部及び大腿部が互いに干渉することなく揺動可能であるので、確実に起き上がり動作を行なうことができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施形態に基づいて、この発明を詳細に説明する。
図１乃至図２は、本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。
【００２５】
上記胴体部１１は、上部１１ａと下部１１ｂとに分割されており、上部１１ａが前屈部１１ｃにて下部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支持されている。さらに、上記胴体部１１には後述する制御部が内蔵されている。なお、上記前屈部１１ｃは関節駆動用モータ（図２参照）により構成されている。
【００２６】
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に対する腰の脚部回旋用の関節部１８Ｌ，１８Ｒ、腰のロール方向（ｘ軸周り）の関節部１９Ｌ，１９Ｒ、腰のピッチ方向（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。
なお、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。
【００２７】
このようにして、腰関節は、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、歩行中にこれらの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、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。
【００２８】
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、それぞれ関節部により一軸方向または二軸方向に揺動可能に支持されており、各関節部はそれぞれ関節駆動用モータにより構成されている。
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、それぞれ適宜の自由度を与えられて各種動作を行なう。
【００２９】
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。
【００３０】
以上の構成は、従来の二脚歩行式人型ロボットとほぼ同様の構成であるが、本発明実施形態による二脚歩行式人型ロボット１０においては、以下の点で異なる構成になっている。
即ち、二脚歩行式人型ロボット１０は、図１に示すように、上述した胴体部１１の上部１１ａ，下部１１ｂ、脚部１２Ｌ，１２Ｒの大腿部１５Ｌ，１５Ｒ，下腿部１６Ｌ，１６Ｒそして腕部１３Ｌ，１３Ｒの上腕部２５Ｌ，２５Ｒ，下腕部２６Ｌ，２６Ｒが、それぞれ例えば発泡スチロール等の耐衝撃性材料により形成された凸状の曲面形状から成る外装表面を備えている。
【００３１】
さらに、二脚歩行式人型ロボット１０は、転倒時に床面等に衝突し得る部分、即ち上記各腕部１３Ｌ，１３Ｒの上腕部２５Ｌ，２５Ｒ及び下腕部２６Ｌ，２６Ｒの間の肘部２８Ｌ，２８Ｒの外側と、上記各腕部１３Ｌ，１３Ｒの下腕部２６Ｌ，２６Ｒと手部２７Ｌ，２７Ｒの間の手首部２９Ｌ，２９Ｒの外側と、上記足部１７Ｌ，１７Ｒの下面中央，爪先部３０Ｌ，３０Ｒの下側，踵部３１Ｌ，３１Ｒの下側及び膝部２１Ｌ，２１Ｒの外側と、上記胴体部１１の下部１１ｂの後側である尻部３２及び上部１１ａの後側である背中部３３と、にそれぞれ接触検知部４０を備えている。
【００３２】
この接触検知部４０は、図３に示すように、外装表面を構成する外装部４１と、外装部４１の内側に配置された圧力センサ４２と、さらにその内側に配置された衝撃吸収材４３と、から構成されている。
【００３３】
上記外装部４１は、例えば発泡スチロール等の耐衝撃性材料等から構成されており、上述した各部と同様に凸状の曲面形状から構成されている。
上記圧力センサ４２は、当該接触検知部４０が二脚歩行式人型ロボット１０の転倒時等にて床面等に接触しているとき、接触圧力を検出して、その検出信号を後述する制御部に出力するようになっている。
上記衝撃吸収材４３は、例えばソルボセイン等から構成されており、当該接触検知部４０が二脚歩行式人型ロボット１０の転倒時等により床面等に衝突したとき、その衝撃を吸収するようになっている。
なお、上記接触検知部４０は、外側から順に外装部４１，圧力センサ４２及び衝撃吸収材４３を備えているが、これに限らず、任意の順に配置されていてもよい。この場合、外装部４１が最も外側に配置されると、二脚歩行式人型ロボット１０の転倒の際に、各接触検知部４０が床面等に衝突したとしても、外装部４１が直接に床面等により接触し、内側の圧力センサ４２，衝撃吸収材４３さらに内部構造を衝撃から保護することができる。
また、圧力センサ４２が最も外側に配置されると、二脚歩行式人型ロボット１０の転倒の際に、圧力センサ４２が床面等に直接に接触し、床面等への接触を確実に検出することができる。
さらに、衝撃吸収材４３が最も外側に配置されると、二脚歩行式人型ロボット１０の転倒の際に、各接触検知部４０が床面等に衝突したとしても、衝撃吸収材４３が直接に床面等により接触し、衝撃が確実に吸収され得る。
【００３４】
また、上記接触検知部４０は、外装部４１，圧力センサ４２及び衝撃吸収材４３が別体に構成されているが、これに限らず、圧力センサ４２及び衝撃吸収材４３、あるいは外装部４１，圧力センサ４２及び衝撃吸収材４３が互いに一体に構成されていてもよい。
【００３５】
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と、脚部１２Ｌ，１２Ｒの前後方向の関節部、即ち腰関節の関節部２０Ｌ，２０Ｒ，膝部の関節部２２Ｌ，２２Ｒ，足首部の関節部２３Ｌ，２３Ｒは、図４及び図５に示す角度範囲で揺動可能に支持されている。
【００３６】
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０乃至＋６０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０乃至＋４５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、０乃至＋３０度以上の角度範囲で揺動可能である。
【００３７】
上述した前屈部１１ｃ及び各関節部２０Ｌ，２０Ｒ，２２Ｌ，２２Ｒ，２３Ｌ，２３Ｒの揺動角度範囲を実現するために、前屈部１１ｃ及び各関節部２０Ｌ，２０Ｒ，２２Ｌ，２２Ｒ，２３Ｌ，２３Ｒの関節駆動用モータは、図６に示すように配置されている。即ち、図６において、前屈部１１ｃ及び各関節部２０Ｌ，２０Ｒ，２２Ｌ，２２Ｒ，２３Ｌ，２３Ｒの関節駆動用モータＭ２，Ｍ３，Ｍ４は、それぞれモータの駆動軸が減速器Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を介して、その出力軸Ｇ２ａ，Ｇ３ａ，Ｇ４ａにより前屈部１１ｃ及び各関節部２０Ｌ，２０Ｒ，２２Ｌ，２２Ｒ，２３Ｌ，２３Ｒを駆動して、それぞれ胴体部１１の上部１１ａ，大腿部１５Ｌ，１５Ｒ，下腿部１６Ｌ，１６Ｒそして足部１７Ｌ，１７Ｒを揺動させるようになっている。
【００３８】
そして、減速器Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を含む各モータＭ２，Ｍ３，Ｍ４は、互いに前屈部１１ｃ，各関節部２０Ｌ，２０Ｒ，２２Ｌ，２２Ｒ，の揺動を妨げないように、図６（Ａ）に示すように互いに傾斜して配置されている。これにより、前屈部１１ｃ，各関節部２０Ｌ，２０Ｒ，２２Ｌ，２２Ｒが揺動したとき、図６（Ｂ）に示すように、各モータＭ２，Ｍ３，Ｍ４は、前屈部１１ｃ，各関節部２０Ｌ，２０Ｒ，２２Ｌ，２２Ｒの揺動と干渉しない。
このような構成により、脚部１２Ｌ，１２Ｒの長さを必要以上に長くすることなく、前屈部１１ｃ及び各関節部２０Ｌ，２０Ｒ，２２Ｌ，２２Ｒの揺動の角度範囲を確保することができる。
なお、図６において、モータＭ１は、関節部２４Ｌ，２４Ｒの関節駆動用モータであり、またモータＭ５は、関節部１９Ｌ，１９Ｒ用の関節駆動用モータである。
【００３９】
図７は、図１乃至図６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７において、二脚歩行式人型ロボット１０は、駆動手段、即ち上述した前屈部１１ｃそして各関節部、即ち関節駆動用モータ１８Ｌ，１８Ｒ乃至２４Ｌ，２４Ｒを駆動制御する歩行制御装置５０を備えている。
【００４０】
上記歩行制御部５０は、制御部５１とモータ制御ユニット５２とから構成されている。上記制御部５１は、前以て決められた動作パターンに基づいて各関節駆動用モータの制御信号を生成するようになっている。上記モータ制御ユニット５２は、制御部５１からの制御信号に従っ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。
さらに、上記制御部５１は、二脚歩行式人型ロボット１０の転倒時には、その転倒状態、即ち各接触検知部４０の圧力センサ４２からの検出信号に基づいて転倒状態（転倒姿勢）を判別して、この転倒姿勢に対する動作パターンに基づいて転倒時の受け身動作，転倒後の起き上がり動作を行なうように、前以て決められた動作パターンに基づいて各関節駆動用モータの制御信号を生成するようになっている。
【００４１】
本発明実施形態による二脚歩行式人型ロボット１０は以上のように構成されており、通常の歩行動作は、歩行制御装置５０の制御部５１が前以て決められた歩行動作パターンに基づいて制御信号を生成してモータ制御ユニット５２に出力する。これにより、モータ制御ユニット５２が前屈部１１ｃ及び各関節部１８Ｌ，１８Ｒ乃至２４Ｌ，２４Ｒの関節駆動用モータを駆動制御する。このようにして二脚歩行式人型ロボット１０は歩行動作を行なうことになる。
【００４２】
ここで、二脚歩行式人型ロボット１０が、例えば歩行姿勢が不安定になって、前側に転倒する場合、図８（Ａ）に示すように、通常の歩行では、足部１７Ｌ，１７Ｒの下面中央付近に設けられた接触検知部４０の圧力センサが圧力を検出して、その検出信号を制御部５１に出力する。これにより、制御部５１は、安定した歩行状態と判断して通常の歩行動作を継続する。
【００４３】
これに対して、二脚歩行式人型ロボット１０が、図８（Ｂ）に示すように前側に転倒すると、片方の腕部１３Ｌまたは１３Ｒの手首部２９Ｌ，２９Ｒに設けられた接触検知部４０の圧力センサが圧力を検出して、その検出信号を制御部５１に出力する。これにより制御部５１は、手首部２９Ｌ，２９Ｒの圧力センサ４２からの検出信号に基づいて二脚歩行式人型ロボット１０が前方に転倒していることを判別し、受け身動作を行なうようにモータ制御ユニット５２に対して制御信号を出力する。
【００４４】
従って、二脚歩行式人型ロボット１０は、図８（Ｃ）に示すように、受け身動作により、両肘部２８Ｌ，２８Ｒ，両膝部２１Ｌ，２１Ｒを床面についた状態となる。この場合、両肘部２８Ｌ，２８Ｒ，両膝部２１Ｌ，２１Ｒには、それぞれ接触検知部４０が設けられているので、両肘部２８Ｌ，２８Ｒ，両膝部２１Ｌ，２１Ｒが床面に衝突したとしても、接触検知部４０の衝撃吸収材４３が衝突による衝撃を吸収する。
また、制御部５１は、図示のように、両肘部２８Ｌ，２８Ｒ，両膝部２１Ｌ，２１Ｒそして一方の足部１７Ｌまたは１７Ｒの爪先部３０Ｌ，３０Ｒに設けられた接触検知部４０からの検出信号が入力されることにより、二脚歩行式人型ロボット１０の転倒姿勢を把握することができる。従って、制御部５１は、この転倒状態から起き上がり動作を行なうように、モータ制御ユニット５２に対して制御信号を出力する。
これにより、二脚歩行式人型ロボット１０は、起き上がり動作を行なって、二脚で立ち上がった状態に移行することができる。この際、各部の外装表面が凸状の曲面形状からなる外装表面を有しているので、起き上がり動作を円滑に行なうことができる。
【００４５】
また、二脚歩行式人型ロボット１０が、例えば歩行姿勢が不安定になって後側に転倒する場合、図９（Ａ）に示すように、通常の歩行では足部１７Ｌ，１７Ｒの下面中央付近に設けられた接触検知部４０の圧力センサが圧力を検出して、その検出信号を制御部５１に出力する。これにより、制御部５１は安定した歩行状態と判断して通常の歩行動作を継続する。
【００４６】
これに対して、二脚歩行式人型ロボット１０が、図９（Ｂ）に示すように後側に転倒すると、片方の足部１７Ｌまたは１７Ｒの踵部３１Ｌ，３１Ｒに設けられた接触検知部４０の圧力センサ４２が圧力を検出して、その検出信号を制御部５１に出力する。これにより、制御部５１は、踵部３１Ｌ，３１Ｒの圧力センサ４２からの検出信号に基づいて、二脚歩行式人型ロボット１０が後方に転倒していることを判別し、受け身動作を行なうようにモータ制御ユニット５２に対して制御信号を出力する。
【００４７】
従って、二脚歩行式人型ロボット１０は、図９（Ｃ）に示すように、受け身動作により、尻部３２，背中部３３及び両肘部２８Ｌ，２８Ｒを床面についた状態となる。
この場合、尻部３２，背中部３３及び両肘部２８Ｌ，２８Ｒには、それぞれ接触検知部４０が設けられているので、尻部３２，背中部３３及び両肘部２８Ｌ，２８Ｒが床面に衝突したとしても、接触検知部４０の衝撃吸収材４３が衝突による衝撃を吸収する。
また、制御部５１は、図示のように、尻部３２，背中部３３及び両肘部２８Ｌ，２８Ｒに設けられた接触検知部４０からの検出信号が入力されることにより、二脚歩行式人型ロボット１０の転倒姿勢を把握することができる。従って、制御部５１は、この転倒状態から起き上がり動作を行なうようにモータ制御ユニット５２に対して制御信号を出力する。これにより、二脚歩行式人型ロボット１０は起き上がり動作を行なって、二脚で立ち上がった状態に移行することができる。この際、同様にして、各部の外装表面が凸状の曲面形状からなる外装表面を有しているので、起き上がり動作を円滑に行なうことができる。
【００４８】
このようにして、本発明実施形態による二脚歩行式人型ロボット１０によれば、両肘部２８Ｌ，２８Ｒ，手首部２９Ｌ，２９Ｒ，両膝部２１Ｌ，２１Ｒ，足部１７Ｌ，１７Ｒの下面中央部，踵部３１Ｌ，３１Ｒ及び爪先部３０Ｌ，３０Ｒに設けられた接触検知部４０により転倒姿勢を検出することができるので、二脚歩行式人型ロボット１０の転倒時には、その転倒姿勢に対応した受け身動作を行なうことができると共に、転倒姿勢に応じた起き上がり動作によって二脚で立ち上がった状態に円滑に移行することができる。
さらに、本発明実施形態による二脚歩行式人型ロボット１０によれば、転倒状態（転倒姿勢）を把握することができるので、例えば床面上での前転，後転等の運動を行なうことも可能である。
【００４９】
上述した実施形態においては、腕部１３Ｌ，１３Ｒは、受け身動作及び起き上がり動作時にどのように動作するかについて説明されていないが、これらの受け身動作及び起き上がり動作時に適宜に動作するようにしてもよい。
【００５０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、二脚歩行式人型ロボットが転倒する際、あるいは前転等の床面上での運動を行なう場合に、床面等に衝突し得る部分、即ち各腕部の上腕部及び下腕部の間の肘部外側と、上記各腕部の下腕部と手部の間の手首部外側と、上記足部の爪先部下側と、上記足部の踵部下側と、上記足部の大腿部及び下腿部の間の膝部外側と、上記胴体部の尻部，背中部とにそれぞれ接触検知部が備えられているので、これらの部分が床面等に衝突したとしても接触検知部の衝撃吸収材によって衝突による衝撃が吸収される。従って、転倒時等の際に、二脚歩行式人型ロボットの各部における内部構造に対する衝撃が緩和されることで各部が破損するようなことはない。
【００５１】
そして、二脚歩行式人型ロボットの転倒時に、上記各部のうち床面等に接触している部分の接触検知部の圧力センサが圧力を検知し、制御部により二脚歩行式人型ロボットの転倒状態が把握される。従って、制御部が、現在の転倒状態に基づいて駆動手段を駆動制御して、腕部及び脚部を適宜に動作させることにより、転倒するときに受け身動作を行なったり、起き上がり動作によって二脚で立ち上がった状態に移行することができる。
このようにして、本発明によれば、転倒時等に各部に作用する衝撃を緩和させると共に、転倒状態を検出するようにした、極めて優れた二脚歩行式人型ロボットが提供される。
【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接触検知部の構成を示す拡大分解斜視図である。
【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前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６】図１の二脚歩行式人型ロボットの脚部における各関節駆動用モータの配置を示し、（Ａ）は直立時の、（Ｂ）は揺動時の概略図である。
【図７】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８】図１の二脚歩行式人型ロボットの前方への転倒の際の受け身動作を示すもので、（Ａ）は転倒前，（Ｂ）は転倒時、（Ｃ）は倒伏時の受け身動作を示す概略図である。
【図９】図１の二脚歩行式人型ロボットの後方への転倒の際の（Ａ）転倒前，（Ｂ）転倒時及び（Ｃ）受け身動作を示す概略図である。
【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
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 肘部
２９Ｌ，２９Ｒ 手首部
３０Ｌ，３０Ｒ 爪先部
３１Ｌ，３１Ｒ 踵部
３２ 尻部
３３ 背中部
４０ 接触検知部
４１ 外装部
４２ 圧力センサ
４３ 衝撃吸収材
５０ 歩行制御装置
５１ 制御部
５２ モータ制御ユニット
【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、前もって設定された歩行パターン（以下、歩容という）データを生成して、この歩容データに従って歩行制御を行なって、所定の歩行パターンで脚部を動作させることにより二脚歩行を実現するようにしている。
ところで、このような二脚歩行式人型ロボットは、例えば床面状況，ロボット自体の物理パラメータの誤差等によって歩行の際の姿勢が不安定になりやすく、場合によっては転倒してしまうことがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の二脚歩行式人型ロボットは、できるだけ転倒しないように設計はしてあるが、転倒時に受け身動作を行なったり転倒した状態から起き上がるようには設計されていない。
即ち、従来の二脚歩行式人型ロボットは、転倒時に、各部に作用する衝撃を緩和させたり、転倒した状態を検出するようには設計されていない。
また、従来の二脚歩行式人型ロボットは、胴体部や脚部，腕部の外装表面が比較的平坦な面により構成されていることから、このため、転倒時の起き上がり動作を行なわせようとしても、動的且つ円滑な動作遷移を実現することは困難であった。
【０００４】
さらに、二脚歩行式人型ロボットに前転等の床面上での運動を行なわせる場合にも、同様の問題があった。
【０００５】
本発明は、以上の点にかんがみて、転倒時等に各部に作用する衝撃を緩和させると共に、転倒状態を検出するようにした二脚歩行式人型ロボットを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、本発明によれば、胴体部と、胴体部の下部両側に取り付けられた脚部と、胴体部の上部両側に取り付けられた腕部と、胴体部の上端に取り付けられた頭部とを備えており、上記脚部が、胴体部に対して三軸方向に揺動可能に取り付けられた二つの大腿部と、各大腿部の下端に対してそれぞれ一軸方向に揺動可能に取り付けられた下腿部と、各下腿部の下端に対して二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部とを含んでいて、上記腕部が、胴体部に対して二軸方向に揺動可能に取り付けられた二つの上腕部と、各上腕部に対してそれぞれ一軸方向に揺動可能に取り付けられた下腕部と、各下腕部に対して二軸方向に揺動可能に取り付けられた手部とを含んでおり、また上記胴体部が途中の前屈部にて前屈可能に構成されていて、さらに、上記脚部の足部，下腿部，大腿部そして上記腕部の手，下腕部及び上腕部そして前屈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制御部とを有している二脚歩行式人型ロボットにおいて、上記各腕部の上腕部及び下腕部の間の肘部外側と、上記各腕部の下腕部と手部の間の手首部外側と、上記足部の爪先部下側と、上記足部の踵部下側と、上記足部の大腿部及び下腿部の間の膝部外側と、上記胴体部の尻部，背中部と、にそれぞれ接触検知部を備え、各接触検知部が、それぞれ外装表面を構成する外装部と、この外装部に作用する圧力を検知する圧力センサと、この外装部に作用する衝撃を緩和する衝撃吸収材と、から構成されており、上記制御部が、上記各接触検知部の圧力センサからの検出信号に基づいて転倒した状態を判別することを特徴とする二脚歩行式人型ロボットにより達成される。
【０００７】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記各接触検知部における圧力センサ及び衝撃吸収材が一体に構成されている。
【０００８】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記各接触検知部における外装部，圧力センサ及び衝撃吸収材が一体に構成されている。
【０００９】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記各接触検知部における外装部が最も外側に配置されている。
【００１０】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記各接触検知部における圧力センサが最も外側に配置されている。
【００１１】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記各接触検知部における衝撃吸収材が最も外側に配置されている。
【００１２】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記胴体部，腕部の上腕部，下腕部，脚部の大腿部，下腿部が、凸状の曲面形状から成る外装表面を有している。
【００１３】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記足部が、下腿部に対して前後方向に関して−２０乃至＋２０度以上の角度範囲で揺動可能であり、上記下腿部が、大腿部に対して前後方向に関して０乃至＋６０度以上の角度範囲で揺動可能であって、また、上記大腿部が、胴体部に対して前後方向に関して０乃至＋４５度以上の角度範囲で揺動可能であり、さらに、上記胴体部が、前後方向に関して０乃至＋３０度以上の角度範囲で前屈可能である。
【００１４】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記脚部の足部，下腿部，大腿部をそれぞれ揺動させるための駆動手段が、互いに足部，下腿部及び大腿部の揺動を妨げないように、相互に斜めに配置されている。前記制御部は、転倒した状態に対する動作パターンに基づいて転倒後の起き上がり動作を行うように、前記各駆動手段をそれぞれ駆動制御する。
【００１５】
上記構成によれば、二脚歩行式人型ロボットが転倒する際、あるいは前転等の床面上での運動を行なう場合に、床面等に衝突し得る部分、即ち各腕部の上腕部及び下腕部の間の肘部外側と、上記各腕部の下腕部と手部の間の手首部外側と、上記足部の爪先部下側と、上記足部の踵部下側と、上記足部の大腿部及び下腿部の間の膝部外側と、上記胴体部の尻部，背中部と、にそれぞれ接触検知部が備えられているので、これらの部分が床面等に衝突したとしても、接触検知部の衝撃吸収材によって衝突による衝撃が吸収されることになる。
従って、転倒時等における二脚歩行式人型ロボットの各部における内部構造に対する衝撃が緩和され、転倒時等に各部が破損するようなことはない。
【００１６】
そして、二脚歩行式人型ロボットの転倒時に、上記各部のうち床面等に接触している部分の接触検知部の圧力センサが圧力を検知することによって制御部により二脚歩行式人型ロボットの転倒状態が把握される。従って、制御部が、現在の転倒状態に基づいて、駆動手段を駆動制御して、腕部及び脚部を適宜に動作させることにより、転倒するときに受け身動作を行なったり、起き上がり動作によって、二脚で立ち上がった状態に移行することができる。
【００１７】
上記各接触検知部における圧力センサ及び衝撃吸収材が一体に構成されている場合、または上記各接触検知部における外装部，圧力センサ及び衝撃吸収材が一体に構成されている場合は、各接触検知部が簡単な構成で容易に組み立てられ得る。
【００１８】
上記各接触検知部における外装部が最も外側に配置されている場合には、二脚歩行式人型ロボットの転倒の際に各接触検知部が床面等に衝突したとしても、外装部が直接に床面等により接触し、内側の圧力センサ，衝撃吸収材さらに内部構造を衝撃から保護することができる。
【００１９】
上記各接触検知部における圧力センサが最も外側に配置されている場合には、二脚歩行式人型ロボットの転倒の際に、各接触検知部の圧力センサが床面等に直接に接触し、圧力センサが床面等への接触を確実に検出することができる。
【００２０】
上記各接触検知部における衝撃吸収材が最も外側に配置されている場合には、二脚歩行式人型ロボットの転倒の際に各接触検知部が床面等に衝突したとしても、衝撃吸収材が直接に床面等により接触して衝撃が確実に吸収され、内側の外装部，圧力センサ及び内部構造を衝撃から保護することができる。
【００２１】
上記胴体部，腕部の上腕部，下腕部，脚部の大腿部，下腿部が凸状の曲面形状から成る外装表面を有している場合には、二脚歩行式人型ロボットの転倒状態からの起き上がり動作の際に、これらの曲面形状の外装表面が床面等に接触し、起き上がり動作を円滑に行なうことができる。
【００２２】
上記足部が、下腿部に対して前後方向に関して−２０乃至＋２０度以上の角度範囲で揺動可能であり、上記下腿部が、大腿部に対して前後方向に関して０乃至＋６０度以上の角度範囲で揺動可能であって、また、上記大腿部が、胴体部に対して前後方向に関して０乃至＋４５度以上の角度範囲で揺動可能であり、さらに、上記胴体部が、前後方向に関して０乃至＋３０度以上の角度範囲で前屈可能である場合には、二脚歩行式人型ロボットの転倒状態からの起き上がり動作の際に、上述した動作範囲により確実に起き上がり動作を行なうことができる。
【００２３】
上記脚部の足部，下腿部，大腿部をそれぞれ揺動させるための駆動手段が、互いに足部，下腿部及び大腿部の揺動を妨げないように相互に斜めに配置されている場合には、二脚歩行式人型ロボットの転倒状態からの起き上がり動作の際に、脚部の足部，下腿部及び大腿部が互いに干渉することなく揺動可能であるので、確実に起き上がり動作を行なうことができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施形態に基づいて、この発明を詳細に説明する。
図１乃至図２は、本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。
【００２５】
上記胴体部１１は、上部１１ａと下部１１ｂとに分割されており、上部１１ａが前屈部１１ｃにて下部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支持されている。さらに、上記胴体部１１には後述する制御部が内蔵されている。なお、上記前屈部１１ｃは関節駆動用モータ（図２参照）により構成されている。
【００２６】
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に対する腰の脚部回旋用の関節部１８Ｌ，１８Ｒ、腰のロール方向（ｘ軸周り）の関節部１９Ｌ，１９Ｒ、腰のピッチ方向（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。
なお、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。
【００２７】
このようにして、腰関節は、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、歩行中にこれらの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、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。
【００２８】
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、それぞれ関節部により一軸方向または二軸方向に揺動可能に支持されており、各関節部はそれぞれ関節駆動用モータにより構成されている。
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、それぞれ適宜の自由度を与えられて各種動作を行なう。
【００２９】
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。
【００３０】
以上の構成は、従来の二脚歩行式人型ロボットとほぼ同様の構成であるが、本発明実施形態による二脚歩行式人型ロボット１０においては、以下の点で異なる構成になっている。
即ち、二脚歩行式人型ロボット１０は、図１に示すように、上述した胴体部１１の上部１１ａ，下部１１ｂ、脚部１２Ｌ，１２Ｒの大腿部１５Ｌ，１５Ｒ，下腿部１６Ｌ，１６Ｒそして腕部１３Ｌ，１３Ｒの上腕部２５Ｌ，２５Ｒ，下腕部２６Ｌ，２６Ｒが、それぞれ例えば発泡スチロール等の耐衝撃性材料により形成された凸状の曲面形状から成る外装表面を備えている。
【００３１】
さらに、二脚歩行式人型ロボット１０は、転倒時に床面等に衝突し得る部分、即ち上記各腕部１３Ｌ，１３Ｒの上腕部２５Ｌ，２５Ｒ及び下腕部２６Ｌ，２６Ｒの間の肘部２８Ｌ，２８Ｒの外側と、上記各腕部１３Ｌ，１３Ｒの下腕部２６Ｌ，２６Ｒと手部２７Ｌ，２７Ｒの間の手首部２９Ｌ，２９Ｒの外側と、上記足部１７Ｌ，１７Ｒの下面中央，爪先部３０Ｌ，３０Ｒの下側，踵部３１Ｌ，３１Ｒの下側及び膝部２１Ｌ，２１Ｒの外側と、上記胴体部１１の下部１１ｂの後側である尻部３２及び上部１１ａの後側である背中部３３と、にそれぞれ接触検知部４０を備えている。
【００３２】
この接触検知部４０は、図３に示すように、外装表面を構成する外装部４１と、外装部４１の内側に配置された圧力センサ４２と、さらにその内側に配置された衝撃吸収材４３と、から構成されている。
【００３３】
上記外装部４１は、例えば発泡スチロール等の耐衝撃性材料等から構成されており、上述した各部と同様に凸状の曲面形状から構成されている。
上記圧力センサ４２は、当該接触検知部４０が二脚歩行式人型ロボット１０の転倒時等にて床面等に接触しているとき、接触圧力を検出して、その検出信号を後述する制御部に出力するようになっている。
上記衝撃吸収材４３は、例えばソルボセイン等から構成されており、当該接触検知部４０が二脚歩行式人型ロボット１０の転倒時等により床面等に衝突したとき、その衝撃を吸収するようになっている。
なお、上記接触検知部４０は、外側から順に外装部４１，圧力センサ４２及び衝撃吸収材４３を備えているが、これに限らず、任意の順に配置されていてもよい。この場合、外装部４１が最も外側に配置されると、二脚歩行式人型ロボット１０の転倒の際に、各接触検知部４０が床面等に衝突したとしても、外装部４１が直接に床面等により接触し、内側の圧力センサ４２，衝撃吸収材４３さらに内部構造を衝撃から保護することができる。
また、圧力センサ４２が最も外側に配置されると、二脚歩行式人型ロボット１０の転倒の際に、圧力センサ４２が床面等に直接に接触し、床面等への接触を確実に検出することができる。
さらに、衝撃吸収材４３が最も外側に配置されると、二脚歩行式人型ロボット１０の転倒の際に、各接触検知部４０が床面等に衝突したとしても、衝撃吸収材４３が直接に床面等により接触し、衝撃が確実に吸収され得る。
【００３４】
また、上記接触検知部４０は、外装部４１，圧力センサ４２及び衝撃吸収材４３が別体に構成されているが、これに限らず、圧力センサ４２及び衝撃吸収材４３、あるいは外装部４１，圧力センサ４２及び衝撃吸収材４３が互いに一体に構成されていてもよい。
【００３５】
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と、脚部１２Ｌ，１２Ｒの前後方向の関節部、即ち腰関節の関節部２０Ｌ，２０Ｒ，膝部の関節部２２Ｌ，２２Ｒ，足首部の関節部２３Ｌ，２３Ｒは、図４及び図５に示す角度範囲で揺動可能に支持されている。
【００３６】
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０乃至＋６０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０乃至＋４５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、０乃至＋３０度以上の角度範囲で揺動可能である。
【００３７】
上述した前屈部１１ｃ及び各関節部２０Ｌ，２０Ｒ，２２Ｌ，２２Ｒ，２３Ｌ，２３Ｒの揺動角度範囲を実現するために、前屈部１１ｃ及び各関節部２０Ｌ，２０Ｒ，２２Ｌ，２２Ｒ，２３Ｌ，２３Ｒの関節駆動用モータは、図６に示すように配置されている。即ち、図６において、前屈部１１ｃ及び各関節部２０Ｌ，２０Ｒ，２２Ｌ，２２Ｒ，２３Ｌ，２３Ｒの関節駆動用モータＭ２，Ｍ３，Ｍ４は、それぞれモータの駆動軸が減速器Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を介して、その出力軸Ｇ２ａ，Ｇ３ａ，Ｇ４ａにより前屈部１１ｃ及び各関節部２０Ｌ，２０Ｒ，２２Ｌ，２２Ｒ，２３Ｌ，２３Ｒを駆動して、それぞれ胴体部１１の上部１１ａ，大腿部１５Ｌ，１５Ｒ，下腿部１６Ｌ，１６Ｒそして足部１７Ｌ，１７Ｒを揺動させるようになっている。
【００３８】
そして、減速器Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を含む各モータＭ２，Ｍ３，Ｍ４は、互いに前屈部１１ｃ，各関節部２０Ｌ，２０Ｒ，２２Ｌ，２２Ｒ，の揺動を妨げないように、図６（Ａ）に示すように互いに傾斜して配置されている。これにより、前屈部１１ｃ，各関節部２０Ｌ，２０Ｒ，２２Ｌ，２２Ｒが揺動したとき、図６（Ｂ）に示すように、各モータＭ２，Ｍ３，Ｍ４は、前屈部１１ｃ，各関節部２０Ｌ，２０Ｒ，２２Ｌ，２２Ｒの揺動と干渉しない。
このような構成により、脚部１２Ｌ，１２Ｒの長さを必要以上に長くすることなく、前屈部１１ｃ及び各関節部２０Ｌ，２０Ｒ，２２Ｌ，２２Ｒの揺動の角度範囲を確保することができる。
なお、図６において、モータＭ１は、関節部２４Ｌ，２４Ｒの関節駆動用モータであり、またモータＭ５は、関節部１９Ｌ，１９Ｒ用の関節駆動用モータである。
【００３９】
図７は、図１乃至図６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７において、二脚歩行式人型ロボット１０は、駆動手段、即ち上述した前屈部１１ｃそして各関節部、即ち関節駆動用モータ１８Ｌ，１８Ｒ乃至２４Ｌ，２４Ｒを駆動制御する歩行制御装置５０を備えている。
【００４０】
上記歩行制御部５０は、制御部５１とモータ制御ユニット５２とから構成されている。上記制御部５１は、前以て決められた動作パターンに基づいて各関節駆動用モータの制御信号を生成するようになっている。上記モータ制御ユニット５２は、制御部５１からの制御信号に従っ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。
さらに、上記制御部５１は、二脚歩行式人型ロボット１０の転倒時には、その転倒状態、即ち各接触検知部４０の圧力センサ４２からの検出信号に基づいて転倒状態（転倒姿勢）を判別して、この転倒姿勢に対する動作パターンに基づいて転倒時の受け身動作，転倒後の起き上がり動作を行なうように、前以て決められた動作パターンに基づいて各関節駆動用モータの制御信号を生成するようになっている。
【００４１】
本発明実施形態による二脚歩行式人型ロボット１０は以上のように構成されており、通常の歩行動作は、歩行制御装置５０の制御部５１が前以て決められた歩行動作パターンに基づいて制御信号を生成してモータ制御ユニット５２に出力する。これにより、モータ制御ユニット５２が前屈部１１ｃ及び各関節部１８Ｌ，１８Ｒ乃至２４Ｌ，２４Ｒの関節駆動用モータを駆動制御する。このようにして二脚歩行式人型ロボット１０は歩行動作を行なうことになる。
【００４２】
ここで、二脚歩行式人型ロボット１０が、例えば歩行姿勢が不安定になって、前側に転倒する場合、図８（Ａ）に示すように、通常の歩行では、足部１７Ｌ，１７Ｒの下面中央付近に設けられた接触検知部４０の圧力センサが圧力を検出して、その検出信号を制御部５１に出力する。これにより、制御部５１は、安定した歩行状態と判断して通常の歩行動作を継続する。
【００４３】
これに対して、二脚歩行式人型ロボット１０が、図８（Ｂ）に示すように前側に転倒すると、片方の腕部１３Ｌまたは１３Ｒの手首部２９Ｌ，２９Ｒに設けられた接触検知部４０の圧力センサが圧力を検出して、その検出信号を制御部５１に出力する。これにより制御部５１は、手首部２９Ｌ，２９Ｒの圧力センサ４２からの検出信号に基づいて二脚歩行式人型ロボット１０が前方に転倒していることを判別し、受け身動作を行なうようにモータ制御ユニット５２に対して制御信号を出力する。
【００４４】
従って、二脚歩行式人型ロボット１０は、図８（Ｃ）に示すように、受け身動作により、両肘部２８Ｌ，２８Ｒ，両膝部２１Ｌ，２１Ｒを床面についた状態となる。この場合、両肘部２８Ｌ，２８Ｒ，両膝部２１Ｌ，２１Ｒには、それぞれ接触検知部４０が設けられているので、両肘部２８Ｌ，２８Ｒ，両膝部２１Ｌ，２１Ｒが床面に衝突したとしても、接触検知部４０の衝撃吸収材４３が衝突による衝撃を吸収する。
また、制御部５１は、図示のように、両肘部２８Ｌ，２８Ｒ，両膝部２１Ｌ，２１Ｒそして一方の足部１７Ｌまたは１７Ｒの爪先部３０Ｌ，３０Ｒに設けられた接触検知部４０からの検出信号が入力されることにより、二脚歩行式人型ロボット１０の転倒姿勢を把握することができる。従って、制御部５１は、この転倒状態から起き上がり動作を行なうように、モータ制御ユニット５２に対して制御信号を出力する。
これにより、二脚歩行式人型ロボット１０は、起き上がり動作を行なって、二脚で立ち上がった状態に移行することができる。この際、各部の外装表面が凸状の曲面形状からなる外装表面を有しているので、起き上がり動作を円滑に行なうことができる。
【００４５】
また、二脚歩行式人型ロボット１０が、例えば歩行姿勢が不安定になって後側に転倒する場合、図９（Ａ）に示すように、通常の歩行では足部１７Ｌ，１７Ｒの下面中央付近に設けられた接触検知部４０の圧力センサが圧力を検出して、その検出信号を制御部５１に出力する。これにより、制御部５１は安定した歩行状態と判断して通常の歩行動作を継続する。
【００４６】
これに対して、二脚歩行式人型ロボット１０が、図９（Ｂ）に示すように後側に転倒すると、片方の足部１７Ｌまたは１７Ｒの踵部３１Ｌ，３１Ｒに設けられた接触検知部４０の圧力センサ４２が圧力を検出して、その検出信号を制御部５１に出力する。これにより、制御部５１は、踵部３１Ｌ，３１Ｒの圧力センサ４２からの検出信号に基づいて、二脚歩行式人型ロボット１０が後方に転倒していることを判別し、受け身動作を行なうようにモータ制御ユニット５２に対して制御信号を出力する。
【００４７】
従って、二脚歩行式人型ロボット１０は、図９（Ｃ）に示すように、受け身動作により、尻部３２，背中部３３及び両肘部２８Ｌ，２８Ｒを床面についた状態となる。
この場合、尻部３２，背中部３３及び両肘部２８Ｌ，２８Ｒには、それぞれ接触検知部４０が設けられているので、尻部３２，背中部３３及び両肘部２８Ｌ，２８Ｒが床面に衝突したとしても、接触検知部４０の衝撃吸収材４３が衝突による衝撃を吸収する。
また、制御部５１は、図示のように、尻部３２，背中部３３及び両肘部２８Ｌ，２８Ｒに設けられた接触検知部４０からの検出信号が入力されることにより、二脚歩行式人型ロボット１０の転倒姿勢を把握することができる。従って、制御部５１は、この転倒状態から起き上がり動作を行なうようにモータ制御ユニット５２に対して制御信号を出力する。これにより、二脚歩行式人型ロボット１０は起き上がり動作を行なって、二脚で立ち上がった状態に移行することができる。この際、同様にして、各部の外装表面が凸状の曲面形状からなる外装表面を有しているので、起き上がり動作を円滑に行なうことができる。
【００４８】
このようにして、本発明実施形態による二脚歩行式人型ロボット１０によれば、両肘部２８Ｌ，２８Ｒ，手首部２９Ｌ，２９Ｒ，両膝部２１Ｌ，２１Ｒ，足部１７Ｌ，１７Ｒの下面中央部，踵部３１Ｌ，３１Ｒ及び爪先部３０Ｌ，３０Ｒに設けられた接触検知部４０により転倒姿勢を検出することができるので、二脚歩行式人型ロボット１０の転倒時には、その転倒姿勢に対応した受け身動作を行なうことができると共に、転倒姿勢に応じた起き上がり動作によって二脚で立ち上がった状態に円滑に移行することができる。
さらに、本発明実施形態による二脚歩行式人型ロボット１０によれば、転倒状態（転倒姿勢）を把握することができるので、例えば床面上での前転，後転等の運動を行なうことも可能である。
【００４９】
上述した実施形態においては、腕部１３Ｌ，１３Ｒは、受け身動作及び起き上がり動作時にどのように動作するかについて説明されていないが、これらの受け身動作及び起き上がり動作時に適宜に動作するようにしてもよい。
【００５０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、二脚歩行式人型ロボットが転倒する際、あるいは前転等の床面上での運動を行なう場合に、床面等に衝突し得る部分、即ち各腕部の上腕部及び下腕部の間の肘部外側と、上記各腕部の下腕部と手部の間の手首部外側と、上記足部の爪先部下側と、上記足部の踵部下側と、上記足部の大腿部及び下腿部の間の膝部外側と、上記胴体部の尻部，背中部とにそれぞれ接触検知部が備えられているので、これらの部分が床面等に衝突したとしても接触検知部の衝撃吸収材によって衝突による衝撃が吸収される。従って、転倒時等の際に、二脚歩行式人型ロボットの各部における内部構造に対する衝撃が緩和されることで各部が破損するようなことはない。
【００５１】
そして、二脚歩行式人型ロボットの転倒時に、上記各部のうち床面等に接触している部分の接触検知部の圧力センサが圧力を検知し、制御部により二脚歩行式人型ロボットの転倒状態が把握される。従って、制御部が、現在の転倒状態に基づいて駆動手段を駆動制御して、腕部及び脚部を適宜に動作させることにより、転倒するときに受け身動作を行なったり、起き上がり動作によって二脚で立ち上がった状態に移行することができる。
このようにして、本発明によれば、転倒時等に各部に作用する衝撃を緩和させると共に、転倒状態を検出するようにした、極めて優れた二脚歩行式人型ロボットが提供される。
【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接触検知部の構成を示す拡大分解斜視図である。
【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前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６】図１の二脚歩行式人型ロボットの脚部における各関節駆動用モータの配置を示し、（Ａ）は直立時の、（Ｂ）は揺動時の概略図である。
【図７】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８】図１の二脚歩行式人型ロボットの前方への転倒の際の受け身動作を示すもので、（Ａ）は転倒前，（Ｂ）は転倒時、（Ｃ）は倒伏時の受け身動作を示す概略図である。
【図９】図１の二脚歩行式人型ロボットの後方への転倒の際の（Ａ）転倒前，（Ｂ）転倒時及び（Ｃ）受け身動作を示す概略図である。
【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
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 肘部
２９Ｌ，２９Ｒ 手首部
３０Ｌ，３０Ｒ 爪先部
３１Ｌ，３１Ｒ 踵部
３２ 尻部
３３ 背中部
４０ 接触検知部
４１ 外装部
４２ 圧力センサ
４３ 衝撃吸収材
５０ 歩行制御装置
５１ 制御部
５２ モータ制御ユニット
Claims (10)
- 胴体部と、胴体部の下部両側に取り付けられた脚部と、胴体部の上部両側に取り付けられた腕部と、胴体部の上端に取り付けられた頭部と、を備えており、
上記脚部が、胴体部に対して三軸方向に揺動可能に取り付けられた二つの大腿部と、各大腿部の下端に対してそれぞれ一軸方向に揺動可能に取り付けられた下腿部と、各下腿部の下端に対して二軸方向に揺動可能に取り付けられた足部と、を含んでいて、
上記腕部が、上記胴体部に対して二軸方向に揺動可能に取り付けられた二つの上腕部と、各上腕部に対してそれぞれ一軸方向に揺動可能に取り付けられた下腕部と、各下腕部に対して二軸方向に揺動可能に取り付けられた手部と、を含んでおり、
また上記胴体部が、途中の前屈部にて前屈可能に構成されていて、
さらに、上記脚部の足部，下腿部，大腿部そして上記腕部の手，下腕部及び上腕部そして前屈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制御部と、を有している二脚歩行式人型ロボットにおいて、
上記腕部の上腕部及び下腕部の間の肘部外側と、上記腕部の下腕部と手部の間の手首部外側と、上記足部の爪先部下側と、上記足部の踵部下側と、上記足部の大腿部及び下腿部の間の膝部外側と、上記胴体部の尻部，背中部と、にそれぞれ接触検知部を備え、
各接触検知部が、それぞれ外装表面を構成する外装部と、この外装部に作用する圧力を検知する圧力センサと、この外装部に作用する衝撃を緩和する衝撃吸収材と、から構成されており、
上記制御部が、上記各接触検知部の圧力センサからの検出信号に基づいて転倒した状態を判別することを特徴とする、二脚歩行式人型ロボット。 - 前記各接触検知部における圧力センサ及び衝撃吸収材が一体に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の二脚歩行式人型ロボット。
- 前記各接触検知部における外装部，圧力センサ及び衝撃吸収材が一体に構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の二脚歩行式人型ロボット。
- 前記各接触検知部における外装部が最も外側に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の二脚歩行式人型ロボット。
- 前記各接触検知部における圧力センサが最も外側に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の二脚歩行式人型ロボット。
- 前記各接触検知部における衝撃吸収材が最も外側に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の二脚歩行式人型ロボット。
- 前記胴体部，腕部の上腕部，下腕部，脚部の大腿部，下腿部が、凸状の曲面形状から成る外装表面を有していることを特徴とする、請求項１に記載の二脚歩行式人型ロボット。
- 前記足部が、下腿部に対して前後方向に関して−２０乃至＋２０度の角度範囲で揺動可能であり、
前記下腿部が、大腿部に対して前後方向に関して０乃至＋６０度の角度範囲で揺動可能であって、
また、前記大腿部が、胴体部に対して前後方向に関して０乃至＋４５度の角度範囲で揺動可能であり、
さらに、前記胴体部が、前後方向に関して０乃至＋３０度の角度範囲で前屈可能であることを特徴とする、請求項１に記載の二脚歩行式人型ロボット。 - 前記脚部の足部，下腿部，大腿部をそれぞれ揺動させるための駆動手段が、互いに足部，下腿部及び大腿部の揺動を妨げないように、相互に斜めに配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の二脚歩行式人型ロボット。
- 前記制御部が、転倒した状態に対する動作パターンに基づいて転倒後の起き上がり動作を行うように、前記各駆動手段をそれぞれ駆動制御することを特徴とする、請求項１〜９の何れかに記載の二脚歩行式人型ロボット。
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