JP2005288561A - Humanoid robot - Google Patents
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Abstract
Description
この発明はヒューマノイドロボットに関し、特にたとえば、ヒューマノイドロボットの2本の足先に車輪を取り付けた、車輪型倒立振子ヒューマノイドロボットに関する。 The present invention relates to a humanoid robot, and more particularly to, for example, a wheel-type inverted pendulum humanoid robot in which wheels are attached to two feet of a humanoid robot.
この種の車輪型倒立振子ヒューマノイドロボットの一例が非特許文献1に、紹介されている。この非特許文献1の車輪型倒立振子ヒューマノイドロボットは足の先に車輪を設けたのもので、車輪型倒立振子ロボットでありながら階段歩行を可能にしている。 An example of this type of wheeled inverted pendulum humanoid robot is introduced in Non-Patent Document 1. The wheel-type inverted pendulum humanoid robot of Non-Patent Document 1 is provided with a wheel at the tip of a foot, and enables walking on stairs while being a wheel-type inverted pendulum robot.
また、非特許文献2では、Roller-Walker(商品名)と呼ばれる4足歩行ロボットが提案されている。 Non-Patent Document 2 proposes a quadruped walking robot called Roller-Walker (trade name).
一方、本件発明者等は、非特許文献3で紹介している2足歩行型のヒューマノイドロボット(商品名:Robovie-M)を提案し、開発した。
非特許文献1で提案される車輪型倒立振子ヒューマノイドロボットは、股関節に2自由度(同一平面上の運動を生成する関節)を持つだけで、その他に関節がないので、この従来技術では、整地または多少の不整地での高速移動と階段歩行とはできるが、その移動は床面に垂直な平面上の野移動に限られており、3次元的な自由な移動ができない。したがって、踏破性能がやや弱い。また、車輪移動時には多少の不整地でも移動することができない。 The wheel-type inverted pendulum humanoid robot proposed in Non-Patent Document 1 has only two degrees of freedom in the hip joint (joint that generates motion on the same plane) and no other joints. Alternatively, high-speed movement and stair walking on some rough terrain can be performed, but the movement is limited to field movement on a plane perpendicular to the floor surface, and three-dimensional free movement is not possible. Therefore, the leveling performance is somewhat weak. Moreover, it cannot move even on some rough terrain during wheel movement.
非特許文献2の4足歩行ロボットは、足先に受動車輪を付け、4足歩行の駆動系と同じ駆動系で推力を出すロボットで、不整地での4足歩行の他に整地での車輪移動が可能である。ただし、この従来技術のロボットは、車輪移動の場合でも左右の足を順次動かすことによって推力を得る方法で移動する。したがって、倒立振子型のような高速移動はできない。 The quadruped walking robot of Non-Patent Document 2 is a robot that attaches passive wheels to the tip of the foot and produces thrust with the same drive system as the drive system for quadruped walking. It is possible to move. However, even in the case of wheel movement, this prior art robot moves by a method of obtaining thrust by sequentially moving the left and right feet. Therefore, high-speed movement like an inverted pendulum type is not possible.
非特許文献3のヒューマノイドロボットは、2足歩行移動によって溝などの障害物を乗り越えることができるので踏破性能はよいが、その移動速度は緩やかで、より高速での移動が望まれる。 The humanoid robot of Non-Patent Document 3 can overcome obstacles such as grooves by bipedal walking movement, so it has good traverse performance, but its movement speed is slow, and movement at higher speed is desired.
それゆえに、この発明の主たる目的は、高い踏破性能を持ちながら、しかも高速移動もできる、車輪型倒立振子ヒューマノイドロボットを提供することである。 Therefore, a main object of the present invention is to provide a wheel-type inverted pendulum humanoid robot that has high traverse performance and can move at high speed.
請求項1の発明は、胴体下方に設けた左右の足で2足歩行することができるヒューマノイドロボットにおいて、各足の先端に無限回転ヨー軸関節によって車輪を取り付け、さらに無限回転ヨー軸関節を直立状態と90度折れ曲がった状態とに切り換えるための機構を設けたことを特徴とする、ヒューマノイドロボットである。 According to the first aspect of the present invention, in a humanoid robot capable of walking on two legs with the left and right legs provided below the torso, a wheel is attached to the tip of each leg by an infinite rotation yaw axis joint, and the infinite rotation yaw axis joint is upright It is a humanoid robot provided with a mechanism for switching between a state and a state bent 90 degrees.
請求項1の発明では、胴体(16:実施例において相当する部分の参照符号。以下同様。)の下方に2本の足(32R、32L)を設け、各足の先端に、無限回転ヨー軸関節(44R、44L)によって、車輪(46R、46L)を取り付ける。そして、たとえばロール軸関節(42R、42L)を含む機構によって、無限回転ヨー軸関節の軸が直立した状態と、無限回転ヨー軸関節が90度折れ曲がった状態とを切り換えることによって、前者の状態では2足歩行で移動し、または、後者の状態では車輪型倒立振子ロボットとして車輪移動できる。 According to the first aspect of the present invention, two legs (32R, 32L) are provided below the body (16: reference numerals corresponding to parts in the embodiment, the same applies hereinafter), and an infinite rotation yaw shaft is provided at the tip of each leg. The wheels (46R, 46L) are attached by joints (44R, 44L). Then, for example, by switching between the state where the shaft of the infinite rotation yaw shaft joint is upright and the state where the endless rotation yaw shaft joint is bent 90 degrees by a mechanism including roll shaft joints (42R, 42L), in the former state The robot can move by walking on two legs, or in the latter state, it can move as a wheel-type inverted pendulum robot.
請求項2は、機構はロール軸関節を含む、請求項1記載のヒューマノイドロボットである。 A second aspect of the present invention is the humanoid robot according to the first aspect, wherein the mechanism includes a roll axis joint.
この発明によれば、ヨー軸関節の軸が直立した状態での2足歩行と、ヨー軸関節が90度折れ曲がった状態での車輪移動とを切り換えることができる。したがって、2足歩行で高い踏破性能が発揮され、かつ車輪での高速移動も可能となる。 According to the present invention, it is possible to switch between bipedal walking in a state where the axis of the yaw axis joint is upright and wheel movement in a state where the yaw axis joint is bent 90 degrees. Therefore, high traverse performance is exhibited by walking on two legs, and high-speed movement with wheels is also possible.
この発明の上述の目的,その他の目的,特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。 The above object, other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of embodiments with reference to the drawings.
図1はこの発明の一実施例のヒューマノイドロボット(以下、単に「ロボット」ということがある。)10をモデル表記した図解図であるが、この実施例のロボット10は、垂直方向または縦方向に間隔を隔てて設けられる2つの横杆12および14を含み、この上下横杆12および14の間には、胴体16が形成される。
FIG. 1 is an illustrative view showing a model of a humanoid robot (hereinafter, simply referred to as a “robot”) 10 according to an embodiment of the present invention. The
胴体16の上部には、胸の自由度を形成する1つのヨー(Yaw)軸関節18が設けられ、その下方には腰の自由度を形成する1つのピッチ(Pitch)軸関節20が設けられる。なお、よく知られているように、ヨー軸とは鉛直回転軸(Z軸)であり、ピッチ軸とはこのヨー軸に直行する2つの軸の一方、たとえばX軸であり、そして、後述のロール(Roll)軸がヨー軸に直行する2つの軸の他方、たとえばY軸である。X軸(ピッチ軸)は図1の紙面に平行な方向に延びる回転軸であり、Y軸(ロール軸)は図1の紙面に直行する方向に延びる回転軸である。
One
上横杆12の両端には、腕22Rおよび22Lがそれぞれ取り付けられる。これら左右の腕22Rおよび22Lは同じ構成である。右左を区別する必要があるときは、右を示す「R」または左を表す「L」を付し、また区別する必要がないときはこの「R」や「L」を付けないで示すようにして、重複する説明はできるだけ省く。このことは、後述の足についても同様である。
腕22は、肩の自由度を形成するロール軸関節24を含み、この肩関節24によって上横杆12に、ロール軸周りに回転可能に取り付けられる。この肩関節24の先には、それぞれ1つずつのピッチ軸関節26、ヨー軸関節28、およびロール軸関節30の直列接続が設けられる。したがって、この実施例のロボット10の場合、腕22は、4自由度であり、左右で8自由度である。
The
また、下横杆14の両端には、足32Rおよび32Lがそれぞれ取り付けられる。足32は、股関節の自由度を形成する1つのロール軸関節34によって下横杆14に取り付けられ、この股関節32から先の下端方向には、連続する3つのピッチ軸関節36、38および40、および1つのロール軸関節42、さらには1つのヨー軸関節44の直列接続が取り付けられる。そして、最下端のヨー軸関節44の先端には、このヨー軸関節44の軸と一体的に回転されるたとえばゴム車輪46が取り付けられる。したがって、この実施例のロボット10の場合、足32は、6自由度であり、左右で12自由度である。
In addition,
ただし、ヨー軸関節28Rおよび28Lは有限回転関節であるが、足32Rおよび32Lのそれぞれの先端のヨー軸関節44Rおよび44Lはいずれも無限回転関節に改造されている。
However, the
図1の実施例のロボット10の電気的構成が図2のブロック図に示される。図2に示すように、このロボット10は、全体の制御のためにマイクロコンピュータまたはCPU48を含み、このCPU48には、バス50を通して、メモリ52,モータ制御ボード54,およびセンサ入力/出力ボード56が接続される。
The electrical configuration of the
メモリ52は、図示しないが、ROMやRAMを含み、ROMにはこのロボット10の制御プログラムが予め書き込まれている。RAMは、一時記憶メモリとして用いられるとともに、ワーキングメモリとして利用され得る。
Although not shown, the
センサ入力/出力ボード56には、図1の胴体16に設けられる1つの2軸加速度センサ58と、関節角度センサ60とが接続される。なお、関節角度センサ60は1つのブロックで示すが、実際には、上で説明した22個の関節にそれぞれ個別に設けられ、それぞれの関節角を検出する22個の関節角度センサを含む。2軸加速度センサ58は、ロボット10の前後方向および左右方向の2軸で加速度を検出することができる。この2軸加速度センサ58の出力を用いて、CPU48は、ロボット10の2足歩行や、倒立振子車輪走行を制御する。
To the sensor input /
モータ制御ボード54は、たとえばDSP(Digital Signal Processor) で構成され、各腕や脚の各関節軸モータを制御する。図2では図の簡略化のために、この実施例に特徴的な4つのモータ62R、62L、64R、および64Lだけを明示するが、実際には、上で説明した22個の関節のそれぞれに1つのモータ(サーボモータ)が設けられることに留意されたい。
The
右足下ロール軸モータ62Rは、図1のロール軸関節42Rの関節角度を制御するモータであり、左足下ロール軸モータ62Lは、図1のロール軸関節42Lの関節角度を制御するモータである。同様に、右足ヨー軸モータ64Rは、図1の右足ヨー軸関節44Rの関節角度(回転)を制御するモータであり、左足ヨー軸モータ64Lは、左足ヨー軸関節44Lの関節角度(回転)を制御するモータである。
The right
図1実施例において、CPU48がモータ62Rおよび62Lを制御することによって、右足下部のロール軸関節42Rおよび左足下部のロール軸関節42Lを、それぞれ図3に示すように外側に90度回転させると、各足32Rおよび32Lの先端にヨー軸関節44Rおよび44Lによって支持されているゴム車輪46Rおよび46Lの周側面(回転面)が、接地する。そして、CPU48によって各ヨー軸モータ64Rおよび64Lを無限回転させることによって、ロボット10は、ゴム車輪46Rおよび46Lによって地面(床)66上を移動することができる。このときCPU48がこのロボット10を、同軸2輪倒立振子モデルとして車輪46すなわちヨー軸モータ64などを制御すればこの実施例のロボット10は、車輪型倒立振子ヒューマノイドロボットとなる。
In the embodiment shown in FIG. 1, when the
なお、同軸2輪倒立振子モデルとして車輪等を制御する具体的な方法はたとえば特開2003−271243号公報などで公知であるため、ここでは記述を省略する。 Note that a specific method for controlling wheels and the like as a coaxial two-wheel inverted pendulum model is known in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-271243, and thus description thereof is omitted here.
また、図1実施例において、各ロール軸関節42Rおよび42Lを図1の状態のままにしておけば、当然、この実施例のロボット10は、先の非特許文献3で示すように、多関節自由度を有する2足歩行ロボットとして動作する。
In the embodiment of FIG. 1, if the
なお、安定度を考慮すれば、倒立振子ロボットとして機能させるときに、実施例の図3のように車輪46R、46Lが外側なるように足下ロール軸関節42R、42Lを制御する方がよいが、可能であれば車輪が内側になるようにしてもよいことはもちろんである。
In consideration of the stability, when functioning as an inverted pendulum robot, it is better to control the foot
また、実施例では足下ロール軸関節42R、42Lによって車輪46R、46Lを外側に立てたので、CPU48からこのロール軸42R、42Lを制御することによって、自動的に、2足歩行ロボットのモードと、車輪倒立振振子型ロボットのモードとを切り替えることができる。しかしながら、この2つのモードを手動的に切り換えるようにしてもよい。この場合には、2つのロール軸関節42R、42Lを用いることなく、車輪46R、46Lを図1の状態と図3の状態とを切り換え、または組み替える機構を採用してもよい。
In the embodiment, since the
さらにまた、足先以外の実施例の自由度やそれらの具体的構成は単なる例示であり、必ずしも22自由度なければならないというものではなく、関節軸モータ任意に変更可能である。 Furthermore, the degrees of freedom of the embodiments other than the toes and their specific configurations are merely examples, and do not necessarily have 22 degrees of freedom, and can be arbitrarily changed by the joint shaft motor.
10 …ロボット(ヒューマノイド)
12、14 …横杆
22R、22L …腕
24R、24L、30R、30L、34R、34L、42R、42L …ロール軸関節
28R、28L …有限ヨー軸関節
44R、44L …無限ヨー軸関節
48 …CPU
54 …モータ制御ボード
62R …右足下ロール軸関節
62L …左足下ロール軸関節
64R …右足ヨー軸関節
64L …左足ヨー軸関節
10 ... Robot (Humanoid)
12, 14 ...
54 ...
Claims (2)
前記各足の先端に無限回転ヨー軸関節によって車輪を取り付け、さらに前記無限回転ヨー軸関節を直立状態と90度折れ曲がった状態とに切り換えるための機構を設けたことを特徴とする、ヒューマノイドロボット。 In a humanoid robot that can walk on two legs with the left and right legs provided below the torso,
A humanoid robot characterized in that a wheel is attached to the tip of each foot by an infinite rotation yaw axis joint, and a mechanism for switching the infinite rotation yaw axis joint between an upright state and a bent state of 90 degrees is provided.
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