JP4556092B2 - ロボット装置及びロボット装置の制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はロボット装置及びロボット装置の制御方法に関し、例えばペットロボットに適用して好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、本願特許出願人より4足歩行型のペットロボットが開発及び販売されている。かかるペットロボットは、一般家庭において飼育される犬や猫に似た形状を有し、「叩く」や「撫でる」といったユーザからの働きかけや、周囲の環境等に応じて自律的に行動し得るようになされたものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、かかるペットロボットにおいては、例えば図9(A)のように両後脚部50を前方向(矢印a)に伸ばした前傾姿勢から胴体部51を起こす動きを、後脚部50の股関節52における対応するアクチュエータのみを駆動して、胴体部51の尻相当部を接地させた状態で当該胴体部51を後方向(矢印aと逆方向)に回転させることにより行っていた。
【0004】
この場合、このような方法により胴体部51を起こすためには、当該股関節52から膝関節53までの長さをL1、膝関節53から後脚部50における接地部位までの長さをL2、胴体部51を起こす際に後脚部50の接地部位が地面54に作用する力をF、股関節52及び膝関節53のモーメントをそれぞれM1及びM1´、胴体部51を起こすために必要なトルクをmとすると、次式
【0005】
【数1】
【0006】
が成り立つことから、当該アクチュエータの最大出力トルクをTとして、この最大出力トルクが次式
【0007】
【数2】
【0008】
を満たせば良いことが分かる。
【0009】
ところが、かかる従来の方法によると、当該アクチュエータに与えられる負荷が過大であり、地面状況(傾斜、凹凸等)やアクチュエータの性能等によっては胴体部51を円滑かつ確実に起こすことができなくなるおそれがあった。
【0010】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、円滑かつ確実な動作発現を可能とするロボット装置及びロボット装置の制御方法を提案しようとするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため本発明においては、胴体部ユニットに第1の関節機構を介して接続される第1のリンクと、第1のリンクに第2の関節機構を介して接続される第2のリンクとを有し、胴体部ユニットの尻相当部を地面に接触させた状態のまま、胴体部ユニットを起こす動作を制御するロボット装置において、第1の関節機構に設けられ、当該第1の関節機構内の所定の第1の軸を中心として第1のリンクを回転駆動する第1の駆動手段と、第2の関節機構に設けられ、当該第2の関節機構内の所定の第2の軸を中心として第2のリンクを回転駆動する第2の駆動手段と、第1の駆動手段及び上記第2の駆動手段を制御する制御手段とを具え、制御手段は、胴体部ユニットの尻相当部の局面部を地面に接地させながら、後側の両脚部ユニットを前方向に伸ばし、かつ前脚部ユニットの第2のリンクの先端部を地面に接地した状態から尻相当部の局面部を地面に接地させながら胴体部ユニットを起こす動作に制御する過程において、第1の駆動手段及び第2の駆動手段を制御することにより、第1のリンクを、第2のリンクが地面に対して垂直よりも小さい所定の傾きをもって接触できる所定の回転位置に位置する姿勢にさせた後、第1の駆動手段及び第2の駆動手段を制御して、胴体部に対して第1のリンクを胴体部ユニットに対してピッチ方向に回転しないように第1の駆動手段によって回転トルクを発生させ、かつ地面に対して反発するように第2のリンクを地面に摺動させながら第2の駆動手段によって回転駆動させることにより、第2のリンクと地面となす角を垂直に近づかせ、第1のリンクを胴体部ユニットに固定させながら第1の駆動手段が発生する回転トルクによって胴体部ユニットを起こすように後方向に回転させるようにした。
【0012】
この結果、胴体部ユニットの尻相当部の局面部を地面に接地させながら、後側の両脚部ユニットを前方向に伸ばし、かつ前脚部ユニットの第2のリンクの先端部を地面に接地した状態から尻相当部の局面部を地面に接地させながら胴体部ユニットを起こす動作に制御する過程において、第1のリンクを、第2のリンクが地面に対して垂直よりも小さい傾きをもって接触できる所定の回転位置に位置する姿勢にさせることができるので、第1の駆動手段で発生する回転トルクによって胴体部ユニットが自重により正面に倒れることなく、胴体部ユニットを第2の駆動手段で発生する小さい回転トルクによって起こすことができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。
【0016】
(1)本実施の形態によるペットロボットの構成
図1において、1は全体として本実施の形態によるペットロボットを示し、胴体部ユニット2の前後左右にそれぞれ脚部ユニット3A〜3Dが連結されると共に、胴体部ユニット2の前端部に首輪部4を介在させて頭部ユニット5が連結されることにより構成されている。
【0017】
この場合胴体部ユニット2には、図2に示すように、このペットロボット1全体の動作を制御するコントローラ10と、このペットロボット1の動力源となるバッテリ11と、バッテリセンサ12及び温度センサ13等の各種内部センサと、このペットロボット1の実質上の「口」として機能するスピーカ14と、各種制御パラメータが格納された着脱自在の外部メモリ15となどが収納されている。また胴体部ユニット2の上面後端近傍には、その先端部にLED(Light Emitting Diode)16が収納されたジョイステックでなる外見上の尻尾部17が突出させて設けられている。
【0018】
また頭部ユニット5には、このペットロボットの実質上の「目」に相当するCCD(Charge Coupled Device)カメラ18及び実質上の「耳」に相当するマイクロホン19などが収納されており、その頭頂部にはLED20を内蔵する所定形状の角部21(図1)が突出させて設けられている。
【0019】
さらに各脚部ユニット3A〜3Dの太腿部22及び脛部23をそれぞれ連結する各膝関節24や、各脚部ユニット3A〜3D及び胴体ユニット2をそれぞれ連結する各股関節25、並びに頭部ユニット5及び胴体部ユニット2を連結する首関節26などには、それぞれ対応する自由度数分のアクチュエータ271〜27n及びポテンショメータ281〜28nが配設されている。
【0020】
そして頭部ユニット5のCCDカメラ18は、周囲の状況を撮像し、得られた画像信号S1をコントローラ10に送出する。またマイクロホン19は、ユーザが発した「歩け」、「お座り」又は「ボールを追いかけろ」等の音声指令や周囲音を集音し、かくして得られた音声信号S2をコントローラ10に送出する。
【0021】
また胴体部ユニット2のバッテリセンサ12は、バッテリ11の残量を検出して、検出結果をバッテリ残量検出信号S3としてコントローラ10に送出し、温度センサ13は、胴体部ユニット2の内部温度を検出して、検出結果を温度検出信号S4としてコントローラ10に送出する。
【0022】
さらに各ポテンショメータ281〜28nは、対応するアクチュエータ271〜27nの出力軸の回転角度を検出して、検出結果を角度検出信号S51〜S5nとしてコントローラ10に送出し、胴体部ユニット2の尻尾部17は、ユーザが操作したときにこれに応じた操作検出信号S6をコントローラ10に送出する。
【0023】
コントローラ10は、CCDカメラ18、マイクロホン19、バッテリセンサ12、温度センサ13、各ポテンショメータ281〜28n及び尻尾部17等から与えられる画像信号S1、音声信号S2、バッテリ残量検出信号S3、温度検出信号S4、各角度検出信号S51〜S5n及び操作検出信号S6などに基づいて、外部及び内部の状況や、ユーザからの指令及びユーザからの働きかけの有無などを判断する。
【0024】
そしてコントローラ10は、この判断結果と予め内部メモリ10Aに格納された制御プログラム及び外部メモリ15に格納されている各種制御パラメータとに基づいて続く行動を決定し、決定結果に基づいて必要なアクチュエータ271〜27nを振動させることにより、頭部ユニット5を上下左右に振らせたり、各脚部ユニット3A〜3Dを駆動して歩行させるなどの行動をペットロボット1に発現させる。
【0025】
またこの際コントローラ10は、必要に応じて所定の音声信号S7をスピーカ14に与えることにより当該音声信号S7に基づく音声を外部に出力させたり、角部21内や尻尾部17内のLED20、16を点灯、消灯又は点滅させる。
【0026】
このようにしてこのペットロボット10においては、外部及び内部の状況や、ユーザからの指令及び働きかけの有無、並びに外部メモリ15に格納された各種制御パラメータ等に応じて自律的に行動し得るようになされている。
【0027】
(2)コントローラ10の処理
ここでこのようなペットロボット1の行動生成に関するコントローラ10の処理について説明する。
【0028】
図3に示すように、ペットロボット1の行動生成に関するコントローラ10の処理内容を機能的に分類すると、外部及び内部の状態を認識する状態認識部30と、状態認識部30の認識結果に基づいて感情及び本能の状態を決定する感情・本能モデル31と、状態認識部30の認識結果及び感情・本能モデル31において決定された感情・本能の状態に基づいて次の行動を決定する行動決定部32と、行動決定部32により決定された行動や動作を行うためのペットロボット1の一連の動作計画を立てる姿勢遷移制御部33と、姿勢遷移制御部33により立てられた動作計画に基づいてLED16、20やアクチュエータ271〜27n等のデバイスを制御するデバイス制御部34とに分けることができる。
【0029】
この場合状態認識部30は、CCDカメラ18、マイクロホン19、バッテリセンサ12、温度センサ13、各ポテンショメータ281〜28n及び尻尾部17等から与えられる画像信号S1、音声信号S2、バッテリ残量検出信号S3、温度検出信号S4、各角度検出信号S51〜S5n及び操作検出信号S6などの各種センサ信号S10に基づいて特定の状態を認識し、認識結果を状態認識情報D1として感情・本能モデル31及び行動決定部32に通知する。
【0030】
具体的に状態認識部30は、CCDカメラ18から与えられる画像信号S1を常時監視し、当該画像信号S1に基づく画像内に例えば「赤い丸いもの」や「進行方向に位置する物体」を検出したときには「ボールがある」、「障害物がある」と認識して、当該認識結果を感情・本能モデル31及び行動決定部32に通知する。
【0031】
また状態認識部30は、マイクロホン19から与えられる音声信号S2を常時監視し、HMM(Hidden Markov Model)法などの音声認識手法により「歩け」、「伏せ」、「ボールを追いかけろ」等の各種音声を認識したときには、これを感情・本能モデル31及び行動決定部32に通知する。
【0032】
さらに状態認識部30は、バッテリセンサ12及び温度センサ14からそれぞれ与えられるバッテリ残量検出信号S3及び温度検出信号S4に基づいてバッテリの残量及び内部温度を認識し、認識結果を感情・本能モデル31及び行動決定部32に通知する。
【0033】
さらに状態認識部は、各ポテンショメータ281〜28nから与えられる角度検出信号S51〜S5nを常時監視し、例えば頭部ユニット5のピッチ方向のアクチュエータ271〜27nに対応するポテンショメータ281〜28nからの角度検出信号S51〜S5nに基づいて頭部ユニット5が下又は上を向くように押されたことを検出したときには「誉められた」又は「叱られた」と認識し、認識結果を感情・本能モデル31及び行動決定部32に通知する。
【0034】
さらに状態認識部30は、尻尾部17から与えられる操作検出信号S6を常時監視し、当該操作検出信号S6に基づいて尻尾部17が操作されたことを検出すると、当該操作に応じたユーザの意思を認識し、認識結果を感情・本能モデル31及び行動決定部32に通知する。
【0035】
感情・本能モデル部31は、「喜び」、「悲しみ」、「驚き」、「恐怖」、「嫌悪」及び「怒り」の合計6つの情動について、これら情動ごとにその情動の強さを表すパラメータを保持している。そして感情・本能モデル部31は、これら各情動のパラメータ値を、それぞれ状態認識部30から状態認識情報D1として与えられる「誉められた」、「叱られた」などの特定の認識結果等に基づいて順次変更する。
【0036】
また感情・本能モデル部31は、これと同様にして、「愛情欲」、「探索欲」、「運動欲」、「充電欲」及び「睡眠欲」の互いに独立した5つの欲求について、これら欲求ごとにその欲求の強さを表すパラメータを保持している。そして感情・本能モデル部31は、これら各欲求のパラメータ値を、それぞれ状態認識部30からの認識結果や経過時間等に基づいて順次変更する。
【0037】
一方、行動決定部32は、状態認識部30から状態認識情報D1が与えられたときや、現在の行動に移ってから一定時間経過したとき、感情・本能モデル部31におけるいずれかの情動又は本能のパラメータ値が閾値を超えたときなどに、内部メモリ10Aに格納されている制御プログラム及び外部メモリ15に格納されている制御パラメータに基づいて次の行動を決定する。
【0038】
具体的に行動決定部32は、次の行動を決定する手法として、図4に示すように、状態をノードNDA0〜NDAnとして表現し、1つのノードNDA0から次にどのノードNDA0〜NDAnに遷移するかを、自ノードNDA0〜NDAnにおいて完結し又は各ノードNDA0〜NDAn間を接続するアークARA0〜ARAnに対してそれぞれ設定された遷移確率P0〜Pnに基づいて確率的に決定する確率オートマトンと呼ばれるアルゴリズムを用いる。
【0039】
この場合この確率オートマトンにおける各ノードNDA0〜NDAn間の接続関係や、各アークARA0〜ARAnに対する遷移確率P1〜Pn及び、各アークARA0〜ARAnにそれぞれ対応付けられた行動が制御パラメータ(行動モデル)として外部メモリ15に格納されている。
【0040】
そして行動決定部32は、例えば状態認識部30から状態認識情報D1が与えられたときや、現在のノード(NDA0)に移ってから一定時間が経過したとき、感情・本能モデル部31におけるいずれかの情動又は本能のパラメータ値が閾値を超えたときなどに、かかる確率オートマトンにおける次の遷移先のノード(NDA0〜NDAn)を各アークARA0〜ARAnに対する遷移確率P0〜Pnに基づいて確率的に決定し、このとき決定したノード(NDA0〜NDAn)と元のノード(NDA0)をと接続するアーク(ARA0〜ARAn)に対応付けられた行動を次に発現すべき行動として、行動決定情報D2として姿勢遷移制御部33に通知する。
【0041】
姿勢遷移制御部33においては、行動決定部32から行動決定情報D2が与えられると、当該行動決定情報D2に基づく行動を行うためのペットロボット1の一連の動作計画を立て、当該動作計画に基づく動作指令情報D3をデバイス制御部34に出力する。
【0042】
この場合姿勢遷移制御部33は、かかる動作計画を立てる手法として、例えば図5に示すようなペットロボット1がとり得る姿勢をそれぞれノードNDB0〜NDB2とし、遷移可能なノードNDB0〜NDB2間を動作を表す有向アークARB0〜ARB5で結び、かつ1つのノードNDB0〜NDB2で完結する動作を自己動作アークARC0〜ARC3として表現する有向グラフを用いる。
【0043】
具体的には、このペットロボット1の場合、各ノードNDB0〜NDB2にはそれぞれ「立つ」、「座る」、「伏せる」等の姿勢が対応付けられ、これらノードNDB0〜NDB2間をそれぞれ結ぶ各有向アークARB0〜ARB5には姿勢を遷移させるための動作が対応付けられている。また各自己動作アークARC0〜ARC3には、それぞれ「歩く」、「ダンスする」、「頭を揺する」、「お手をする」等の対応するその姿勢において発現できる各種動作が対応付けられている。
【0044】
そして姿勢遷移制御部33は、行動決定部32から「立て」、「歩け」、「ダンスしろ」等の行動指令が行動決定情報D2として与えられると、有向アークARB0〜ARB2の向きに従いながら、現在のノードNDB0〜NDB2から指定された姿勢又は動作が対応付けられたノードNDB0〜NDB2又は有向アークARB0〜ARB5若しくは自己動作アークARC0〜ARC3に至る最短経路を探索し、当該探索した経路上の各有向アークARB0〜ARB5や自己動作アークARC0〜ARC3にそれぞれ対応付けられた動作を順次行わせるための動作指令を動作指令情報D3としてデバイス制御部34に次々と出力する。
【0045】
例えば、姿勢制御制御部33は、ペットロボット1が「伏せる」の姿勢にある場合において、行動決定部32から「座ってバンザイ」という行動指令が与えられた場合には、「伏せる」の姿勢に対応するノードNDB2及び「座る」の姿勢に対応するノードNDB1間を結ぶ有向アークARB1に対応付けられた「座る」という動作(以下、これを「座り動作」と呼ぶ)の動作指令と、自己動作アークARC1に対応付けられた「バンザイ」という動作(以下、これを「バンザイ動作」と呼ぶ)の動作指令とをデバイス制御部34に順次送出することとなる。
【0046】
デバイス制御部34においては、姿勢遷移制御部33が保持する有向グラフの各有向アークARB0〜ARB5や各自己動作アークARC0〜ARC3にそれぞれ対応付けられた各動作にそれぞれ対応させて、その動作をペットロボット1に発現させるためにどのアクチュエータ271〜27n(図2)をどのタイミングでどのくらい駆動させるかといった、動作ごとの各アクチュエータ271〜27nの時系列的な制御内容を規定したファイル(以下、これを動作ファイルと呼ぶ)を外部メモリ15内に有している。
【0047】
そしてデバイス制御部34は、姿勢遷移制御部33から動作指令情報D3が与えられるごとに、対応する動作ファイルを順次再生して当該動作ファイルに格納された制御パラメータに基づく駆動信号S111〜S11nを生成し、当該駆動信号S111〜S11nに基づいて対応するアクチュエータ271〜27nを駆動制御することにより、ペットロボット1に対応する動作を発現させる。
【0048】
従ってデバイス制御部34は、例えばペットロボット1が「伏せる」の姿勢にある場合において、姿勢遷移制御部33から上述の「座り動作」及び「バンザイ動作」の動作指令が順次与えられた場合には、まず「座り動作」に対応する動作ファイルに基づき対応する各アクチュエータ271〜27nを時系列的に順次制御することによりペットロボット1に「座り動作」を発現させ、この後これに続けて「バンザイ動作」に対応する動作ファイルに基づき対応する各アクチュエータ271〜27nを時系列的に順次制御することによりペットロボット1に「バンザイ動作」を発現させる。これによりペットロボット1全体として、姿勢を「伏せる」から「座る」に遷移し、その後「バンザイ」するという一連の動作が発現されることとなる。
【0049】
またデバイス制御部34は、各種音のWAVEファイルである複数の音声ファイルと、LED16、20(図2)の駆動データが格納された複数のLED駆動ファイルを外部メモリ15内に有しており、かかる動作ファイルの再生時等にその動作ファイルと対応付けられた音声ファイル及び又はLED駆動ファイルを同時に再生することにより、ペットロボット1に動作と合わせてスピーカ14(図2)から音声を出力させたり、LED16、20を点滅駆動させる。
【0050】
このようにしてコントローラ10においては、外部及び内部の状況や、ユーザからの指令及び働きかけの有無等に応じてペットロボット1を自律的に行動させ得るようになされている。
【0051】
(3)ペットロボット1における座り動作
次に、このペットロボット1における上述の「座り動作」の具体的動きについて説明する。なおペットロボット1においては、各股関節25(図1)にピッチ方向(図1において矢印yと平行な軸を中心とする回転方向)及びロール方向(図1において矢印xと平行な軸を中心とする回転方向)の2自由度を有し、各膝関節24(図1)にピッチ方向の1自由度を有している。
【0052】
このペットロボット1の場合、「伏せる」では、図6(A)に示すように、胴体部ユニット2の腹部を地面40に接地させながら、前後左右の各脚部ユニット3A〜3Dをそれぞれ矢印xで示す前方向に伸ばした姿勢をとる。
【0053】
そしてペットロボット1は、この状態から「腕立て伏せ」のときと同様にして、左右前側の脚部ユニット(以下、これらを前脚部ユニットと呼ぶ)3A、3Bを屈曲及び伸長することにより、図6(B)に示すように、胴体部ユニット2の腹部後端部である尻相当部の曲面部2Bを地面40に接地させながら、後側の両脚部ユニット(以下、これらを後脚部ユニットと呼ぶ)3C、3Dを前方向に伸ばし、かつ各前脚部ユニット3A、3Bの各脛部23の先端部をそれぞれ接地させた姿勢に遷移する。
【0054】
次いでペットロボット1は、各後脚部ユニット3C、3Dの膝関節24のアクチュエータ271〜27nと、各後脚部ユニット3C、3Dと胴体部ユニット2とをそれぞれ連結する股関節(以下、これらをそれぞれ後股関節と呼ぶ)25のピッチ方向のアクチュエータ271〜27nとをそれぞれ駆動することにより、図7(A)に示すように、各後脚部ユニット3C、3Dの太腿部22を、これら後脚部ユニット3C、3Dの脛部23が地面40と垂直よりも小さい所定の傾きをもって接触した所定の回転位置に位置させた姿勢をとる。
【0055】
そしてペットロボット1は、この後、胴体部ユニット2に各後脚部ユニット3C、3Dの大腿部22を固定するように(すなわち、各後脚部ユニット3C、3Dの大腿部22がそれぞれ胴体部ユニット2に対して相対的にピッチ方向に回転しないように)、後股関節25のピッチ方向のアクチュエータ271〜27nに発生させるトルクを制御しながら、各後脚部ユニット3C、3Dの膝関節24のアクチュエータ271〜27nを駆動してこれら膝関節24を曲げることにより、各後脚部ユニット3C、3Dの脛部23をそれぞれ地面40を押すように回転させる。
【0056】
この結果、各後脚部ユニット3C、3Dの脛部23の回転に伴ってこれら脛部23が地面24となす角が垂直に近づき、これに伴ってこれら脛部23によって各後脚部ユニット3C、3Dの膝関節24が当該脛部23の長手方向に押されていく。このとき各後脚部ユニット3C、3Dの大腿部22は、それぞれ上述のように胴体部ユニット2に対して相対的にピッチ方向に回転しないように固定されていることにより、胴体部ユニット2が尻相当部の曲面部2Bの接地部位を中心として後方向(矢印xと逆方向)に倒れるように回転する。
【0057】
そしてペットロボット1は、このようにして各後脚部ユニット3C、3Dの膝関節24を所定角度まで曲げ終えると、この後これに続けて各後脚部ユニット3C、3Dにおける膝関節24のピッチ方向のアクチュエータ271〜27nを駆動して、各後脚部ユニット3C、3Dの脛部23が地面40上を前方向に摺動させるようにこれら膝関節24を伸ばしながら、各後股関節25のピッチ方向のアクチュエータ271〜27nを駆動して、胴体部ユニット2を起こす方向(後方向)に回転させる。
【0058】
この結果、胴体部ユニット2が尻相当部2Bを接地させながら後方向に倒れるように回転しながら徐々に起き上がり、やがて胴体部ユニット2の尻相当部に設けられた図示しない平面部を接地させた状態でこの一連の起き上がり動作が終了して図8に示すような「座る」の姿勢となる。
【0059】
ここで、このようなペットロボット1の一連の座り動作において、各後股関節25のピッチ方向のアクチュエータ271〜27nに必要なトルクと、各後脚部ユニット3C、3Dの膝関節のアクチュエータ271〜27nに必要なトルクとを考える。
【0060】
例えば図6(B)の状態から、従来のように、後股関節25のピッチ方向のアクチュエータ271〜27nのみを用いて胴体部ユニット2を起こす場合において、当該アクチュエータ271〜27nが胴体部ユニット2を起こすのに必要なトルクmを発生させたときに、後脚部ユニット3C、3Dが接地部位において地面を押す力Fは、図9(A)を参照して、次式
【0061】
【数3】
【0062】
により表すことができる。
【0063】
これに対して、本実施の形態によるペットロボット1のように、この力Fを、胴体部ユニット2に対する後脚部ユニット3C、3Dの太腿部22の位置を固定して当該後脚部ユニット3C、3Dの膝関節24のアクチュエータ271〜27nにより発生させる場合、当該膝関節24のモーメントM2´は、図9(A)を参照して、近似的に次式
【0064】
【数4】
【0065】
で表される。
【0066】
この場合、次式
【0067】
【数5】
【0068】
が成り立つことから、(1)式及び(4)式の比較からも、力点から作用点までの距離((1)式の場合は(L1+L2)、(4)式の場合はL2)が短くなった分、膝関節24のアクチュエータ271〜27nが発生すべきトルクM2´が後股関節25のピッチ方向のアクチュエータ271〜27nにより発生させたトルクM1で胴体部ユニット2を起こす場合に比べて小さくて済むことが分かる。
【0069】
実際上、例えばL1及びL2がほぼ等しいときには、膝関節24のアクチュエータ271〜27nが発生すべきトルクM2´は後股関節25のピッチ方向のアクチュエータ271〜27nにより発生させたトルクM1で胴体部ユニット2を起こす場合の約半分となる。
【0070】
一方、このとき後股関節25のピッチ方向のアクチュエータ271〜27nが胴体部ユニット2を支える(後脚部ユニット3C、3Dの太腿部22を胴体部ユニット2に対して固定する)のに必要なトルクM2は、次式
【0071】
【数6】
【0072】
となる。
【0073】
従って、次式
【0074】
【数7】
【0075】
なる関係が成立すれば、胴体部ユニット2が自重により正面方向に倒れようとするトルクT´に負けることなく、後股関節25のピッチ方向のアクチュエータ271〜27nが発生するトルクM2によって後脚部ユニット3C、3Dの太腿部22を胴体部ユニット2に固定しながら、当該後脚部ユニット3C、3Dの膝関節24のアクチュエータ271〜27nが発生するトルクM2´によって胴体部ユニット2を起こすことができることが分かる。
【0076】
ここで、このトルクM2と、(1)式のトルクM1との関係を考えると、後股関節25におけるピッチ方向のアクチュエータ271〜27nの最大トルクをT0、当該アクチュエータ271〜27nに設けられた減速機構の減速比をZ、この減速機構の伝達効率をηとすると、減速機構を介して出力される最大出力トルクTは次式
【0077】
【数8】
【0078】
であり、減速機構の出力側からアクチュエータ271〜27nの最大トルクに打ち勝って逆回転させるときに必要な逆回転トルク((7)式のT´)は、次式
【0079】
【数9】
【0080】
であるが、伝達効率ηは、次式
【0081】
【数10】
【0082】
を満たすため、次式
【0083】
【数11】
【0084】
なる関係が成立する。
【0085】
従って、この(11)式、(2)式及び(7)式からも明らかなように、本実施の形態において後股関節25のピッチ方向のアクチュエータ271〜27nに必要とされるトルクM2は、従来の動作方法において必要であったトルクM1よりも小さい値となることから、当該アクチュエータ271〜27nとして従来と同じものを用いた場合においても、かかる一連の動作を円滑かつ確実に行うことができる。
【0086】
またこの後図7(B)の状態から各後股関節25及び各後脚部ユニット3C、3Dの膝関節24を駆動して図8の状態に移行する場合も、図9(A)及び(B)を参照すると、各後脚部ユニット3C、3Dの膝関節部24を屈曲させている分だけ後股関節25における後脚部ユニットの回転中心P1である力点と、その後脚部ユニット3C、3Dにおける脛部23先端の接地部位P2である作用点との距離lが図9(A)のように後脚部ユニット3C、3Dを伸ばした場合の距離(L1+L2)に比べて短い。
【0087】
従って、このペットロボット1においては、その分胴体部ユニット2を起き上がらせる際の後股関節25におけるピッチ方向のアクチュエータ271〜27nの負荷モーメントが小さく、これに応じて必要なトルクも従来(図9(A))の場合に比べて小さくなることから、当該アクチュエータ271〜27nとして従来と同じものを用いた場合においても図7(B)以降の動作も円滑かつ確実に行うことができる。
【0088】
さらにこのペットロボット1では、図7(B)以降においては、各後脚部ユニット3C、3Dの膝関節24を、当該後脚部ユニット3C、3Dの脛部23の接地部位を地面40上を摺動させながら伸ばすように動作するため、その反作用として胴体部ユニット2を起こす際のアシストともなり、その分より後股関節25におけるピッチ方向のアクチュエータ271〜27nに与えられる負荷を軽減させることができる。
【0089】
(4)本実施の形態の動作及び効果
以上の構成において、このペットロボット1では、座り動作時、図6(B)の状態から各後脚部ユニット3C、3Dの太腿部を僅かに持ち上げながら、脛部23の先端部が接地するように膝関節24を屈曲させ、この後各後脚部ユニット3C、3Dの太腿部22を胴体部ユニット2に固定しながら、各後脚部ユニット3C、3Dの脛部23により地面40を押すように膝関節24を屈曲させることにより、図7(B)の姿勢に移行する。
【0090】
そしてこの後、各後脚部ユニット3C、3Dの脛部23の接地部位を地面40上を摺動させながら、当該各後脚部ユニット3C、3Dの膝関節24を伸ばしつつ、後股関節25におけるピッチ方向のアクチュエータ271〜27nが発生するトルクによって胴体部ユニット2を起こすことにより図8の「座る」の姿勢に遷移する。
【0091】
そしてこのような一連の動きによって、後股関節25におけるピッチ方向のアクチュエータ271〜27nに必要とされるトルクを従来に比べて小さくすることができ、その分従来と同じ出力トルクのアクチュエータを271〜27n用いた場合においても、接地面の状況等の影響を受け難くして、かかる座り動作を円滑かつ確実に行わせることができる。
【0092】
以上の構成によれば、ペットロボット1の座り動作を上述のような後脚部ユニット3C、3Dの屈曲及び伸長動作を利用して行うようにしたことにより、後股関節25におけるピッチ方向のアクチュエータ271〜27nに必要とされるトルクを従来に比べて小さくすることができ、座り動作を円滑かつ確実に行わせることができる。かくするにつきペットロボット1の発現動作を自然なものとして、当該ペットロボット1のエンターテイメント性を向上させることができる。
【0093】
(5)他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、本発明を、胴体部ユニット2に第1の関節機構としての股関節部25を介して第1のリンクとしての大腿部22が連結されると共に、大腿部22に第2の関節機構としての膝関節部24を介して第2のリンクとしての脛部23が連結された図1のように構成されたペットロボット1に適用するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、これ以外の構成のペットロボットや、ペットロボット以外のこの他種々のロボット装置に広く適用することができる。
【0094】
また上述の実施の形態においては、図7(A)の姿勢において、各後脚部ユニット3C、3Dの脛部23を地面40と垂直よりも小さい所定の傾きをもって接触させるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、要は、各後脚部ユニット3C、3Dの太腿部22を地面40(動作基準面)と垂直よりも小さい傾きをもって接触できる所定の回転位置に位置させるのであれば、このときに各後脚部ユニット3C、3Dの脛部23が地面40と接触していなくても良い。
【0095】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、胴体部ユニットの尻相当部の局面部を地面に接地させながら、後側の両脚部ユニットを前方向に伸ばし、かつ前脚部ユニットの第2のリンクの先端部を地面に接地した状態から尻相当部の局面部を地面に接地させながら胴体部ユニットを起こす動作に制御する過程において、第1のリンクを、第2のリンクが地面に対して垂直よりも小さい所定の傾きをもって接触できる所定の回転位置に位置する姿勢にさせた後、第1の駆動手段及び第2の駆動手段を制御して、胴体部に対して第1のリンクを胴体部ユニットに対してピッチ方向に回転しないように第1の駆動手段によって回転トルクを発生させ、かつ地面に対して反発するように第2のリンクを地面に摺動させながら第2の駆動手段によって回転駆動させることにより、第2のリンクと地面となす角を垂直に近づかせ、第1のリンクを胴体部ユニットに固定させながら第1の駆動手段が発生する回転トルクによって胴体部ユニットを起こすように後方向に回転させるようにしたことにより、第1のリンクを、第2のリンクが地面に対して垂直よりも小さい傾きをもって接触できる所定の回転位置に位置する姿勢にさせることができるので、第1の駆動手段で発生する回転トルクによって胴体部ユニットが自重により正面に倒れることなく、胴体部ユニットを第2の駆動手段で発生する小さい回転トルクによって起こすことができ、かくして胴体部ユニットを第2の駆動手段で発生する小さい回転トルクによって起こすことができ得るロボット装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態によるペットロボットの外観構成を示す略線的な斜視図である。
【図2】ペットロボットの内部構成を示すブロック図である。
【図3】コントローラの処理の説明に供するブロック図である。
【図4】確率オートマトンの説明に供する概念図である。
【図5】有向グラフの説明に供する概念図である。
【図6】ペットロボットの座り動作の説明供する側面図である。
【図7】ペットロボットの座り動作の説明供する側面図である。
【図8】ペットロボットの座り動作の説明供する側面図である。
【図9】各種姿勢の説明に供する略線図である。
【符号の説明】
1……ペットロボット、2……胴体部ユニット、3A〜3D……脚部ユニット、10……コントローラ、22……太腿部、23……脛部、24……膝関節、25……股関節、40……地面。
Claims (3)
- 胴体部ユニットに第1の関節機構を介して接続される第1のリンクと、上記第1のリンクに第2の関節機構を介して接続される第2のリンクとを有し、上記胴体部ユニットの尻相当部を地面に接触させた状態のまま、上記胴体部ユニットを起こす動作を制御するロボット装置において、
上記第1の関節機構に設けられ、当該第1の関節機構内の所定の第1の軸を中心として上記第1のリンクを回転駆動する第1の駆動手段と、
上記第2の関節機構に設けられ、当該第2の関節機構内の所定の第2の軸を中心として上記第2のリンクを回転駆動する第2の駆動手段と、
上記第1の駆動手段及び上記第2の駆動手段を制御する制御手段と
を具え、
上記制御手段は、
上記胴体部ユニットの尻相当部の局面部を上記地面に接地させながら、後側の両脚部ユニットを前方向に伸ばし、かつ前脚部ユニットの上記第2のリンクの先端部を上記地面に接地した状態から上記尻相当部の局面部を上記地面に接地させながら上記胴体部ユニットを起こす動作に制御する過程において、
上記第1の駆動手段及び上記第2の駆動手段を制御することにより、上記第1のリンクを、上記第2のリンクが上記地面に対して垂直よりも小さい所定の傾きをもって接触できる所定の回転位置に位置する姿勢にさせた後、
上記第1の駆動手段及び上記第2の駆動手段を制御して、上記胴体部に対して上記第1のリンクを上記胴体部ユニットに対してピッチ方向に回転しないように上記第1の駆動手段によって回転トルクを発生させ、かつ上記地面に対して反発するように上記第2のリンクを上記地面に摺動させながら上記第2の駆動手段によって回転駆動させることにより、上記第2のリンクと上記地面となす角を垂直に近づかせ、上記第1のリンクを上記胴体部ユニットに固定させながら上記第1の駆動手段が発生する回転トルクによって上記胴体部ユニットを起こすように後方向に回転させる
ロボット装置。 - 上記第1の駆動手段に対して所定の減速比を有する減速機構を具える
請求項1に記載のロボット装置。 - 胴体部ユニットに第1の関節機構を介して接続される第1のリンクと、上記第1のリンクに第2の関節機構を介して接続される第2のリンクとを有し、上記胴体部ユニットの尻相当部を地面に接触させた状態のまま、上記胴体部ユニットを起こす動作を制御するロボット装置の制御方法において、
上記第1の関節機構に設けられた第1の駆動手段により、当該第1の関節機構内の所定の第1の軸を中心として上記第1のリンクを回転駆動する第1の駆動ステップと、
上記第2の関節機構に設けられた第2の駆動手段により、当該第2の関節機構内の所定の第2の軸を中心として上記第2のリンクを回転駆動する第2の駆動ステップと、
上記第1の駆動ステップ及び上記第2の駆動ステップを制御する制御ステップと
を具え、
上記制御ステップは、
上記胴体部ユニットの尻相当部の局面部を上記地面に接地させながら、後側の両脚部ユニットを前方向に伸ばし、かつ前脚部ユニットの上記第2のリンクの先端部を上記地面に接地した状態から上記尻相当部の局面部を上記地面に接地させながら上記胴体部ユニットを起こす動作に制御する過程において、
上記第1の駆動ステップ及び上記第2の駆動ステップを制御することにより、上記第1のリンクを、上記第2のリンクが上記地面に対して垂直よりも小さい所定の傾きをもって接触できる所定の回転位置に位置する姿勢にさせた後、
上記第1の駆動ステップ及び上記第2の駆動ステップを制御して、上記胴体部に対して上記第1のリンクを上記胴体部ユニットに対してピッチ方向に回転しないように上記第1の駆動ステップによって回転トルクを発生させ、かつ上記地面に対して反発するように上記第2のリンクを上記地面に摺動させながら上記第2の駆動ステップによって回転駆動させることにより、上記第2のリンクと上記地面となす角を垂直に近づかせ、上記第1のリンクを上記胴体部ユニットに固定させながら上記第1の駆動ステップが発生する回転トルクによって上記胴体部ユニットを起こすように後方向に回転させる
ロボット装置の制御方法。
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