LEG TYPE MOBILE ROBOT AND EXTERIOR MODULE FOR ROBOT

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PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a robot capable of acting while receiving an external force by contacting with an obstacle or other object in the outside, and relaxing a shock caused by the contact with the object in the outside world.

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SOLUTION: Contact pressure measurable sensors are dispersedly arranged in each part in a whole-body of the leg type moving robot for judging contact state to the outside world. Furthermore, modules by using an impact absorbing member are arranged in each part of the whole-body of the robot. Each of the modules covers over each part of the robot and has a function as an exterior component for protecting it from the shock. The module is formed detachably from the robot body and may include a battery for supplying electricity to a terminal member such as a sensor.

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COPYRIGHT: (C)2001,JPO

【特許請求の範囲】
【請求項1】少なくとも下肢と体幹部と構成される脚式移動ロボットであって、少なくとも1以上の部位において接触圧を計測するためのセンサを含んだ外装モジュールを着脱自在に取り付けたことを特徴とする脚式移動ロボット。
【請求項2】前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの頭部に着脱自在に取り付けられることを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
【請求項3】前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの体幹前部及び/又は体幹後部に着脱自在に取り付けられることを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
【請求項4】前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの体幹側部に着脱自在に取り付けられることを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
【請求項5】前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの肩部に着脱自在に取り付けられることを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
【請求項6】前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの上腕表部及び/又は上腕裏部に着脱自在に取り付けられることを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
【請求項7】前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの前腕表部及び/又は前腕裏部に着脱自在に取り付けられることを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
【請求項8】前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの大腿表部及び/又は大腿裏部に着脱自在に取り付けられることを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
【請求項9】前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの下腿表部及び/又は下腿裏部に着脱自在に取り付けられることを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
【請求項10】前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの臀部に着脱自在に取り付けられることを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
【請求項11】前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの手部に着脱自在に取り付けられることを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
【請求項12】さらに、前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの該当部位と係合するための係合手段を具備することを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
【請求項13】前記外装モジュールは、該モジュールの形状を維持するためのベース層と、外界から印加される接触圧を検出するセンサ層と、外界から印加される接触圧や衝撃を前記センサ層に伝播する緩衝層とを具備することを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
【請求項14】前記センサ層は、前記ベース層上に分散配置された複数のセンサ素子で構成されることを特徴とする請求項13に記載の脚式移動ロボット。
【請求項15】前記センサ層は、前記ベース層上に敷設されたシート状圧力センサで構成されることを特徴とする請求項13に記載の脚式移動ロボット。
【請求項16】前記外装モジュールは、さらに、前記センサ層におけるセンサ出力をデジタル信号に変換するAD変換器及び/又は該変換されたデジタル信号を処理するマイクロプロセッサなどの回路コンポーネントを実装した回路層を含むことを特徴とする請求項13に記載の脚式移動ロボット。
【請求項17】さらに、前記各外装モジュールのセンサ出力を基に外界から印加される接触圧に関する情報を一元的若しくは集中的に管理する外界接触判断部を具備することを特徴とする請求項13に記載の脚式移動ロボット。
【請求項18】少なくとも下肢と体幹部と構成される脚式移動ロボットであって、
前記下肢及び/又は前記体幹部の運動を実現する、電力によって稼動可能な駆動部と、
前記駆動部の動作を制御する、電力によって稼動可能な演算・制御部と、
前記駆動部及び/又は前記演算・制御部に電力を供給する第1の電源部と、
少なくとも1以上の部位において着脱自在に取り付けられた、第2の電源部を含む外装モジュールと、を具備することを特徴とする脚式移動ロボット。
【請求項19】さらに、接触圧などを計測するためのセンサが少なくとも1以上の部位に設置され、該センサは前記第2の電源部から給電されることを特徴とする請求項18に記載の脚式移動ロボット。
【請求項20】さらに、前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの該当部位と係合するための係合手段を具備することを特徴とする請求項18に記載の脚式移動ロボット。
【請求項21】前記外装モジュールは、該モジュールの形状を維持するためのベース層と、前記第2の電源部を搭載する電力層と、外界から前記電力層を被覆する被覆層とを具備することを特徴とする請求項18に記載の脚式移動ロボット。
【請求項22】前記第2の電源部は着脱自在なバッテリ・パックで構成され、前記ベース層は該バッテリ・パックと電気結合する端子を含むことを特徴とする請求項21に記載の脚式移動ロボット。
【請求項23】前記第2の電源部は充電再利用可能な2次電池で構成されることを特徴とする請求項18に記載の脚式移動ロボット。
【請求項24】ロボットに対して着脱自在に取り付けられる外装モジュールであって、
該モジュールの形状を維持するためのベース層と、
外界から印加される接触圧を検出するセンサ層と、
外界から印加される接触圧や衝撃を前記センサ層に伝播する緩衝層と、
ロボットの該当部位と係合するための係合手段と、を具備することを特徴とするロボットのための外装モジュール。
【請求項25】前記センサ層は、前記ベース層上に分散配置された複数のセンサ素子で構成されることを特徴とする請求項24に記載のロボットのための外装モジュール。
【請求項26】前記センサ層は、前記ベース層上に敷設されたシート状圧力センサで構成されることを特徴とする請求項24に記載のロボットのための外装モジュール。
【請求項27】さらに、前記センサ層におけるセンサ出力をデジタル信号に変換するAD変換器及び/又は該変換されたデジタル信号を処理するマイクロプロセッサなどの回路コンポーネントを実装した回路層を含むことを特徴とする請求項24に記載のロボットのための外装モジュール。
【請求項28】ロボットに対して着脱自在に取り付けられる外装モジュールであって、
該モジュールの形状を維持するためのベース層と、
電力を供給するための電源部を搭載する電力層と、
外界から前記電力層を被覆する被覆層と、
ロボットの該当部位と係合するための係合手段と、を具備することを特徴とするロボットのための外装モジュール。
【請求項29】前記電力層は着脱自在なバッテリ・パックで構成され、前記ベース層は該バッテリ・パックと電気結合する端子を含むことを特徴とする請求項28に記載のロボットのための外装モジュール。
【請求項30】前記電力層は充電再利用可能な2次電池で構成されることを特徴とする請求項28に記載のロボットのための外装モジュール。

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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た脚式移動型ロボットに関する。
【0002】更に詳しくは、本発明は、人間の住空間・生活環境内で様々な外力を受けながら自律的若しくは半自律的に行動することができる脚式移動型ロボットに係り、特に、障害物その他の外部の物体と接触して外力を受けながら行動したり、外界の物体との接触に伴なう衝撃を緩和す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】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人的作業を代行したり、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幅広いサービスを提供することができる。なかでも脚式の移動ロボットは、クローラ式やタイヤ式の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、階段や梯子の昇降や障害物の乗り越えや、整地・不整地の区別を問わない柔軟な歩行・走行動作を実現できるという点で優れている。
【0005】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、ヒトのような2足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた「人間形」若しくは「人間型」のロボット(humanoid  robot)など、脚式移動ロボット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。
【0006】人間形若しくは人間型と呼ばれる脚式移動ロボットを研究・開発する意義を、例えば以下の2つの視点から把握することができよう。
【0007】1つは、人間科学的な視点である。すなわち、人間の下肢及び/又は上肢に似た構造のロボットを作り、その制御方法を考案して、人間の歩行動作をシミュレートするというプロセスを通じて、歩行を始めとする人間の自然な動作のメカニズムを工学的に解明することができる。このような研究成果は、人間工学、リハビリテーション工学、あるいはスポーツ科学など、人間の運動メカニズムを扱う他のさまざまな研究分野の進展に大いに還元することができるであろう。
【0008】もう1つは、人間のパートナーとして生活を支援する、すなわち住環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動の支援を行う実用ロボットの開発である。この種のロボットは、人間の生活環境のさまざまな局面において、人間から教わりながら個々に個性の相違する人間又は環境への適応方法を学習し、機能面でさらに成長していく必要がある。このとき、ロボットが「人間形」すなわち人間と同じ形又は同じ構造をしている方が、人間とロボットとのスムースなコミュニケーションを行う上で有効に機能するものと考えられる。
【0009】例えば、踏んではならない障害物を避けながら部屋を通り抜ける方法を実地においてロボットに教示するような場合、クローラ式や4足式ロボットのように教える相手が自分と全く違う構造をしているよりも、同じような格好をしている2足歩行ロボットの方が、ユーザ(作業員)ははるかに教え易く、またロボットにとっても教わり易い筈である(例えば、高西著「2足歩行ロボットのコントロール」(自動車技術会関東支部 No.25,1996APRIL)を参照のこと)。
【0010】人間の作業空間や居住空間のほとんどは、2足による直立歩行という人間が持つ身体メカニズムや行動様式に合わせて形成されている。言い換えれば、人間の住空間は、車輪その他の駆動装置を移動手段とした現状の機械システムが移動するのにはあまりに多くの障壁が存在する。機械システムすなわちロボットが様々な人的作業を支援又は代行し、さらに人間の住空間に深く浸透していくためには、ロボットの移動可能範囲が人間のそれとほぼ同じであることが好ましい。これが、脚式移動ロボットの実用化が大いに期待されている所以でもある。人間型の形態を有していることは、ロボットが人間の住環境との親和性を高める上で必須であると言える。
【0011】人間型ロボットを、産業活動・生産活動等における各種作業の代行に適用することができる。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、火災現場その他における救助といったような、人間が容易に踏み込むことができない現場での危険作業・難作業の代行である。
【0012】また、人間型ロボットの他の用途として、人間と居住空間を同一にする「共生」若しく「エンターティンメント」と呼ばれるものが挙げられる。この種の用途では、ロボットは、作業代行などの生活支援というよりも、生活密着という性格が濃厚である。
【0013】エンターティンメント指向のロボットは、産業上の特定用途を高速・高精度に実現することよりも、作業期間中に実行する動作パターンそのものが研究・開発上の主題となる。すなわち、ヒトやサルなどの2足の直立歩行を行う動物が本来持つ全身協調型の動作メカニズムを忠実に再現し、その自然に円滑な動作を実現することが好ましいとされる。また、ヒトやサルなどの知性の高い直立動物をエミュレートする以上、四肢を用いた動作パターンが生体として自然であり、且つ、動作が持つ表現力がより豊かであることが望ましい。
【0014】さらに、エンターティンメント型のロボットは、予め入力された動作パターンを単に忠実に実行するだけではなく、相手の言葉や態度(「褒める」とか「叱る」、「叩く」など)に呼応した、生き生きとした動作表現を実現することも要求される。この意味において、ヒトを模したエンターティンメント指向の人間型ロボットは、まさに「人間型」のロボットと呼ぶに相応しい。
【0015】ところで、2足歩行の人間型ロボットが作業空間上で行動する場合には、クローラ式や4足歩行など他の携帯のロボットに比し、自由度が著しく多い。このため、2足で直立不動の状態、横たわっている状態、椅子に座っている状態など、種々の状態や姿勢において、外界とロボット表面との接触部位は様々である。言い換えれば、作業を行う各場面において、人間型ロボットが外界との接触状況を詳細に判断しなければならない事態が発生し得る。さらに、制御の意に反してバランスを崩して転倒する場合や、障害物その他の外界の物体に接触する際に発生する衝撃を緩和する必要もある。
【0016】外界から加わる衝撃や接触圧を計測するためのセンサを搭載したロボットに関しては、既に数多の提案や研究・開発事例がある。しかしながら、従来のオン/オフ式の接触センサでは、正確な接触圧が不明であるため、柔らかいものに接触した場合などには、どの位置で接触したかを正確に判断することはできない。また、硬いものに接触している場合であっても、オン/オフ式の情報のみでは、どの程度の力で接触しているのか正確に判断することができない。
【0017】また、従来の単独接触圧センサの場合では、接触圧のみの情報しかセンサ出力されないので、ロボット本体の各部位の接触面積情報を得ることができない。
【0018】また、従来の接触圧測定機能のみで構成されるセンサ・モジュールの場合、ロボットが転倒したり外界の物体と衝突するなどして強い衝撃を受けてもこれを緩和することができない。この結果、センサ出力に影響を与えたり、さらにはロボット自体の制御安定性を損ねる原因にもなる。
【0019】また、ロボット全身の各部位に分散して配設された各々のセンサ・モジュールが、固定的に取り付けられてその取り外しが利かない場合、センサ・モジュールの内部機構へのアクセスが困難となるので、メンテナンス性の低下を引き起こす要因になる。
【0020】また、ロボット全身の各部位に分散して配設された各々のセンサ部品のほとんどは、電気的に微弱な信号を検出するタイプのセンサで構成される。このようなセンサに給電する電源を、関節アクチュエータやアクチュエータの駆動制御を行う制御ユニットなどと共有した場合、動作開始や停止などに伴って発生する電源ノイズにより、正確なセンサ情報を検出できない可能性がある。
【0021】センサへの電源を他の電気・電子部品の電源と共用するためには、ノイズを低減するためのインダクタ・コンデンサなどの部品で構成された回路を装備する必要がある。このため、ロボットの制御装置がさらに大規模化し、設計が難しくなるとともに製造コストが増大する。
【0022】そもそも、外界の状況を検出するためのセンサは、その機能を充分有効に導き出すためには、装置上への取り付け場所はかなり限定される(例えば、四肢を含む脚式移動ロボットであれば、手先や足先などの末端部分)。したがって、単一の供給電源に統一して電力系統を構成してしまうと、センサ・モジュールへの電力線の総配線長が長くなり、さらにノイズの影響を受け易くなってしまう。また、配線長が長くなる分だけ、配線設計が複雑化し、ロボット全体の構造に対して制約を与えかねない。
【0023】例えば、センサ・モジュールをバッテリ駆動式とし、他の電気・電子部品用の電源と切り離すことにより、ノイズの問題は解消されるであろう。しかしながら、従来一般的に使用されている電池セルの形状は限定的であるため、ロボットの構造や形状、外観上のデザインなどの変更を要するなど、制約が多い。
【0024】従来、バッテリ・セルは円筒形のものが主流であった。このため、複数本のバッテリ・セルからなるバッテリ・パックを構成する場合には、薄型、軽量を実現することは困難であり、必然的に直方体などの厚みのある構造体となってしまう。この結果、バッテリ・パックの配置場所によっては、ロボットの全体の重量バランスが崩れ、姿勢安定制御を難しくする危険性がある。
【0025】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、人間の住空間・住環境内で様々な外力を受けながら行動することができる、優れた脚式移動型ロボットを提供することにある。
【0026】本発明の更なる目的は、障害物その他の外部の物体と接触して外力を受けながら自律的若しくは半自律的に行動したり、外界の物体との接触に伴なう衝撃を緩和することができる、優れた脚式移動型ロボットを提供することにある。
【0027】本発明の更なる目的は、外界の状況を検出するために各部位に分散して配置されたセンサを有する、優れた脚式移動型ロボットを提供することにある。
【0028】本発明の更なる目的は、外界の状況を検出するために各部位に分散して配置されたセンサに対して好適に電力を供給し、且つ、ノイズの影響を受けることのない正確なセンサ出力を得ることができる、優れた脚式移動型ロボットを提供することにある。
【0029】
【課題を解決するための手段】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、少なくとも下肢と体幹部と構成される脚式移動ロボットであって、少なくとも1以上の部位において接触圧を計測するためのセンサを含んだ外装モジュールを着脱自在に取り付けたことを特徴とする脚式移動ロボットである。
【0030】前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの頭部に着脱自在に取り付けられていてもよい。
【0031】また、前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの体幹前部及び/又は体幹後部に着脱自在に取り付けられていてもよい。あるいは、脚式移動ロボットの体幹部は、体幹前部、体幹後部、及び体幹の左右各側部に分割して、それぞれの部位に対して着脱自在な外装モジュールを構成するようにしてもよい。
【0032】また、前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの肩部に着脱自在に取り付けられていてもよい。
【0033】また、前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの上腕表部及び/又は上腕裏部に着脱自在に取り付けられていてもよい。
【0034】また、前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの前腕表部及び/又は前腕裏部に着脱自在に取り付けられていてもよい。
【0035】また、前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの大腿表部及び/又は大腿裏部に着脱自在に取り付けられていてもよい。
【0036】また、前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの下腿表部及び/又は下腿裏部に着脱自在に取り付けられていてもよい。
【0037】また、前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの臀部に着脱自在に取り付けられていてもよい。
【0038】また、前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの左右それぞれの手部に着脱自在に取り付けられていてもよい。
【0039】また、前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの該当部位と係合するための係合手段を備えていてもよい。
【0040】前記外装モジュールは、例えば、該モジュールの形状を維持するためのベース層と、外界から印加される接触圧を検出するセンサ層と、外界から印加される接触圧や衝撃を前記センサ層に伝播する緩衝層とで構成することかできる。
【0041】また、前記センサ層は、前記ベース層上に分散配置された複数のセンサ素子で構成することができる。あるいは、前記センサ層は、前記ベース層上に敷設されたシート状圧力センサで構成することもできる。
【0042】また、前記外装モジュールは、所定の配線パターンを有する印刷配線基板で構成される回路層を含んでもよい。この回路層上には、例えば、前記センサ層におけるセンサ出力をデジタル信号に変換するAD変換器や、該変換されたデジタル信号を処理するマイクロプロセッサなどの回路コンポーネントを実装することができる。
【0043】また、前記脚式移動ロボットは、さらに、前記各外装モジュールのセンサ出力を基に外界から印加される接触圧に関する情報を一元的若しくは集中的に管理する外界接触判断部を備えていてもよい。この外界接触判断部は、例えば、脚式移動ロボット全身の運動を統括的に制御する中央制御系において実装される。
【0044】このような外界接触判断部は、現在、脚式移動ロボットのどの部位においてどの程度の接触圧が印加されているかを集中管理したり、さらに、各部における接触圧データを解析して、接触中の物体の容積や質量、硬さや材質などを推測したり、物体そのものを特定したりすることができる。
【0045】また、本発明の第2の側面は、少なくとも下肢と体幹部と構成される脚式移動ロボットであって、前記下肢及び/又は前記体幹部の運動を実現する、電力によって稼動可能な駆動部と、前記駆動部の動作を制御する、電力によって稼動可能な演算・制御部と、前記駆動部及び/又は前記演算・制御部に電力を供給する第1の電源部と、少なくとも1以上の部位において着脱自在に取り付けられた、第2の電源部を含む外装モジュールと、を具備することを特徴とする脚式移動ロボットである。
【0046】本発明の第2の側面に係る脚式移動ロボットは、接触圧などを計測するためのセンサが少なくとも1以上の部位に設置されていてもよい。このような場合、該センサは前記第2の電源部から給電することによって、第1の電源部において発生するノイズの影響を排除することができる。
【0047】また、前記外装モジュールは、前記脚式移動ロボットの該当部位と係合するための係合手段を備えていてもよい。
【0048】このような外装モジュールは、該モジュールの形状を維持するためのベース層と、前記第2の電源部を搭載する電力層と、外界から前記電力層を被覆する被覆層とで構成することができる。
【0049】また、前記第2の電源部を着脱自在なバッテリ・パックとして構成することができる。このような場合、前記ベース層上に、該バッテリ・パックと電気結合する端子を配設することが好ましい。
【0050】また、前記第2の電源部を充電再利用可能な2次電池で構成してもよい。2次電池の一例は、ゲル状ポリマー電解質を利用…