JP2007054291A - 転動ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】外形からは転動できないと思われるものを転動させることができるようにする。
【解決手段】立方体の外殻形状の本体１内にアウタロータ８を回転支持し、本体に固設されたステータ１３と協働してモータを構成する。アウタロータを加速した時の反力や所定の回転即で回転させた状態で電磁制動することで本体を転動させることができる。立方体において平面視で接地面の外方に重量物が位置しなくても転動させることができることから、外形からは転動できないと思われる例えば立方体形状の本体を転動させることにより、不思議さが増し、転動ロボットに対して大きな興味を持たせることができるようになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、本体を転動させて移動する転動ロボットに関するものである。

従来、本体が転動して移動する転動ロボットにおいて、外形が球状の外殻からなる本体の内面に周方向に連続するレールを設け、そのレール上を本体に対して重量物となる移動体が移動することにより、その移動方向に球状の本体を転動させるようにしたものがあった（例えば特許文献１参照）。
実開平０６−４１７９１号公報

上記従来の転動ロボットにあっては、接地部が点であり、接地部の鉛直線上から移動体が移動すれば重心位置がその鉛直線上からずれることにより本体が転動するものであり、その外形から転動原理が容易に想像できてしまう。また、球状の外殻の内面に１周するように設けたレールの延在方向にしか転動できず、移動方向が１方向であるため、動きを楽しむ転動ロボットとしては面白みに欠けるという問題があった。

上記球体を用いたものでは、球面の１点が接地しているだけのため停止状態が不安定である。停止状態を安定させるためには、外形を多面体として面で接地させることが考えられる。しかしながら、そのような多面体形状の本体を転動させるためには、平面視で接地面の外側に移動体を位置させる必要がある。その多面体の形状としては、そのような転動を可能にするものにすることになり、例えば直方体や三角錐のように平面視で移動体を接地面の外側に位置させることができない形状のものは採用できない。

それに対して、従来の構造では転動することができないと思われていた上記直方体や三角錐などのものが転動した場合には、その不思議さにより、転動ロボットに対する興味を大きなものとすることができる。

このような課題を解決して、外形からは転動できないと思われるものを転動させることができるようにするために本発明に於いては、多面体からなる中空の本体内に、前記本体に回転自在に支持された回転部材と、前記回転部材を前記本体に対して回転駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御装置とを設け、前記制御装置により前記回転部材をトルク制御して、前記本体を前記回転部材の加速度により生じる反力により転動させるものとした。

特に、前記回転部材の回転軸の向きを変えて前記転動方向を変更する手段を有すると良く、また、前記トルク制御を電磁制動により行うように、前記駆動手段がモータからなると良い。また、前記本体の転動時の回転角度を検出する角度センサを設け、前記トルク制御が、少なくとも前記本体の重心が前記本体の転動時の回転中心の垂線上を越えるまで前記本体が前記回転角度に応じて転動するトルクを発生させるように制御されると良い。

このように本発明によれば、外形からは転動できないと思われる多面体として例えば立方体の本体を用いた場合であっても、その内部で回転部材を急加速して回転させることにより生じるトルクの反力により本体を転動させることができる。その加速度としては、回転部材を停止状態から増速する場合であっても、所定の回転速度で回転している状態から制動により減速する場合であっても良い。これにより、上記立方体において平面視で接地面の外方に重量物が位置しなくても転動させることができることから、外形からは転動できないと思われる例えば立方体形状の本体を転動させることにより、不思議さが増し、転動ロボットに対して大きな興味を持たせることができるようになる。

特に、回転部材の向きを変えることにより転動方向を変えることができ、転動方向を自由に選択でき、複雑な移動を行わせることができる。例えば双六などの駒として用いることにより、遊技者が触れることなく駒を移動させることができる、おもしろさを増すことができる。また、回転部材をロータとし、ステータを本体側に固定したモータ構造とすることにより、駆動による正の加速度及び電磁制動による負の加速度をモータの一般的な制御で行うことができ、制御手段を簡単に設計できるなど、低コストな転動ロボットを提供し得る。

また、本体の転動を可能にするためには、本体の転動における回転中心（転動時に地面と接し、地面からの反力を受ける箇所。直方体の場合には縁）を通る垂線上を本体の重心が転動方向に越えるまで加速度による反力を生じさせれば良く、それ以降のトルク制御の必要はなく、電力消費を抑制し得る。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明が適用された転動ロボットの全体を示す縦断面図であり、図２はその要部部品の分解組立斜視図である。

本転動ロボットの外形を形成する本体１は立方体（キューブ）の外殻形状に形成されている。その本体１内の１内面（図１の下側）の中央には本体１の中心に向けてボス２が突設されており、ボス２には外周にギアの歯を形成された円板状のギア３が同軸かつ回転自在に支持され、ギア３の図における上面には略Ｕ字形状をなしかつその平行な一対の柱状部分が立設状態になるようにされた回転台４が固着されている。

ギア３は、その外周の歯にピニオンを噛み合わせるように本体１内の適所に固設されたギア駆動用モータ５により回転されるようになっている。このようにして、ギア３がボス２の軸線回りに回転すると、それと一体に回転台４も回転する。

回転台４のＵ字形状における一対の柱状部の各突出端部間には、回転軸線（ボス２の軸線）Ｃ１に直交しかつ本体１の中心を通る軸線Ｃ２と同軸となる軸部材６が設けられている。なお、軸部材６は回転台４の柱状部に固定されている。

軸部材６の中間点には、一対の軸受７を介して回転部材としてモータにおけるアウタロータ８が回転自在に支持されている。このアウタロータ８は、軸受７に同軸に支持された円板状のディスク部分８ａと、帯形状の円環状外周部８ｂとにより半径部分でＴ字形断面を有する形状に形成されている。その円環状外周部８ｂの内周面には、円板部８ａを挟んだ対称位置に左右一対の内向フランジが形成されており、各内向フランジを挟んだ両側にそれぞれ円環状のコイル９が設けられている。

また、ディスク部分８ａには、電源としての図示例では２本の電池１１とＩＣチップなど用いた制御回路により構成される制御装置１２とがそれぞれ適所に取り付けられている。それら電池１１及び制御装置１２はアウタロータ８の回転バランスを考慮した位置に配設されている。なお、電池１１は、例えばケースを介して交換可能に装着されるようになっているか、あるいはケースを介して外部から充電可能となっていると良く、制御装置１２及びコイル９への電力供給源となる。

そして、軸部材６の軸受７を挟んだ両側のところにはそれぞれ円板状のステータ１３が同軸に固設されている。各ステータ１３の外周面にはマグネット１３ａが固着されており、その磁極面がそれぞれ各コイル９の対応するものと対峙している。このようにして、上記したアウタロータ８及びコイル９とステータ１３及びマグネット１３ａとによりモータが構成されている。このモータ構造にあってはブラシレスモータと同じであって良いが、ホール素子などは図示省略している。なお、本発明の駆動手段であるモータはアウタロータタイプのもの限定されるものでなく、インナーロータタイプのものであってもよい。

また、回転台４の軸線Ｃ２上となる部分には、本体１の軸線Ｃ２に直交する向きに転動する場合の回転角度を検出するためのキューブ角度センサ１４が設けられている。このキューブ角度センサ１４は、上記軸線Ｃ２回りの対地角度を検出するものであって良い。例えば垂下状態の振り子を設け、その振り子に対する軸線Ｃ２回りの周方向相対位置を位置センサにより検出する構造により可能である。なお、キューブ角度センサ１４と上記したギア駆動用モータ５との各制御を行う制御回路（図示せず）は本体１の内面の適所に設けられている。

図３に制御装置１２の概略ブロック図を示す。本制御装置１２は外部の送信装置１５からの指令信号Ｓに応じて作動するようになっている。制御装置１２には、外部からの指令信号Ｓをアンテナで受信するようにしたキューブ角度コントローラ１２ａと、キューブ角度コントローラ１２ａから出力される制御信号に応じて駆動・制動信号を出力するモータトルクコントローラ１２ｂと、モータトルクコントローラ１２ｂから出力される駆動／制動信号に応じてモータを構成するコイル３に流す電流を制御するドライバ１２ｃとが設けられている。なお、ドライバ１２ｃは、モータにおける正逆回転及び電磁制動に相当する制御を行うようにコイル３に流す電流を制御することができるように、ＦＥＴを用いた公知のブリッジ回路からなるものであって良い。

また、ドライバ１２ｃからコイル３に至る電力線の途中には例えば非接触状態で電流を検出するようにした公知の非接触型電流センサ１６が設けられており、その電流検出信号はモータトルクコントローラ１２ｂに入力する。なお、上記したキューブ角度センサ１４による角度検出信号はキューブ角度コントローラ１２ａに入力する。

次に、このようにして構成された転動ロボットにおける転動要領について以下に示す。送信装置１５に例えば前後左右の方向指示スイッチを設け、送信装置１５から任意の一方向にロボットを転動させる指令信号Ｓが出力されたことをキューブ角度コントローラ１２ａが受信したら、その方向に対して軸部材６が直交する（アウタロータ８の回転方向が向く）ように回転台制御回路１７に回転台方向制御信号を出力し、回転台制御回路１７によりギア駆動用モータ５を駆動して回転台４を回す。なお、図示例のように立方体の本体１の場合には通常の転動方向としては上面から見て前後左右の４方向であって良く、その場合には回転台４を回す角度は９０度ピッチとなる。

また、外観から前進方向を決めるのではなく、例えば図４（ａ）に示されるように任意の１面を接地させている停止状態において回転台４を回さずにアウタロータ８を所定方向に回転させて転動する方向を前進方向として良い。

例えば前進の指令信号Ｓが受信されたら、回転台４はそのままの位置として、キューブ角度コントローラ１２ａからトルク制御を行うための前進制御信号が出力され、その場合にはモータトルクコントローラ１２ｂからは予め定め所定方向（例えば正転）にアウタロータ８を所定の角加速度で回転させる駆動信号を出力し、ドライバ１２ｃによりアウタロータ８を正転方向（例えば図４（ａ）の矢印Ａ方向）に回転させる電流をコイル３に流す。

ここで、図５に示すように、立方体形状の転動ロボットが点Ｐを回転中心として図の円弧状の矢印で示される向きに本体１が転動する場合について示す。図において、全体の質量をｍとし、重心が立方体の中心位置としてその重心から接地面までの距離をＲとし、点Ｐを回転中心として転動する場合の回転角度をθとし、重力加速度をｇとすると、
ｍｒ²（d²θ／dt²）＋２ｍＲ²（d²θ／dt²）＝Ｔ−ｍｇsin（45°−θ）・√２・Ｒ
と表せる。

上記Ｔが転動に必要なトルクであり、図の状態から転動開始させる場合には、
Ｔ＞ｍｇsin（45°−θ）・√２・Ｒ
とすれば良く、そのようになるトルクＴが加速度（減速度を含む）の反力として得られるようにトルク制御すれば良い。

また、図示例では、電流を電流センサ１６によりモータトルクコントローラ１２ｂにフィードバックしている。このようにすることにより、回転角度θの変化に応じて転動に必要な最小限のトルクＴが生じるように電流制御することができ、さらに、図示例の立方体の場合には回転角度θが４５度を超えたら（図４（ｂ））、回転中心Ｐを通る垂線Ｃｇ上を重心が転動する方向に移るため、その後はトルクＴを与えなくても良く、自然に次の面が接地する転動完了状態（図４（ｃ））になる。

上記制御ではアウタロータ８を停止状態から加速させる場合について示したが、所定の回転速度で回転させた状態から例えば電磁制動により減速させる場合も同様である。この場合には加速度を負の加速度（減速度）として取り扱えば良く、上記と同様の制御を行うことができる。なお、制動により転動させる場合にはアウタロータ８の回転方向に本体１が転動することになる。

なお、本体１の多面体形状としては図示例の立方体に限られるものではなく、直方体、あるいは４面体であっても良い。それらの多面体においても、内部の重量物の重心移動だけでは転動するとは思えず、転動ロボットしての不思議さが得られる。また、６面体を越える多面体であっても良く、その場合であっても、例えば回転台４を設けたものにあっては、転動中に方向転換させることができ、従来のような周軌道のレールを設けて移動体を移動させる構造のものでは実現不可能な転動ロボットすることができる。

本発明にかかる転動ロボットは、転動するとは思えない形状のものを転動させることができ、不思議な動作をする転動ロボットに限られず、特に急斜面のような車輪型ロボットでは滑り落ちる可能性がある場所に対しても多面体の１面を接地させて安定した停止状態になるなど、移動ロボットの技術分野等として有用である。

本発明が適用された転動ロボットの全体を示す縦断面図である。 図１の要部部品の分解組立斜視図である。 制御ブロック図を示す図である。 （ａ）は転動前の状態を示す図IVａ−IVａ線に沿って見た概略断面図であり、（ｂ）は転動途中の状態を示す同様に図であり、（ｃ）は転動後の状態を示す同様の図である。 転動の説明補助図である。

符号の説明

１ 本体
２ ボス
３ ギア
４ 回転台
５ ギア駆動用モータ
６ 軸部材
７ 軸受
８ アウタロータ
９ コイル
１１ 電池
１２ 制御装置
１３ ステータ
１４ キューブ角度センサ

Claims (4)

1. 多面体からなる中空の本体内に、前記本体に回転自在に支持された回転部材と、前記回転部材を前記本体に対して回転駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御装置とを設け、
   前記制御装置により前記回転部材をトルク制御して、前記本体を前記回転部材の加速度により生じる反力により転動させることを特徴とする転動ロボット。
2. 前記回転部材の回転軸の向きを変えて前記転動方向を変更する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の転動ロボット。
3. 前記トルク制御を電磁制動により行うように、前記駆動手段がモータからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の転動ロボット。
4. 前記本体の転動時の回転角度を検出する角度センサを設け、
   前記トルク制御が、少なくとも前記本体の重心が前記本体の転動時の回転中心の垂線上を越えるまで前記本体が前記回転角度に応じて転動するトルクを発生させるように制御されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の転動ロボット。
   

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