JP7055416B2 - 多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動システム及び動作教示・再現駆動方法 - Google Patents

Description

本願発明は、多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動システム及び動作教示・再現駆動方法に関する。詳しくは、多関節ロボットにおける動作の設定を容易に行うことができるとともに、種々の動作を組み合わせて作動させることができる多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動システムに関する。

人型ロボットのような多関節ロボットを駆動させるには、各関節の角度及び作動時間を、上記各関節毎及び所定の時間間隔毎に設定し、上記各関節を、上記時間間隔毎に上記角度となるように連続的に動作させる必要がある。

従来、上記ロボットの各関節の動作設定は、コンピュータ等を用いて、時間間隔とこの時間間隔に対応する上記各関節の回転駆動量等を設定することにより行われていた。

特許第３８１３１０２号公報

通常、ロボットのアーム等の一連動作を設定するには、各関節の２以上の回転角度姿勢と、この回転角度姿勢変化に要する時間を設定する必要がある。また、滑らかな動作を行わせるには、姿勢変化に要する時間間隔を短く設定するとともに、この時間間隔あたりの各関節の動作角度を小さく設定するのが好ましい。このため、多数の姿勢の設定を行う必要がある。

各関節には回転駆動されるアクチュエータが設けられることが多く、これらアクチュエータの回転数や回転位置を、各時間間隔ごとの姿勢に対応させて設定することにより、ロボットに動作を教示する。そして、これら設定された各角度位置に上記アクチュエータを連続的に駆動することにより、上記動作を再現できるように構成している。

上記従来の動作設定方法によると、各アクチュエータを所定の時間間隔ごとの回転角度位置に設定する必要があり、非常に多くの設定作業が必要になる。このため、設定作業に多大な時間と手間を要することになる。

上記設定作業を、コンピュータを用いて行うこともできるが、コンピュータ及び専用のプログラムが必要になる。また、時間と回転角度位置を、上記プログラム等を用いて設定する場合にも相当の手間がかかった。

また、上記コンピュータを用いた場合、角度等を数値で認識して設定する必要があるため、３次元空間におけるロボットの自然な動きを設定するのは困難であった。このため、子供用や教育用の玩具として、多関節ロボットを利用するのは困難であった

また、対戦ゲーム等に多関節ロボットを用いる場合、多数の種類の動作を任意に行えるように設定する必要がある。これら動作を連続的に行わせるには、上記プログラムが複雑になり、また、多くの知識と経験を必要とした。

本願発明は、上記従来の問題を解決し、多関節ロボットの動作を容易に設定できるとともに、複数の動作を容易に組み合わせて行わせることができる多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動システムを提供することを課題とする。

本願発明は、複数の変位部材を回転可能に連結する２以上の関節を備える多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動システムである。本願発明に係る動作教示・再現駆動システムは、上記各関節を回転駆動させる複数のアクチュエータと、複数の変位部材の一連動作を連動して行う２以上のアクチュエータを選択してグループ化できるアクチュエータ選択手段と、操作部を所定の角度間隔で係止できる回転スイッチと、上記操作部の１回転を上記グループ化したアクチュエータの一連動作の所要時間に設定できるとともに、上記操作部が係止される角度間隔に対応する分割動作時間を設定できる動作時間設定手段と、上記操作部の各係止位置に対応した分割動作時間における上記各アクチュエータの回転角度位置を設定できる回転角度位置設定手段と、上記一連動作の所要時間、上記分割動作時間及び上記各分割動作時間における上記各アクチュエータの回転角度位置を含む一連動作を記憶できる動作記憶手段と、上記各アクチュエータを、上記操作部の各係止位置に対応した回転角度位置に、上記分割動作時間間隔で連続的に駆動させて、上記一連動作を連続的に行わせる、駆動制御手段とを備えて構成される。

本願発明が適用されるロボットの種類は限定されることはない。人型のロボットのみならず、複数の関節を有する種々の形態のロボットに適用することができる。また、玩具や教育用のロボット、競技用ロボットのみならず、産業用のロボットに適用することもできる。

また、上記ロボットの構成も特に限定されることはない。たとえば、複数のアーム部が相対回転駆動される関節で連結された構成を備えるロボットに本願発明を適用できる。また、相対回転駆動以外の形態で駆動される部分を含むロボットに本願発明を適用できる。たとえば、伸縮する駆動部分を有するロボットや、音や光を発するロボットや、表示画像を変化させるディスプレイを備えたロボットに本願発明を適用できる。

本願発明では、複数のアクチュエータをグループ化し、これらアクチュエータの動作位置を、上記回転スイッチの上記操作部の回転係止位置に対応した分割時間における回転動作位置に設定する。上記操作部は、１回転が上記アクチュエータの一連の動作に対応した所要時間、すなわち、上記複数のアクチュエータで駆動される部分の一連動作を行うための所要時間に設定されるとともに、上記操作部の係止位置は、上記所要時間を回転角度で分割された時間に対応する。なお、本願発明における一連動作とは、上記操作部の１回転に対応して設定される所定部分の動作をいう。上記一連動作で行われる所定部分の変位量や、上記操作部の係止角度間隔は特に限定されることはなく、必要に応じて設定することができる。

上記回転スイッチの操作部の回転角度位置を一連動作の分割時間に対応させることにより、時間設定と動作姿勢の設定とを容易に関連付けて、各関節の動きを設定できる。すなわち、一連の動作時間が回転スイッチの回転の角度となり、操作部の１回転分の動作時間を設定すれば、上記回転スイッチの係止位置を変更するだけで、上記一連動作における各部の動作途中の時間を直接設定することなく、上記一連の動作を設定することが可能となる。特に、これまで、複数の関節の動作を設定するには、各関節の回転角度位置を時間に応じて繰り返し設定することが必要であったが、本願発明では、上記操作部を一の係止角度位置に設定した状態で、グループ化された複数のアクチュエータの回転角度位置を一度で設定することが可能となる。このため、コンピュータを用いることなく、ロボットに動作を教示（設定）することが可能となり、コンピュータや専用のソフトウエアを用いることなく、ロボットの動作を教示することが可能となる。この結果、子供用や教育用の玩具として、多関節ロボットを利用することが可能となる。

回転スイッチの操作部の１回転を所定時間に設定できるとともに、上記操作部の係止角度位置を、上記所定時間の分割時間に対応させることができれば、上記回転スイッチの構成は特に限定されることはない。また、上記回転スイッチを、コンピュータのディスプレイ上に設定して、上記各関節の動作を設定することもできる。

上記回転角度位置設定手段は、上記操作部を所定の係止位置に係止した状態で、上記アクチュエータを所定の回転角度位置に設定できるものであれば特に限定されることはない。たとえば、上記関節の近傍にボリュームスイッチ等を設置し、上記ボリュームスイッチの回転に応じて、上記アクチュエータの回転角度位置を設定し、各関節の相対回転角度位置を設定できる。

また、上記関節に所定のセンサを設け、上記アーム等を手動で回転させるとともに、上記センサによってアクチュエータの回転角度位置を計測し、これを設定値として出力し、記憶するように構成することもできる。また、サーボモータ等の回転位置等の出力機能を利用して設定を行うこともできる。

上記動作記憶手段は、グループ化されたアクチュエータ、及びこれらアクチュエータの上記一連動作の所要時間、上記分割動作時間、及び上記各分割動作時間における上記各アクチュエータの回転角度位置を含む一連動作を、一のファイルとして記憶できるように構成される。なお、上記グループ化されるアクチュエータの数は限定されることはない。また、ロボットを構成する全てのアクチュエータを一のグループとして駆動することもできる。たとえば、上記各アクチュエータの回転角度位置を、テキストデータとして記憶させることもできる。また、一連動作の所要時間及び分割動作時間を固定して用いこともできる。

上記動作記憶手段は、上記一連動作に関する情報をファイルとして記憶できるものであればよい。ロボットの駆動制御手段内に設けたメモリを利用することもできるし、ロボットに着脱可能に設けられるメモリカード等を利用して構成することもできる。また、ロボットの操作装置等に設けることもできる。

上記再現駆動手段は、上記動作記憶手段に設けられた一連動作のファイルを読出し、上記アクチュエータを駆動する。上記再現駆動手段には、上記アクチュエータを駆動する電源、制御信号を発する出力装置等を含むとともに、上記駆動時間を制御するタイマー等が含まれる。

一連の動作を行うアクチュエータが多数になると、複数の関節の動きの全体を把握するのが困難になる。このため、設定されたファイルから読み出される信号に基づいて、上記各アクチュエータを駆動させて、上記各分割動作時間における各アクチュエータの回転角度位置等を確認できる、再現試動手段を備えて構成するのが好ましい。

たとえば、上記回転スイッチで設定される所要時間の数倍の時間間隔で、上記各アクチュエータを間欠的に動作させて、各アクチュエータの回転角度位置を確認できるように構成することができる。

また、上記再現駆動手段を、上記操作部の係止位置において、各アクチュエータを回転角度位置に駆動するように構成し、各変位部材の動作や姿勢を確認しつつ、アクチュエータの回転角度位置を再設定、あるいは調整できるように構成するのが望ましい。

所定の一連動作を繰り返し行わせたり、異なる一連動作を設定してこれら動作を組み合わせて連続的に行わせることにより、複雑な動作を行わせることが可能となる。

上記動作記憶手段を、上記回転スイッチを用いて複数種類の一連動作を設定して記憶できるように構成することができる。また、所定の一連動作を繰り返し行わせることができるとともに、選択された複数種類の一連動作を連続的に行わせることができる駆動制御手段を設けることができる。

上記駆動制御手段は、上記動作記憶手段から所定の一連動作を順次読出し、上記各アクチュエータを駆動する。

上記駆動制御手段は、コントローラ等の操作手段あるいは所定のプログラムの指令によって、上記動作記憶手段から所定の動作情報を読み出すように構成される。また、上記ロボット等に設けたセンサの指令に基づいて、所定の動作情報を読み出すように構成することもできる。

上記駆動制御手段は、複数又は／及び同一の一連動作を連続的に行わせる動作連結手段を備えて構成することができる。上記動作連結手段は、所定動作を繰り返し行うように設定することもできるし、上述した所定の指令に基づいて、異なる一連動作を読み出して連結し、連続的に行わせることもできる。

また、２以上のアクチュエータからなる複数のグループを備える場合、上記駆動制御手段を、異なる２以上のグループに属するアクチュエータの一連動作を並行して行わせることができるように構成することができる。

上記駆動制御手段は、あらかじめ設定された手順を記載したプログラムによって、上記動作記憶手段から、動作情報を読み出して自動的に実行するように構成することもできるし、ロボットの操作を行うものが操る操作手段等から発せられる信号に基づいて、上記記憶手段から所要の動作情報を読み出すように構成することもできる。また、これら信号に優先順位を設定し、動作途中に異なる信号に基づく動作を割り込ませるように構成することもできる。

たとえば、上記駆動制御手段に指令して、所定の一連動作を行わせる２以上のグループを選択できるとともに、上記各グループにおける所定の一連動作を行わせる操作手段を採用することができる。

操作手段の構成は特に限定されることはない。たとえば、手指で操作できるコントローラを採用することもできるし、音声認識装置等を採用して、音声信号から所定の動作情報を読み出して実行するように構成することもできる。また、記憶手段や駆動制御手段内に、所定の順序で複数の一連動作を行うプログラムを設けて構成することもできる。

さらに、上記一連動作に影響を与える外的情報又は内的情報を検知できるセンサを設け、このセンサが検知した情報に基づいて、所定の動作情報を読み出し、一連動作を行うように構成することもできる。

たとえば、ロボットが転倒したような場合、転倒情報を生成できるセンサを設け、上記センサから生成される転倒情報に基づいて、実行中の一連動作を中止し、ロボットを起立させるための一連動作を記憶手段から読み出すように構成することができる。

また、不用意な外力によって、ロボットの各アクチュエータが所定の回転角度位置まで駆動することができないような場合、上記動作異常を検知できるセンサを設け、このセンサからの情報に基づいて、実行中の一連動作を中止し、再度所定の動作を行うように構成することもできる。

上述した外的情報又は内的情報に基づいて、実行中の一連動作を所定の動作に変更して実行できる動作変更手段を設けることもできる。

たとえば、複数の一連動作を行っている場合、所定の信号に基づいて、次の一連動作を別の一連動作に置き換えるように構成できる。

なお、次に実行される一連動作を置き換えることもできるし、実行中の一連動作を中止し、別の一連動作に置き換えて実行するように構成することもできる。

本願発明は、自立的に移動動作できるロボットに適用することもできるし、主要部材を所定位置に保持して、上記主要部材に関節を介して連結されるアーム部材等を備える展示用ロボットに適用することもできる。

たとえば、上記アーム部が上記アクチュエータを設けた関節を介して連結される本体と、上記本体を所定位置に保持できる保持部材を備えて構成することができる。すなわち、本体を所定位置に位置決めした状態で、ロボットが動作するように構成できる。これにより、たとえば、展示用のロボット等を構成できる。また、自立歩行できるロボットが高価であるとともに動作の設定に高度の知識が要求される。しかし、上記保持部材を設け、この保持部材で起立状態を保持するように構成することにより、疑似的な自立歩行を行わせること可能となり、玩具等に適用することにより、子供にも取扱が容易なロボットを提供できる。

また、ベルト上で歩行動作を行うようなロボットにおいては、歩行姿勢に応じて、上記本体の垂直位置あるいは水平位置が、所定範囲で変動する。上記変位を吸収するために、上記保持部材を、アクチュエータによって回転駆動される２以上の関節を有するアームを備えて構成することができる。

また、ロボットの背部に棒状部材先端部を回動可能に連結するとともに、上記棒状部材の基端部に種々の操作を行うことができる操作部を設けることができる。また、ロープ部材と竿部材で、ロボット本体を上方から吊り下げるように保持することもできる。さらに、ロボットの背部にハンドルを設け、このハンドルでロボット保持するように構成することもできる。

上記各手段を設ける部位は特に限定されることはない。たとえば、ロボットの外部に設けたコントローラ等の操作手段に設けることもできるし、ロボット内に内蔵して設けることもできる。

また、上記ロボットに動作を教示する各手段を格納した制御ボックスを上記ロボット本体に着脱可能に連結できるとともに、必要に応じてロボット本体から取り外し、操作手段等に接続して操作できるように構成することもできる。すなわち、上記アクチュエータ選択手段と、動作時間設定手段及び上記回転角度位置設定手段を設けた制御ボックスを、上記本体から取り外し可能に連結することができる。

本願発明は、複数の変位部材を回転可能に連結する２以上の関節を備える多関節ロボットに関するものであるが、回転駆動するアクチュエータ以外の動作を行う出力手段を設けることもできる。

たとえば、関節を構成せず、同軸上で相対回転させられる部材を駆動するアクチュエータや、部材を伸縮させるように駆動するアクチュエータを備えるロボットに本願発明を適用できる。また、音、光等を出力する出力手段を、上記回転駆動されるアクチュエータと連動して駆動するように構成できる。

本願発明に係る多関節ロボットにおける動作教示・再現方法は、複数の変位部材を回転可能に連結する２以上の関節を備えるとともに、これら関節を回転駆動させるアクチュエータを備える多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動方法である。

本願発明に係る動作教示・再現駆動方法は、一連動作を行わせる複数のアクチュエータを選択してグループ化するアクチュエータグループ化工程と、上記選択した上記アクチュエータに一連の所定動作を行うための動作時間を、回転スイッチの操作部の１回転に対応させるとともに、上記操作部が所定の角度間隔で係止される回転角度位置に、上記動作時間を分割した分割動作時間を設定する動作時間設定工程と、上記操作部を上記各係止位置に設定するとともに、上記各係止位置に対応する各アクチュエータの回転角度位置を設定して記憶させる回転角度位置教示工程と、上記グループ化したアクチュエータ、上記動作時間、上記分割動作時間、及び各分割動作時間における各アクチュエータの回転角度位置を一連動作として記憶する動作記憶工程と、上記分割動作時間に対応して、上記アクチュエータを所定の回転角度位置に連続的に駆動して、上記各関節に一連動作を行わせる再現駆動工程を含んで構成される。

上記アクチュエータグループ化工程において選択されるアクチュエータの数は特に限定されることはなく、複数のグループを設定できる。また、同時に再現されない場合、同じアクチュエータを複数のグループで選択することもできる。さらに、全てのアクチュエータを一のグループとして制御できるように構成することもできる。

上記動作時間設定工程は、上記回転スイッチとタイマーとを関連付ける工程である。上記動作時間設定工程を行う手順等は特に限定されることはない。たとえば、上記操作部の１回転を一連動作の所要時間に設定し、上記操作部の回転角度間隔で上記所要時間を分割して分割動作時間を設定することができる。また、上記操作部の係止位置（回転角度位置間隔）に対応する分割動作時間を設定し、操作部１回転が一連動作の所要時間となるように設定することもできる。

上記回転角度位置教示工程は、上記操作部の係止位置に対応した各分割時間において、選択された各アクチュエータの回転角度位置を設定する工程である。具体的な手法は特に限定されることはない。たとえば、各アクチュエータがサーボモータを備えて構成される場合、入力信号発生装置から各アクチュエータに所定のパルス信号を入力し、所定の回転角度位置に設定する。また、ロータとステータとを手動で回転させることができるとともに、相対回転位置を所定の回転角度位置で保持できるステッピングモータ等を採用する場合、上記変位部材を所望の姿勢に直接設定し、この姿勢に対応するステッピングモータの回動位置（回転数等）から出力される信号を記憶するように構成することもできる。

本願発明では、所定の時間間隔で変位する各変位部材の実際の姿勢を視覚で確認しつつ、動作を設定することが可能になる。このため、所望の動作を容易に設定できるとともに、見栄えの良い連続動作を行わせることが可能となる。

上記動作記憶工程を行う手法も特に限定されることはない。たとえば、メモリ等に上記動作情報を記憶するファイルを生成し、このファイル内に動作情報を順次記憶させることができる。また、メモリ等に所定のファイル形式の領域を設けておき、所定手順で設定される動作情報を順次記憶するとともに、設定終了後にファイルとして記憶させることができる。

上記再現駆動工程では、上記動作時間設定工程において設定した時間間隔で、上記各アクチュエータを連続的に駆動して、上記各変位部材を動作させる。上記再現駆動工程は、操作手段等から生成される指令情報、あるいはロボットに設けたセンサ等から生成される駆動情報に基づき、所定のファイルを読み出して各アクチュエータを駆動させることができる。また、所定のファイルを読み出すプログラムを作成し、これに基づいて所要のプログラムを順次読み出して実行するように構成することもできる。

所定のグループに属するアクチュエータに、同一の一連動作及び／又は複数種類の一連動作を連続して行うように設定する複合動作設定工程を含むように構成することもできる。たとえば、歩行動作においては、所定のアクチュエータの一連動作を繰り返し行うように設定することができる。上記一連動作の繰り返しを行うには、動作ファイルを連続して読み出すように構成することもできるし、あらかじめ繰り返し動作をファイルとして記憶しておくように設定することもできる。

また、上記複数のグループに属するアクチュエータを並行して動作させる並行動作設定工程を含むように構成することもできる。たとえば、手の動作と、脚の動作を並行して行うように設定し、駆動させることができる。

上記アクチュエータを駆動する所定の分割動作時間において、所定の信号に基づいて、実行中の動作を中止し、別の一連動作を行うように構成することができる。

上記所定の信号は、外部情報又は内部情報に基づいて生成するように構成することができる。たとえば、所定動作を行っている途中で、操作手段によって生成される信号に基づいて、他の一連動作を割り込むように実行させることができる。また、例えば転倒したような場合は、ロボット内にセンサ等を設けておき、転倒情報に基づいて所定の姿勢に復帰する動作を自動的に行うように設定することもできる。

本願発明によって、多関節ロボットの動作を容易に設定できるとともに、複数の動作を容易に組み合わせて行わせることができる多関節ロボットを提供できる。

本願発明が適用されるロボットの概要を示す図である。 本願発明の装置構成の概略図である。 駆動制御手段の構成を示す図である。 教示工程のフローチャートである。 回転スイッチの操作手順を示す図である。 図５に示す回転スイッチの操作に基づいて、ロボットの姿勢を分割時間ごと に示す図である。 再現駆動工程のフローチャートである。 一連の駆動動作データをテキスト形式で記述したデータファイルの一例を示す図である。 複数の駆動動作を連続して行う場合のデータファイルの一例を示す図である。 第２の実施形態を示す図である。 第３の実施形態を示す図である。 第４の実施形態を示す図である。 第５の実施形態を示す図である。

発明を実施する形態

以下、本願発明の実施形態を図に基づいて具体的に説明する。本実施形態は、本願発明を２足歩行型のロボットに適用したものである。なお、本実施形態では、左右の下肢部の動作に本願発明を適用した実施形態を示す。なお、他の関節を含む動作や、上肢部と下肢部との複合動作に本願発明を適用することができる。

図１に示すように、実施形態に係るロボット１は、胴部（本体）２と、上肢部３と、左下肢部４と、右下肢部５と、頭部６とを備えて構成される。上記上肢部３及び下肢部４，５は、複数の変位部材を備えて構成される。なお、図１には、左側上肢部３のみ示しているが、実際は右側上肢部を備えて構成される。また、本実施形態では、上記胴部２を本体部として構成している。

上記上肢部３は、上腕部３ａと、前腕部３ｂと、手部３ｃとを変位部材として備えている。上記各変位部材は、１軸の関節１３ａ，１３ｂ，１３ｃを介して連結されており、各関節１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、内蔵されたアクチュエータ２３ａ，２３ｂ，２３ｃによって回転駆動されるように構成されている。

左側下肢部４は、大腿部４ａと、下腿部４ｂと、足部４ｃとを変位部材として備えている。上記各変位部材は、１軸の関節１４ａ，１４ｂ，１４ｃを介して連結されており、各関節１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、内蔵されたアクチュエータＡ１，Ａ２，Ａ３によって回転駆動されるように構成されている。同様に右側下肢部５も、大腿部５ａと、下腿部５ｂと、足部５ｃとを変位部材として備えている。上記各変位部材は、１軸の関節１５ａ，１５ｂ，１５ｃを介して連結されており、各関節１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、内蔵されたアクチュエータＡ４，Ａ５，Ａ６によって回転駆動されるように構成されている。

上記胴部２の背面には、各アクチュエータを駆動する制御手段３２が設けられている。上記制御手段３２は、電池又は図示しない電源から供給される電力によって、上記各アクチュエータを制御して駆動するように構成されている。

図２に、本願発明に係る多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動システム１００の概略構成ブロック部を示す。なお、図２は、下肢部４，５に対して動作を教示し、再現駆動するシステムを示している。

動作教示再現駆動システム１００は、各アクチュエータＡ１～Ａ６を駆動制御する上記制御手段３２と、上記制御手段３２に電力を供給する電源３９と、教示した一連動作を設定する一連動作設定ボタン３３と、教示後に一連動作を行わせる再現試動スイッチ３５と、所定の動作を選択して駆動させ、あるいは編集する装置３４と、転倒した場合に所定の信号を生成するセンサ４０と、各アクチュエータに信号を与えて所定の回転角度に設定するボリュームスイッチＳ１～Ｓ６と、設定した一連動作を記憶する記憶手段３６と、所定の信号を生成して上記制御手段３２に出力し、所望の動作を行わせる操作手段としてのコントローラ３７とを備えて構成される。

上記ディスプレイは、種々の設定を行うために用いることができる。上記ディスプレイ３８は、独立したものを採用することもできるし、上記制御手段３２に付属したものを採用することもできる。上記コントローラ３７以外のスイッチ類は、上記制御装置３２に付属して設けることもできるし、ロボット本体の所定の部位に設けることもできる。

上記回転スイッチ３１は、所定の角度間隔で係止できる操作部３１ａを備えて構成されており、後述するように、上記操作部３１ａの１回転をグループ化した複数のアクチュエータの一連動作の所要時間に設定できるとともに、上記操作部３１ａが係止される角度間隔に対応する分割動作時間を設定できるように構成される。

上記記憶手段３６は、上記回転スイッチ３１と、上記制御手段３２内に設けたタイマー４８と、ボリュームスイッチＳ１～Ｓ６を用いて設定した一連動作を、時間と関連付けて保存するために用いられる。上記記憶手段３６は、上記制御手段３２内に設けることもできるし、着脱可能なメモリカード等を採用することもでる。また、上記記憶手段３６における記述様式も特に限定されることはない。たとえば、図８に示すように、上記一連動作における各アクチュエータＡ１～Ａ６の駆動角度ａ１１～ｄ１６を、テキストデータとして記述して、上記メモリカード等にファイルとして記憶する。このメモリカードのデータを必要に応じて読み出すように構成できる。たとえば、制御手段３２が、図８に示すデータを１行ごとに読み出して、上記各アクチュエータを駆動させることができる。また、図８に示す複数の動作ファイル（１０１～１０ｎ）を、図９に示すように、順次配列し、これら複数の動作ファイルを順次読み込んで、複数の一連動作を連続して行うように構成することもできる。上記動作ファイルは、コンピュコータのテキストエディタ等を用いて作成し、メモリカード等に記憶させることもできる。

上記制御手段３２は、マイクロコンピュータを備えて構成されており、所定のプログラム、あるいは所定の信号に基づいて、上記各アクチュエータを駆動する。

図３に示すように、上記制御手段３２には、アクチュエータ選択グループ化手段４２と、動作時間設定手段４３と、駆動制御手段４４と、再現試動手段４５と、動作パタンファイル連結手段４６と、回転角度位置変更手段４７と、タイマー４８とを備えて構成されている。

上記アクチュエータ選択グループ化手段４２は、一連動作を行わせるアクチュエータを選択してグループ化するためのものであり、あらかじめ所定のグループに属するアクチュエータを設定しておくこともできるし、アクチュエータを上記ディスプレイ３８に表示して、所望のアクチュエータを選択してグループ化することもできる。

上記動作時間設定手段４３は、上記回転スイッチ３１と、上記タイマー４８とを用いて、所定の一連動作を時間と関連付けて設定する手段である。上記動作時間設定手段４３は、上記回転スイッチの１回転を、所定のグループに属するアクチュエータの一連動作時間に設定するとともに、操作部３１ａの回転角度位置に、上記一連動作の分割動作時間を設定する。上記動作時間設定手段４３は、上記タイマー４８と共働して、上記動作時間及び分割動作時間を管理し、設定する。

上記駆動制御手段４４は、上記各関節を駆動するアクチュエータを駆動する。本実施形態では、上記アクチュエータとしてサーボモータが採用されており、所要の電力及びパルス信号を各アクチュエータに供給する。電力及びパルス信号は、上記記憶手段３６に記憶された一連動作のファイルから読み出される信号に基づいて生成される。

上記再現試動手段４５は、設定したアクチュエータの回転角度位置が適正かどうか確認するための手段である。たとえば、所定のグループの一連動作の設定が終了後に、再現試動ボタン３５を用いて、各分割時間における姿勢を順次再現して確認できるように構成することができる。上記再現試動手段４５を設けることにより、設定した動作を視覚で確認し、修正することが可能となる。なお、上記再現試動手段４５の構成は特に限定されることはない。たとえば、上記操作部を各係止位置に回転させることにより、各アクチュエータを、上記係止位置における各回転角度位置に駆動するように構成できる。また、上記動作時間より長い間隔で連続的に駆動するように構成することもできる。

上記動作パタンファイル連結手段４６は、上記記憶手段３６に記憶した一の動作ファイルの動作を繰り返し行うように制御し、あるいは、複数の動作ファイルの動作を連続して行うように制御する手段である。上記動作パタンファイルの繰り返し実行、あるいは複数種類の動作パタンファイルの連続実行は、あらかじめ設定されたプログラム、あるいは、上記操作手段３７等から送られる信号に基づいて実行される。上記記憶手段３６に記憶した動作ファイルを選択して実行するために、実行動作設定ボタンが用いられる。本実施形態では、３つのボタン３４ａ，３４ｂ，３４ｃを備えて構成されており、これらボタンを組み合わせて、実行するファイルを選択して設定できるように構成している。

上記動作パタンファイル変更手段４７は、実行中の動作パタンファイルの動作途中で、他の動作パタンファイルの動作に変更するための手段である。

たとえば、自立歩行するロボットが転倒した場合、操作手段からの信号、あるいはロボット内に設けた転倒センサ４０等からの信号に基づいて、予定動作を変更できるように構成される。また、転倒信号等を関知した場合、実行中の動作を中止して、上記記憶手段に予め記憶させておいた起立動作のファイルを実行するように構成することもできる。

上記タイマー４８は、上述したように、上記回転スイッチの動作時間を設定し、また、駆動制御手段４４における駆動制御に利用される。

上記構成の動作教示・再現システムの具体的な操作設定手順を、フローチャートを用いて具体的に説明する。

図４に示すように、グループ化されるアクチュエータを選択する（１０２）。上記アクチュエータの選択は、アクチュエータを上記ディスプレイ上に表示して、選択できるように構成できる。また、上記実行動作設定ボタン３４ａ～３４ｃを利用して、選択できるように構成することもできる。また、あらかじめ、所定のアクチュエータを所定のグループに属するように設定しておくこともできる。

次に、回転スイッチ３１の１回転の動作時間を設定する（Ｓ１０３）。上記回転スイッチの１回転の動作時間は、上記ディスプレイを用いて設定することもできるし、回転スイッチ自体にあらかじめ設定しておくこともできる。本実施形態に係る上記回転スイッチ３１の操作部３１ａは、９０度ごとに係止できるように構成されており、上記１回転の動作時間が設定されると、上記操作部３１ａの係止位置に対応する分割動作時間は、上記動作時間の４分の１に設定される（Ｓ１０４）。なお、上記一連の動作時間は、１～１０秒程度に設定するのが好ましい。また、上記係止位置の角度間隔も特に限定されることはない。

上記回転スイッチ３１の操作部３１ａを初期回転位置に設定し（Ｓ１０５）、選択した各アクチュエータの回転角度位置を設定していく。本実施形態では、図５及び図６に示すように、回転スイッチ３１の操作部３１ａの指針をＩに設定した状態で、左右下肢部の関節を構成するアクチュエータＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６の回転角度位置を図６（１ａ）（１ｂ）の状態に設定する。まず、動作設定ボタン３３を操作して、動作設定モードとする。上記動作設定モードでは、選択したグループにおける各アクチュエータの設定が行われる。

本実施形態では、図５に示すように、上記操作部３１ａの指針３ｂを目盛Ｉに設定した状態で、右側下肢の足部５ｃが地面に接地する一方（図６の１ａ）、左側足部４ｃが地面から離間した状態（図６の１ｂ）となるように、上記ボリュームスイッチＳ１～Ｓ６を操作して、各アクチュエータの回転角度位置を設定する（Ｓ１０６～１０８）。

上記第１の分割動作時間における姿勢を設定した後、図５の（２）に示すように、操作部３１ａを時計回り方向に９０度回転して、第２の分割動作時間における姿勢の教示モードに設定する。上記操作部３１ａを次の係止位置に回転操作することにより、第１の分割時間における各アクチュエータの回転角度位置が、上記記憶手段３６、あるいは、制御手段内に設けたメモリに一時的に記憶される（Ｓ１０９）。

次に、上記ボリュームスイッチＳ１～Ｓ６を操作して、上記第２の分割動作時間における各アクチュエータを駆動し、各変位部材の姿勢を図６の２ａ及び図６の２ｂに示す回転角度位置に設定する。

同様にして、図５（３）及び（４）に示すように、上記操作部を第３の順次係止位置に回転させるとともに、上記ボリュームスイッチＳ１～Ｓ６を操作して、各アクチュエータの回転角度位置を、変位部材が図６の３ａ、図６の３ｂ、図６の４ａ、図６の４ｂに示す姿勢となるように設定を行う（Ｓ１０６～Ｓ１１０）。左右下肢部の上記一連動作姿勢を設定が完了した後（Ｓ１１０でＹ）、上記動作設定ボタン３３を操作することにより、上記記憶手段３６に、上記一連動作の動作パタンファイルが生成される（Ｓ１１２）。

次に、上記動作パタンファイルに記憶された一連動作が適正に設定されたかどうかを確認するため、上記アクチュエータを、分割動作時間に対応する姿勢に順次作動させる、動作パタンファイル再現試動工程が行われる（Ｓ１１３）。上記再現試動工程は、上記試動スイッチ３５を押圧操作して、試動モードに設定し、上記操作体３１ａを所定の係止位置に回転させることにより行う。

上記再現試動工程において修正が必要な場合（Ｓ１１４でＹ）、動作設定モードに戻して、回転スイッチの操作部を修正が必要な係止位置に設定し（Ｓ１１１）、修正が必要なアクチュエータの回転角度位置を再設定する。

修正が不要、あるいは終了した後（Ｓ１１４でＮ）、動作パタンファイルを生成して、上記記憶手段３６に記憶する（Ｓ１１５）。上記動作パタンファイルは、上記設定を行う際に、順次生成されるように構成してもよいし、コンピュータ等を用いてあらかじめ設定しておくこともできる。

その後、上述した設定工程を繰り返し行う（Ｓ１１６でＮ）。全動作パターンが設定された後（１１６でＹ）、必要に応じて、所定の動作パターンを組み合わせて連結し、あるいは、繰り返し動作を行うように設定する（Ｓ１１７）。上記工程を行うことにより、アクチュエータの一連動作が設定される。

次に、図７に基づいて、上記のように設定した動作を再現する再現駆動工程を説明する。

本実施形態では、操作手段であるコントローラ３７と、あらかじめ設定された動作ファイル読み出しプログラムと、転倒センサ４０からの信号に基づいて、上記ロボット１を作動させる。

まず、一連動作を行うグループを選択するとともに（Ｓ２０２）、このグループに行わせる一連動作を選択する（Ｓ２０３）。

上記グループと一連動作の選択が完了した後、動作を開始する（Ｓ２０５）。上記動作は、上記記憶手段３６に記憶した動作パターンを、上記回転スイッチ３１で設定した時間間隔で読み出して実行する（Ｓ２０６～Ｓ２０９）。具体的には、操作体３１ａの・～・の係止位置に対応する姿勢に、各アクチュエータを駆動する。繰り返し動作を行う場合は（Ｓ２１０でＹ）、上記動作が連続的に行われる。なお、上記繰り返し動作を行う設定は、上記操作手段３７等にあらかじめプログラムしておくように構成できる。たとえば、歩行動作を連続的に行うには、図６で示す動作を繰り返し行うようにプログラムしておけばよい。

繰り返し動作を行わない場合（Ｓ２１０でＮ）は、再度一連動作を行うグループと動作パターンを選択して、上記と同様の手順が繰り返えされる。

上記図７には、図示していないが、ロボットが転倒したような場合、転倒センサ４０から転倒信号が出力される。この転倒信号が生成された場合、一連動作の途中であっても、実行中の一連動作を中止して、あらかじめ転倒状態から起き上がる一連動作のパターンが読み出されて実行される。これにより、ロボット１の転倒状態からの復帰を自動的に行うことが可能となる。

図１０に、本願発明の第２の実施形態を示す。

この実施形態は、上述したロボット２００を、ベルトが回転させられる歩行機５０の上で歩行させることができるように構成したものである。

上記ロボット２００の背部に、制御ボックス５１を着脱可能に連結するとともに、上記制御ボックスに、上記胴部２を所定位置に保持できる保持部材２１０を連結して構成されている。

上記保持部材２１０は、３つのアーム部６ａ，６ｂ，６ｃを備え、４つの関節１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄを備えて構成されている。各関節には、上述したサーボモータから構成されるアクチュエータ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄが内蔵されている。

上記保持部材２１０は、ロボットの歩行動作に応じて生じる胴部２の前後及び上下胴を吸収して、ロボットを歩行機上で歩行させることができるように構成されている。上記保持部材２１０の動作も、一連動作として、上記制御ボックス内に設けた記憶手段に記憶されている。

上記制御ボックス５１は、上記保持部材２１０の連結部材を兼ねており、上記ロボット２００の背部から取り外して、自立歩行できるように制御することもできる。

上記構成を採用することにより、歩行操作を容易に行わせることが可能となり、初心者や、学習者にとって、容易に扱うことができる他関節ロボットを構成することができる。また、上記制御ボックス５１を取り外すことにより、自立歩行を行うように一連動作を教示し、実行することもできる。

図１１に本願発明の第３の実施形態を示す。

上記第２の実施形態では、保持部材２１０をロボットが動作する面に固定したが、図１１に示す第３の実施形態では、ロボット３００の本体２の背面に棒状の保持部材３３７の先端部を連結し、この保持部材３３７の基端側にコントローラ３５０を設けて構成している。

上記コントーラ３５０には、ロボット３００の動作設定等を行う設定ボタンや操作ボタン３５１が配置されているとともに、操作する者の手指で握持して、上記保持部材３３７を介してロボット３００の本体２を所定の位置に保持できる一対の握持部３５２，３５３が設けられている。

上記保持部材３３７の先端部は、ユニバーサルジョインイト３３６ａを介してロボットの本体背面に連結されているとともに、保持部材３３７の中間部にも第２ジョイント部３３６ｂが設けられている。上記各ジョイント部は、ロボットの本体を所定位置に保持しつつ、ロボットの動作を許容するように構成されている。

上記構成によって、ロボット３００を所望の位置に保持した状態で、ロボットに動作を行わせることが可能となる。

図１２に、本願発明の第４の実施形態を示す。

第４の実施形態では、保持手段４４７を、ロボット４００の本体背部を上方から吊るして保持できるロープ部材４４７ｂと、上記ロープ部材４４７ｂの先端が連結される弾性変形可能な竿状部材４４７ａとを備えて構成されている。上記竿状部材４４７ａの基端部には、コントローラ４５０が設けられており、上記第３の実施形態と同様にロボットを遠隔操作することができる。上記コントローラ４５０には、上記竿状部材４４７を所望の位置に保持できる一対の握持部４５２，４５３が設けられている。

また、上記構成によると、第３の実施形態の棒状部材を連結した場合に比べてロボットの動きの自由度が高い。また、自立歩行するには高度の技術が必要なため、高価なものとなるが、操作者がロボット本体を離れた位置から吊るすように保持しながら歩行等の動作を行わせることが可能となるため、自立歩行に必要な高度のセンサや、制御装置が不要になり、安価なロボットを構成することも可能となる。

図１３に、本願発明の第５の実施形態を示す。

第５の実施形態は、ロボット５００の本体２を直接操作する者の手指で握持して保持できるように構成したものである。

上記ロボット５００の本体背部には、操作ボタン５５１等を配置した操作部が設けられており、上記操作部の下部からＬ字状のハンドル部５５３を延出させている。上記構成によって、上記ハンドル部５５３を握持して、上記ロボット５００の手足等の各アーム部を駆動することができる。

上記構成によって、高度な操作技術が必要なくなり、低年令の子供にも楽しめるロボットを構成することができる。

多関節ロボットの動作を容易に設定できるとともに、複数の動作を容易に組み合わせて行わせることができる多関節ロボットにおける動作教示・再現システムを提供できる。

１ 多関節ロボット
３ａ～３ｃ 変位部材
４ａ～４ｃ 変位部材
５ａ～５ｃ 変位部材
１３ａ～１３ｃ 関節
１４ａ～１４ｃ 関節
１５ａ～１５ｃ 関節
２３ａ～２３ｃ アクチュエータ
Ａ１～Ａ６ アクチュエータ
４２ アクチュエータ選択手段
３１ 回転スイッチ
３１ａ 操作部
４３ 動作時間設定手段
Ｓ１～Ｓ６ 回転角度位置設定手段（ボリュームスイッチ）
３６ 記憶手段
４４ 駆動制御手段

Claims (21)

1. 複数の変位部材を回転可能に連結する２以上の関節を備える多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動システムであって、
   上記各関節を回転駆動させる複数のアクチュエータと、
   複数の変位部材の一連動作を連動して行う２以上のアクチュエータを選択してグループ化できるアクチュエータ選択手段と、
   操作部を所定の角度間隔で係止できる回転スイッチと、
   上記操作部の１回転を上記グループ化したアクチュエータの一連動作の所要時間に設定できるとともに、上記操作部が係止される角度間隔に対応する分割動作時間を設定できる動作時間設定手段と、
   上記操作部の各係止位置に対応した分割動作時間における上記各アクチュエータの回転角度位置（変位）を設定できる回転角度位置設定手段と、
   上記一連動作の所要時間、上記分割動作時間及び上記各分割動作時間における上記各アクチュエータの回転角度位置を含む一連動作を記憶できる動作記憶手段と、
   上記各アクチュエータを、上記操作部の各係止位置に対応した回転角度位置に、上記分割動作時間間隔で連続的に駆動させて、上記一連動作を連続的に行わせる、駆動制御手段とを備える、多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動システム。
2. 上記記憶手段は、上記回転スイッチを用いて複数種類の一連動作を設定して記憶できるように構成されており、
   上記駆動制御手段は、上記記憶手段から一の一連動作の情報を取得して、この一連動作を繰り返し行わせることができるとともに、選択した複数種類の一連動作の情報を取得してこれら複数の一連動作を連続的に行わせることができる、請求項１に記載の多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動システム。
3. 複数又は／及び同一の一連動作を連結する動作連結手段を備えるとともに、
   上記記憶手段は、上記連結された一連動作を、一つの一連動作として記憶できる、請求項１又は請求項２に記載の多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動システム。
4. 上記駆動制御手段は、異なる２以上のグループに属するアクチュエータの一連動作を並行して行わせることができる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動システム。
5. 実行中の一連動作に影響を与える外的情報又は内的情報を検知できるセンサを備え、
   上記駆動制御手段は、上記センサが検知した上記情報に基づいて、上記実行中の一連動作とは異なる一連動作を行わせる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動システム。
6. 所定の一連動作を実行中に、上記センサから所定の情報を得た場合、上記一連動作を中止し、別の一連動作を行うように構成された実行動作変更手段を備える、請求項５に記載の多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動システム。
7. 上記変位部材は、本体と、この本体に上記関節を介して連結されるアーム部材とを含むとともに、
   上記本体を所定位置に保持できる保持部材を備える、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動システム。
8. 上記保持部材は、アクチュエータによって回転駆動される２以上の関節を設けたアーム部材を備えて構成される、請求項７に記載の多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動システム。
9. 上記保持部材は、上記本体の後部から延出するとともに、手指で握持可能なハンドル部材を備えて構成される、請求項７に記載の多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動システム。
10. 上記保持部材は、先端部が上記本体の後部に角度変位可能に連結されるとともに、後方に延出する竿部材と、
    上記竿部材の基端部に設けられ、上記アクチュエータ選択手段、上記回転スイッチ、上記動作時間設定手段、上記回転角度位置設定手段、上記動作記憶手段、上記駆動制御手段のうち一以上が設けられた操作盤とを備える、請求項７に記載の多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動システム。
11. 上記保持部材は、上記本体に連結されて上方から上記本体を吊り下げ保持するロープ部材と、
    上記ロープ部材の上端部に先端部が連結されるとともに、弾性変形可能な竿部材と、
    上記竿部材の基端部に設けられ、上記アクチュエータ選択手段、上記回転スイッチ、上記動作時間設定手段、上記回転角度位置設定手段、上記動作記憶手段、上記駆動制御手段のうち一以上が設けられた操作盤とを備える、請求項７に記載の多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動システム。
12. 上記回転スイッチの操作部を各係止位置に位置させることにより、上記各係止位置に対応する位置に上記アクチュエータを駆動して、上記各分割動作時間における各アクチュエータの回転角度位置を確認できる再現試動手段を備える、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動システム。
13. 上記アクチュエータ選択手段と、動作時間設定手段及び上記回転角度位置設定手段を設けた制御ボックスが、上記本体から取り外し可能に連結されている、請求項７に記載の多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動システム。
    
    
14. 回転駆動するアクチュエータ以外の動作を行う出力手段を備え、上記回転駆動されるアクチュエータとともに、上記出力手段の設定が行われる、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動システム。
15. 複数の変位部材を回転可能に連結する２以上の関節を備えるとともに、これら関節を回転駆動させるアクチュエータを備える多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動方法であって、
    一連動作を行わせる複数のアクチュエータを選択してグループ化するアクチュエータグループ化工程と、
    上記選択した上記アクチュエータが所定の一連動作を行うための動作時間を、回転スイッチの操作部の１回転に対応させるとともに、上記操作部が所定の角度間隔で係止される回転角度位置に、上記動作時間を分割した分割動作時間を設定する動作時間設定工程と、 上記操作部を上記各係止位置に設定するとともに、上記各係止位置に対応する各アクチュエータの回転角度位置を設定して記憶させる回転角度位置教示工程と、
    上記グループ化したアクチュエータ、上記動作時間、上記分割動作時間、及び各分割動作時間における上記各アクチュエータの回転角度位置を一連動作として記憶する、動作記憶工程と、
    上記分割動作時間に対応して、上記アクチュエータを所定の回転角度位置に連続的に駆動して、上記各関節に一連動作を行わせる再現駆動工程を含む、多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動方法。
16. 上記グループ化工程において、複数のグループを設定するとともに、
    上記各グループに属する複数のアクチュエータに、上記回転スイッチを用いて上記回転角度位置教示工程を行う、請求項１５に記載の多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動方法。
17. 所定のグループに属するアクチュエータに、同一の一連動作及び／又は複数種類の一連動作を連続して行うように設定する複合動作設定工程を含む、請求項１６に記載の多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動方法。
18. 上記複数のグループに属するアクチュエータを並行して動作させる並行動作設定工程を含む、請求項１５から請求項１７のいずれか１項に記載の多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動方法。
19. 一連動作を行う所定の分割動作時間の途中において、所定の信号に基づいて、上記一連動作を中止し、別の一連動作を行う、請求項１５から請求項１８のいずれか１項に記載の多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動方法。
20. 上記所定の信号が外部情報又は内部情報に基づいて生成される、請求項１９に記載の多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動方法。
21. 上記所定の信号が、ロボットに設けたセンサ、又は操作手段によって生成される、請求項２０に記載の多関節ロボットにおける動作教示・再現駆動方法。

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