JP2007007798A - 跳躍ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 跳躍をしなくても安定した状態で倒立を維持できる跳躍ロボットを提供する。
【解決手段】 脚リンク（２４，２６，３０）を屈伸することで跳躍運動を行う跳躍ロボット１０であって、床に当接する平面状の足平１６と、足平１６と脚リンク（２４，２６，３０）とを連結する足首関節（１８，２２）と、足首関節（１８，２２）の関節角を制御するアクチュエータ（１９，２１）を有する。
この跳躍ロボット１０は、平面状の足平１６で床と当接し、アクチュエータ（１９，２１）によって脚リンク（２４，２６，３０）と足平１６の関節角を所望の角度に調整することができる。このため、跳躍ロボット１０は、跳躍をしなくても安定した状態で倒立を維持できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、脚リンクを屈伸することで跳躍運動を行う跳躍ロボットに関する。

脚リンクを屈伸することで跳躍運動を行う跳躍ロボットが開発されている（例えば、非特許文献１等）。従来の跳躍ロボットは、一本の脚リンクを有し、この脚リンクは上腿と膝関節と下腿から構成されている。膝関節の関節角はピッチ軸の回りに可変となっており、バネや空気圧アクチュエータによって上腿と下腿を屈伸運動させることができるようになっている。このロボットでは、いったん跳躍を開始させると、その後は空気圧アクチュエータが適切なタイミングで動作し、上腿と下腿の屈伸運動が継続される。これによって、跳躍ロボットは跳躍運動を継続することができる。
Raibert, M. H., 1984. Hopping in legged systems---Modeling and simulation for the 2D one-legged case. IEEE Trans. Systems, Man, and Cybernetics 14:451-463.

しかしながら、上述した従来の跳躍ロボットは、床と当接する部分に足平がなく、床と点もしくは点とみなせる状態で接触していた。このため、その場で静止することができず、常に跳躍し続けなければ安定して倒立状態を維持できないという問題を有していた。
本発明は上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、跳躍をしなくても安定した状態で倒立を維持できる跳躍ロボットを提供することである。

本発明の跳躍ロボットは、脚リンクを屈伸することで跳躍運動を行う跳躍ロボットであって、床に当接する平面状の足平と、足平と脚リンクとを連結する足首関節と、足首関節の関節角を制御するアクチュエータと、を有する。
このロボットは、平面状の足平を有し、床と点ではなく平面で接触する。また、脚リンクと足平との角度（すなわち、足首関節の関節角）はアクチュエータによって制御され、足首関節の関節角を所望の角度に調整することができる。このため、このロボットは、跳躍をしなくても安定した状態で倒立することができ、その場で静止することができる。

上記跳躍ロボットにおいては、爪先と、爪先と足平とを連結する爪先関節と、爪先関節の関節角を制御するアクチュエータをさらに有することができる。そして、爪先関節のピッチ軸回りの関節角がアクチュエータによって制御されることが好ましい。
このような構成によると、足平に対して爪先の角度（すなわち、爪先関節の関節角）を変えることができ、これによってロボットの重心位置を上下方向に変化させることができる。ロボットに跳躍運動を行わせるためには、ロボットの重心を大きな速度で上下方向に移動させる必要がある。足平に対して爪先の角度を変えてロボットの重心位置を上下方向に移動させることができると、他の関節角を調整するためのアクチュエータの負荷を軽減することができる。

上記跳躍ロボットにおいては、脚リンクに存在する１又は複数の関節と足首関節のうちの少なくとも１つの関節が、ピッチ軸回りの関節角とロール軸回りの関節角が可変となっており、それらの関節角を制御するアクチュエータをさらに有していることが好ましい。
このような構成によると、ピッチ軸回りの関節角を調整することで跳躍ロボットを前後方向に跳躍させることができ、また、ロール軸回りの関節角を調整することで跳躍ロボットを左右方向に跳躍させることができる。

上記跳躍ロボットにおいては、基体と、その基体と脚リンクの反足平側の端部を連結する股関節と、股関節の関節角を制御するアクチュエータをさらに有することができる。そして、股関節は少なくともＺ軸の回りの関節角がアクチュエータによって制御されることが好ましい。
このような構成によると、Ｚ軸の周りの関節角を調整することで跳躍ロボットを旋回させることができる。

上記の跳躍ロボットにおいては、跳躍ロボットに存在する複数の関節であって、ピッチ軸の周りの関節角が可変となっている少なくとも１つの関節に、トルクアシスト手段が付加されていることが好ましい。トルクアシスト手段を付加することで、当該関節の関節角を制御するアクチュエータの負荷を軽減することができる。

本発明を具現化した一実施形態に係る一本足跳躍ロボット１０について図面を参照して説明する。図６に示すように、一本足跳躍ロボット１０は、基体４０と股関節５４と脚リンク５２と足平部５６によって構成されている。
図１〜５に示すように、基体４０は平板状の部材であり、その上部にはコントローラ４２が載置されている。コントローラ４２は、一本足跳躍ロボット１０の各関節の関節角を調整（すなわち、各関節の関節角を変えるモータを駆動）し、一本足跳躍ロボット１０の並進方向の運動量と回転方向の運動量を制御する。

図６に示すように、股関節５４は基体４０と脚リンク５２を連結する。股関節５４は、重力線ｚ軸の回りの関節角を変えるヨー軸４１と、ピッチ軸ｙの回りの関節角を変える股ピッチ軸３８と、ロール軸ｘの回りの関節角を変える股ロール軸３６を備えている。したがって、脚リンク５２は、基体４０に対してヨー軸、ピッチ軸及びロール軸回りに揺動可能となっている。
図１〜５に示すように、股ピッチ軸３８には駆動ベルト３４を介してモータ３２が接続されている。モータ３２が回転すると股ピッチ軸３８も回転し、これによって股関節５４のピッチ軸回りの関節角が調整される。股ロール軸３６にも駆動ベルト３７を介してモータ３９が接続されている。モータ３９が回転すると股ロール軸３６も回転し、これによって股関節５４のロール軸回りの関節角が調整される。ヨー軸４１の回転角（すなわち、股関節５４のヨー軸回りの関節角）も図示しないモータによって調整される。

図６に示すように、脚リンク５２は、上腿３０と下腿２４を備えており、両者は膝関節（膝ピッチ軸２６）によって揺動可能に連結されている。図１〜５に示すように、膝ピッチ軸２６は駆動ベルト２９によってモータ２７に接続されている。モータ２７が回転すると、その回転が駆動ベルト２９を介して膝ピッチ軸２６に伝達され、上腿３０に対する下腿２４のピッチ軸回りの角度が変化する。
図１，４に示すように、膝ピッチ軸２６には渦巻きバネ２８が取付けられている。図８に示すように、渦巻きバネ２８の一端には、膝ピッチ軸２６の差込穴に差し込まれる差込部２８ｂが形成され、他端には上腿３０に固定される固定部２８ａが形成されている。固定部２８ａが上腿３０に固定され、差込部２８ｂが膝ピッチ軸２６の差込穴に差し込まれると、渦巻きバネ２８は、膝関節が曲がった状態（図５に示す状態）から膝関節が伸びた状態（図３に示す状態）となるように膝ピッチ軸２６を付勢する。

図６に示すように、足平部５６は、足首関節５８と足平１６と爪先関節（爪先ピッチ軸１４）と爪先１２を備えている。足首関節５８は下腿２４と足平１６を連結する。足首関節５８は、ピッチ軸の回りの関節角を変える足首ピッチ軸１８と、ロール軸の回りの関節角を変える足首ロール軸２０を備えている。
図１〜５に示すように、足首ピッチ軸１８には駆動ベルト２３を介してモータ２１が接続されている。モータ２１が回転すると足首ピッチ軸１８が回転し、足首ピッチ軸１８の回転角（足首関節５８のピッチ軸回りの関節角）が変化する。足首ロール軸２０には駆動ベルト１７を介してモータ１９が接続されている。モータ１９が回転すると足首ロール軸２０も回転し、足首ロール軸２０の回転角（足首関節５８のロール軸回りの関節角）が変化する。
図１，４，７に示すように、足首ピッチ軸１８にも渦巻きバネ２２が取付けられている。渦巻きバネ２２は、膝ピッチ軸２６に取付けられた渦巻きバネ２８と同一部材である（図８参照）。渦巻きバネ２２の固定部２２ａは下腿２４に固定され、渦巻きバネ２２の差込部２２ｂは足首ピッチ軸１８の差込穴に差し込まれる。この状態では、渦巻きバネ２２は、足首関節５８が曲がった状態（図５に示す状態）から足首関節が伸びた状態（図３に示す状態）となるように足首ピッチ軸１８を付勢する。

足平１６は平板状の部材であり、その裏面が床に当接する。足平１６の面積は充分に大きく、一本足跳躍ロボット１０は跳躍しなくても倒立した状態を維持することができる。
足平１６の先端には爪先１２が設けられており、足平１６と爪先１２は爪先関節（爪先ピッチ軸１４）によって揺動可能に連結されている。爪先関節の関節角（すなわち、爪先ピッチ軸１４の回転角）は図示しないモータによって調整される。これによって、足平１６に対する爪先１２の揺動角度が調整される。爪先１２も平板状の部材であり、その裏面が床に当接する。

上述した一本足跳躍ロボット１０に跳躍運動を行わせる場合、一本足跳躍ロボット１０の各関節角を変化させなければならない。このために、本実施形態では、跳躍運動を指定する目標軌道データが用いられる。目標軌道データは、一本足跳躍ロボット１０の初期重心下げ量、重心ジャンプ高さ、重心ジャンプ時間、接地時間、前後方向移動量、左右方向移動量及び旋回方向の移動量を指定する。
目標軌道データが作成されると、その目標軌道データはコントローラ４２に入力される。コントローラ４２は、目標軌道データに従って各関節の関節角を調整し、一本足跳躍ロボット１０に所望の跳躍運動を行わせる。図９は一本足跳躍ロボット１０が跳躍運動を行うときのコントローラ４２の処理手順を示すフローチャートである。
図９に示すように、コントローラ４２は、まず、目標軌道データに従って一本足跳躍ロボット１０の重心を移動させる位置を計算する（Ｓ１０）。すなわち、コントローラ４２は、各関節の関節角から一本足跳躍ロボット１０の姿勢を算出し、その算出された姿勢から現在の重心位置を計算する。そして、目標軌道データで指定された跳躍運動が行われるように、一本足跳躍ロボット１０の重心を移動させる位置を計算する。例えば、一本足跳躍ロボット１０を前後方向に跳躍させる場合、その重心を上下方向に移動させると共に前後方向にも移動させる。また、一本足跳躍ロボット１０を左右方向に跳躍させる場合、その重心を上下方向に移動させると共に左右方向にも移動させる。
一本足跳躍ロボット１０の重心を移動させる位置が計算されると、次に、コントローラ４２は一本足跳躍ロボット１０の各関節の関節角を計算する（Ｓ１２）。具体的には、コントローラ４２は、一本足跳躍ロボット１０の重心がステップＳ１０で計算された位置となるように各関節の関節角を計算する。
各関節の関節角が計算されると、コントローラ４２は各モータを駆動して、各関節の関節角がステップＳ１２で計算された関節角となるように調整する（Ｓ１４）。ステップＳ１４の処理が終了すると、ステップＳ１０に戻ってステップＳ１０からの処理を繰り返す。以上の処理によって、一本足跳躍ロボット１０は指定された跳躍運動を行うこととなる。

ここで、上述した一本足跳躍ロボット１０は、図１〜４に示すように足平１６及び爪先１２の裏面で床に当接し、足平１６及び爪先１２は充分な大きさの面積を有している。このため、一本足跳躍ロボット１０は、跳躍運動をしなくても倒立している状態を維持することができる（すなわち、静止することができる）。
また、一本足跳躍ロボット１０の足首関節５８は、ピッチ軸回りの関節角を変えることができる。このため、床（足平１６）に対して一本足跳躍ロボット１０のジャンプする方向を斜め前方又は斜め後方に変えることができる。これによって、一本足跳躍ロボット１０は跳躍しながら前後方向に移動することができる。同様に、一本足跳躍ロボット１０の足首関節５８は、ロール軸回りの関節角を変えることができる。このため、一本足跳躍ロボット１０は、跳躍しながら左右方向に移動することができる。
さらに、一本足跳躍ロボット１０の股関節５４はヨー軸回りの関節角を変えることができる。このため、一本足跳躍ロボット１０に旋回方向の運動量を与えることができ、一本足跳躍ロボット１０に旋回運動をさせることができる。

なお、上述した一本足跳躍ロボット１０は、足平１６の先端に爪先１２を設け、足平１６に対する爪先１２のピッチ軸回りの関節角を変えることができる。足平１６に対する爪先１２のピッチ軸回りの関節角を変えることができると、一本足跳躍ロボット１０の重心位置を変更することができる。このため、一本足跳躍ロボット１０の各関節角（特に、股関節及び膝関節）を変化させるモータの負担を軽減することができる。
すなわち、一本足跳躍ロボットが爪先自由度を有しない場合、図１１に示すように、重心位置の上下方向の移動は、膝の屈伸運動によってのみ行われる。図から明らかなように、膝が伸びるに応じて（（ａ）→（ｄ））、膝の回転速度に対する重心位置の移動が小さくなる。一本足跳躍ロボットを跳躍させるためには、重心位置を所定の速度で移動させなければならず、このためには、股関節及び膝関節の回転速度を非常に大きくしなければならない。
一方、上述した一本足跳躍ロボット１０のように爪先自由度を有すると、図１２に示すように、膝が伸びた状態でも（（ｂ）〜（ｄ））、爪先１２に対して足平１６をピッチ軸の回りに回転させることで、重心の上下動を容易に行うことができる。このため、股関節及び膝関節の回転速度を大幅に低減することができる。

また、一本足跳躍ロボット１０の膝ピッチ軸２６と足首ピッチ軸１８のそれぞれに渦巻きバネ２２，２８が取付けられている。このため、跳躍時にモータ２１，２７に作用する負荷が軽減され、一本足跳躍ロボット１０はより高くジャンプすることができる。

上述した説明から明らかなように、本実施形態の一本足跳躍ロボット１０は、一本足跳躍ロボット１０の並進運動量と回転運動量を操作することができるため、跳躍をしながら前後・左右方向に移動及び旋回運動を行うことができる。
また、足平１６に爪先１２を設け、また、膝関節及び足首関節に渦巻きバネを取付けることで、一本足跳躍ロボット１０の各関節の関節角を変えるモータの負荷を低減している。これによって、モータパワが不要となり、より小型のモータを使用することができる。

以上、本発明の好適ないくつかの実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。
例えば、上述した実施形態は、本発明を一本足跳躍ロボットに適用した例であったが、本発明は一本足跳躍ロボットに限定されず、複数本の脚リンクを有する跳躍ロボット（例えば、跳躍が可能な２足歩行型ロボット）にも適用することができる。
なお、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

本実施形態に係る一本足跳躍ロボットの斜視図。 同正面図。 同右側面図（膝を伸ばした状態）。 同左側面図。 同右側面図（膝を曲げた状態）。 一本足跳躍ロボットの機械的構成を模式的に示す図。 一本足跳躍ロボットの足首の部分を拡大して示す図。 足首ピッチ軸に取付けられる渦巻きバネの正面図と側面図。 一本足ロボットが跳躍運動を行うときにコントローラで行われる処理を示すフローチャート。 本実施形態の一本足跳躍ロボットが跳躍するときの脚の状態の変化を模式的に示す図。 爪先自由度を有しない一本足跳躍ロボットが跳躍するときの脚の状態の変化を模式的に示す図。

符号の説明

１０：一本足跳躍ロボット
１２：爪先
１４：爪先ピッチ軸
１６：足平
１７：駆動ベルト
１８：足首ピッチ軸
１９：モータ
２０：足首ロール軸
２１：モータ
２２：渦巻きバネ
２３：駆動ベルト
２４：下腿
２６：膝ピッチ軸
２７：モータ
２８：渦巻きバネ
２９；駆動ベルト
３０：上腿
３２：モータ
３４：駆動ベルト
３６：股ロール軸
３８：股ピッチ軸
３９：モータ
４０：基体
４１：ヨー軸
４２：コントローラ
５２：脚リンク
５４：股関節
５６：足平部

Claims (5)

1. 脚リンクを屈伸することで跳躍運動を行う跳躍ロボットであって、
   床に当接する平面状の足平と、
   足平と脚リンクとを連結する足首関節と、
   足首関節の関節角を制御するアクチュエータと、を有する跳躍ロボット。
2. 爪先と、爪先と足平とを連結する爪先関節と、爪先関節の関節角を制御するアクチュエータをさらに有し、爪先関節のピッチ軸回りの関節角がアクチュエータによって制御されることを特徴とする請求項１に記載の跳躍ロボット。
3. 脚リンクに存在する１又は複数の関節と足首関節のうちの少なくとも１つの関節が、ピッチ軸回りの関節角とロール軸回りの関節角が可変となっており、それらの関節角を制御するアクチュエータをさらに有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の跳躍ロボット。
4. 基体と、基体と脚リンクの反足平側の端部を連結する股関節と、股関節の関節角を制御するアクチュエータをさらに有し、股関節は少なくともＺ軸の回りの関節角がアクチュエータによって制御されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の跳躍ロボット。
5. 跳躍ロボットに存在する複数の関節であって、ピッチ軸の周りの関節角が可変となっている少なくとも１つの関節に、トルクアシスト手段が付加されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の跳躍ロボット。

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