JP4111134B2 - 搭乗型ロボット - Google Patents

Description

本発明は、搭乗型ロボットに関するものである。詳しくは、搭乗型ロボットの搭乗部の姿勢を制御する技術に関するものである。

人が搭乗する搭乗部を有するとともに、脚リンクで歩行する搭乗型ロボットが知られている（例えば、特許文献１）（以下、「搭乗型ロボット」を「ロボット」と記載する）。

特開平６−２８６６７７号公報

ロボットが脚リンクを用いて歩行すると、搭乗部の姿勢が変化してしまい乗り心地が悪い。また、ロボットは、つま先を地面の突起に引っ掛けたり、他の物体と接触したりして転倒することがある。ロボットが転倒すると、搭乗部の姿勢が変化してしまう。
本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、搭乗部の姿勢を一定に維持することが可能なロボットを提供することを課題とする。

本発明のロボットは、人が搭乗する搭乗部と複数の関節と各関節を駆動する歩行用アクチュエータを有する脚リンクの一対を有するとともに一対の脚リンクで歩行する。そして、ロボットの進行方向軸回りの搭乗部の姿勢を変えるロール軸アクチュエータと、ロボットの側方軸回りの搭乗部の姿勢を変えるピッチ軸アクチュエータと、進行方向軸回りと側方軸回りの搭乗部の姿勢を検出する手段と、ロボットが転倒したか否かを検出する手段と、コントローラを備えている。前記のロール軸アクチュエータとピッチ軸アクチュエータは、脚リンクに設けられている足首関節アクチュエータと膝関節アクチュエータと股関節アクチュエータからなる歩行用アクチュエータの少なくとも一つを利用している。コントローラは、転倒検出手段で前後方向の転倒が検出された以降に、
（１）姿勢検出手段で検出される進行方向軸回りと側方軸回りの搭乗部の姿勢が水平に維持されるようにロール軸アクチュエータとピッチ軸アクチュエータを制御するとともに、（２）足首関節アクチュエータを駆動して、下腿リンクをその搭乗部側の端部が上方へ向かって回転する方向に足首の関節を回動させるとともに、膝関節アクチュエータを駆動して上腿リンクをその搭乗部側の端部が上方へ向かって回転する方向に膝の関節を回動させることによって搭乗部の落下速度を遅くする。
このロボットによれば、転倒検出手段で転倒が検出された以降に、コントローラがロール軸アクチュエータとピッチ軸アクチュエータを制御して、搭乗部の姿勢を水平に維持することができる。また、搭乗部の落下速度を遅くすることによって、搭乗部の着地ショックを小さくすることができる。

上記のロボットにおいて、前記のロール軸アクチュエータとピッチ軸アクチュエータが、歩行用アクチュエータと別に付加されていてもよい。

後述する実施例の主要な特徴を記載する。
（１）ロボットは、右脚と左脚からなる脚部と、脚部の上に設けられた搭乗部を備えている。右脚と左脚は、股関節と、股関節に接続された上腿と、上腿に膝関節で接続された下腿と、下腿に足首関節で接続された足先を有している。
（２）搭乗部には、コントローラと、搭乗部の姿勢を検出するジャイロが装着されている。コントローラは、ジャイロから入力される姿勢信号を処理して、ロボットが転倒中に、搭乗部が水平な姿勢を維持するように、右脚と左脚の関節角度を制御する。転倒中に水平な姿勢に維持された搭乗部は、そのままの姿勢で着地する。
（３）コントローラは、ロボットが正常に歩行しているときに、搭乗部の姿勢を水平に維持することもできる。搭乗部の姿勢が水平に維持されると、歩行にともなって搭乗者が揺すられなくなるので、乗り心地が良くなる。

本発明のロボット１０に係る一実施例について、図面を参照しながら説明する。
図１、図２に示されているように、搭乗型のロボット１０は、脚部１２と、脚部１２の上に設けられた搭乗部１００を備えている。搭乗部１００には、搭乗者７５が搭乗する。なお、図２では、搭乗者７５の図示が省略されている。また、図１、図２では、説明の便宜上、ｘ、ｙ、ｚの３軸からなる座標系を設定している。ｘ軸はロボット１０の前後方向に延びている。ｙ軸はロボット１０の左右方向に延びている。ｚ軸はロボット１０の上下方向に延びている。

脚部１２は、右脚１４と左脚１５から構成されている。右脚１４は、右股関節１６、右上腿１８、右膝関節２０、右下腿２２、右足首関節２４、右足先２６を備えている。
図３、図４に良く示されているように、右股関節１６は、股ヨーク２８、股クロスシャフト３０、股ｘ軸回り駆動機構３２、股ｙ軸回り駆動機構３３、股ｚ軸回り駆動機構３４等を備えている。股ヨーク２８は、下方に向かって開いた略コ字状に形成されている。図４に良く示されているように、股クロスシャフト３０は、十字状に形成されている。股ヨーク２８と右上腿１８は、股クロスシャフト３０を介して接続されている。右上腿１８は、２枚の板状の部材で構成されている。股クロスシャフト３０は、股ヨーク２８と右上腿１８に対して回転することができる。従って、右上腿１８は、股ヨーク２８に対して、ｘ軸回りとｙ軸回りの角度が可変である。

股ｘ軸回り駆動機構は３２は、股ｘ軸モータ４０、股ｘ軸モータ側プーリ３８、股関節側ｘ軸プーリ４３、ベルト３９を備えている。股ｘ軸モータ４０は、ヨーク２８に固定されている。股ｘ軸モータ側プーリ３８は、股ｘ軸モータ４０の駆動軸４０ａに取付けられている。股関節側ｘ軸プーリ４３は、股クロスシャフト３０に固定されている。ベルト３９は、股ｘ軸モータ側プーリ３８と股関節側ｘ軸プーリ４３に巻付けられている。股ｘ軸モータ４０が回転して股ｘ軸モータ側プーリ３８が回転すると、ベルト３９を介して股関節側ｘ軸プーリ４３も回転する。股関節側ｘ軸プーリ４３が回転すると、それに固定されている股クロスシャフト３０のｘ軸回りの角度が変化する。このため、右股関節１６のｘ軸回りの関節角が変化する。股ｘ軸モータ４０を正転したり逆転したりすることにより、右上腿１８が右側に持ち上げられたり、左側に持ち上げられたりする。

股ｙ軸回り駆動機構は３３は、股ｙ軸モータ４６、股ｙ軸モータ側プーリ４９、股関節側ｙ軸プーリ５０、ベルト５２を備えている。股ｙ軸モータ４６は右上腿１８に固定されている。股ｙ軸モータ側プーリ４９は、股ｙ軸モータ４６の駆動軸に取付けられている。股関節側ｙ軸プーリ５０は、股クロスシャフト３０に固定されている。ベルト５２は、股ｙ軸モータ側プーリ４９と股関節側ｙ軸プーリ５０に巻付けられている。股ｙ軸モータ４６が回転すると、股ｙ軸モータ側プーリ４９が回転する。股ｙ軸モータ側プーリ４９が回転すると、ベルト５２を介して股関節側ｙ軸プーリ５０が回転する。股関節側ｙ軸プーリ５０の回転にともなって、股クロスシャフト３０のｙ軸回りの角度が変化する。従って、右股関節１６のｙ軸回りの関節角が変化する。股ｙ軸モータ４６を正転したり逆転したりすることにより、右上腿１８を右股関節１６回りに前方側に持ち上げたり、後方側に持ち上げたりすることができる。これに対して、人間の股関節は、上腿を前方側に持ち上げることはできるが、後方側に持ち上げることはできない。

図３に良く示されているように、股ｚ軸回り駆動機構は３４は、股ｚ軸モータ５４、股ｚ軸モータ側プーリ５６、股関節側ｚ軸プーリ５８、ベルト６０等を備えている。股ｚ軸モータ５４はブラケット６２を介して腰部材６４に固定されている。詳しくは後述するが、腰部材６４は、搭乗部１００と結合されている。股ｚ軸モータ側プーリ５６は、股ｚ軸モータ５４の駆動軸に取付けられている。股関節側ｚ軸プーリ５８は、シャフト６６によって股ヨーク２８と連結されている。このため、股ヨーク２８は、股関節側ｚ軸プーリ５８とともにｚ軸回りに回転する。シャフト６６は、腰部材６４内に設けられているベアリング（図示省略）によって、回転可能に支持されている。ベルト６０は、股ｚ軸モータ側プーリ５６と股関節側ｚ軸プーリ５８に巻付けられている。股ｚ軸モータ５４が回転すると、股ｚ軸モータ側プーリ５６が回転する。股ｚ軸モータ側プーリ５６が回転すると、ベルト５２を介して股関節側ｚ軸プーリ５８が回転する。股関節側ｚ軸プーリ５８の回転にともなって股ヨーク２８は回転し、それとともに右股関節１６のｚ軸回りの関節角が変化する。股ｚ軸モータ５４が正転したり逆転したりすると、右股関節１６のｚ軸回りの関節角が一方向に変化したり、他方向に変化したりする。右股関節１６のｚ軸回りの関節角が一方向に変化したり、他方向に変化したりすると、右脚１４が内股になったり、外股になったりする。

右膝関節２０は、シャフト７０と膝関節駆動機構７２を備えている。シャフト７０は、右上腿１８と右下腿２２をｙ軸回りに回転可能に接続している。右下腿２２は、２枚の板状の部材から構成されている。
膝関節駆動機構７２は、膝モータ７４、膝モータ側プーリ７８、膝関節側プーリ７６、ベルト７９を有している。膝モータ７４は、右上腿１８に固定されている。膝モータ側プーリ７８は、膝モータ７４の駆動軸に取付けられている。膝関節側プーリ７６は、右下腿２２に固定されている。ベルト７９は、膝モータ側プーリ７８と膝関節側プーリ７６に巻付けられている。膝モータ４６が回転すると、膝モータ側プーリ７８が回転する。膝モータ側プーリ７８が回転すると、ベルト７９を介して膝関節側プーリ７６が回転する。膝関節側プーリ７６が回転すると、右膝関節２０のｙ軸回りの関節角が変化する。
膝モータ７４を正転したり逆転したりすることにより、右下腿２２を右膝関節２０回りに前方側に持ち上げたり、後方側に持ち上げたりすることができる。これに対して、人間の下腿は後方側に持ち上げることができるのみで、前方側に持ち上げることができない。右下腿２２を右膝関節２０回りに前方側に持ち上げると、右上腿１８と右下腿２２は前方側に向かって開いた状態（右上腿１８の延長線よりも前方側に、右下腿２２が右膝関節２０回りに回転した状態）になる。以下においては、この状態を「鳥足状態」と呼ぶ。また、人間のように、右上腿１８と右下腿２２が後方側に向かって開いた状態（右上腿１８の延長線よりも後方側に、右下腿２２が右膝関節２０回りに回転した状態）を「人足状態」と呼ぶ。本ロボット１０は、脚１４、１５を鳥足状態にも、人足状態にもすることもできる。

右足首関節２４は、足首ヨーク８０、足首クロスシャフト８２、足首ｘ軸回り駆動機構８３、足首ｙ軸回り駆動機構８４を備えている。足首ヨーク８０は、上方に向かって開いた略コ字状に形成されている。足首クロスシャフト８２は、股クロスシャフト３０と同様に十字状に形成されている。足首ヨーク８０と右下腿２２は、足首クロスシャフト８２を介して接続されている。足首ヨーク８０には、右足先２６が固定されている。このように右下腿２２と右足先２６が右足首関節２４を介して接続されているので、足先２６は右下腿２２に対して、ｘ軸回りとｙ軸回りの角度が可変とされている。

足首ｘ軸回り駆動機構は８３は、足首ｘ軸モータ８８、足首ｘ軸モータ側プーリ８５、足首関節側ｘ軸プーリ８７、ベルト８６を備えている。足首ｘ軸モータ８８は、右下腿２２に固定されている。足首ｘ軸モータ側プーリ８５は、足首ｘ軸モータ８８の駆動軸に取付けられている。足首関節側ｘ軸プーリ８７は、足首クロスシャフト８２に固定されている。ベルト８６は、足首ｘ軸モータ側プーリ８５と足首関節側ｘ軸プーリ８７に巻付けられている。足首ｘ軸モータ８８が回転すると、足首ｘ軸モータ側プーリ８５が回転する。足首ｘ軸モータ側プーリ８６が回転すると、ベルト８６を介して足首関節側ｘ軸プーリ８７が回転する。足首関節側ｘ軸プーリ８７が回転すると、足首クロスシャフト８２とともに足首ヨーク８０のｘ軸回りの角度が変化する。このため、足首ｘ軸モータ８８が正転したり逆転したりすると、右足先２６のつま先が上を向いたり下を向いたりする。

足首ｙ軸回り駆動機構は８４は、足首ｙ軸モータ８９、足首ｙ軸モータ側プーリ９０、足首関節側ｙ軸プーリ９１、ベルト９２を備えている。足首ｙ軸モータ８９は右下腿２２に固定されている。足首ｙ軸モータ側プーリ９０は、足首ｙ軸モータ８９の駆動軸に取付けられている。足首関節側ｙ軸プーリ９１は、足首クロスシャフト８２に対して固定されている。ベルト９２は、足首ｙ軸モータ側プーリ９０と足首関節側ｙ軸プーリ９１に巻付けられている。足首ｙ軸モータ８９が回転すると、足首ｙ軸モータ側プーリ９０が回転する。足首ｙ軸モータ側プーリ９０が回転すると、ベルト９２を介して足首関節側ｙ軸プーリ９１が回転する。足首関節側ｙ軸プーリ９１が回転すると、足首クロスシャフト８２とともに右足首ヨーク８０のｙ軸回りの角度が変化する。足首ｙ軸モータ８９が正転したり逆転したりすると、右足先２６のつま先が右をむいたり左を向いたりする。

図２に良く示されているように、左脚１５は、左股関節１３、左上腿１７、左膝関節２５、左下腿１９、左足首関節２１、左足先２３を備えている。左脚１５の構成は右脚１４と同様なので、これ以上の説明は省略する。

図１、図２に示されているように、搭乗部１００は、第１フレーム１０２、第２フレーム１０４、座席１０６、右操作部１０８、左操作部１１０等を備えている。第１フレーム１０２と第２フレーム１０４は、パイプ状の部材を曲げ成形したものである。図１に良く示されているように、第１フレーム１０２は、座席１０６の座面の下面と、背当ての後面に沿う形状に形成されている。第２フレーム１０４は、第１フレーム１０２と結合されており、座席１０６の左右と前方下部に配置される。
図２に良く示されているように、第１フレーム１０２は、座席１０６の下方で、ブラケット１１２を介して腰部材６４と結合されている。座席１０６は、結合部材１１４を介してブラケット１１２と結合されている。

図１に良く示されているように、搭乗者７５は、座面１０６ａに臀部を載せた状態で座席１０６に座る。この状態では、第２フレーム１０４に設けられている転落防止部１０４ｂが搭乗者７５の肘関節よりも高く配置される。転落防止部１０４ｂが設けられていることにより、搭乗者７５が座席１０６の横方向に転落してしまうのが防止されている。

右操作部１０８は、基台部１０８ａとスティック１０８ｂを有している。左操作部１１０は、基台部１１０ａとスティック１１０ｂを有している。基台部１０８ａ、１１０ａは、第２フレーム１０４に固定されているとともに、それぞれセンサ１０８ｃ、１１０ｃを内蔵している。センサ１０８ｃ、１１０ｃは、操作された（倒された）ことによるスティック１０８ｂ、１１０ｂのストロークを検出する。搭乗者７５は、右手でスティック１０８ｂを操作し、左手でスティック１１０ｂを操作してロボット１０を操縦する。

座席１０６の背当て後方には、第１フレーム１０２に固定されて、箱状の収容部１２０が２つ設けられている。上側の収容部１２０には、ロボット１０の動作を制御するコントローラ１６０等が収容されている。下側の収容部１２０には、ジャイロ１６２や、バッテリー（図示省略）等が収容されている。図１３に示されているように、コントローラ１６０には、センサ１０８ｃ、１１０ｃ、ジャイロ１６２、股ｘ軸回り駆動機構３２、股ｙ軸回り駆動機構３３等の関節駆動機構が接続されている。
コントローラ１６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えるコンピュータである。ＲＯＭには、制御プログラムが格納されている。搭乗者７５によってスティック１０８ｂ、１１０ｂが操作されると、その操作ストロークをセンサ１０８ｃ、１１０ｃが検出する。操作ストロークを検出したセンサ１０８ｃ、１１０ｃは、操作信号をコントローラ１６０に出力する。コントローラ１６０のＣＰＵは、入力された操作信号を制御プログラムに従って処理し、制御信号をモータ４０、４６、５４、７４、８８、８９に送信する。モータ４０、４６、５４、７４、８８、８９が制御信号に従って回転すると、ロボット１０は搭乗者７５が操縦したとおりに動作する。
コントローラ１６０は、ジャイロ１６２から入力される姿勢信号を処理して、ロボット１０が転倒中に、搭乗部１００の姿勢を制御する。ジャイロ１６２や、搭乗部１００の姿勢制御については、後述にて詳細に説明する。

スティック１０８ｂ、１１０ｂを倒れない（ストロークを持たない）ようにし、センサ１０８ｃ、１１０ｃをスティック１０８ｂ、１１０ｂに入力される力を検出するタイプ（フォースセンサ）とすることもできる。この場合、搭乗者７５の腕を安定させるために、手首や肘の載置部を第２フレームに固定することが好ましい。このように構成すると、ロボット１０が歩行することによって搭乗者７５が揺すられても、その動きがスティック１０８ｂ、１１０ｂに入力されるのを抑制することができる。このため、ロボット１０の操縦が容易になる。

図２に良く示されているように、第２フレーム１０４には、左右方向に延びる棒状のフットレスト１０４ａが設けられている。搭乗者７５は、足先をフットレスト１０４ａに載せておくことにより、自身の姿勢を安定させることができる。第２フレーム１０４のフットレスト１０４ａのさらに下方には、接地部１０４ｃが設けられている（接地部１０４ｃの機能については、後述には説明する）。

ロボット１０に搭乗者７５が乗り降りする場合には、座席１０６を低くする必要がある。この場合、足首関節２１、２４と股関節１３、１６ができるだけ前後方向に離れないように、すなわち、立った姿勢からロボット１０がそのまま腰を落とすようにしゃがむのが望ましい。なぜならば、足首関節２１、２４と股関節１３、１６が前後方向に離れ、搭乗部１００の重心が足先２３、２６よりも前に移動したり、後に移動したりするとロボット１０が前方、あるいは後方に転倒してしまうからである。
また、搭乗部１００の重心と股関節１３、１６の前後方向距離は、できるだけ小さいことが好ましい。搭乗部１００の重心と股関節１３、１６の前後方向距離が大きいと、ロボットが直立したり歩行したりしゃがんだりするときに脚１４、１５の各関節に大きな回転モーメントが作用する。このため、各関節を駆動するのに大きなパワーと電力が必要になる。

足首関節２１、２４と股関節１３、１６が前後方向に離れないようにし、かつ脚１４、１５を人足状態にしてロボット１０をしゃがませると、膝関節２０、２５や上腿１７、１８がフットレスト１０４ａと干渉する。フットレスト１０４ａを設けなくても、搭乗者７５の足先が膝関節２０、２５や上腿１７、１８と干渉する。この状態が図５に図示されている。よって、座席１０６をそれ以上低くすることができず、乗り降りが不便である。

膝関節２０、２５や上腿１７、１８がフットレスト１０４ａと干渉するのを防止するためには、フットレスト１０４ａをより高く配置すればよい。しかしながら、フットレスト１０４ａをより高く配置すると、それとともに座席１０６もより高く配置しなければならない。すると、ロボット１０の背が高くなってしまい、屋内、電車、バス、乗用車等の中で使用することができなくなってしまう。また、背が高いロボット１０は人に威圧感を与えてしまう。

脚１４、１５を鳥足状態にすると、ロボットをしゃがませても、膝関節２０、２５や上腿１７、１８はフットレスト１０４ａと干渉しない。図６は、この状態を図示している。膝関節２０、２５や上腿１７、１８がフットレスト１０４ａと干渉しないと、乗り降りが容易な高さまで座席１０６を低くすることができる。乗り降りが容易な座席１０６の座面の高さは、地面から４０〜６０ｃｍ程度である。第２フレーム１０４に設けられている接地部１０４ｃは、ロボット１０の動作がオフにされたり、不具合が発生したりしてロボット１０がさらに深くしゃがんだ場合に接地し、ロボット１０を安定させる。

図７に示されているように、ロボット１０が脚１４、１５を人足状態にして階段等の段差を昇るために脚１４、１５を高く持ち上げると、膝関節２０、２５とフットレスト１０４ａが干渉（図７のＡ）してしまう。これに対して、図８に示されているように、脚１４、１５を鳥足状態にすると、フットレスト１０４ａと干渉することなく、脚１４、１５を高く持ち上げることができる。よって、ロボット１０は、脚１４、１５を鳥足状態にすることにより、大きい段差を昇ることができる。
図９に示されているように、ロボット１０が脚１４、１５を鳥足状態にして段差を降りると、下腿１９、２２が段差と干渉（図９のＢ）する。図１０に示されているように、脚１４、１５を人足状態にして段差を降りると、下腿１９、２２と段差との干渉を避けることができる。このように、脚１４、１５を鳥足状態にしたり、人足状態にしたりするのを切り替えることにより、ロボット１０は地面の段差により柔軟に対応することができる。

図１１に示されているように、搭乗者７５が雨風を避けるため等を目的として、搭乗部１００を覆うキャビン１５０を設けることもできる。キャビン１５０は、本体１５０ａと、本体１５０ａに対して開閉可能なキャノピィ１５０ｂを備えている。キャノピィ１５０ｂは透明である。図１１はキャノピィ１５０ｂが閉じた状態、図１２は開いた状態を図示している。

ロボット１０は、例えば、予期せずに地面の突起や窪みを踏んだり、他の物体と接触したりすると転倒することがある。本実施例のロボット１０は、転倒中に、搭乗部１００の姿勢を水平に維持する。ここで、搭乗部１００の水平な姿勢とは、図１、図２に示されているように、座席１０６の座面１０６ａがほぼ水平になっている状態を意味する。以下、搭乗部１００の姿勢制御について説明する。
搭乗部１００の姿勢制御には、ジャイロ１６２から出力される姿勢信号が用いられる。ジャイロ１６２は、高速回転するコマと、コマを支持するジンバルを内蔵している。コマの絶対空間に対する姿勢を維持する性質を利用して、ジャイロ１６２は、それが装着されている物体の姿勢を検出する。上述したように、ジャイロ１６２は、搭乗部１００の第１フレーム１０２に固定されている収容部１２０に収容されている。このため、ジャイロ１６２は、搭乗部１００のｘ軸回りのロール角度、ｙ軸回りのピッチ角度、ｚ軸回りのヨー角度を検出し、それらを姿勢信号としてコントローラ１６０に出力する。もちろん、ジャイロ１６２はコマを内蔵したタイプに限られるものではなく、他のタイプ（例えば、内蔵した振動子の共振周波数変化から姿勢を検出するタイプ）のものであってもよい。

コントローラ１６０には、搭乗部１００の姿勢が安定しているときに（例えば、ロボット１０が直立しているとき）、搭乗部１００の姿勢をインプットしておく。コントローラ１６０は、インプットされた搭乗部１００の姿勢を基準にして、ジャイロ１６２から入力される姿勢信号を処理して、搭乗部１００がどのような姿勢になっているかを把握する。そして、コントローラ１６０は、ロボット１０が転倒中に、右脚１４と左脚１５の各関節の駆動機構（股ｘ軸回り駆動機構３２、股関節駆動機構７２等）を制御し、搭乗部１００を水平な姿勢に維持する。ロボット１０が転倒中であることは、例えば、搭乗部１００の姿勢が水平姿勢から大きく外れたり、足首関節２１、２４に設けた荷重センサがそれより上の重量を検知しなくなったことによって判別する。
コントローラ１６０は、ロボット１０の転倒中のみならず、ロボット１０が正常に歩行しているときに搭乗部１００の姿勢を水平に維持してもよい。搭乗部１００の姿勢が水平に維持されると、歩行にともなって搭乗者７５が揺すられる程度が少なくなるので、乗り心地が向上する。
ジャイロ１６２の代わりに重力方向を検出する傾斜センサを用いて搭乗部１００の姿勢を検出することもできる。ジャイロ１６２と傾斜センサを併用することもできる。ジャイロ１６２と傾斜センサを併用すると、搭乗部１００の姿勢をより正確に検出できる。

コントローラ１６０は、搭乗部１００のｘ軸回りのロール角度を制御する場合には、図１４に示されているように、右股関節１６、右足首関節２４、左股関節１３、左足首関節２１のｘ軸回りの角度を調整する。コントローラ１６０は、搭乗部１００のｙ軸回りのピッチ角度を制御する場合には、図１５に示されているように、右股関節１６、右膝関節２０、右足首関節２４、左股関節１３、左膝関節２５、左足首関節２１のｙ軸回りの角度を調整する。

図１６は、搭乗部１００が水平な姿勢に維持されながら、ロボット１０が前のめりに転倒中の状態を図示している。ロボット１０がさらに転倒すると、図１７に示されているように、搭乗部１００は水平な姿勢のまま着地する。
搭乗部１００の落下速度が遅くなるように、右脚１４と左脚１５の各関節の駆動機構の回動角度や回動タイミングを調整することもできる。転倒中のロボット１０は、右足先２６と左足先２３が地面に踏ん張っていない。このため、搭乗部１００の落下速度を遅くするには、右脚１４と左脚１５の関節が回動するときに、その関節が接続している部材が互いにおよぼし合う反力を利用する。この場合、反力を生じさせるために、関節を角速度が変化するように（角加速度が発生するように）回動させる。例えば、図１６に示されている状態で下腿１９、２２を足首関節２１、２４回りに反時計方向に回動させる。すると、反力が生じて、下腿１９、２２は、地面に接している足先２３、２６のつま先２３ａ、２６ａを支点にして、上腿１７、１８を持ち上げる。さらに、上腿１７、１８を膝関節２０、２５回りに反時計方向に回動させる。このようにすると、ロボット１０が転倒中であっても、搭乗部１００に上向きの力が作用する。すなわち、右脚１４と左脚１５は、搭乗部１００に上向きの力を加えながら倒れてゆく。従って、搭乗部１００の落下速度を遅くすることができる。

搭乗部１００の落下速度と地面からの距離を用いて、搭乗部１００の落下速度を遅くする制御を行うこともできる。搭乗部１００の落下速度を遅くすると、搭乗部１００の着地ショックを小さくすることができる。落下速度と地面からの距離の検出には、例えば、搭乗部１００に取付けた加速度センサを用いる。コントローラ１６０は、加速度センサから入力される加速度を積分処理して搭乗部１００の落下速度を求める。さらにコントローラ１６０は、落下速度を積分処理する。この場合、転倒前の搭乗部１００と地面との距離を、脚部１２の各関節角度に基づいて、あらかじめ算出しておく。そして、転倒した場合には、あらかじめ算出しておいた転倒前の搭乗部１００と地面との距離から、落下速度を積分処理して得られた距離を減ずることにより、転倒しているときの搭乗部１００と地面との距離を求める。このようにして求めた転倒中の搭乗部１００の落下速度と地面との距離に基づいて、搭乗部１００の落下速度が遅くなるように、脚部１２の各関節の駆動機構の回動角度や回動タイミングを制御する。例えば、図１６に示されているように転倒して、搭乗部１００と地面との距離が近くなった場合には、下腿１９、２２を足首関節２１、２４廻りに反時計方向に回動させるとともに、上腿１７、１８を膝関節２０、２５廻りに反時計方向に回動させる。同時に、股関節１３、１６を時計方向に回動させる。各関節の回動角速度や回動角加速度は、搭乗部１００の落下速度と地面との距離に応じて調整する。このようにすると、搭乗部１００の姿勢を水平に維持しつつ、搭乗部１００の落下速度を遅くすることができる。

搭乗部１００に地面との距離を検出する距離センサを設け、その出力を搭乗部１００の落下速度を遅くする制御に用いることもできる。例えば、コントローラ１６０は、ロボット１０が転倒したときに、距離センサの出力を用いて搭乗部１００が着地寸前であることを検出する（搭乗部１００と地面との距離が小さくなったことを検出する）。そして、コントローラ１６０は、そのタイミングで搭乗部１００の落下速度が遅くなるように、右脚１４と左脚１５の各関節の駆動機構の回動角度を調整する。このように、搭乗部１００の落下速度を着地寸前に遅くすると、搭乗部１００の着地ショックを小さくすることができる。

上述したのとは異なる動きを脚１４、１５が行っても、搭乗部１００の落下速度を遅くすることができる。例えば、ロボット１０が大きく姿勢を崩して転倒し、足先２３、２６が地面から離れている状態（ロボット１０が空中にある状態）であっても、脚１４、１５の関節を回動させることにより、その関節が接続している部材間で反力を生じさせることができる。関節が接続している部材間で反力を生じさせることができれば、その反力を用いて搭乗部１００の落下速度を遅くすることができる。

図１８、図１９に示されているように、股関節１３、１６と搭乗部１００との間に、座席関節１７０を介装することもできる。座席関節１７０は、コントローラ１６０に接続されたモータ（図示省略）に駆動されて、搭乗部１００のｘ軸回りのロール角度とｙ軸回りのピッチ角度を制御する。コントローラ１６０は、ジャイロ１６２から出力される姿勢信号を処理して、ロボット１０が転倒した場合に、搭乗部１００が水平な姿勢を維持するように座席関節１７０を制御する。このような制御が行われると、図２０に示されているように、搭乗部１００は水平な姿勢のまま着地する。図２１は、ロボット１０が横様に転倒し、搭乗部１００が水平な姿勢で着地した状態を示している。
座席関節１７０の数は１つであるが、脚１４、１５の関節数は、計６つ（股関節１３、１６、膝関節２０、２５、足首関節２１、２４）である。このため、脚１４、１５の関節が故障する確率は、座席関節１７０が故障する確率よりも高い。よって、座席関節１７０を設けることによって、搭乗部１００が水平以外の姿勢で着地する確率を大幅に低下させることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
従って、例えば、以下に記載するように構成することもできる。

（１）本発明は、背が高いロボット（例えば、股関節が搭乗者の足先高さよりも低い位置にある）にも適用できる。背が高いロボットが搭乗者を乗降させるために人足状態でしゃがむと、膝関節や上腿が乗降の邪魔になる。鳥足状態でしゃがむと、膝関節や上腿は、乗降の邪魔にならない。

（２）本発明を適用するのは、２足歩行型のロボットに限られない。例えば、前脚と後脚を備える４足歩行型のロボットに適用することもできる。先端部分に搭乗する４足歩行型ロボットの場合、前脚を鳥足状態にしてしゃがむことにより、前脚と搭乗者との干渉を避けることができる。また、４足歩行型ロボットでは、前脚を鳥足状態、後脚を人足状態にすることにより、狭いスペースにしゃがむことができる。

（３）２足歩行型ロボットで、一方の脚を鳥足状態、他方の足を人足状態にしてひざまずかせると、ひざまずいたロボットがより安定する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

ロボットの側面図。 図１のII−II線矢視図。 股関節部分の詳細図。 図３のIV−IV線断面図。 ロボットがしゃがんだ状態の側面図（人足状態）。 ロボットがしゃがんだ状態の側面図（鳥足状態）。 ロボットが人足状態で段差を昇っている状態の模式図。 ロボットが鳥足状態で段差を昇っている状態の模式図。 ロボットが鳥足状態で段差を降りている状態の模式図。 ロボットが人足状態で段差を降りている状態の模式図。 キャビンを備えるロボットの模式図（キャノピィ閉状態）。 キャビンを備えるロボットの模式図（キャノピィ開状態）。 ロボットの制御システムのブロック図。 ロボットが直立した状態の正面図。 ロボットが直立した状態の側面図。 転倒中のロボットの側面図。 転倒して搭乗部が着地した状態のロボットの側面図。 座席関節を持つロボットが直立した状態の正面図。 座席関節を持つロボットが直立した状態の側面図。 座席関節を持つロボットが転倒して搭乗部が着地した状態の側面図。 座席関節を持つロボットが横様に転倒して搭乗部が着地した状態の正面図。

符号の説明

１０：ロボット
１２：脚部
１３：左股関節
１４：右脚
１５：左脚
１６：右股関節
１７：左上腿
１８：右上腿
１９：左下腿
２０：右膝関節
２１：左足首関節
２２：右下腿
２３：左足先
２４：右足首関節
２５：左膝関節
２６：右足先
２８：股ヨーク
３０：股クロスシャフト
３２：股ｘ軸回り駆動機構
３３：股ｙ軸回り駆動機構
３４：股ｚ軸回り駆動機構
３８：股ｘ軸モータ側プーリ
３９：ベルト
４０：股ｘ軸モータ４０、４０ａ：駆動軸
４３：股関節側ｘ軸プーリ４３
４６：股ｙ軸モータ
４９：股ｙ軸モータ側プーリ
５０：股関節側ｙ軸プーリ
５２：ベルト
５４：股ｚ軸モータ
５６：股ｚ軸モータ側プーリ
５８：股関節側ｚ軸プーリ
６０：ベルト
６２：ブラケット
６４：腰部材
６６：ヨーク
７０：シャフト
７２：膝関節駆動機構
７４：膝モータ
７５：搭乗者
７６：膝関節側プーリ
７８：膝モータ側プーリ
７９：ベルト
８０：足首ヨーク
８２：足首クロスシャフト
８３：足首ｘ軸回り駆動機構
８４：足首ｙ軸回り駆動機構
８５：足首ｘ軸モータ側プーリ
８６：ベルト
８７：足首関節側ｘ軸プーリ
８８：足首ｘ軸モータ
８９：足首ｙ軸モータ
９０：足首ｙ軸モータ側プーリ
９１：足首関節側ｙ軸プーリ
９２：ベルト
１００：搭乗部
１０２：第１フレーム
１０４：第２フレーム、１０４ａ：フットレスト、１０４ｂ：転落防止部、１０４ｃ：接地部
１０６：座席
１０８：右操作部、１０８ａ：基台部、１０８ｂ：スティック、１０８ｃ：センサ
１１０：左操作部、１１０ａ：基台部、１１０ｂ：スティック、１１０ｃ：センサ
１１２：ブラケット
１１４：結合部材
１２０：収容部
１５０：キャビン、１５０ａ：本体、１５０ｂ：キャノピィ
１６０：コントローラ
１６２：ジャイロ
１７０：座席関節

Claims (2)

1. 人が搭乗する搭乗部と、複数の関節と各関節を駆動する歩行用アクチュエータを備えた脚リンクの一対とを有するとともに一対の脚リンクで歩行するロボットであり、
   ロボットの進行方向軸回りの搭乗部の姿勢を変えるロール軸アクチュエータと、
   ロボットの側方軸回りの搭乗部の姿勢を変えるピッチ軸アクチュエータと、
   進行方向軸回りと側方軸回りの搭乗部の姿勢を検出する手段と、
   ロボットが転倒したか否かを検出する手段と、
   コントローラを備えており、
   前記のロール軸アクチュエータとピッチ軸アクチュエータが、脚リンクに設けられている足首関節アクチュエータと膝関節アクチュエータと股関節アクチュエータからなる歩行用アクチュエータの少なくとも一つを利用しており、
   コントローラが、転倒検出手段で前後方向の転倒が検出された以降に、
   （１）姿勢検出手段で検出される進行方向軸回りと側方軸回りの搭乗部の姿勢が水平に維持されるようにロール軸アクチュエータとピッチ軸アクチュエータを制御するとともに、（２）足首関節アクチュエータを駆動して下腿リンクをその搭乗部側の端部が上方へ向かって回転する方向に足首の関節を回動させるとともに膝関節アクチュエータを駆動して上腿リンクをその搭乗部側の端部が上方へ向かって回転する方向に膝の関節を回動させることによって搭乗部の落下速度を遅くする
   ことを特徴とする搭乗型ロボット。
2. 人が搭乗する搭乗部と、複数の関節と各関節を駆動する歩行用アクチュエータを備えた脚リンクの一対とを有するとともに一対の脚リンクで歩行するロボットであり、
   ロボットの進行方向軸回りの搭乗部の姿勢を変えるロール軸アクチュエータと、
   ロボットの側方軸回りの搭乗部の姿勢を変えるピッチ軸アクチュエータと、
   進行方向軸回りと側方軸回りの搭乗部の姿勢を検出する手段と、
   ロボットが転倒したか否かを検出する手段と、
   コントローラを備えており、
   前記のロール軸アクチュエータとピッチ軸アクチュエータが、脚リンクに設けられている足首関節アクチュエータと膝関節アクチュエータと股関節アクチュエータからなる歩行用アクチュエータと別に付加されており、
   コントローラが、転倒検出手段で前後方向の転倒が検出された以降に、
   （１）姿勢検出手段で検出される進行方向軸回りと側方軸回りの搭乗部の姿勢が水平に維持されるようにロール軸アクチュエータとピッチ軸アクチュエータを制御するとともに、（２）足首関節アクチュエータを駆動して下腿リンクをその搭乗部側の端部が上方へ向かって回転する方向に足首の関節を回動させるとともに膝関節アクチュエータを駆動して上腿リンクをその搭乗部側の端部が上方へ向かって回転する方向に膝の関節を回動させることによって搭乗部の落下速度を遅くする
   ことを特徴とする搭乗型ロボット。

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