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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、生体のメカニズムや動作をモデル化して構成されるリアリスティックなロボットに係り、特に、ヒトやサルなどの脚式移動型動物の身体メカニズムをモデル化して構成される脚式移動型ロボットに関する。
【0002】更に詳しくは、本発明は、モデルとなった動物のメカニズムを真似た自然な跳び上がり動作を行う脚式移動型ロボットに係り、特に、任意の時間に最小のエネルギーで比較的容易に跳び上がることができる脚式移動型ロボットに関する。
【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(industrial robot)であった。
【0004】最近では、イヌやネコのように4足歩行の動物の身体メカニズムやその動作を模したペット型ロボット、あるいは、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「人間形」若しくは「人間型」のロボットなど、脚式移動ロボットやその安定歩行制御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。これら脚式移動ロボットは、クローラ式ロボットに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、階段の昇降や障害物の乗り越え等、柔軟な歩行・走行動作を実現できるという点で優れている。
【0005】アーム式ロボットのように、ある特定の場所に植設して用いるような据置きタイプのロボットは、部品の組立・選別作業など固定的・局所的な作業空間でのみ活動する。これに対し、移動式のロボットは、作業空間は非限定的であり、所定の経路上または無経路上を自在に移動して、所定の若しくは任意の作業を代行したり、ヒトやイヌあるいはその他の生命体に置き換わる種々のサービスを提供することができる。
【0006】また、「人間形」若しくは「人間型」と呼ばれる移動ロボット(humanoid Robot)は、人間の住環境下で人間と共存し、産業活動や生産活動等における各種の単純作業や危険作業、難作業の代行を行うことができる。例えば、原子力発電プラントや火力発電プラント、石油化学プラントにおけるメンテナンス作業、製造工場における部品の搬送・組立作業、高層ビルにおける清掃作業、火災現場その他における救助活動といったように、さまざま場面において活躍の場が見出されている。人間型ロボットは、2足歩行により障害物を好適に乗り越えたり迂回しながら、所望の現場まで自律的に移動して、指示された作業を忠実に遂行することができる。
【0007】また、イヌやネコなどの愛玩動物を模したエンターティンメント向けの移動ロボット、すなわちペット型ロボットの場合、難作業の代行などの生活支援というよりも、生活密着型、すなわち人間との「共生」という性質が強い。ペット型ロボットは、実際の動物を扱うよりも手軽であるだけでなく、従来の玩具に比し、高機能・高付加価値を有する。
【0008】従来の玩具機械は、ユーザ操作と応答動作との関係が固定的であり、玩具の動作をユーザの好みに合わせて変更することはできない。この結果、ユーザは同じ動作しか繰り返さない玩具をやがては飽きてしまうことになる。これに対し、ペット型ロボットは、動作生成の時系列モデルに従って知的な動作を実行する。この際、ユーザ操作などの外部からの刺激を検出したことに応答してこの時系列モデルを変更する、すなわち「学習効果」を付与することによって、ユーザにとって飽きない又は好みに適応した動作パターンを提供することができる。
【0009】この種のペット型ロボットは、飼い主としてのユーザによる「褒める」、「遊んであげる(可愛がる)」、「撫でる」、あるいは「叱る」、「叩く」などのユーザ入力に対して動的に反応して、「喜ぶ」、「甘える」、「すねる」、「叱る」、「吠える」、「尻尾を振る」などの感情的動作を実行するようにプログラムすることによって、育成シミュレーションを享受することができる。また、ペット型ロボットは、一般家庭内の部屋などを作業空間として、2足又は4足歩行により、障害物を好適に乗り越えたり迂回しながら、無経路上を自由且つ自動的に自律的に探索することができる。
【0010】このような脚式移動ロボットは、他の形式のロボットに比し移動自由度が高く、優れた運動性能を備えている。したがって、脚式移動ロボットを単に歩行による前進動作だけでなく、床面上を走ったり、さらには跳び上がるなどの自律的な空中動作を行わせることも、関節自由度の観点からは充分可能である。跳び上がり動作が実現すれば、ロボットの動作表現力がさらに増すであろう。また、脚式移動ロボットをサッカーその他のスポーツに適用する場合には、跳び上がり動作は必須の運動パターンの1つでさえある。
【0011】しかしながら、直立姿勢においていきなり跳び上がるためには、脚式ロボットは特に膝関節など脚部において強力なアクチュエータを搭載して、重力に充分打ち勝つことができる鉛直方向の初速を与える必要がある。
【0012】強力なアクチュエータをロボット本体に搭載することは、製造コストや総重量の増大を招来する。また、アクチュエータが高出力である分だけ消費電力が大きくなるので、バッテリ駆動時間が短縮されるなど実用性に欠く結果となる。
【0013】また、米マサチューセッツ工科大学レッグ・ラボラトリでは、関節アクチュエータの駆動に頼らず、バネなどの弾性体の共振作用を利用して比較的小さな力を用いて鉛直方向の大きな力を発生させるための研究開発もなされている。バネの弾性力を利用して跳び上がるためには、概ね以下のような手順を実行する必要がある。すなわち、
【0014】(1)自身の力(アクチュエータの駆動)で僅かな高さだけ跳び上がる。
(2)落下した時の運動エネルギを弾性エネルギとして一時蓄える。
(3)弾性エネルギと自身の力とを併せて、前回よりも高く跳び上がる。
(4)上記の動作を繰り返すことで、跳び上がる高さを徐々に増していき、必要な高さを導出する。
【0015】しかしながら、このような方法に頼った場合、ロボットが必要な高さまで跳び上がるには、弾性体の複数周期にまたがる振動運動を繰り返す必要があり、処理時間を要する。
【0016】また、人間型ロボットやペット型ロボットの場合には、モデルとなった動物らしく自然な振る舞うことが重要な要素である。これに対し、上記のような度重なる振動運動を経た跳び上がり動作は生体メカニズムとは大きな隔たりがあると言わざるを得ない。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ヒトやサルなどの脚式移動型動物の身体メカニズムをモデル化して構成される、優れた脚式移動型ロボットを提供することにある。
【0018】本発明の更なる目的は、モデルとなった動物のメカニズムを真似た自然な跳び上がり動作を行うことができる、優れた脚式移動型ロボットを提供することにある。
【0019】本発明の更なる目的は、任意の時間に最小のエネルギーで比較的容易に跳び上がることができる、優れた脚式移動型ロボットを提供することにある。
【0020】
【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、その第1の側面は、少なくとも胴体と、該胴体の略下端にて連結された2以上の脚部を有する脚式ロボットにおいて、(a)前記脚部を用いて第1の方向の運動を実現する第1の手段と、(b)前記第1の手段によって生成された運動エネルギを他の形態のエネルギに変換して一時的に蓄積する第2の手段と、(c)前記第2の手段に蓄積されたエネルギを前記第1の方向とは異なる第2の方向の運動に変えて放出する第3の手段と、を具備することを特徴とする脚式ロボットである。
【0021】ここで、前記第1の方向は例えば水平方向であり、また、前記第2の方向は垂直方向である。
【0022】また、前記脚部の各々は、大腿部と、前記胴体の略下端にて少なくともピッチ軸方向に回動可能に大腿部を連結する股関節と、下腿部と、大腿部と下腿部とを少なくともピッチ軸方向に回動可能に連結する膝関節と、下腿部の略下端に連結された足平とを具備してもよい。
【0023】このような場合、前記下腿部は、前記第1の手段によって生成された運動エネルギを弾性エネルギに変換して一時的に蓄積することができる弾性体として構成することができる。かかる弾性体は、前記第2の手段として作用することができる。
【0024】あるいは、前記大腿部は、前記第1の手段によって生成された運動エネルギを弾性エネルギに変換して一時的に蓄積することができる弾性体として構成することができる。かかる弾性体は、前記第2の手段として作用することができる。
【0025】あるいは、前記膝関節のピッチ軸方向に沿って伸縮可能な弾性体を、前記第2の手段として前記大腿部と前記下腿部の間に連結することができる。かかる弾性体は、前記第1の手段によって生成された運動エネルギを弾性エネルギとして一時的に蓄積することができ、前記第2の手段として作用することができる。
【0026】また、前記第2の手段は、所定の弾性定数を有する弾性体であってもよい。このような場合、第2の手段は、前記第1の手段によって生成された運動エネルギを弾性エネルギに変換して一時的に蓄積することができる。
【0027】弾性体としての第2の手段は、所定の周期で伸縮を繰り返すことができる。このような場合には、前記第3の手段は、前記第2の手段において蓄積した運動エネルギを放出し終えるまでの期間内に前記第2の方向に切り替えるすることによって、脚式ロボットの運動方向を第1の方向から第2の方向に効率的に転換させることができる。但し、第1の方向から第2の方向への転換は瞬時に完了する必要はなく、弾性エネルギの放出と同時に進行してもよい。
【0028】本発明の第1の側面に係る脚式ロボットは、所定の速度以上で水平方向に歩行又は走行し、次いで水平運動を急停止させて、運動エネルギを弾性エネルギなど他の形態のエネルギとして一時的に蓄積し、さらに、向きを垂直方向に変えて弾性エネルギを運動エネルギとして放出することによって、跳び上がることができる。すなわち、脚式ロボットが初期に持つ水平方向の運動を垂直方向の運動に効率的に変換して、より高くジャンプすることができる訳である。
【0029】したがって、任意の時間に最小のエネルギーで比較的容易に跳び上がることができる。
【0030】また、脚式ロボットにおけるこのような跳び上がり動作は、水平方向に助走してから跳び上がるするという、2足歩行の人間、あるいは4足歩行の犬の基本動作に喩えることができる。したがって、脚式ロボットがエンターティンメント向けのロボットであるような場合には、モデルとなった生体の自然な動作メカニズムを実現することによって、より娯楽性が向上する。
【0031】また、本発明の第2の側面は、少なくとも胴体と、該胴体の略下端にて連結された2以上の脚部を有する脚式ロボットのための動作制御方法において、(a)前記脚部を用いて第1の方向の運動を実現する第1のステップと、(b)前記第1の手段によって生成された運動エネルギを他の形態のエネルギに変換して一時的に蓄積する第2のステップと、(c)前記第2の手段に蓄積されたエネルギを前記第1の方向とは異なる第2の方向の運動に変えて放出する第3のステップと、を具備することを特徴とする脚式ロボットの動作制御方法である。
【0032】ここで、前記第1の方向とは例えば水平方向であり、また、前記第2の方向は垂直方向である。
【0033】また、前記脚部の各々は、大腿部と、前記胴体の略下端にて少なくともピッチ軸方向に回動可能に大腿部を連結する股関節と、下腿部と、大腿部と下腿部とを少なくともピッチ軸方向に回動可能に連結する膝関節と、下腿部の略下端に連結された足平とを具備してもよい。
【0034】このような場合、前記下腿部は、前記第1のステップによって生成された運動エネルギを弾性エネルギに変換して一時的に蓄積することができる弾性体として構成することができる。かかる弾性体の弾性作用により、前記第2のステップを構成することができる。
【0035】あるいは、前記大腿部は、前記第1のステップによって生成された運動エネルギを弾性エネルギに変換して一時的に蓄積することができる弾性体として構成することができる。かかる弾性体の弾性作用により、前記第2のステップを構成することができる。
【0036】あるいは、前記膝関節のピッチ軸方向に沿って伸縮可能な弾性体を前記大腿部と前記下腿部の間に連結することができる。かかる弾性体は、前記第1のステップによって生成された運動エネルギを弾性エネルギとして一時的に蓄積することができ、この弾性作用を用いることで前記第2のステップを構成することができる。
【0037】また、前記第2のステップでは、所定の弾性定数を有する弾性体を用いて、前記第1のステップによって生成された運動エネルギを弾性エネルギに変換して一時的に蓄積するようにしてもよい。
【0038】弾性体は、通常、所定の周期で伸縮することができる。したがって、前記第2のステップにおいて弾性体を適用することにより、前記第3のステップでは、前記第2のステップにおいて蓄積した運動エネルギを放出し終えるまでの期間内に前記第2の方向に切り替えることによって、脚式ロボットの運動方向を第1の方向から第2の方向に効率的に転換させることができる。但し、第1の方向から第2の方向への転換は瞬時に完了する必要はなく、弾性エネルギの放出と同時に進行してもよい。
【0039】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例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。
【0040】
【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例を詳解する。
【0041】図1には、本発明の実現に供される脚式ロボット1の構成を模式的に示している。同図に示すように、脚式ロボット1は、左右2本の脚部10A及び10Bが、胴体部20の略下端に配設された左右の股関節21A及び21Bにて動作可能に連結された構造体である。当業界において既に周知のように、左右それぞれの脚部10A及び10Bは、交互に立脚又は遊脚となる動作を繰り返すことによって、いわゆる「歩行」や「走行」などの脚式移動を実現することができる。
【0042】左右の脚部10A及び10Bは、それぞれ、大腿部11A,11Bと、膝関節12A,12Bと、下腿部13A,13Bと、足平14A,14Bとで構成される。股関節21及び膝関節12の各々は、少なくともピッチ軸方向(すなわち脚式ロボット1の進行方向に直交する方向)の関節自由度をそれぞれ備えているものとする。
【0043】以下では、説明の便宜上、左右の足平14A及び14Bの各足底は着床面に対して大きな摩擦係数μを有し、脚式ロボット1の移動中において足底は着床面に対して滑らないものと仮定する。
【0044】図1に示す例では、左右それぞれの下腿部13A,13Bは、弾性体としてのバネ15A,15Bで構成されている。各バネ15A,15Bは、ともに弾性係数kを有しており、脚式ロボット1が持つ運動エネルギを、弾性エネルギとして一時蓄積することができる(後述)。但し、バネ15A,15Bは、各足先と膝関節12A,12Bを結ぶ直線上を真っ直ぐに伸縮し、それ以外の方向に折れ曲がることはないものと仮定する。
【0045】なお、図1には示していないが、左右の下腿部13A,13Bと足平14A,14Bとは、足首関節で連結されていてもよい。また、図1には示していないが、胴体部20には、左右の腕部や頭部などが搭載されていてもよい。
【0046】また、本発明を実施する上で、脚式ロボット1は図1に示すような2足歩行型のロボットには限定されず、4足あるいは6足の脚式ロボットであってもよい。例えば4足の脚式ロボットの場合、図2に示すように、左右の脚部で構成される2個のユニットを体幹部で連結することにより、各ユニットを前足及び後足として機能させることができる。体幹部は、ロール、ピッチ、ヨーの各軸まわりの自由度を備えていてもよい。
【0047】次いで、脚式ロボット1が歩行若しくは走行などにより水平方向に移動する最中に印加される力について、図3を参…
