JP2006068883A - Robot device and its control method, and passive wheel device - Google Patents

Robot device and its control method, and passive wheel device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a leg and wheel hybrid type robot device having both characteristics of the leg-type movement and the wheel-type movement. <P>SOLUTION: A passive wheel mechanism with an oscillating caster is mounted freely attachably/detachably to/from the tiptoe. A wheel generates oscillating action with friction force between the wheel and a road surface by imparting movement in the Y direction to the tiptoe. A glide angle θ<SB>G</SB>formed by a rolling direction and an advancing direction of the wheel is indirectly formed. Thrust is obtained by converting the movement of the tiptoe in the Y direction to the rotational movement of the wheel on the basis of the anisotrophy of drag that a friction factor in the rolling direction of the wheel is small, however, friction in the axial direction is large. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、複数の可動部を備えたロボット装置及びその制御方法、並びに受動車輪装置に係り、特に、移動手段を備えたロボット装置及びその制御方法、並びに受動車輪装置に関する。   The present invention relates to a robot apparatus including a plurality of movable parts, a control method thereof, and a passive wheel apparatus, and more particularly to a robot apparatus including a moving unit, a control method thereof, and a passive wheel apparatus.

さらに詳しくは、本発明は、脚式の移動と車輪型の移動の双方の特質を兼ね備えた脚車輪ハイブリッド型のロボット装置及びその制御方法、並びに受動車輪装置に係り、特に、受動車輪を付加することで脚による走行性能を向上させるロボット装置及びその制御方法、並びに受動車輪装置に関する。   More particularly, the present invention relates to a leg-wheel hybrid robot apparatus having both the characteristics of a leg-type movement and a wheel-type movement, a control method thereof, and a passive wheel apparatus, and more particularly, a passive wheel is added. The present invention relates to a robot apparatus and a control method thereof that improve running performance by legs, and a passive wheel apparatus.

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な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。   A mechanical device that performs a movement resembling human movement using an electrical or magnetic action is called a “robot”. It is said that the word “robot” comes from the Slavic word “ROBOTA (slave machine)”. In Japan, robots started to spread from the end of the 1960s, but many of them are industrial robots such as manipulators and transfer robots for the purpose of automating and unmanned production operations in factories. Met.

最近では、ヒトやサルなどの2足直立歩行を行なう動物の身体メカニズムや動作を模した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(例えば、特許文献1を参照のこと)。2足直立による脚式移動は、クローラ式や、4足又は6足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。   Recently, research and development on legged mobile robots simulating the body mechanism and movement of animals such as humans and monkeys who perform biped upright walking has progressed, and expectations for practical use are also increasing (for example, Patent Document 1). checking). Leg type movement with two legs standing up is unstable and difficult to control posture and walking, compared to crawler type, four or six legs type, etc., but walking with irregularities on the work path such as rough terrain and obstacles It is excellent in that it can realize flexible movement work, such as being able to cope with discontinuous walking surfaces such as up and down of surfaces and stairs and ladders.

人間の作業空間や居住空間のほとんどは、2足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おり、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多くの障壁が存在する。したがって、機械システムすなわちロボットがさまざまな人的作業を代行し、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。   Most of the human working space and living space are formed according to the human body mechanism and behavioral style of biped upright walking, and the current mechanical system using wheels and other driving devices as moving means moves. There are many barriers. Therefore, in order for the mechanical system, that is, the robot to perform various human tasks and penetrate deeply into the human living space, it is preferable that the movable range of the robot is substantially the same as that of the human. This is also why the practical application of legged mobile robots is highly expected.

ところが、脚式移動ロボットは高い対地適応性が得られる反面、移動速度や効率の面で、車輪型移動ロボットよりも劣るという問題がある。このため、脚式の移動と車輪型の移動の双方の特質を兼ね備えた、いわば脚車輪ハイブリッド型の移動体に関する研究が行なわれている。   However, a legged mobile robot has high ground adaptability, but has a problem that it is inferior to a wheeled mobile robot in terms of moving speed and efficiency. For this reason, so-called leg-wheel hybrid type moving bodies that combine the characteristics of both leg-type movement and wheel-type movement have been studied.

車輪を利用した移動ロボットとして、例えば、災害現場への進入を行う極限作業用の6脚走行車(例えば、非特許文献1を参照のこと)や移動体(例えば、非特許文献2を参照のこと)、またクローラも連続的な無限軌道を用いるという観点から広義の車輪と捉えれば、地雷撤去を目的として開発されたCOMET−III(例えば、非特許文献3を参照のこと)などが挙げられる。   As a mobile robot using wheels, for example, a six-legged traveling vehicle for extreme work (for example, see Non-Patent Document 1) or a moving body (for example, see Non-Patent Document 2) for entering a disaster site. In addition, if the crawler is also regarded as a wheel in a broad sense from the viewpoint of using a continuous endless track, COMET-III (for example, see Non-Patent Document 3) developed for the purpose of removing landmines can be cited. .

これらの移動体は車輪として駆動力を持つ能動車輪を用いている。これに対し、脚式による歩行機械は一般に歩行動作を実現するために多くの自由度を有し、機体質量は増大しがちである。その上、車輪駆動のためのアクチュエータを搭載すると、いたずらに質量増加を招き、その結果、歩行機械としての運動性能を逆に制約する。   These moving bodies use active wheels having driving force as wheels. On the other hand, a legged walking machine generally has many degrees of freedom in order to realize a walking motion, and the body mass tends to increase. In addition, if an actuator for driving the wheel is mounted, the mass is unnecessarily increased, and as a result, the motion performance as a walking machine is constrained.

そこで、簡素な機構で質量増加も少ない受動車輪を用いた歩行機械のハイブリッド化手法が提案されている。   Therefore, a hybrid method for walking machines using passive wheels with a simple mechanism and a small increase in mass has been proposed.

例えば、ローラースケート靴を履くことにより、通常の歩行動作時よりもダイナミックで高速な移動作業を実現することができる脚式移動ロボットについて提案がなされている(例えば、特許文献2を参照のこと)。   For example, there has been proposed a legged mobile robot that can realize a moving work that is more dynamic and faster than normal walking motion by wearing roller skates (see, for example, Patent Document 2). .

また、「ローラーウォーカー」と名付けられた手法では、脚先に受動車輪を取り付け、ローラースケートと同様の原理で推進することができる(例えば、非特許文献4を参照のこと)。   In the technique named “roller walker”, passive wheels can be attached to the tip of a leg, and propulsion can be carried out based on the same principle as roller skating (see, for example, Non-Patent Document 4).

図20及び図21には、ローラーウォーカーの自由度構成を模式的に示している。同図に示す、ハイブリッド歩行機械は、4足の脚式移動ロボットであり、各脚部は、足平より付け根に向かって、3つのロール回りの自由度と1つのヨー回りの自由度という、合計4自由度を備えている(但し、ロボットの前方向をXと置き、進行方向として座標系を図示のように設定する)。足部の足平は円盤状をなし、車輪としての機能を兼ね備えている。すなわち、歩行時には、図20に示すように、足首角度をロール回りに回転させることで、円盤状の車輪を倒して接地させ、足裏として利用する。また、車輪を用いた走行時には、図21に示すように足首角度をロール回りに回転させ、円盤状の車輪を起こして、足首以降で車輪をピッチ軸周りに受動回転可能にする。このように簡素な機構を用いることで、車輪を用いた走行性能を実現しつつ、過大な重量増加を抑え、歩行機械としての性能低下を最小限に抑えることができる。   20 and 21 schematically show the degree of freedom configuration of the roller walker. The hybrid walking machine shown in the figure is a four-legged legged mobile robot, and each leg portion has three degrees of freedom around the roll and one degree of freedom around the yaw from the foot toward the base. It has a total of 4 degrees of freedom (however, the robot's forward direction is set as X, and the coordinate system is set as the traveling direction as shown). The foot of the foot has a disk shape and also functions as a wheel. That is, at the time of walking, as shown in FIG. 20, the ankle angle is rotated around the roll, so that the disk-shaped wheel is brought to ground and used as a sole. Further, when traveling using the wheels, as shown in FIG. 21, the ankle angle is rotated around the roll to raise a disk-shaped wheel so that the wheels can be passively rotated around the pitch axis after the ankle. By using such a simple mechanism, an excessive weight increase can be suppressed and performance degradation as a walking machine can be minimized while realizing running performance using wheels.

さて、受動車輪による推進は、車輪の転がり方向は摩擦係数が少なく、軸方向は摩擦が大きい。このような抗力の異方性を利用することにより、受動車輪による推進を実現する。ここで、例えば左右の各脚の付け根のヨー軸回転を利用することにより、左右の車輪はそれぞれX方向に対して傾きを持ちながら左右の車輪間の軸方向の距離が伸縮する。このとき、軸方向の摩擦が大きいことから、車輪の軸方向に発生する摩擦力が車輪の転がりによって解放されて、X方向への推進力に変換される。   In the propulsion by the passive wheel, the rolling direction of the wheel has a small coefficient of friction, and the axial direction has a large amount of friction. By using such anisotropy of the drag, propulsion by passive wheels is realized. Here, for example, by using the yaw axis rotation at the base of the left and right legs, the distance between the left and right wheels in the axial direction expands and contracts while the left and right wheels are inclined with respect to the X direction. At this time, since the friction in the axial direction is large, the frictional force generated in the axial direction of the wheel is released by the rolling of the wheel and is converted into a propulsive force in the X direction.

ここで、車輪の軸方向の摩擦力を車輪の回転に変換するには、車輪の転がり方向をヨー回りに回転させる機構を持ち、車輪に印加される摩擦力に対し車輪の転がり方向が非直交である必要がある。また、車輪の転がり方向と推進方向(若しくはロボットの主たる進行方向)のなす角θG(グライド角と呼ぶことにする)は言わばギアの減速比に相当する。したがって、グライド角θGにより大きな角度をつければ低速となることから装置の推進方向に大きな推進力を発生することができる。逆に、グライド角θGにより小さな角度を与えることにより、小さな推進力であるが、ロボットを高速に推進することができる(例えば、非特許文献5及び非特許文献6を参照のこと)。すなわち、所望の方向の移動を生成するためには,車輪の転がり方向すなわち脚先ヨー角度を変化させることが必要である。 Here, in order to convert the frictional force in the axial direction of the wheel into rotation of the wheel, it has a mechanism that rotates the rolling direction of the wheel in the yaw direction, and the rolling direction of the wheel is non-orthogonal with respect to the frictional force applied to the wheel. Need to be. Further, the angle θ G (referred to as the glide angle) formed by the rolling direction of the wheel and the propulsion direction (or the main traveling direction of the robot) corresponds to the reduction ratio of the gear. Therefore, it is possible to generate a large driving force to the propulsion direction of the device from becoming slow I mean a large angle by the glide angle theta G. Conversely, by giving a small angle to the glide angle θ G , the robot can be propelled at a high speed although it has a small propulsive force (see, for example, Non-Patent Document 5 and Non-Patent Document 6). That is, in order to generate a movement in a desired direction, it is necessary to change the rolling direction of the wheel, that is, the leg tip yaw angle.

一般に、2足を除く多脚歩行ロボットの場合、機構設計上の観点から、一脚当たりの重量を小さくすることが好ましい。この帰結として、一脚当たりの自由度はXYZの3自由度となることが多く、(X,Y,Z,Roll,Pitch,Yaw)の6自由度をすべて独立に扱うことができないのが実情である。   In general, in the case of a multi-legged walking robot excluding two legs, it is preferable to reduce the weight per leg from the viewpoint of mechanism design. As a result, the degree of freedom per leg is often 3 degrees of freedom of XYZ, and it is actually impossible to handle all 6 degrees of freedom of (X, Y, Z, Roll, Pitch, Yaw) independently. It is.

図20及び図21に示した関節配置では、XY位置の従属変数としてヨーを間接的に変化させることが可能であるため、受動車輪による推進が検討できる。ところが、これまでに検討された多脚ロボットは図20及び図21に示した関節配置のみであり、例えば図22に示すような関節配置は検討されていない。   In the joint arrangements shown in FIGS. 20 and 21, it is possible to indirectly change the yaw as a dependent variable of the XY position, so that propulsion using passive wheels can be considered. However, the multi-legged robots studied so far are only the joint arrangements shown in FIGS. 20 and 21, and the joint arrangement shown in FIG. 22, for example, has not been studied.

また、関節部の駆動系の配置レイアウトに自由度を持たせ、当該関節部に十分な動力と剛性を持たせた多足歩行ロボットについて提案がなされている(例えば、特許文献3を参照のこと)。このロボット装置の可動脚は、ロール軸に相当する第1回動軸回りの自由度と、ピッチ軸に相当する第2及び第3の回動軸回りの自由度という合計3自由度を備えているが、グライド角θGを得るための足先のヨー回転を生成することができる自由度を可動脚は備えていない。 Further, a multi-legged walking robot has been proposed in which the layout of the drive system of the joint part is given freedom and the joint part has sufficient power and rigidity (see, for example, Patent Document 3). ). The movable leg of this robot apparatus has a total of three degrees of freedom, ie, a degree of freedom around the first rotation axis corresponding to the roll axis and a degree of freedom around the second and third rotation axes corresponding to the pitch axis. However, the movable leg does not have a degree of freedom that can generate the yaw rotation of the foot to obtain the glide angle θ G.

3自由度を保持したまま、グライド角を得るための足先のヨー回転を生成することはできないことから、車輪の軸方向の摩擦力を車輪の回転に変換し、あるいはその減速比を調整することはできない。すなわち、従来の手法(非特許文献5及び非特許文献6を参照のこと)はそのまま適用することはできない。   Since the yaw rotation of the foot to obtain the glide angle cannot be generated while maintaining the three degrees of freedom, the frictional force in the axial direction of the wheel is converted into the rotation of the wheel, or the reduction ratio is adjusted. It is not possible. That is, the conventional method (see Non-Patent Document 5 and Non-Patent Document 6) cannot be applied as it is.

また、ローラーウォーカーでは、図20及び図21からも分かるように、足裏と車輪を切り替えるための足首部のアクチュエータが必要であり、この足裏切替機構を含めたシステムとして全体を構築する必要がある。この場合、足裏と車輪は常に兼用となることから、必ずしも歩行に適切な形状や材質を選べる訳ではない。   In addition, as can be seen from FIG. 20 and FIG. 21, the roller walker requires an ankle actuator for switching between the sole and the wheel, and it is necessary to construct the entire system including the sole switching mechanism. is there. In this case, since the sole and the wheel are always used together, it is not always possible to select an appropriate shape and material for walking.

特開平13−129775号公報Japanese Patent Laid-Open No. 13-129775 特開2001−138272号公報JP 2001-138272 A 特開2002−11679号公報、図1Japanese Patent Laid-Open No. 2002-11679, FIG. N.Kimura,T.Kamigaki,N.Suzuki,A.Nishikawa and N.Yamamoto :“Locomotion Mechanism and Control Architecture for Disaster Preventing Robot”,'91 ISART pp.375-380(1991)N. Kimura, T. Kamigaki, N. Suzuki, A. Nishikawa and N. Yamamoto: “Locomotion Mechanism and Control Architecture for Disaster Preventing Robot”, '91 ISART pp.375-380 (1991) H.Adachi,N.Koyachi,T.Arai,A.SHimizu and Y.Nogami:“Mechanism and Control of a Leg-Wheel Hybrid Mobile Robot”,International Conference on Intelligent Robots and Systems Proc., pp.1792-1797(1999)H.Adachi, N.Koyachi, T.Arai, A.SHimizu and Y.Nogami: “Mechanism and Control of a Leg-Wheel Hybrid Mobile Robot”, International Conference on Intelligent Robots and Systems Proc., Pp.1792-1797 1999) http://mec2.tm.chiba-u.jp/~nonami/http://mec2.tm.chiba-u.jp/~nonami/ G.Endo, S.Hirose:“Study on Roller-Walker(Multi-mode Steering Control and Self-contained Locomotion”,IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp.2808-2814(2000)G. Endo, S. Hirose: “Study on Roller-Walker (Multi-mode Steering Control and Self-contained Locomotion”, IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 2808-2814 (2000) 遠藤玄:“索状能動体と脚車輪ハイブリッド移動体におけるグライド推進の研究”,東京工業大学大学院理工学研究科機械物理工学専攻学位論文,pp.8-10(2000)Gen Endo: “Study on glide propulsion in cord-like active vehicle and leg-wheel hybrid vehicle”, Tokyo Institute of Technology Graduate School of Science and Engineering, Department of Mechanical Physics Engineering, pp.8-10 (2000) 遠藤玄:“索状能動体と脚車輪ハイブリッド移動体におけるグライド推進の研究”,東京工業大学大学院理工学研究科機械物理工学専攻学位論文,pp.80-87(2000)Gen Endo: “Study on Glide Propulsion in Active Active Vehicles and Leg-Wheel Hybrid Vehicles”, Tokyo Institute of Technology Graduate School of Science and Engineering, Department of Mechanical Physics Engineering, pp.80-87 (2000)

本発明の目的は、脚式の移動と車輪型の移動の双方の特質を兼ね備えた、脚車輪ハイブリッド型の優れたロボット装置及びその制御方法、並びに受動車輪装置を提供することにある。   It is an object of the present invention to provide an excellent leg-wheel hybrid type robot apparatus having both characteristics of a leg-type movement and a wheel-type movement, a control method thereof, and a passive wheel apparatus.

本発明のさらなる目的は、受動車輪を付加することで脚による走行性能を向上させることができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びに受動車輪装置を提供することにある。   A further object of the present invention is to provide an excellent robot apparatus, a control method therefor, and a passive wheel apparatus that can improve running performance by legs by adding passive wheels.

本発明のさらなる目的は、足先に取り付けられた受動車輪を用い、車輪の転がり方向をヨー回りに回転させ、車輪の軸方向の摩擦力を車輪の回転に変換することにより推進力を得て、車輪を用いた走行を実現することができる、優れたロボット装置及びその制御方法を提供することにある。   A further object of the present invention is to obtain a driving force by using a passive wheel attached to the tip of the foot, rotating the rolling direction of the wheel around the yaw, and converting the frictional force in the axial direction of the wheel into the rotation of the wheel. Another object of the present invention is to provide an excellent robot apparatus and its control method capable of realizing traveling using wheels.

本発明のさらなる目的は、多脚ロボットの一脚当たりの少ない自由度を用いて足先の車輪に対しヨー回りの回転を与え、車輪の転がり方向と推進方向のなすグライド角θGを動的且つ受動的に変化させて、所望の推進力と移動速度を得ることができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びに受動車輪装置を提供することにある。 A further object of the present invention is to provide yaw rotation with respect to the wheels of the toes using a low degree of freedom per one leg of the multi-legged robot, and dynamically change the glide angle θ G formed between the rolling direction of the wheels and the propulsion direction. It is another object of the present invention to provide an excellent robot apparatus, a control method therefor, and a passive wheel apparatus which can be passively changed to obtain desired propulsive force and moving speed.

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、1以上の可動脚を備えたロボット装置であって、
前記可動脚の足先に取り付けられた、足裏のベース面上で首振り自在に支持された車輪を持つ車輪機構と、
少なくとも可動脚の動作を制御する動作制御手段とを備え、
前記動作制御手段は、前記可動脚の足先に前記進行方向に対して非平行な方向へ移動する動作を与えることにより、前記車輪の転がり方向と前記進行方向のなすグライド角θGを間接的に形成することを特徴とするロボット装置である。
The present invention has been made in consideration of the above problems, and is a robot apparatus including one or more movable legs,
A wheel mechanism attached to the tip of the movable leg and having a wheel supported to swing freely on the base surface of the sole;
An operation control means for controlling at least the operation of the movable leg,
The motion control means indirectly gives a glide angle θ G formed between the rolling direction of the wheel and the traveling direction by giving the foot of the movable leg a motion that moves in a direction non-parallel to the traveling direction. It is a robot apparatus characterized by forming in.

脚式移動ロボットは高い対地適応性が得られる反面、移動速度や効率の面で、車輪型移動ロボットよりも劣るということから、脚式移動と車輪型移動の双方の特質を兼ね備えた、いわば脚車輪ハイブリッド型の移動体が優れていると思料される。また、機体の総重量を考慮すると、能動車輪ではなく、受動車輪を用いることが好ましいが、推進力をいかに得るかが問題となる。   Legged mobile robots are highly adaptable to the ground, but are inferior to wheeled mobile robots in terms of movement speed and efficiency, so they have both the characteristics of both legged and wheeled mobile robots. It seems that the wheel hybrid type moving body is excellent. In consideration of the total weight of the airframe, it is preferable to use passive wheels instead of active wheels, but how to obtain propulsive force becomes a problem.

例えば、車輪の転がり方向は摩擦係数が少なく軸方向は摩擦が大きいという抗力の異方性を利用することにより、受動車輪による推進力を得ることができる。この場合、受動車輪の転がり方向とロボットの主たる推進方向とのなすグライド角θGを、可動脚の少ない自由度を用いて形成しなければならない。 For example, the propulsive force by the passive wheel can be obtained by utilizing the anisotropy of the drag that the wheel rolling direction has a small friction coefficient and the axial direction has a large friction. In this case, the glide angle θ G formed by the rolling direction of the passive wheel and the main propulsion direction of the robot must be formed with a small degree of freedom of the movable legs.

本発明によれば、前記可動脚の足先に前記進行方向に対して非平行な方向へ移動する動作を与えることにより、前記車輪と路面との摩擦力により前記車輪に首振り作用を生じさせて、前記車輪の転がり方向と前記進行方向のなすグライド角θGを間接的すなわち能動的な駆動源を用いずに形成させることができる。この場合、前記車輪の転がり方向は摩擦係数が少ないが軸方向は摩擦が大きいという抗力の異方性に基づいて、前記足先の前記進行方向に対し非平行な方向への運動を前記車輪の回転運動に変換して前記推進方向に対する推進力を得ることができる。 According to the present invention, the movement of the leg of the movable leg in a direction non-parallel to the traveling direction is given, thereby causing the wheel to swing by the frictional force between the wheel and the road surface. Thus, the glide angle θ G formed by the rolling direction of the wheel and the traveling direction can be formed without using an indirect or active drive source. In this case, based on the anisotropy of the drag force that the rolling direction of the wheel has a small friction coefficient but the friction in the axial direction is large, the movement of the toe in a direction non-parallel to the traveling direction is performed. It is possible to obtain a propulsive force in the propulsion direction by converting it into a rotational motion.

ここで、前記動作制御手段は、前記可動脚の足先を前記進行方向に対して非平行な方向へ移動させ前記車輪に首振り動作を与えることにより、グライド角θGに相当する前記推進力の減速比を得ることができる。グライド角θGにより大きな角度をつければ低速となることから装置の推進方向に大きな推進力を発生することができる。逆に、グライド角θGにより小さな角度を与えることにより、小さな推進力であるが、ロボットを高速に推進することができる。 Here, the motion control means moves the toe of the movable leg in a direction non-parallel to the traveling direction to give a swing motion to the wheel, thereby providing the propulsive force corresponding to the glide angle θ G The reduction ratio can be obtained. A large propulsive force can be generated in the propulsion direction of the apparatus because the glide angle θ G becomes a low speed when a large angle is applied. Conversely, by giving a small angle to the glide angle θ G , the robot can be propelled at a high speed although it has a small propulsive force.

但し、推進の必要条件としてグライド角は受動車輪の転がり方向・軸方向の摩擦係数の比によって規定される下限値が存在することから、走行路面の摩擦係数に応じてグライド角θGを変更するようにしてもよい。 However, as a necessary condition for propulsion, the glide angle has a lower limit defined by the ratio of the friction coefficient in the rolling direction and the axial direction of the passive wheel, so the glide angle θ G is changed according to the friction coefficient of the road surface. You may do it.

また、前記車輪の首振り動作の可動範囲を規制するリミット機構を備え、間接的にのみ設定されるグライド角θGすなわち減速比の範囲を所望の範囲内に収めるようにしてもよい。 In addition, a limit mechanism for restricting the movable range of the swinging operation of the wheel may be provided so that the glide angle θ G that is set only indirectly, that is, the speed reduction ratio range, falls within a desired range.

リミット機構は、所定の固定位置に固定され、首振り動作する前記車輪に当接して可動範囲を規制するリミッタで構成することができる。例えば、リミッタの固定位置を複数設けると、その固定位置に応じて異なる可動範囲を設定し、グライド角θGすなわち減速比を調整できるようにすることができる。大きな角度で振れるようにすればより高い減速比になり、凹凸のある路面でも推進し易くなる一方、小さな角度で振れるようにすれば低い減速比になり、滑らかな路面を高速で移動することができる。 The limit mechanism can be configured by a limiter that is fixed at a predetermined fixed position and that abuts on the wheel that swings and restricts the movable range. For example, when a plurality of limiter fixed positions are provided, different movable ranges can be set according to the fixed positions, and the glide angle θ G, that is, the reduction ratio can be adjusted. If you swing at a large angle, you will get a higher reduction ratio, and it will be easier to propel even on uneven road surfaces, while if you swing at a small angle, you will have a lower reduction ratio, and you can move on a smooth road surface at high speed. it can.

あるいは、リミッタ機構は、前記車輪の首振り方向に対して復元力を持つ弾性体で構成することができる。この場合、進行方向に対し非平行方向となる足先の運動に要する力が大きければ大きいほど、弾性体の復元力が増し、その結果として大きなグライド角θGとなることから、走行路面の摩擦状態に応じて自動的に減速比が切り替わる無段変速機構とみなすことができ、より高効率な推進も可能である。 Or a limiter mechanism can be comprised with the elastic body which has a restoring force with respect to the swinging direction of the said wheel. In this case, the greater the force required to move the toe in a direction that is non-parallel to the traveling direction, the greater the restoring force of the elastic body, resulting in a larger glide angle θ G. It can be regarded as a continuously variable transmission mechanism in which the reduction ratio automatically switches according to the state, and more efficient propulsion is possible.

また、車輪は足先のY方向の移動に基づいて間接的すなわち受動的に回転動作することから、車輪自体には制動機構がない。そこで、前記車輪の回転により得られる推進を制動する制動手段をさらに備えてもよい。   Further, since the wheel rotates indirectly, that is, passively based on the movement of the toe in the Y direction, the wheel itself has no braking mechanism. Therefore, a braking means for braking the propulsion obtained by the rotation of the wheel may be further provided.

このように、首振りキャスターを備えた受動車輪機構を歩行機械の足先などに装着することで、受動車輪による高速推進が可能になる。また、受動車輪機構を足部に対して着脱自在に構成することで、あらかじめハイブリッド移動体としてシステムを構築する必要がなく、状況に応じて付加(すなわち装着)することが可能である。したがって、既存の歩行機械システムに容易に車輪移動機能を付加することができる。また、歩行のための脚先機構と交換する、あるいはそれを覆うような形態で装着するので、取り外せば元の歩行機械の性能を損なうことがない。   In this way, by mounting a passive wheel mechanism equipped with a swing caster on the toe of a walking machine, high-speed propulsion by the passive wheel becomes possible. Further, by configuring the passive wheel mechanism so as to be detachable with respect to the foot, it is not necessary to construct a system as a hybrid moving body in advance, and it is possible to add (that is, mount) according to the situation. Therefore, the wheel movement function can be easily added to the existing walking machine system. Moreover, since it replaces | exchanges for the leg-tip mechanism for a walk, or is mounted | worn with the form which covers it, if it removes, the performance of the original walking machine will not be impaired.

また、受動車輪機構を用いて得られる推進力によれば、脚式移動により得ることが可能な最大速度よりも高速な移動が可能となることから、その移動の様子が直観と異なり、大変興味深い。したがって、本発明はエンタテインメント性という点においても優れていると言える。   In addition, the propulsive force obtained by using the passive wheel mechanism makes it possible to move faster than the maximum speed that can be obtained by legged movement. . Therefore, it can be said that the present invention is excellent in terms of entertainment properties.

また、少なくとも1組の左右対称な可動脚を備えるロボット装置において、前記動作制御手段は、各可動脚の足先に対して、前記進行方向に対して非平行な方向(Y方向)へ移動する左右対称となる周期的な運動を与えるようにしてもよい。このように、左右対称に構成された左右の可動脚それぞれの足先に取り付けられた受動車輪を、左右対称となるようにY方向に周期的な運動を起こさせることにより、ロボットの進行方向への推進力を得ることができ、脚式移動よりも高速な直進運動を実現することができる。   In the robot apparatus including at least one pair of left and right symmetrical movable legs, the motion control unit moves in a direction (Y direction) non-parallel to the traveling direction with respect to the toes of each movable leg. You may make it give the periodic motion used as left-right symmetry. In this way, the passive wheels attached to the left and right feet of the left and right movable legs configured symmetrically are caused to move in the Y direction so as to be symmetrical, thereby moving the robot in the traveling direction. The propulsive force can be obtained, and a linear movement faster than the legged movement can be realized.

また、前記ロボット装置本体の前後にそれぞれ左右対称な可動脚を備える場合には、前記動作制御手段は、前脚と後脚とで足先の周期的な運動に位相差を設けるようにしてもよい。   Further, when the left and right symmetrical movable legs are provided before and after the robot apparatus main body, the motion control means may provide a phase difference in the periodic motion of the toes between the front legs and the rear legs. .

脚位置が極値近傍になると、受動動作する首振りキャスターは首振り運動を行ない、反対側のリミッタで拘束されるまで受動的に回動する。このとき、Y方向の脚運動は推進力を発生することができないことから、車輪の転がり抵抗により推進速度は減少する。このような脈動を減らす目的で、前後脚には位相差φfrを導入する。例えば、φfr=π/2、あるいは3π/2とした場合、受動車輪が発揮する推進力はφ=0、πのとき最大となり、φ=π/2又は3π/2のとき最小となる。したがって、前脚が推進力を失うとき、後脚推進力が最大になるようにすれば、推進速度の増減を減らして、定常的な移動速度を実現することができる。 When the leg position is in the vicinity of the extreme value, the swinging caster that passively moves performs a swinging motion and passively rotates until it is restrained by the opposite limiter. At this time, since the leg movement in the Y direction cannot generate a propulsive force, the propulsion speed decreases due to the rolling resistance of the wheels. In order to reduce such pulsation, a phase difference φ fr is introduced into the front and rear legs. For example, when φ fr = π / 2 or 3π / 2, the driving force exerted by the passive wheel is maximum when φ = 0 and π, and is minimum when φ = π / 2 or 3π / 2. Therefore, when the front leg loses propulsive force, if the rear leg propulsive force is maximized, the increase / decrease in the propulsive speed can be reduced and a steady moving speed can be realized.

また、ロボット装置は、舵取用車輪機構を足先に取り付けた舵取用の可動脚と、推進用車輪機構を足先に取り付けた推進用の可動脚を備えていてもよい。このような場合、前記動作制御手段は、前記舵取用車輪機構の転がり方向が旋回方向と一致するように前記舵取用の可動脚を駆動するとともに、前記推進用の可動脚の足先に前記進行方向に対して非平行な方向(Y方向)へ移動する動作を与えることにより足先の前記進行方向に対し非平行な方向への運動を前記車輪の回転運動に変換して前記推進方向に対する推進力を得る。   The robot apparatus may also include a steering movable leg with a steering wheel mechanism attached to the foot tip and a propulsion movable leg with the propulsion wheel mechanism attached to the foot tip. In such a case, the operation control means drives the movable leg for steering so that the rolling direction of the steering wheel mechanism coincides with the turning direction, and is applied to the foot of the movable leg for propulsion. By giving an operation of moving in a direction non-parallel to the traveling direction (Y direction), the movement of the toe in a direction non-parallel to the traveling direction is converted into a rotational motion of the wheel, and the propulsion direction Get the driving force against

すなわち、旋回運動を行なう場合には、左右の前脚に取り付けた受動車輪機構を舵取に用いるとともに、左右の後脚に取り付けた受動車輪機構を推進力の生成に用いるようにする。舵取用車輪機構の転がり方向が旋回方向と一致するように前記舵取用の可動脚を駆動するとともに、左右の後脚の足先をY方向への周期的な運動を左右対称に行なわせることによって、車輪の転がり方向は摩擦係数が少ないが軸方向は摩擦が大きいという抗力の異方性に基づいて、Y方向への運動が推進用受動車輪の回転運動に変換されて、推進方向(ロボットの進行方向)への推進力を得ることができる。この推進力を利用して、操舵された方向へ旋回することができる。   That is, when performing a turning motion, the passive wheel mechanism attached to the left and right front legs is used for steering, and the passive wheel mechanism attached to the left and right rear legs is used to generate the propulsive force. The steering movable leg is driven so that the rolling direction of the steering wheel mechanism coincides with the turning direction, and the toes of the left and right rear legs are caused to perform a symmetrical movement in the Y direction symmetrically in the left-right direction. Thus, based on the anisotropy of the drag force that the rolling direction of the wheel has a small friction coefficient but the friction in the axial direction is large, the motion in the Y direction is converted into the rotational motion of the propulsion passive wheel, and the propulsion direction ( Propulsive force in the direction of movement of the robot can be obtained. The propulsive force can be used to turn in the steered direction.

ここで、前記動作制御手段は、所望の舵取角が得られるように、前記足裏のベース面を傾斜させて、前記車輪を首振り動作させるようにしてもよい。   Here, the operation control unit may swing the wheel by tilting the base surface of the sole so as to obtain a desired steering angle.

車輪の首振り運動を直接的に操作することはできないが、ベース面を床面に対し傾けることにより、車輪の最下端の取り得る軌跡を操作することができる。車輪は常に接地しているものと仮定すれば、床面からの垂直抗力がZ正方向に働く。したがって、車輪の最下端の接地点が床面とベース面の距離が最も離れている点に到達するように首振り動作し、そこを安定平衡点として停止する。この安定平衡点を床面に投影することにより、操舵角θstrが求められる。 Although the swinging motion of the wheel cannot be directly manipulated, the trajectory that can be taken at the lowermost end of the wheel can be manipulated by tilting the base surface with respect to the floor surface. Assuming that the wheel is always in contact with the ground, the vertical drag from the floor surface acts in the positive Z direction. Therefore, the swinging operation is performed so that the ground contact point at the lowermost end of the wheel reaches the point where the distance between the floor surface and the base surface is the farthest, and this is stopped as a stable equilibrium point. The steering angle θ str is obtained by projecting this stable equilibrium point onto the floor surface.

本発明によれば、脚式移動と車輪型移動の双方の特質を兼ね備えた、脚車輪ハイブリッド型の優れたロボット装置及びその制御方法、並びに受動車輪装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the robot apparatus which was excellent in the leg wheel hybrid type which had the characteristics of both leg type movement and wheel type | mold movement, its control method, and a passive wheel apparatus can be provided.

また、本発明によれば、受動車輪を付加することで脚による走行性能を向上させることができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びに受動車輪装置を提供することができる。   In addition, according to the present invention, it is possible to provide an excellent robot apparatus, a control method therefor, and a passive wheel apparatus that can improve running performance by legs by adding passive wheels.

また、本発明によれば、足先に取り付けられた円盤状の受動車輪を用い、車輪の転がり方向をヨー回りに回転させ、車輪の軸方向の摩擦力を車輪の回転に変換することにより推進力を得て、車輪を用いた走行を実現することができる、優れたロボット装置及びその制御方法を提供することができる。   In addition, according to the present invention, the disk-shaped passive wheel attached to the tip of the foot is used, the rolling direction of the wheel is rotated around the yaw, and the frictional force in the axial direction of the wheel is converted into the rotation of the wheel. It is possible to provide an excellent robot apparatus and its control method capable of obtaining power and realizing traveling using wheels.

また、本発明によれば、多脚ロボットの一脚当たりの少ない自由度を用いて足先の車輪に対しヨー回りの回転を与え、車輪の転がり方向と推進方向のなすグライド角θGを動的且つ間接的に変化させて、所望の推進力と移動速度を得ることができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びに受動車輪装置を提供することができる。 In addition, according to the present invention, the rotation of the toe wheel is given to the wheel of the toe using a low degree of freedom per one leg of the multi-legged robot, and the glide angle θ G formed by the rolling direction of the wheel and the propulsion direction is moved. It is possible to provide an excellent robot apparatus, a control method therefor, and a passive wheel apparatus capable of obtaining desired propulsive force and moving speed by changing the speed and the speed manually and indirectly.

本発明の具体的な効果として以下の事柄を挙げることができる。
(1)脚型歩行機械に簡素な受動車輪機構を付加することで、高速で且つ高効率の移動が可能になる。
(2)受動車輪機構を着脱式としたことから、既に構築されている脚式の歩行機械に容易に装備することができる。
(3)受動車輪機構を足先から取り外すことによって、不連続な歩行面に対応するといった歩行機械の本来の性能は損なわれない。
(4)受動関節を導入することにより、足先のヨー自由度を持たない歩行機械であっても適用可能であり、車輪の転がり方向と推進方向のなすグライド角θGを動的に変化させて、所望の推進力と移動速度を得ることができる。
(5)本発明に係る受動車輪機構は、とりわけ、一脚当たりの自由度に制約のある2足を除く多脚機械において大きな効果を奏するが、勿論、2足の脚式移動ロボットに適用することも可能である。
(6)本発明に係る受動車輪機構は、基本的にはローラースケートと同様の原理に基づく移動方式であり、エンタテインメント性が高い.
(7)本発明に係る制御手法により、ユーザがインタラクティブに推進方向の指令を送り、ロボット装置を自由に操作することが可能である。
(8)付加的に装着可能な受動車輪機構は非常に簡素であり部品点数も少なくて済むことから、高い信頼性と低いコストを以って設計・製作することができる。
(9)本発明に係る受動車輪機構を適用することにより、歩行型のロボット装置は車輪型移動を行ない、連続的に接地することから、重心の上下動を抑制することができる。この場合、例えば乗り心地の向上や、頭部などに搭載したカメラによる撮像画像などの乱れが少なくすることができる。
(10)四脚は常に支持脚であることから、本発明に係る受動車輪機構を適用しても転倒しにくい。
(11)脚型歩行機械の関節は、低速かつ高トルクを出力できるよう設計される。したがって、本発明に係る受動車輪機構はそのような関節出力に適した移動方式であると言える。
(12)受動車輪は転がり摩擦が少ないことから,傾斜面を下る場合,移動エネルギを必要としない.
The following can be mentioned as specific effects of the present invention.
(1) By adding a simple passive wheel mechanism to the legged walking machine, it is possible to move at high speed and with high efficiency.
(2) Since the passive wheel mechanism is detachable, it can be easily installed in a legged walking machine that has already been constructed.
(3) By removing the passive wheel mechanism from the tip of the foot, the original performance of the walking machine that corresponds to a discontinuous walking surface is not impaired.
(4) By introducing a passive joint, it can be applied even to a walking machine that does not have a yaw degree of freedom of the toe, and the glide angle θG formed by the rolling direction of the wheel and the propulsion direction can be dynamically changed. The desired driving force and moving speed can be obtained.
(5) The passive wheel mechanism according to the present invention is particularly effective in a multi-leg machine excluding two legs with a limited degree of freedom per leg, but of course, it is applied to a two-legged mobile robot. It is also possible.
(6) The passive wheel mechanism according to the present invention is basically a movement system based on the same principle as roller skates, and has high entertainment properties.
(7) With the control method according to the present invention, the user can interactively send a command in the propulsion direction and freely operate the robot apparatus.
(8) The passive wheel mechanism that can be additionally mounted is very simple and requires only a small number of parts, so that it can be designed and manufactured with high reliability and low cost.
(9) By applying the passive wheel mechanism according to the present invention, the walking type robot apparatus performs wheel type movement and is continuously grounded, so that the vertical movement of the center of gravity can be suppressed. In this case, for example, it is possible to improve riding comfort and to reduce disturbances such as an image captured by a camera mounted on the head.
(10) Since the four legs are always supporting legs, even if the passive wheel mechanism according to the present invention is applied, it is difficult to fall.
(11) The joint of the legged walking machine is designed to output a high torque at a low speed. Therefore, it can be said that the passive wheel mechanism according to the present invention is a movement system suitable for such joint output.
(12) Since passive wheels have little rolling friction, moving energy is not required when descending an inclined surface.

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形態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。   Other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from more detailed description based on embodiments of the present invention described later and the accompanying drawings.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明は、受動車輪を付加することで脚による走行性能を向上させることができる、多脚型のロボット装置に関する。本発明に係るロボット装置は、先に取り付けられた円盤状の受動車輪を用いて、車輪の転がり方向をヨー回りに回転させ、車輪の軸方向の摩擦力を車輪の回転に変換することにより推進力を得て、車輪を用いた走行を実現することができる。   The present invention relates to a multi-legged robot apparatus that can improve running performance with legs by adding passive wheels. The robot apparatus according to the present invention uses a disk-shaped passive wheel attached in advance to rotate the wheel in the rolling direction around the yaw, thereby propelling it by converting the axial frictional force of the wheel into the rotation of the wheel. It is possible to achieve power and travel using wheels.

本発明は、とりわけ、図22に示したような関節配置を想定し、一脚当たりの少ない自由度を用いて足先の車輪に対しヨー回りの回転を与え、受動的に回転する車輪の転がり方向と推進方向のなすグライド角θGを動的且つ間接的に変化させて、所望の推進力と移動速度を得ることができる。 In particular, the present invention assumes a joint arrangement as shown in FIG. 22 and provides yaw rotation with respect to the toe wheel using a small degree of freedom per leg, and rolling of the wheel that rotates passively. The desired propulsive force and moving speed can be obtained by dynamically and indirectly changing the glide angle θ G formed by the direction and the propulsion direction.

また、本発明では、足先の受動車輪機構は着脱自在とし、足先に装着することで、車輪型移動機能を実現することができる。   Moreover, in this invention, the passive wheel mechanism of a foot tip is made detachable, and a wheel type movement function is realizable by mounting | wearing a foot tip.

A.受動車輪機構
図1には、本発明の一実施形態に係る受動車輪機構の構成を示している。図示の受動車輪機構1は、ベース部11と、このベース部11上面にてロボットの脚部の足先に着脱自在に取り付ける脚固定部12と、ベース部11下面にてヨー軸若しくは受動回動部13の受動回転軸回りに回動自在に取り付けられた首振りキャスター14とを備えている。さらに、この首振りキャスター14のヨー回りの可動範囲を規制するリミッタ15を備えていてもよい。
A. Passive Wheel Mechanism FIG. 1 shows the configuration of a passive wheel mechanism according to an embodiment of the present invention. The illustrated passive wheel mechanism 1 includes a base 11, a leg fixing portion 12 that is detachably attached to the tip of a leg portion of the robot on the upper surface of the base portion 11, and a yaw axis or passive rotation on the lower surface of the base portion 11. And a swing caster 14 rotatably attached around the passive rotation axis of the portion 13. Furthermore, a limiter 15 that restricts the movable range of the swing caster 14 around the yaw may be provided.

首振りキャスター14は、受動回動部13により、ベース部11に対し、受動回転軸を中心にヨー回りに回動自在に支持されている。ここで、受動回動部13のヨー軸すなわち受動回転軸回りの回転角度をθpassiveとおく。また、首振りキャスター14には、この受動回転軸に対しオフセットを以って車輪16が取り付けられている。 The swing caster 14 is supported by the passive rotation unit 13 so as to be rotatable about the yaw about the passive rotation axis with respect to the base unit 11. Here, the rotation angle around the yaw axis, that is, the passive rotation axis of the passive rotation unit 13 is set to θ passive . Further, the wheel 16 is attached to the swing caster 14 with an offset with respect to the passive rotating shaft.

図示の例では、受動車輪(若しくは受動車輪が取り付けられた足先)のY方向の運動により車輪の接地点において摩擦力が生じ、この摩擦力により首振りキャスター14は首振り運動し、受動回転部13のヨー軸回りに回転角度θpassiveが変化する。本実施形態では、受動回転軸が絶対空間デカルト座標系のZ軸と並行であり、θpassive=θGとなることから、首振りキャスター14の首振り運動により、車輪の転がり方向と推進方向(若しくはロボットの主たる進行方向)のなすグライド角θGを与えることができる。すなわち、推進に必要なグライド角θGが、Y方向の運動により間接的に生成される。 In the example shown in the figure, a frictional force is generated at the contact point of the wheel by the movement of the passive wheel (or the tip of the foot to which the passive wheel is attached) in the Y direction, and this swinging force causes the swing caster 14 to swing and passively rotate. The rotation angle θ passive changes around the yaw axis of the portion 13. In this embodiment, the passive rotation axis is parallel to the Z axis of the absolute space Cartesian coordinate system, and θ passive = θ G , so that the wheel rolling direction and the propulsion direction ( Alternatively, the glide angle θ G formed by the main traveling direction of the robot can be given. That is, the glide angle θ G necessary for propulsion is indirectly generated by the movement in the Y direction.

そして、車輪の転がり方向は摩擦係数が少ないが軸方向は摩擦が大きいという抗力の異方性に基づいて、受動車輪が取り付けられた足先のY方向の運動が受動車輪16の回転運動に変換される。   Then, based on the anisotropy of the drag force that the rolling direction of the wheel has a small friction coefficient but the friction is large in the axial direction, the motion in the Y direction of the foot to which the passive wheel is attached is converted into the rotational motion of the passive wheel 16. Is done.

また、グライド角θGは、ギアの減速比に相当し、グライド角θGにより大きな角度をつければ低速となることから装置の推進方向に大きな推進力を発生することができる。逆に、グライド角θGにより小さな角度を与えることにより、小さな推進力であるが、ロボットを高速に推進することができる。本実施形態では、受動車輪機構1が取り付けられた足先のY方向の運動により、減速比に相当するグライド角θGを間接的に設定することができる。 Further, the glide angle θ G corresponds to the gear reduction ratio, and if a larger angle is set by the glide angle θ G , the glide angle θ G becomes a low speed, so that a large propulsive force can be generated in the propulsion direction of the apparatus. Conversely, by giving a small angle to the glide angle θ G , the robot can be propelled at a high speed although it has a small propulsive force. In the present embodiment, the glide angle θ G corresponding to the reduction ratio can be indirectly set by the movement in the Y direction of the toe to which the passive wheel mechanism 1 is attached.

また、上述したように、首振りキャスター14のヨー回りの可動範囲すなわちグライド角θGは、リミッタ15により規制されているので、間接的にのみ設定される減速比の範囲を所望の範囲内に収めることができる。例えば、図2に示すようにリミッタ15の固定位置を複数(図示の例では3箇所)設け、その固定位置に応じて異なる可動範囲を設定し、減速比を調整できるようにすることができる。例えば、非特許文献6に記載されているように、大きな角度で振れるようにすればより高い減速比になり、凹凸のある路面でも推進し易くなる一方、小さな角度で振れるようにすれば低い減速比になり、滑らかな路面を高速で移動することができる。 Further, as described above, the movable range around the yaw of the swing caster 14, that is, the glide angle θ G is regulated by the limiter 15, so that the range of the reduction ratio set only indirectly is within the desired range. Can fit. For example, as shown in FIG. 2, it is possible to provide a plurality of fixed positions of the limiter 15 (three places in the illustrated example), set different movable ranges depending on the fixed positions, and adjust the reduction ratio. For example, as described in Non-Patent Document 6, if it is possible to swing at a large angle, the reduction ratio becomes higher, and it becomes easier to propel even on uneven road surfaces, while if it is allowed to swing at a small angle, the reduction is low. It becomes a ratio and can move on a smooth road surface at high speed.

なお、図2に示した例では、リミッタ15を構成するピンをいずれかの固定位置に立てることにより、受動車輪16におけるグライド角θGの可動範囲を制限するように構成されているが、リミット機構はこれに限定されるものではない。例えば、図3に示すようにバネを用いることで受動車輪16の首振り運動すなわちヨー回りの回転を制限するようにしても良い。この場合、受動車輪機構1が取り付けられた足先のY方向の運動に要する力が大きければ大きいほど、バネが引き伸ばされ、その結果として大きな受動関節角度θPassiveとなることから、走行路面の摩擦状態に応じて自動的に減速比が切り替わる無段変速機構とみなすことができ、より高効率な推進も可能である。 In the example shown in FIG. 2, the limiter 15 is configured to limit the movable range of the glide angle θ G in the passive wheel 16 by standing at any fixed position. The mechanism is not limited to this. For example, as shown in FIG. 3, the swinging motion of the passive wheel 16, that is, the rotation around the yaw, may be limited by using a spring. In this case, the greater the force required for the movement in the Y direction of the toe to which the passive wheel mechanism 1 is attached, the more the spring is stretched, resulting in a larger passive joint angle θ Passive. It can be regarded as a continuously variable transmission mechanism in which the reduction ratio automatically switches according to the state, and more efficient propulsion is possible.

また、上述した受動車輪機構1は、受動動作を行なうため、車輪16自体には制動機構がない。そこで、図4並びに図5に示すように、ローラースケートのブレーキと同様に、爪先部に摩擦係数の大きな部材、例えばゴム材などを付加することで、制動動作を行なうことも可能である。   Further, since the above-described passive wheel mechanism 1 performs a passive operation, the wheel 16 itself has no braking mechanism. Therefore, as shown in FIGS. 4 and 5, it is possible to perform a braking operation by adding a member having a large friction coefficient to the toe portion, for example, a rubber material, as in the case of the roller skate brake.

このように、首振りキャスターを備えた受動車輪機構1を歩行機械の足先などに装着することで、受動車輪による高速推進が可能になる。また、受動車輪機構1を足部に対して着脱自在に構成することで、あらかじめハイブリッド移動体としてシステムを構築する必要がなく、状況に応じて付加(すなわち装着)することが可能である。したがって、既存の歩行機械システムに容易に車輪移動機能を付加することができる。また、歩行のための脚先機構と交換する、あるいはそれを覆うような形態で装着するので、取り外せば元の歩行機械の性能を損なうことがない。   In this way, by mounting the passive wheel mechanism 1 including the swing caster on the toes of the walking machine, high-speed propulsion using the passive wheels becomes possible. Further, by configuring the passive wheel mechanism 1 so as to be detachable from the foot, it is not necessary to construct a system as a hybrid mobile body in advance, and it can be added (that is, mounted) depending on the situation. Therefore, the wheel movement function can be easily added to the existing walking machine system. Moreover, since it replaces | exchanges for the leg-tip mechanism for a walk, or is mounted | worn with the form which covers it, if it removes, the performance of the original walking machine will not be impaired.

また、受動車輪機構1を用いて得られる推進力によれば、脚式移動により得ることが可能な最大速度よりも高速な移動が可能となることから、その移動の様子が直観と異なり、大変興味深い。したがって、本発明はエンタテインメント性という点においても優れていると言える。   Moreover, according to the propulsive force obtained using the passive wheel mechanism 1, it is possible to move faster than the maximum speed that can be obtained by the legged movement. Interesting. Therefore, it can be said that the present invention is excellent in terms of entertainment properties.

B.受動車輪機構を備えた脚式移動ロボットによる運動生成方法
この項では、上述した受動車輪機構を利用した脚式移動ロボットによる運動生成方法について詳解する。ここでは、図6に示すような4つの可動脚を備えた4脚歩行ロボットへ適用した具体例について考察する。
B. Method for Generating Motion by Legged Mobile Robot with Passive Wheel Mechanism In this section, a method for generating motion by a legged mobile robot using the above-described passive wheel mechanism will be described in detail. Here, a specific example applied to a four-legged walking robot having four movable legs as shown in FIG. 6 will be considered.

図示の多足歩行ロボットは、胴体22、頭部23、左前足24A、右前足24B、左後足24C及び右後足24Dを備えている。各足24A〜24Dはそれぞれ、胴体22の一側面の一部又は全部を構成する第1ユニット25に対し第1関節部28を介して取り付けられる第2ユニット26と、この第2ユニット26に対し第2関節部29を介して取り付けられる第3ユニット27の2つのユニットから構成される。   The illustrated multi-legged walking robot includes a torso 22, a head 23, a left front foot 24A, a right front foot 24B, a left rear foot 24C, and a right rear foot 24D. Each of the legs 24 </ b> A to 24 </ b> D has a second unit 26 attached to the first unit 25 constituting a part or all of one side surface of the body 22 via the first joint portion 28, and the second unit 26. The third unit 27 includes two units attached via the second joint portion 29.

第1関節部28は、胴体22の側面に対して平行な方向に軸方向を有する第1回動軸31と、胴体22の側面に対して垂直な方向に軸方向を有する第2回動軸32とからなる。足24A〜24Dは、第1回動軸31により胴体22の側面に対して垂直な面内で回動可能とされると同時に、第2回動軸32により胴体22の側面に対して平行な面内で回動可能とされる。第1回動軸31及び第2回動軸32は、第1ユニット25及び第2ユニット26にそれぞれ収容されている。   The first joint portion 28 includes a first rotation shaft 31 having an axial direction parallel to the side surface of the body 22 and a second rotation shaft having an axial direction perpendicular to the side surface of the body 22. 32. The legs 24 </ b> A to 24 </ b> D can be rotated in a plane perpendicular to the side surface of the body 22 by the first rotation shaft 31, and are parallel to the side surface of the body 22 by the second rotation shaft 32. It can be rotated in the plane. The first rotation shaft 31 and the second rotation shaft 32 are accommodated in the first unit 25 and the second unit 26, respectively.

第2関節部29は、第2ユニット26の下端内部に収容された第3回動軸33からなり、第2回動軸32と平行な方向にその軸方向が向けられている。そのため、第3ユニット27は、当該第3回動軸33を支点として第2ユニット26の前後方向に回動可能とされる。   The second joint portion 29 includes a third rotation shaft 33 housed inside the lower end of the second unit 26, and the axial direction thereof is directed in a direction parallel to the second rotation shaft 32. Therefore, the third unit 27 is rotatable in the front-rear direction of the second unit 26 with the third rotation shaft 33 as a fulcrum.

第1回動軸31は、胴体22の側面と平行な方向にその軸方向が配置されるため、これを駆動する駆動源として筒型のモータ30を第1ユニット25内に容易に収容することができる。また、第1回動軸31を上記のように構成したことに伴い、胴体22の幅方向における自由度が従来よりも高まり、第1回動軸31のための駆動系を含めた胴体内部の効率的なレイアウト構成をとることができるので、当該モータ30と第1回動軸31との間を連絡する各ギアの歯幅を大きくすることができる。したがって、第1関節部28の大きな剛性と、高い動力性能を実現することができる。   Since the axial direction of the first rotating shaft 31 is arranged in a direction parallel to the side surface of the body 22, the cylindrical motor 30 can be easily accommodated in the first unit 25 as a driving source for driving the first rotating shaft 31. Can do. In addition, since the first rotating shaft 31 is configured as described above, the degree of freedom in the width direction of the body 22 is increased as compared with the prior art, and the inside of the body including the drive system for the first rotating shaft 31 is increased. Since an efficient layout configuration can be taken, the tooth width of each gear that communicates between the motor 30 and the first rotation shaft 31 can be increased. Therefore, high rigidity of the first joint portion 28 and high power performance can be realized.

以下では、便宜上、左前脚、左後脚、右後脚、右前脚の順で第1脚、第2脚、第3脚、第4脚と呼ぶ。また、各脚の第1回動軸、第2回動軸、第3回動軸をそれぞれJ1、J2、J3と呼ぶこととする。図7には、脚の可動範囲を示している。また、図8には、受動車輪機構1を脚の足先に装着した場合の基準姿勢と胴体座標系を示している。なお、この例では後脚のみがブレーキ機構を有しているものとする。   Hereinafter, for convenience, the left front leg, the left rear leg, the right rear leg, and the right front leg are referred to as the first leg, the second leg, the third leg, and the fourth leg in this order. Further, the first rotation axis, the second rotation axis, and the third rotation axis of each leg are referred to as J1, J2, and J3, respectively. FIG. 7 shows the movable range of the legs. FIG. 8 shows a reference posture and a torso coordinate system when the passive wheel mechanism 1 is mounted on a leg tip. In this example, it is assumed that only the rear leg has a brake mechanism.

本実施形態では、足先のY方向の移動に基づいて受動車輪16が間接的すなわち受動的に回転動作するという作用により、進行方向(本実施形態の場合、X方向すなわちロボットの前方)への推進力を得ている。足先のY方向の移動には自ずとストローク幅に制限があることから、Y軸正負方向(すなわち左右方向)に周期的な往復運動を繰り返すことにより、継続的に推進力を生成することができる。   In this embodiment, the passive wheel 16 rotates indirectly or passively based on the movement of the tip of the foot in the Y direction, thereby moving in the traveling direction (in this embodiment, the X direction, that is, the front of the robot). Propulsion is gained. Since the movement of the toe in the Y direction naturally has a limited stroke width, it is possible to continuously generate a propulsive force by repeating periodic reciprocation in the positive and negative directions of the Y axis (that is, in the left-right direction). .

図9には、受動車輪機構を利用した脚式移動ロボットの運動を生成するための処理手順をフローチャートの形式で示している。   FIG. 9 shows a processing procedure for generating the motion of the legged mobile robot using the passive wheel mechanism in the form of a flowchart.

まず、ロボット装置の進行速度並びに進行方向を設定し(ステップS1)、これに基づいて、周期関数や初期位置などの脚の運動を設定する(ステップS2)。   First, the traveling speed and traveling direction of the robot apparatus are set (step S1), and based on this, the leg motion such as the periodic function and the initial position is set (step S2).

ここで、設定された脚の運動が、脚の可動範囲(図8を参照のこと)や速度上限値の許容範囲内であるかどうかをチェックする(ステップS3)。ここで、許容範囲を逸脱する場合には、ステップS2に戻り、脚の運動の再設定を行なう。   Here, it is checked whether or not the set leg motion is within the allowable range of the leg movable range (see FIG. 8) and the speed upper limit value (step S3). Here, when it deviates from an allowable range, it returns to step S2 and resets the exercise | movement of a leg.

次いで、絶対空間デカルト座標系から見た足先速度を算出し(ステップS4)、足先の受動車輪16の接地面における摩擦抗力を算出し(ステップS5)、重心加速度を算出する(ステップS6)。そして、重心加速度を時間積分することにより重心速度を得て(ステップS7)、設定した進行速度を得ることができたかどうかを判別する(ステップS8)。ここで、設定した進行速度が得られなかった場合には、ステップS2に戻り、脚の運動の再設定を行なう。   Next, the toe speed viewed from the absolute space Cartesian coordinate system is calculated (step S4), the frictional drag on the ground contact surface of the passive wheel 16 at the toe is calculated (step S5), and the center of gravity acceleration is calculated (step S6). . Then, the center-of-gravity acceleration is time-integrated to obtain the center-of-gravity speed (step S7), and it is determined whether the set traveling speed has been obtained (step S8). Here, if the set traveling speed cannot be obtained, the process returns to step S2 to reset the leg motion.

このようにして、ステップS2において設定した脚の運動を得ることができたならば、これを実行する(ステップS9)。   If the leg motion set in step S2 can be obtained in this way, this is executed (step S9).

以下では、図9に示した運動生成手順に従って、図6に示した多足ロボット装置により直進運動、旋回運動、制動を行なう場合についてそれぞれ説明する。   Below, according to the motion production | generation procedure shown in FIG. 9, the case where a linear motion, a turning motion, and braking are performed with the multi-legged robot apparatus shown in FIG.

B−1.直進運動
まず、ロボットの進行速度(絶対座標系から見たローカル座標原点の速度)を設計者が設定する。次に、ローカル座標系を用いて、脚運動の設定を以下のように行なう。
B-1. Linear motion First, the designer sets the traveling speed of the robot (the speed of the local coordinate origin as seen from the absolute coordinate system). Next, the leg motion is set as follows using the local coordinate system.

第1脚の脚位置を(x1,y1,z1)と表し、基準姿勢を(x1_offset,y1_offset,z1_offset)と表す。f(φ)を連続な周期関数とし、φを位相(但し、0≦φ≦2π)とする。すなわち、 The leg position of the first leg is represented as (x1, y1, z1), and the reference posture is represented as (x1_offset, y1_offset, z1_offset). Let f (φ) be a continuous periodic function, and let φ be the phase (where 0 ≦ φ ≦ 2π). That is,

Figure 2006068883
Figure 2006068883

ここで、tは時間[sec]、T0は周期[sec]を表す。 Here, t represents time [sec], and T 0 represents period [sec].

第1脚(左前脚)の脚位置を次式で表す。   The leg position of the first leg (left front leg) is expressed by the following equation.

Figure 2006068883
Figure 2006068883

左右の脚の対称性を考慮し、且つロボット装置本体の姿勢を一定に保つ場合、第4脚(右前脚)の脚位置は次のように定める。   In consideration of the symmetry of the left and right legs and keeping the posture of the robot apparatus main body constant, the leg position of the fourth leg (right front leg) is determined as follows.

Figure 2006068883
Figure 2006068883

f(φ)はさまざまな周期関数が考えられる。受動関節角度がリミッタ15により拘束され、多くの位相で一定値(θPassive_limitとおく)となることから、推進速度を一定に保つためには、Y方向速度がなるべく一定値となるようなf(φ)を用いることが好ましい。したがって、下記に示す3角波を生成する周期関数f(φ)を用いて脚を駆動することが望ましい。 Various periodic functions can be considered for f (φ). Since the passive joint angle is constrained by the limiter 15 and becomes a constant value (set to θ Passive_limit ) at a number of phases, in order to keep the propulsion speed constant, f ( φ) is preferably used. Therefore, it is desirable to drive the leg using a periodic function f (φ) that generates a triangular wave shown below.

Figure 2006068883
Figure 2006068883

上式において、Aは振幅であり、脚の可動範囲を考慮して適宜求める。ところで、式(9)のように定めると、Y方向速度はφ=π/2、3π/2で不連続になることから、アクチュエータに対して過大な負荷が加わることも考えられる。このような条件が機構的に無視できない場合には、周期関数f(φ)として正弦波を用いることも考えられる。   In the above formula, A is an amplitude, which is appropriately determined in consideration of the movable range of the legs. By the way, if the equation (9) is determined, the Y-direction speed becomes discontinuous at φ = π / 2, 3π / 2, and therefore it is considered that an excessive load is applied to the actuator. When such a condition cannot be ignored mechanically, a sine wave may be used as the periodic function f (φ).

Figure 2006068883
Figure 2006068883

図10には、第1脚並びに第4脚の絶対座標系での脚軌道軌跡を模式的に表している。   FIG. 10 schematically shows the leg trajectory trajectory in the absolute coordinate system of the first leg and the fourth leg.

さて、脚位置が極値近傍になると、受動動作する首振りキャスターは首振り運動を行ない、反対側のリミッタで拘束されるまで受動的に回動する。このとき、Y方向の脚運動は推進力を発生することができないことから、車輪の転がり抵抗により推進速度は減少する。このような脈動を減らす目的で、前後脚には位相差φfrを導入する。 Now, when the leg position is in the vicinity of the extreme value, the swinging caster that passively moves performs a swinging motion and passively rotates until it is restrained by the limiter on the opposite side. At this time, since the leg movement in the Y direction cannot generate a propulsive force, the propulsion speed decreases due to the rolling resistance of the wheels. In order to reduce such pulsation, a phase difference φ fr is introduced into the front and rear legs.

第2脚(左後脚)の脚位置は下式のように表される。   The leg position of the second leg (left rear leg) is expressed by the following equation.

Figure 2006068883
Figure 2006068883

また、第3脚(右後脚)の脚位置は下式のように表される。   Further, the leg position of the third leg (right rear leg) is expressed by the following equation.

Figure 2006068883
Figure 2006068883

推進力はφ=0、πのとき最大となり、φ=π/2又は3π/2のとき最小となる。したがって、前脚が推進力を失うとき、後脚推進力が最大になるようにすれば、推進速度の増減を減らすことができる。よって、φfr=π/2、あるいは3π/2とすることで、定常的な移動速度を実現することができる。図11には、前後脚で位相差を設けた場合の絶対座標系での脚軌道軌跡を示している。 The propulsive force is maximum when φ = 0 and π, and is minimum when φ = π / 2 or 3π / 2. Therefore, when the front leg loses propulsive force, if the rear leg propulsive force is maximized, the increase or decrease in the propulsive speed can be reduced. Therefore, by setting φ fr = π / 2 or 3π / 2, a steady moving speed can be realized. FIG. 11 shows the leg trajectory trajectory in the absolute coordinate system when a phase difference is provided between the front and rear legs.

さて、胴体座標系から見た脚先位置が決められているので、時間微分することで脚先速度Vlegを求めることができる.受動車輪が速度Vlegで動く場合、車輪に生ずる床面からの反力は下式のように表される。 Now, since the leg tip position as seen from the body coordinate system is determined, the leg tip velocity V leg can be obtained by time differentiation. When the passive wheel moves at a speed V leg , the reaction force from the floor surface generated on the wheel is expressed by the following equation.

Figure 2006068883
Figure 2006068883

但し、Ft、Fn、μt、μnはそれぞれ受動車輪転がり方向摩擦力・軸方向摩擦力、転がり方向摩擦係数、軸方向摩擦係数である。また、Nは垂直抗力である。よって、この関係からロボットに働く反力が求められる。この反力によってロボットは推進することから、加速度を算出することができる。そして、一階積分することにより、進行速度を得ることができる。このとき、最初のステップで設定した進行速度とことなるようであれば、再び脚の運動設定のステップに戻り、繰り返し脚の運動設定パラメータの調節を行なう。そして、設定した進行速度との差が十分小さくなった軌道を用いて、運動を実行する。 Here, F t , F n , μ t , and μ n are the passive wheel rolling direction friction force, the axial direction friction force, the rolling direction friction coefficient, and the axial direction friction coefficient, respectively. N is the vertical drag. Therefore, the reaction force acting on the robot is required from this relationship. Since the robot is propelled by this reaction force, the acceleration can be calculated. Then, the traveling speed can be obtained by first-order integration. At this time, if the traveling speed set in the first step is different, the process returns to the leg motion setting step again, and the leg motion setting parameters are repeatedly adjusted. Then, the motion is executed using a trajectory having a sufficiently small difference from the set traveling speed.

移動速度は脚の足先運動における周期運動f(φ)の振幅A、周期T0、及び受動キャスタのリミット角(すなわちギアの減速比に相当するグライド角θG)によって変更することが可能である。最も単純に速度を調節する場合は、周期T0のみ変化させる方法である。実際に実験を行なったところ、移動速度0からおよそ1[m/s]までの滑らかな速度変化を確認することができた。なお、本発明に係るロボット装置に受動関節機構を用いた場合の最大推進速度1[m/s]は、歩行に比しておよそ4倍の高速な移動を実現することができる。 The moving speed can be changed by the amplitude A of the periodic motion f (φ) in the leg toe motion, the period T 0 , and the limit angle of the passive caster (that is, the glide angle θ G corresponding to the gear reduction ratio). is there. The simplest way to adjust the speed is to change only the period T 0 . When an experiment was actually performed, a smooth speed change from a moving speed of 0 to approximately 1 [m / s] could be confirmed. Note that the maximum propulsion speed 1 [m / s] when the passive joint mechanism is used in the robot apparatus according to the present invention can achieve a movement that is approximately four times faster than walking.

また、キャスターのリミット角、すなわち最大グライド角は、一種の減速機の役割をしている.図12には、グライド角θGを一定に保ちながらピッチ軸方向(すなわちY方向)に胴体座標系から見て一定の速度で駆動した様子を図解している。この場合、ロール軸方向(X方向)に生成される絶対座標系での速度ベクトル成分Vxは下式の通りとなる。 The limit angle of the caster, that is, the maximum glide angle, acts as a kind of reducer. FIG. 12 illustrates a state where driving is performed at a constant speed in the pitch axis direction (that is, the Y direction) when viewed from the body coordinate system while keeping the glide angle θ G constant. In this case, the velocity vector component V x in the absolute coordinate system generated in the roll axis direction (X direction) is expressed by the following equation.

Figure 2006068883
Figure 2006068883

上式(19)によれば、グライド角θGが小さいほど高速の移動となることが分る。但し、推進の必要条件としてグライド角は受動車輪の転がり方向・軸方向の摩擦係数の比によって規定される下限値が存在することから、グライド角θGを走行路面の摩擦係数に応じて変更することが必要である。 According to the above equation (19), it is understood that a high speed of movement as the glide angle theta G is small. However, as a necessary condition for propulsion, the glide angle has a lower limit defined by the ratio of the friction coefficient in the rolling direction and the axial direction of the passive wheel, so the glide angle θ G is changed according to the friction coefficient of the road surface. It is necessary.

Figure 2006068883
Figure 2006068883

各関節への位置指令値は逆キネマティクス演算によって各関節軸J1、J2、J3の回転角度を求めた後、ローカルな位置制御系のよって脚は駆動される。ここで、受動車輪機構が取り付けられた足先のY方向位置は主にJ1角度によって決められることが関節配置から分る。したがって、逆キネマティクス演算を用いずとも,近似的にYの値をJ1の指令値として用いることも可能である。   The position command value for each joint is obtained by calculating the rotation angle of each joint axis J1, J2, J3 by inverse kinematics calculation, and then the leg is driven by the local position control system. Here, it can be seen from the joint arrangement that the Y-direction position of the foot tip to which the passive wheel mechanism is attached is mainly determined by the J1 angle. Accordingly, it is possible to approximately use the value of Y as the command value for J1 without using the inverse kinematics operation.

また、ここでは逆キネマティクスを用いた位置制御による制御法に関して述べたが、速度制御や、力制御、ダイナミクスを考慮した制御方法なども考えられる。   Moreover, although the control method by position control using inverse kinematics has been described here, speed control, force control, a control method considering dynamics, and the like are also conceivable.

B−2.旋回運動
上述した直進運動の場合、左右対称に構成された左右の可動脚それぞれの足先に取り付けられた受動車輪16を、左右対称となるようにY方向に周期的な運動を起こさせることにより、ロボットの進行方向への推進力を得ることができ、直進運動を実現することができる。これに対し、この項では、ある旋回半径を持った円弧に沿って定常的に旋回する場合について考察する。
B-2. In the case of the straight movement described above, by causing the passive wheels 16 attached to the tips of the left and right movable legs configured symmetrically to cause a periodic movement in the Y direction so as to be symmetrical. Therefore, it is possible to obtain a propulsive force in the traveling direction of the robot and to realize a straight movement. In contrast, in this section, the case of steady turning along an arc having a certain turning radius will be considered.

旋回運動の場合、上記の式(3)〜(8)、並びに式(11)〜(16)で示した基準脚位置のオフセット値を適宜変更することで実現可能である。例えば、左側に旋回する場合、4足それぞれの基準脚位置を図13に示すような位置にし、例えば右側脚のみ振動運動を行なうことにより、旋回運動を実現することができる。また、このとき、左後脚のつま先のブレーキを利用して旋回の中心点とすれば、ピボット・ターンのような小さな旋回半径も実現可能である。   In the case of the turning motion, it can be realized by appropriately changing the offset value of the reference leg position shown in the above formulas (3) to (8) and formulas (11) to (16). For example, when turning to the left, the reference leg position of each of the four legs is set to the position shown in FIG. 13, and the turning movement can be realized, for example, by oscillating only the right leg. At this time, a small turning radius such as a pivot turn can be realized by using the brake of the toe of the left rear leg as a turning center point.

しかしながら、このような脚位置変更による旋回は、任意の旋回半径を指令した場合に、脚位置を遷移させるのに時間を要する。また、受動関節角度によっては脚位置遷移の際の挙動が一定せず、例えばユーザがインタラクティブに推進方向を変化させる場合には適さないと考えられる。   However, such turning by changing the leg position takes time to change the leg position when an arbitrary turning radius is commanded. Further, depending on the passive joint angle, the behavior at the time of leg position transition is not constant, and it is considered not suitable when the user interactively changes the propulsion direction, for example.

そこで、本発明者らは、前脚と後脚で機能の分担を行なう手法について提案する。どちらか一方の脚を操舵のために用い、残りの一方で推進力の生成を行なう。   Therefore, the present inventors propose a method for sharing functions between the front legs and the rear legs. One of the legs is used for steering and the other is used to generate propulsion.

旋回運動を行なう場合、左右の前脚に取り付けた受動車輪機構を舵取に用いるとともに、左右の後脚に取り付けた受動車輪機構を推進力の生成に用いるようにする。すなわち、舵取用車輪機構の転がり方向が旋回方向と一致するように前記舵取用の可動脚を駆動するとともに、左右の後脚の足先をY方向への周期的な運動を左右対称に行なわせることによって、車輪の転がり方向は摩擦係数が少ないが軸方向は摩擦が大きいという抗力の異方性に基づいて、Y方向への運動が受動車輪の回転運動に変換されて、推進方向(ロボットの進行方向)への推進力を得ることができる。   When performing the turning motion, the passive wheel mechanism attached to the left and right front legs is used for steering, and the passive wheel mechanism attached to the left and right rear legs is used for generating the propulsive force. That is, the steering movable leg is driven so that the rolling direction of the steering wheel mechanism coincides with the turning direction, and the toe of the left and right rear legs is moved symmetrically in the Y direction. As a result, the movement in the Y direction is converted into the rotational movement of the passive wheel based on the drag anisotropy that the rolling direction of the wheel has a small friction coefficient but the friction in the axial direction is large. Propulsive force in the direction of movement of the robot can be obtained.

勿論、左右の前脚を舵取用、左右の後脚を推進用にするのではなく、左右の前脚を推進用、左右の後脚を舵取り用にしてもよい。駆動力のある左右脚を推進用とすることにより、より大きな推進力を得て、高速な移動を実現することができる。   Of course, instead of using the left and right front legs for steering and the left and right rear legs for propulsion, the left and right front legs may be used for propulsion and the left and right rear legs for steering. By using the left and right legs with driving force for propulsion, a larger propulsive force can be obtained and high-speed movement can be realized.

推進力の生成には前記直進動作と同様の手法を用いればよいので、以下では受動関節軸を用いた操舵手法について詳解する。   Since it is sufficient to use a method similar to the straight-ahead operation for generating the propulsive force, a steering method using a passive joint axis will be described in detail below.

受動関節軸回りに首振りキャスターを回動する操作を直接的に行なうことはできないが、ベース部をロール及びピッチ方向に傾ける(すなわち、ベース部を床面に対し傾ける)ことが可能である場合には、図14に示すように、受動車輪の最下端の取り得る軌跡は、受動回転軸を中心として傾斜面上の円で表される。車輪は常に接地しているものと仮定すれば、床面からの垂直抗力がZ正方向に働く。したがって、受動関節は回動し、ベース平面の最大傾斜線方向と受動車輪軌跡円との交点が安定平衡点となり、そこで停止する。すなわち、車輪の最下端の接地点が床面とベース面の距離が最も離れている点に到達するように首振り動作し、その到達点が安定平衡点となる。この安定平衡点を床面に投影すれば、操舵角θstrが求められる。よって、ベース部をロール及びピッチ方向に傾ける(すなわち、ベース部を床面に対し傾ける)ことができれば、連続して舵取角θstrを変更することができる。 When the swinging caster cannot be rotated directly around the passive joint axis, but the base can be tilted in the roll and pitch directions (ie, the base can be tilted with respect to the floor). As shown in FIG. 14, the trajectory that can be taken by the lowermost end of the passive wheel is represented by a circle on the inclined surface with the passive rotation axis as the center. Assuming that the wheel is always in contact with the ground, the vertical drag from the floor surface acts in the positive Z direction. Therefore, the passive joint rotates, and the intersection of the maximum inclination line direction of the base plane and the passive wheel locus circle becomes a stable equilibrium point and stops there. In other words, the swinging operation is performed so that the ground contact point at the lowermost end of the wheel reaches the point where the distance between the floor surface and the base surface is farthest, and the arrival point becomes a stable equilibrium point. If this stable equilibrium point is projected onto the floor surface, the steering angle θ str can be obtained. Therefore, if the base portion can be tilted in the roll and pitch directions (that is, the base portion is tilted with respect to the floor surface), the steering angle θ str can be continuously changed.

以下、具体的に数式を用いてベース部の(ロール,ピッチ)と舵取角θstrの関係について説明する。座標系を床面にとり、ベース部11のロール方向並びにピッチ方向それぞれの傾きをθRoll、θPitch、受動回転の中心Z座標をZ0、受動車輪16の回動半径をRとおく。ベース部11はθPitch、θRollの順で回転するものとする。以下の導出では、sinθPitch≠0とする。sinθPitch=0のときは別途定性的に考察する。 Hereinafter, the relationship between the (roll, pitch) of the base portion and the steering angle θ str will be described specifically using mathematical expressions. The coordinate system is taken on the floor surface, the roll direction and pitch direction of the base portion 11 are θ Roll and θ Pitch , the center Z coordinate of the passive rotation is Z 0 , and the turning radius of the passive wheel 16 is R. The base portion 11 rotates in the order of θ Pitch and θ Roll . In the following derivation, sin θ Pitch ≠ 0. When sin θ Pitch = 0, it is considered separately qualitatively.

受動車輪下端の位置を下式のように定める。   The position of the lower end of the passive wheel is determined as follows:

Figure 2006068883
Figure 2006068883

このとき、受動車輪下端が描く軌跡は、θPassiveをパラメータとして次式のように表される。 At this time, the trajectory drawn by the lower end of the passive wheel is expressed as follows using θ Passive as a parameter.

Figure 2006068883
Figure 2006068883

安定平衡点はPzが最大値となる点であることから、下式に示す関数gを最大化するθpassiveを求めればよい。 Since the stable equilibrium point is a point at which P z becomes the maximum value, θ passive that maximizes the function g shown in the following equation may be obtained.

Figure 2006068883
Figure 2006068883

上式を解くことにより、次式を得ることができる。   By solving the above equation, the following equation can be obtained.

Figure 2006068883
Figure 2006068883

このとき、床面に対する実効的な操舵角θstrは下式で求められる。 At this time, the effective steering angle θ str with respect to the floor surface is obtained by the following equation.

Figure 2006068883
Figure 2006068883

より具体的には、進行方向とのなす角を考慮すると、操舵角θstrは下式のように表される。 More specifically, the steering angle θ str is expressed by the following equation in consideration of the angle formed with the traveling direction.

Figure 2006068883
Figure 2006068883

以上により、望みのθstrを得るための(θRoll,θPitch)が求められる。 Thus, (θ Roll , θ Pitch ) for obtaining the desired θ str is obtained.

上述した関係は図8に示したような基準姿勢に対しても適用可能である。ここでは一例として、前脚の受動動作する首振りキャスターの取り付け位置を変更し、前脚は操舵を行ない、後脚は推進力の生成を行なうものを挙げる。図15に示す脚位置・姿勢を基準とする。この場合、前脚は自由度が縮退しているが、ロール及びピッチを変化させた場合に、受動車輪接地位置の変位が微小であり、滑らかな操舵を期待することができる。後脚は前述の直進動作と同様の脚軌道で推進力を生成する。   The relationship described above can also be applied to the reference posture as shown in FIG. Here, as an example, the position where the swinging caster for passively moving the front leg is changed, the front leg performs steering, and the rear leg generates propulsive force. The leg position / posture shown in FIG. In this case, the front legs have a reduced degree of freedom, but when the roll and pitch are changed, the displacement of the passive wheel ground contact position is very small, and smooth steering can be expected. The rear leg generates a propulsive force in the same leg trajectory as the straight movement described above.

まず、直観に基づいて定性的に説明する。前脚に関しては、図15に示したような脚位置の場合、ベース部の姿勢(Roll,Pitch)を関節回転軸J2及びJ3を用いて変化させることが可能であり、これにより前述のように舵取角θstrを変化させることができる。このようにして図5に示した4足ロボットの前脚で操舵を行ない、後脚で推進力の生成を行なうことができる。 First, a qualitative explanation will be given based on intuition. With respect to the front leg, in the case of the leg position as shown in FIG. 15, the posture (Roll, Pitch) of the base portion can be changed using the joint rotation axes J2 and J3, and as described above, the rudder is steered. The taking angle θ str can be changed. In this way, steering can be performed with the front legs of the quadruped robot shown in FIG. 5, and propulsive force can be generated with the rear legs.

例えば、関節回転軸J2のみを正方向に傾けると(sinθPitch=0の場合に相当)、首振りキャスターの受動回転軸がロール正方向に傾く。ロボットの自重により、首振りキャスターにはZ方向垂直床反力が常に働いているため、首振りキャスターは正方向のリミット(θPassive_limit+)で拘束されるまで回転する(図16を参照のこと)。 For example, when only the joint rotation axis J2 is tilted in the positive direction (corresponding to the case where sin θ Pitch = 0), the passive rotation axis of the swing caster is tilted in the roll positive direction. Because the robot's own weight causes the Z-direction vertical floor reaction force to always act on the swing caster, the swing caster rotates until it is restrained by the positive limit (θ Passive_limit + ) (see Fig. 16). .

また、関節回転軸J3を傾けて、ピッチ角度θPitchのみを変更する場合、受動関節角はゼロとなる点で安定平衡点となる。したがって、(Roll,Pitch)を組み合わせることで、受動関節角をゼロからリミットの値まで滑らかに変更できるということを定性的に理解できよう。 When the joint rotation axis J3 is tilted and only the pitch angle θ Pitch is changed, the passive joint angle becomes a stable equilibrium point at a point where it becomes zero. Therefore, it can be qualitatively understood that the passive joint angle can be smoothly changed from zero to the limit value by combining (Roll, Pitch).

次に、式(26)を用いて数値的に説明する。式(26)より、舵取角θstrは2変数で決められることから、逆に舵取角θstrが与えられた場合には(θRoll,θPitch)を一意に求めることはできない。そこで、ピッチ角度θPitchをパラメータとして(図17を参照のこと)、ロール角度θRollと舵取角θstrの関係を求めた。これを図18に示している。なお、上式(26)に従って舵取角θstrを決める場合は、受動関節角リミット機構は必ずしも必要ではない。図18では、対称性に考慮してゼロから90[deg]の範囲で示している。 Next, numerical description will be given using Equation (26). Since the steering angle θ str is determined by two variables from the equation (26), (θ Roll , θ Pitch ) cannot be uniquely determined when the steering angle θ str is given. Therefore, the relationship between the roll angle θ Roll and the steering angle θ str was determined using the pitch angle θ Pitch as a parameter (see FIG. 17). This is shown in FIG. When the steering angle θ str is determined according to the above equation (26), the passive joint angle limit mechanism is not necessarily required. In FIG. 18, it is shown in a range from zero to 90 [deg] in consideration of symmetry.

操舵を主にロール角度θRollを用いるとすると、ピッチ角度θPitchを舵取角θstrへの変換ゲインとみなすことができる。つまり、ピッチ角度θPitchを小さく設定すれば、より小さなロール角度θRollを以って大きな舵取角θstrを得ることができる。また逆に、ピッチ角度θPitchを大きく設定すれば、ロール角度θRollの変化に対して小さな舵取角θstrの変換となる。 If the roll angle θ Roll is mainly used for steering, the pitch angle θ Pitch can be regarded as a conversion gain to the steering angle θ str . That is, if the pitch angle θ Pitch is set small, a large steering angle θ str can be obtained with a smaller roll angle θ Roll . Conversely, if the pitch angle θ Pitch is set to be large, a small steering angle θ str is converted with respect to a change in the roll angle θ Roll .

実際、ロール角度θRollは図7に示す通り、胴体内側への可動範囲が15[deg]と少なくなっていることから、ピッチ角度θPitchを小さくすることで舵取角θstrを大きく拡大することができる。また、ピッチ角度θPitchを大きくとれば、舵取角θstrの安定性を高めることができる。つまり、ロール角度θRollの変化に対して舵取角θstrが鈍くなることから、外乱が加わりロール角度θRollが乱されるような場合であっても、舵取角θstr自体の変化は微小となることから、操舵は安定する。このような特性は、勿論、直進性に対しても適用することができる。 Actually, as shown in FIG. 7, the roll angle θ Roll has a small movable range of 15 [deg] inside the fuselage, so that the steering angle θ str is greatly expanded by reducing the pitch angle θ Pitch. be able to. Further, if the pitch angle θ Pitch is increased, the stability of the steering angle θ str can be improved. In other words, since the steering angle θ str becomes dull with respect to the change in the roll angle θ Roll , even if a disturbance is applied and the roll angle θ Roll is disturbed, the change in the steering angle θ str itself is small. Therefore, the steering is stable. Such characteristics can of course be applied to straightness.

また、舵取角θstrの大きさとしては、通常の自動車での操舵の場合にはおよそ30[deg]程度であることから、ロール角度θRoll=15[deg]で舵取角θstr =30[deg]を取るようにピッチ角度θPitch=42[deg]と設定すると、ロール角度θRollと舵取角θstrの関係は、図19に示すようになる。この範囲で線形と近似しても十分に差し支えない。したがって、ロール角度θRollを通常の自動車のステアリングとみなしても全く遜色が無いことが分かる。 In addition, the steering angle θ str is about 30 [deg] in the case of steering in a normal automobile. Therefore, the steering angle θ str = roll angle θ Roll = 15 [deg]. When the pitch angle θ Pitch = 42 [deg] is set so as to take 30 [deg], the relationship between the roll angle θ Roll and the steering angle θ str is as shown in FIG. Even if it approximates linear in this range, there is no problem. Therefore, it can be seen that there is no inferiority even when the roll angle θ Roll is regarded as a normal automobile steering.

なお、この例ではピッチ角度θPitchを固定とし、ロール角度θRollを操作することで操舵を行なうようにしているが、上式(26)に従って、ロール角度θRollを固定とし、代わってピッチ角度θPitchを変数としても扱うようにしてもよい。また、上式(26)の導出の際に、ベース部はピッチ角度θPitch、ロール角度θRollの順で回転するものとしたが、その逆であっても同様に関係は求められる。 In this example, the pitch angle θ Pitch is fixed and the steering is performed by operating the roll angle θ Roll . However, according to the above equation (26), the roll angle θ Roll is fixed, and the pitch angle is used instead. θ Pitch may also be treated as a variable. In addition, when the above equation (26) is derived, the base portion is rotated in the order of the pitch angle θ Pitch and the roll angle θ Roll .

ところで,直進を行なうとき、B−1項で説明したように、前脚に関しても関節回転軸J2を用いてY方向への周期的な振動運動を生成することにより、4脚の推進力を用いた運動ができることは言うまでもない。したがって、操舵のための各関節回転軸J2及びJ3の傾きと直進運動を重ね合わせた推進も可能である。   By the way, when performing straight ahead, as explained in the section B-1, the propulsive force of the four legs was used by generating a periodic vibration motion in the Y direction using the joint rotation axis J2 also for the front legs. It goes without saying that you can exercise. Therefore, propulsion in which the inclinations of the joint rotation axes J2 and J3 for steering and the linear movement are superimposed is also possible.

この項で説明した手法を4足ロボットに実装したところ、フローリング床面上を半径約0.4[m]で滑らかに旋回することが確かめられた。 When the method described in this section was implemented in a quadruped robot, it was confirmed that it smoothly turns on the flooring floor with a radius of about 0.4 [m].

B−3.制動
制動動作に関しては、前述のように爪先部に付けたゴム材などを用いる方法を挙げることができる。その他に、ちょうどスキーで行なうボーゲン(スキー板を八の字にして構え、板の内側に力を入れて速度と方向を制御する滑走方法)のように、舵取角θstrを左右対称に傾ける方法も考えられる。前述のように、2つの関節回転軸J2及びJ3を用いることで、グライド角θGに相当する受動関節角θPassiveが変更できることが示されているので、自動車で言うトーイン(進行方向に対し前が狭まっている状態のこと)、あるいはトーアウト(進行方向に対し前が開いている状態のこと)の角度を付けることで制動動作を行なうことができる。
B-3. As for the braking and braking operation, a method using a rubber material attached to the toe portion as described above can be cited. In addition, the steering angle θ str is tilted symmetrically as in the case of Bogen (sliding method that controls the speed and direction by holding the ski in the shape of a figure and putting the force inside the board). A method is also conceivable. As described above, it is shown that the passive joint angle θ Passive corresponding to the glide angle θ G can be changed by using the two joint rotation axes J2 and J3. The braking operation can be performed by adding an angle of a toe out (a state in which the front is open with respect to the traveling direction).

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。   The present invention has been described in detail above with reference to specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can make modifications and substitutions of the embodiment without departing from the gist of the present invention.

本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、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なう機械装置あるいはその他一般的な移動体装置であるならば、例えば玩具などのような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。   The gist of the present invention is not necessarily limited to a product called a “robot”. That is, if it is a mechanical device or other general mobile device that performs a movement resembling human movement using electrical or magnetic action, it is a product belonging to another industrial field such as a toy. Even if it exists, this invention can be applied similarly.

本明細書では、図6に示した4足ロボットのように一脚当たりの自由度に制約のある2足を除く多脚機械に本発明を適用した実施形態を中心に、本発明について説明してきたが、勿論、2足の脚式移動ロボットに対して本発明を適用することも可能である。   In the present specification, the present invention has been described mainly with respect to an embodiment in which the present invention is applied to a multi-leg machine excluding two legs with a limited degree of freedom per leg, such as the quadruped robot shown in FIG. However, it is of course possible to apply the present invention to a two-legged mobile robot.

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。   In short, the present invention has been disclosed in the form of exemplification, and the description of the present specification should not be interpreted in a limited manner. In order to determine the gist of the present invention, the claims should be taken into consideration.

図1は、本発明の一実施形態に係る受動車輪機構の構成を示した図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a passive wheel mechanism according to an embodiment of the present invention. 図2は、リミッタ15の固定位置を複数設けた様子を示した図である。FIG. 2 is a diagram showing a state where a plurality of fixing positions of the limiter 15 are provided. 図3は、バネを用いて構成したリミット機構を示した図である。FIG. 3 is a view showing a limit mechanism configured using a spring. 図4は、受動車輪機構の爪先部に摩擦係数の大きな部材を用いて制動機構を構成した様子を示した図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a state in which the braking mechanism is configured using a member having a large friction coefficient at the toe portion of the passive wheel mechanism. 図5は、受動車輪機構の爪先部に摩擦係数の大きな部材を用いて制動機構を構成した様子を示した図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a state in which the braking mechanism is configured using a member having a large friction coefficient at the toe portion of the passive wheel mechanism. 図6は、本発明を適用する4足脚式移動ロボットの構成例を示した図である。FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of a quadruped legged mobile robot to which the present invention is applied. 図7は、図6に示したロボット装置の脚の可動範囲を示した図である。FIG. 7 is a diagram showing a movable range of the legs of the robot apparatus shown in FIG. 図8は、受動車輪機構1を脚の足先に装着した場合の基準姿勢と胴体座標系を示した図である。FIG. 8 is a diagram showing a reference posture and a torso coordinate system when the passive wheel mechanism 1 is attached to the foot of a leg. 図9は、受動車輪機構を利用した脚式移動ロボットの運動を生成するための処理手順を示したフローチャートである。FIG. 9 is a flowchart showing a processing procedure for generating the motion of the legged mobile robot using the passive wheel mechanism. 図10は、図6に示したロボット装置の第1脚並びに第4脚の絶対座標系での脚軌道軌跡を模式的に表した図である。FIG. 10 is a diagram schematically showing the trajectory of the leg in the absolute coordinate system of the first leg and the fourth leg of the robot apparatus shown in FIG. 図11は、前後脚で位相差を設けた場合の絶対座標系での脚軌道軌跡を示した図である。FIG. 11 is a diagram showing leg trajectories in the absolute coordinate system when a phase difference is provided between the front and rear legs. 図12は、グライド角を一定に保ちながらピッチ軸方向(すなわちY方向)に胴体座標系から見て一定の速度で駆動した様子を示した図である。FIG. 12 is a diagram illustrating a state in which driving is performed at a constant speed in the pitch axis direction (that is, the Y direction) as viewed from the body coordinate system while keeping the glide angle constant. 図13は、図6に示した4足ロボットの基準脚位置のオフセット値を適宜変更することにより旋回運動を行なう様子を示した図である。FIG. 13 is a diagram illustrating a state in which the turning motion is performed by appropriately changing the offset value of the reference leg position of the quadruped robot illustrated in FIG. 6. 図14は、受動回転軸を中心として傾斜面上の円で表される受動車輪の最下端の取り得る軌跡を示した図である。FIG. 14 is a diagram showing a trajectory that can be taken by the lowermost end of the passive wheel represented by a circle on the inclined surface with the passive rotation axis as the center. 図15は、図5に示した4足ロボットが旋回運動を行なう際の、脚位置・姿勢基準を示した図である。FIG. 15 is a diagram showing the leg position / posture reference when the quadruped robot shown in FIG. 5 performs the turning motion. 図16は、ロボットの自重により首振りキャスターにはZ方向垂直床反力が常に働いているため、首振りキャスターが正方向のリミット(θPassive_limit+)で拘束されるまで回転する様子を示した図である。FIG. 16 is a diagram showing how the swing caster rotates until it is restrained by the positive limit (θ Passive_limit + ) because the Z-direction vertical floor reaction force is always acting on the swing caster due to the weight of the robot. It is. 図17は、θPitchをパラメータとした様子を示した図である。FIG. 17 is a diagram illustrating a state where θ Pitch is used as a parameter. 図18は、ロール角度θRollと舵取角θstrの関係を示した図である。FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the roll angle θ Roll and the steering angle θ str . 図19は、ロール角度θRoll=15[deg]で舵取角θstr =30[deg]を取るようにピッチ角度θPitch=42[deg]と設定した場合のロール角度θRollと舵取角θstrの関係を示した図である。Figure 19 is a roll angle theta Roll and steering angle in the case of setting the pitch angle θ Pitch = 42 [deg] to take a roll angle θ Roll = 15 [deg] steering in square θ str = 30 [deg] It is the figure which showed the relationship of (theta) str . 図20は、ローラーウォーカーの自由度構成を模式的に示した図である。FIG. 20 is a diagram schematically showing the degree of freedom configuration of the roller walker. 図21は、ローラーウォーカーの自由度構成を模式的に示した図である。FIG. 21 is a diagram schematically illustrating the configuration of the degree of freedom of the roller walker. 図22は、多脚ロボットの関節配置例を示した図である。FIG. 22 is a diagram illustrating an example of joint arrangement of a multi-legged robot.

符号の説明Explanation of symbols

1…受動車輪機構
11…ベース部
12…脚固定部
13…受動回転部
14…首振りキャスター
15…リミッタ
16…受動車輪
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Passive wheel mechanism 11 ... Base part 12 ... Leg fixing part 13 ... Passive rotating part 14 ... Swing caster 15 ... Limiter 16 ... Passive wheel

Claims (24)

1以上の可動脚を備えたロボット装置であって、
前記可動脚の足先に取り付けられた、足裏のベース面上で首振り自在に支持された車輪を持つ車輪機構と、
少なくとも可動脚の動作を制御する動作制御手段とを備え、
前記動作制御手段は、前記可動脚の足先に前記進行方向に対して非平行な方向へ移動する動作を与えることにより、前記車輪と路面との摩擦力により前記車輪に首振り作用を生じさせて、前記車輪の転がり方向と前記進行方向のなすグライド角θGを間接的に形成し、前記車輪の転がり方向は摩擦係数が少ないが軸方向は摩擦が大きいという抗力の異方性に基づいて、前記足先の前記進行方向に対し非平行な方向への運動を前記車輪の回転運動に変換して前記推進方向に対する推進力を得る、
ことを特徴とするロボット装置。
A robot apparatus having one or more movable legs,
A wheel mechanism attached to the tip of the movable leg and having a wheel supported to swing freely on the base surface of the sole;
An operation control means for controlling at least the operation of the movable leg,
The motion control means causes the tip of the movable leg to move in a direction non-parallel to the traveling direction, thereby causing the wheel to swing by the frictional force between the wheel and the road surface. Indirectly forming a glide angle θ G formed by the rolling direction of the wheel and the traveling direction, based on the anisotropy of the drag force that the rolling direction of the wheel has a small coefficient of friction but the friction in the axial direction is large. , The movement of the toes in a direction non-parallel to the traveling direction is converted into the rotational movement of the wheels to obtain a propulsive force for the propulsion direction.
A robot apparatus characterized by that.
前記動作制御手段は、前記可動脚の足先を前記進行方向に対して非平行な方向へ移動させ前記車輪に首振り動作を与えることにより、グライド角θGに相当する前記推進力の減速比を得る、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。
The operation control means, by which the movable leg of the foot is moved relative to the traveling direction to a direction non-parallel impart oscillating operation to the wheel, the reduction ratio of the driving force corresponding to the glide angle theta G Get the
The robot apparatus according to claim 1.
前記動作制御手段は、走行路面の摩擦係数に応じてグライド角θGを変更する、
ことを特徴とする請求項2に記載のロボット装置。
The operation control means changes the glide angle θ G according to the friction coefficient of the traveling road surface.
The robot apparatus according to claim 2.
前記車輪の首振り動作の可動範囲を規制するリミット機構を備え、間接的にのみ設定される減速比の範囲を所望の範囲内に収める、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。
A limit mechanism that regulates the movable range of the swinging operation of the wheel, and the range of the reduction ratio that is set only indirectly falls within a desired range.
The robot apparatus according to claim 1.
前記リミット機構は、所定の固定位置に固定され、首振り動作する前記車輪に当接して可動範囲を規制するリミッタで構成される、
ことを特徴とする請求項4に記載のロボット装置。
The limit mechanism is fixed at a predetermined fixed position and is configured by a limiter that abuts on the wheel that swings and regulates a movable range.
The robot apparatus according to claim 4, wherein:
前記リミッタ機構は、前記車輪の首振り方向に対して復元力を持つ弾性体で構成される、
ことを特徴とする請求項4に記載のロボット装置。
The limiter mechanism is composed of an elastic body having a restoring force with respect to the swinging direction of the wheel.
The robot apparatus according to claim 4, wherein:
前記車輪の回転により得られる推進を制動する制動手段をさらに備える、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。
Braking means for braking the propulsion obtained by the rotation of the wheel;
The robot apparatus according to claim 1.
前記車輪機構は前記可動脚の足先に対し着脱自在に取り付けられる、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。
The wheel mechanism is detachably attached to the tip of the movable leg.
The robot apparatus according to claim 1.
少なくとも1組の左右対称な可動脚を備え、且つ各可動脚の足先に前記車輪機構が装着され、
前記動作制御手段は、前記の左右対称な各可動脚の足先に対して、前記進行方向に対して非平行な方向へ移動する左右対称となる周期的な運動を与える、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。
Comprising at least one pair of left and right symmetric movable legs, and the wheel mechanism is mounted on the tip of each movable leg;
The motion control means gives a symmetrical symmetrical movement that moves in a direction non-parallel to the traveling direction with respect to the toe of each of the left and right symmetrical movable legs,
The robot apparatus according to claim 1.
前記ロボット装置本体の前後にそれぞれ左右対称な可動脚を備え、且つ各可動脚の足先に前記車輪機構が装着され、
前記動作制御手段は、前脚と後脚とで足先の周期的な運動に位相差を設ける、
ことを特徴とする請求項9に記載のロボット装置。
The robot apparatus main body is provided with left and right symmetrical movable legs, and the wheel mechanism is attached to the tip of each movable leg,
The motion control means provides a phase difference in the periodic motion of the toes between the front legs and the rear legs.
The robot apparatus according to claim 9.
舵取用車輪機構を足先に取り付けた舵取用の可動脚と、推進用車輪機構を足先に取り付けた推進用の可動脚を備え、
前記動作制御手段は、前記舵取用車輪機構の転がり方向が旋回方向と一致するように前記舵取用の可動脚を駆動するとともに、前記推進用の可動脚の足先に前記進行方向に対して非平行な方向へ移動する動作を与えることにより足先の前記進行方向に対し非平行な方向への運動を前記車輪の回転運動に変換して前記推進方向に対する推進力を得る、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。
A steering leg with a steering wheel mechanism attached to the toe and a propulsion leg with a propulsion wheel mechanism attached to the toe,
The operation control means drives the movable leg for steering so that the rolling direction of the steering wheel mechanism coincides with the turning direction, and at the tip of the movable leg for propulsion with respect to the traveling direction. The movement of the toes in a direction non-parallel to the traveling direction is converted into a rotational movement of the wheel to give a propulsive force in the propulsion direction by giving an action of moving in a non-parallel direction.
The robot apparatus according to claim 1.
前記動作制御手段は、所望の舵取角が得られるように、前記足裏のベース面を傾斜させて、前記車輪を首振り動作させる、
ことを特徴とする請求項11に記載のロボット装置。
The operation control means tilts the base surface of the sole to swing the wheel so that a desired steering angle is obtained.
The robot apparatus according to claim 11.
1以上の可動脚を備え、前記可動脚の足裏のベース面上で首振り自在に支持された車輪を持つ車輪機構が装着されたロボット装置の制御方法であって、
前記可動脚の足先に前記進行方向に対して非平行な方向へ移動する動作を与えるステップと、
足先の移動に伴う前記車輪と路面との摩擦力により生じる前記車輪に首振り作用によって、前記車輪の転がり方向と前記進行方向のなすグライド角θGを間接的に形成するステップと、
前記足先の前記進行方向に対し非平行な方向への運動を前記車輪の回転運動に変換して前記推進方向に対する推進力を得るステップと、
を具備することを特徴とするロボット装置の制御方法。
A control method of a robot apparatus comprising one or more movable legs, and equipped with a wheel mechanism having a wheel supported so as to swing freely on a base surface of a sole of the movable leg,
Giving the foot of the movable leg an action of moving in a direction non-parallel to the traveling direction;
Indirectly forming a glide angle θ G formed by the rolling direction of the wheel and the traveling direction by a swinging action on the wheel generated by the frictional force between the wheel and the road surface accompanying the movement of a foot tip;
Converting the movement of the toes in a direction non-parallel to the traveling direction to rotational movement of the wheels to obtain a propulsive force in the propulsion direction;
A method for controlling a robot apparatus, comprising:
前記のグライド角θGを間接的に形成するステップでは、グライド角θGに相当する前記推進力の減速比を得る、
ことを特徴とする請求項13に記載のロボット装置の制御方法。
In the step of indirectly form a glide angle theta G above, to obtain a reduction ratio of the driving force corresponding to the glide angle theta G,
The robot apparatus control method according to claim 13.
前記のグライド角θGを間接的に形成するステップでは、走行路面の摩擦係数に応じてグライド角θGを変更する、
ことを特徴とする請求項14に記載のロボット装置の制御方法。
In the step of indirectly form a glide angle theta G of the changes the glide angle theta G depending on the friction coefficient of the road surface,
The method for controlling a robotic device according to claim 14.
前記ロボット装置は、少なくとも1組の左右対称な可動脚を備え、且つ各可動脚の足先に前記車輪機構が装着され、
前記の前記可動脚の足先に動作を与えるステップでは、前記の左右対称な各可動脚の足先に対して、前記進行方向に対して非平行な方向へ移動する左右対称となる周期的な運動を与える、
ことを特徴とする請求項13に記載のロボット装置の制御方法。
The robot apparatus includes at least one pair of left and right symmetrical movable legs, and the wheel mechanism is attached to the tip of each movable leg,
In the step of applying motion to the toes of the movable legs, the symmetrically moving periodic legs that move in a direction non-parallel to the traveling direction with respect to the toes of the left and right symmetrical movable legs. Give exercise,
The robot apparatus control method according to claim 13.
前記ロボット装置本体の前後にそれぞれ左右対称な可動脚を備え、且つ各可動脚の足先に前記車輪機構が装着され、
前記の前記可動脚の足先に動作を与えるステップでは、前脚と後脚とで足先の周期的な運動に位相差を設ける、
ことを特徴とする請求項16に記載のロボット装置の制御方法。
The robot apparatus main body is provided with left and right symmetrical movable legs, and the wheel mechanism is attached to the tip of each movable leg,
In the step of giving motion to the toes of the movable legs, a phase difference is provided in the periodic movement of the toes between the front legs and the rear legs.
The method of controlling a robot apparatus according to claim 16.
舵取用車輪機構を足先に取り付けた舵取用の可動脚と、推進用車輪機構を足先に取り付けた推進用の可動脚を備え、
前記の前記可動脚の足先に動作を与えるステップは、前記舵取用車輪機構の転がり方向が旋回方向と一致するように前記舵取用の可動脚を駆動するステップと、前記推進用の可動脚の足先に前記進行方向に対して非平行な方向へ移動する動作を与えるステップとを備える、
ことを特徴とする請求項13に記載のロボット装置の制御方法。
A steering leg with a steering wheel mechanism attached to the toe and a propulsion leg with a propulsion wheel mechanism attached to the toe,
The step of giving an action to the tip of the movable leg includes a step of driving the movable leg for steering so that a rolling direction of the steering wheel mechanism coincides with a turning direction, and a movable part for propulsion. Providing a movement of the leg toes in a direction non-parallel to the traveling direction.
The robot apparatus control method according to claim 13.
前記の前記舵取用の可動脚を駆動するステップは、所望の舵取角が得られるように、前記足裏のベース面を傾斜させて、前記車輪を首振り動作させる、
ことを特徴とする請求項18に記載のロボット装置の制御方法。
The step of driving the movable leg for steering described above tilts the base surface of the sole and swings the wheel so that a desired steering angle can be obtained.
The method for controlling a robotic device according to claim 18.
複数の可動脚を備え脚式移動動作を行なうロボット装置に対して適用され、前記可動脚の動作に応じた受動的な回転作用を生じて推進力を得る受動車輪装置であって、
ベース部と、
前記ベース部上面にて前記可動脚の足先に着脱自在に装着する脚固定部と、
前記ベース部下面にて受動回転軸を中心にヨー回りに回動自在に支持され、受動回転軸に対しオフセットを以って車輪が取り付けられた首振りキャスターと、
を具備することを特徴とする受動車輪装置。
A passive wheel device that is applied to a robot apparatus that includes a plurality of movable legs and performs a legged movement operation, and that generates a propulsive force by generating a passive rotational action according to the movement of the movable legs,
A base part;
A leg fixing portion that is detachably attached to the tip of the movable leg on the upper surface of the base portion;
A swing caster supported on the lower surface of the base portion so as to be rotatable about the passive rotation axis around the yaw, and having wheels attached thereto with an offset relative to the passive rotation axis;
A passive wheel device comprising:
前記車輪の首振り動作の可動範囲を規制するリミット機構をさらに備える、
ことを特徴とする請求項20に記載の受動車輪装置。
Further comprising a limit mechanism for regulating a movable range of the swinging motion of the wheel,
21. The passive wheel device according to claim 20, wherein:
前記リミット機構は、所定の固定位置に固定され、首振り動作する前記車輪に当接して可動範囲を規制するリミッタで構成される、
ことを特徴とする請求項21に記載の受動車輪装置。
The limit mechanism is fixed at a predetermined fixed position and is configured by a limiter that abuts on the wheel that swings and regulates a movable range.
The passive wheel device according to claim 21, wherein:
前記リミッタ機構は、前記車輪の首振り方向に対して復元力を持つ弾性体で構成される、
ことを特徴とする請求項21に記載の受動車輪装置。
The limiter mechanism is composed of an elastic body having a restoring force with respect to the swinging direction of the wheel.
The passive wheel device according to claim 21, wherein:
前記車輪の回転により得られる推進を制動する制動手段をさらに備える、
ことを特徴とする請求項20に記載の受動車輪装置。
Braking means for braking the propulsion obtained by the rotation of the wheel;
21. The passive wheel device according to claim 20, wherein:
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