JP2007528791A6 - 脚付きロボット用の流体移動によるバランスシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、動いている間または任意の仕事を遂行している間にバランスが失われることを防止し、同様に二つ以上の脚部を有するロボットが重み運搬する際の、脚付きロボット向けのバランスシステムに関する。本発明により開発される、二脚ロボットまたは多脚ロボット向けのバランスシステムは、基本要素としてのバランス流体ポンプ（２）、バランス流体タンク（５）、バランス流体移動管（６）、およびバランス流体（７）によって特徴付けられている。ロボットのバランスは、タンク（５）間でバランス流体（７）を移動させることによって供される。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、動いている間及び／又は重みを支えている間における二脚または多脚物体（ロボット）のバランスシステムに関する。

ロボット分野においては、二脚ロボットまたは多脚ロボットがバランスを失う（転倒する）ことなく動き、命令を効率的に実行することが非常に重要である。

動いている間、重みを持ち上げている間、または物体を押している間に、二脚ロボットまたは多脚ロボットが転倒しないためには、重心の投影点が立っている足の下にあるか、あるいは床面に接触している足により形成される面の中になければならない。

二脚ロボットまたは多脚ロボットが動いている間にバランスを保つためには、現状の技術では、胴体を曲げて、重心が立っている足の下にあるようにするか、あるいは重心が、床面に接触している足により形成される面の中にあるようにする必要がある。

胴体を曲げることによりバランスを保つ多脚ロボットによくみられる問題の一つは、動きが遅いということである。また、製造工程が複雑であるため、製造期間が長くなり製造コストが高くなるという問題もある。さらには、この種のロボットは誤動作が非常に多いという問題もある。

二脚ロボットにおける主要問題はバランスである。ロボットの二つの脚部間に重心の垂直投影点を配置することにより、バランスを保つことができる。慣例的方法によれば、1つの足を上げているときのロボットは、上げた足と反対の方向に上体を曲げることにより、重心の垂直投影点が他方（立っている）足の下にくるようにして、バランスを保っている。動きが始まると、ロボットが胴体またはその他の伸ばされた部分を曲げている間、および上げている間、またはそのどちらかの間、ロボットが停止するまで全体の動きの間中、このバランス感覚が保たれる。

二脚ロボットのバランスを保つための別の手法は、ロボットが立っている間、間断なく足を着いていることを願うことである。この手法の欠点は、ロボットが「歩行」しないということ、すなわちロボットが前方に動くためにジャンプしなければならないということである。また、ロボットはエネルギーを消費してのみバランスを保つことができるため、静止しているときにもバランスを保つために必ずエネルギーが消費される。

本発明の目的は、よりバランスのとれた動きを行い、従来のロボットとは異った方法で重みを支え、産業機械を使用することができ、しかも人間の運動機能をすべて遂行できる、二脚ロボットまたは多脚ロボット向けのバランスシステムを開発することである。

本発明により開発された二脚ロボットおよび多脚ロボット向けのバランスシステムを説明するために、図面を添付している。添付書類の図面は、本発明によるバランスシステムを二脚ロボットに応用した例を概略的に示している。これと同じシステムを多脚ロボットにも応用することができる。図面の説明は以下のとおりである。

本発明の二脚ロボットまたは多脚ロボット向けのバランスシステムをより正しく説明するために、図面に現れる部品に符号を付けてある。符号を付けた各部品は、以下のとおりである。
１−モーションモーター
２−バランス流体ポンプ
３−脚部（上側部分）
４−脚部（下側部分）
５−バランス流体タンク
６−バランス流体移動管
７−バランス流体
８−重心の垂直軸

二脚ロボットまたは多脚ロボット向けバランスシステムの本発明の主要要素は、バランス流体ポンプ（２）、バランス流体タンク（５）、バランス流体移動管（６）、およびバランス流体（７）である。

バランス流体（７）は、任意の液体、気体、固体と液体の混合物、固体と気体の混合物、液体と気体の混合物、固体と液体と気体の混合物、または移動可能な任意の固体（好ましくは、顆粒状の固体）のいずれであってもよい。脚部間を移動できるものであればどのような固体でもバランス流体（７）として使用できる。バランス流体タンク（５）は、床面に接触する足の底部に配置することが好ましい。必要であれば、タンク（５）を下側脚部（４）または胴体の任意の部分に配置することができる。バランス流体タンク（５）は、複数であってもよい。バランス流体タンク（５）は、単一のタンクであってもよい。

バランス流体移動管（６）により、タンク（５）間の流体の移動が可能になる。バランス流体移動管（６）は、１つであっても複数であってもよい。バランス流体移動管（６）は、可撓性（弾力性）材料から製造することが好ましい。管（６）は、流体タンク（５）同士をロボットの内側または外側で直接接続するか、あるいは胴体の様々な部分を介して接続する。

バランス流体ポンプ（２）は、タンク（５）間で流体（７）を移動させる。ポンプ（２）は、複数であってもよい。バランス流体ポンプ（２）は、片方向または双方向のポンプ及び／又はモーターであり得る。

動いている間、重みを持ち上げている間、または物体を押している間に二脚ロボットまたは多脚ロボットが転倒しないためには、重心の投影点（８）が立っている足の下にあるか、あるいは床面に接触している足により形成される面の中になければならない。従って本発明は、タンク（５）間でバランス流体（７）を移動させることにより、この原理を応用する。

本発明により開発される、二脚ロボットまたは多脚ロボット向けのバランスシステムの動作を、二脚ロボットの添付例を用いて以下に説明する。

二脚ロボットに応用したバランスシステムには、両側の２つの上側脚部（３）、これらの脚部を接続し前後に動かすモーションモーター（１）、下側脚部（４）を各上側脚部（３）に接続し下側脚部（４）を前後に動かす２つのモーションモーター（１）、２つの下側脚部（４）、床面に接触している各下側脚部の下に取り付けられた２つのバランス流体タンク（５）、各バランス流体タンク（５）に接続されており、バランス流体（７）を一方のタンク（５）から他方のタンク（５）に移動させたり、あるいは同じタンク（５）に戻すバランス流体ポンプ（２）、およびこれらのモーターを接続し流体を確実に移動させる管（６）とが含まれている。

よりよく説明するために、図面に軸を設けている。２つの脚部の方向における水平軸はｘ軸であり、垂直軸はｙ軸であり、ｘ軸とｙ軸とに直交する軸をｚ軸と呼ぶ。奇数番号の図面（図１、図３、図５、図７、図９、図１１、図１３）では、動きに応じたバランス流体（７）の位置と、ｘ軸上における重心の投影点の変化とを示している。偶数番号の図面（図２、図４、図６、図８、図１０、図１２、図１４）では、ｚ軸上での重心の投影点変化を示している。

二脚ロボットまたは多脚ロボット向けの本発明によるバランスシステムを二脚ロボットに応用したものが、７つの異なる姿勢において説明される。また、各姿勢におけるバランス流体（７）の状態も示される。
姿勢１（図１および図２）：

この姿勢においては、二脚ロボットが両足で立っている。正面図および側面図（図１および図２）からわかるように、重心の投影点（８）は、ロボットの両足間に引いた線の正に中央にある。立位と呼ばれるこの姿勢では、ロボットのバランスが完全にとれている。バランス流体（７）は同じ割合で両方のタンク（５）に分散されている。これは、両方のタンク（５）における流体（７）の量が同じであることを意味する。
姿勢2（図3および図4）：

この姿勢においては、ロボットが動く準備ができている。バランス流体（７）はすべて、動かない方の脚部のタンクに入っている。タンクが空である脚部が動く。動く（すなわち、前後に歩く、階段を昇る、起伏のある表面を歩く、左右に曲がる）脚部にはバランス流体がない。

この姿勢においては、重心の投影点（８）は、タンクが満杯である立っている脚部の領域の下にある。このため、ロボットは現時点でバランスを保てるだけでなく、他方の脚部が動き始めたときにもバランスを保ったままでいることができる。
姿勢3（図5および図６）：

これは、ロボットが実際に動くときの最初の姿勢である。この姿勢においては、流体タンク（５）が空である脚部がモーションモーター（１）により上げられ動かされる。この姿勢においては、重心の投影点（８）は変化しないか、あるいは正面図（図３および図５）のようにわずかに変化する。側面図（図４および図６）においては、重心の投影点（８）は、動いている脚部の方向に移動している。この姿勢においては、重心の投影点（８）が、立っている足の下にまだあるため、ロボットはバランスを保っている。
姿勢4（図7および図8）：

この姿勢においては、タンク（５）が空である脚部がモーションモーター（１）により最大高さに上げられている。この姿勢においては、重心の投影点（８）は変化しないか、あるいは正面図（図３、図５、および図７）のようにわずかに変化する。しかし側面図（図４、図６、および図８）においては、重心の投影点（８）は、動いている脚部の方向に移動している。しかしそれでも、重心（８）がロボットの立っている足が覆う領域の下にまだあるため、システムはバランスを保っている。
姿勢5（図9および図10）：

この姿勢においては、流体ポンプ（２）により、立っている脚部に固定されたタンク（５）から空のタンク（他方の脚部における）へバランス流体（７）が流れ始める。その間に二脚ロボットはバランスを失い、上げた足の方に倒れ始める。このため、重心が流体（７）が流れ込み始めたタンク（５）の方に移動し、ロボットは転倒することなく上記の方向に動く。
姿勢6（図11および図12）：

この姿勢においては、ロボットがバランスを失うことにより、最終的に踏み出した足の上に倒れる。両足が床面に接触する。両方のタンク（５）の流体（７）の量が同じになるまで、バランス流体（７）は一方のタンク（立っている脚部における）から他方のタンク（動いている脚部における）へ流れ続ける。重心の投影点（８）は両脚部間に引いた線の中央にあり、ロボットはバランスを保っている。
姿勢7（図13および図14）：

この姿勢においては、流体の重量とモーター（１）により加えられる力により、タンクが空である脚部が上げられる。重心の投影点は、タンクが満杯である立っている足の下にある。ロボットは、バランスを保っている。

ロボットの動きは、タンクが空である脚部が所望の方向に動くことにより達成される。

本発明により開発される、二脚ロボットまたは多脚ロボット向けのバランスシステムは、移動し、起伏のある／傾斜のきつい床面を歩き、階段を昇り、重みを運び、任意の仕事を遂行し、命令に従うことが可能な、あらゆる種類のロボットに応用することができる。

本発明により開発される、二脚ロボットまたは多脚ロボット向けのバランスシステムは、障害者用の歩行装置、義足、玩具、および人間のあらゆる身体的行為を実行できるロボットに応用することができる。

本発明により開発される、二脚ロボットまたは多脚ロボット向けのバランスシステムは、脚部を有するロボットだけでなく、車輪を有するロボットにも応用することができる。

両足で立っており、バランス流体が両方のタンクに均等に配分されている、二脚ロボットの正面図である。 両足で立っており、バランス流体が両方のタンクに均等に配分されている、二脚ロボットの側面図である。 両足で立っており、バランス流体が一方のタンクにのみある、二脚ロボットの正面図である。 両足で立っており、バランス流体が一方のタンクにのみある、二脚ロボットの側面図である。 タンクが空である脚部が上がっている二脚ロボットの正面図である（タンクは床面と平行であり、膝が曲がっている）。 タンクが空である脚部が上がっている二脚ロボットの側面図である（タンクは床面と平行であり、膝が曲がっている）。 タンクが空である脚部が上がっている二脚ロボットの正面図である（タンクは床面と平行ではなく、膝が曲がっていない）。 タンクが空である脚部が上がっている二脚ロボットの側面図である（タンクは床面と平行ではなく、膝が曲がっていない）。 タンクが空である脚部が上がっており、バランス流体が、タンクが満杯である立っている足から空のタンクに流れ込み始めている、二脚ロボットの正面図である。 タンクが空である脚部が上がっており、バランス流体が、タンクが満杯である立っている足から空のタンクに流れ込み始めている、二脚ロボットの側面図である。 両足で立っており、バランス流体が両方のタンクに均等に配分されている、二脚ロボットの正面図である。 両足で立っており、バランス流体が両方のタンクに均等に配分されている、二脚ロボットの側面図である。 タンクが満杯である足で立っており、タンクが空である足が上がっている、二脚ロボットの正面図である。 タンクが満杯である足で立っており、タンクが空である足が上がっている、二脚ロボットの側面図である。

Claims (17)

1. 基本要素としてのバランス流体ポンプ（２）、バランス流体タンク（５）、バランス流体移動管（６）、バランス流体（７）によって特徴付けられる、二脚ロボットまたは多脚ロボット用のバランスシステム。
2. バランス流体（７）が、任意の種類の液体、気体、固体と液体の混合物、固体と気体の混合物、液体と気体の混合物、固体と液体と気体の混合物、または好ましくは顆粒状（粉末状）の任意の固体であることを特徴とする、請求項１に記載の二脚ロボットまたは多脚ロボット用のバランスシステム。
3. バランス流体（７）が移動可能な固体であることを特徴とする、請求項１に記載の二脚ロボットまたは多脚ロボット用のバランスシステム。
4. 流体タンク（５）を、好ましくは床面に接触する足の底部に配置することを特徴とする、請求項１に記載の二脚ロボットまたは多脚ロボット用のバランスシステム。
5. バランス流体タンク（５）が脚部（４）の下側部分及び／又は上側部分、及び／又はロボットの胴体の好ましい任意の部分に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の二脚ロボットまたは多脚ロボット用のバランスシステム。
6. バランス流体タンク（５）の数が各側面において１つ以上であることを特徴とする、請求項１，４または５に記載の二脚ロボットまたは多脚ロボット用のバランスシステム。
7. 各バランス流体タンク（５）が単体部品から作られていることを特徴とするバランスシステム。請求項１，４または５に記載の二脚ロボットまたは多脚ロボット用のバランスシステム。
8. バランス流体移動管（６）の数が１つ以上であり、流体移動管（６）がバランス流体（７）をタンク（５）間で移動させることを特徴とするバランスシステム。請求項１に記載の二脚ロボットまたは多脚ロボット用のバランスシステム。
9. バランス流体移動管（６）が好ましくは可撓性（弾力性）材料から製造されていることを特徴とするバランスシステム。請求項１または８に記載の二脚ロボットまたは多脚ロボット用のバランスシステム。
10. 流体移動管（６）が流体タンク（５）同士をロボットの内側または外側で直接接続するか、あるいはロボットの胴体の様々な部分を介して接続することを特徴とするバランスシステム。請求項１，８または９に記載の二脚ロボットまたは多脚ロボット用のバランスシステム。
11. タンク（５）間の流体（７）の移動を可能にするバランス流体ポンプ（２）の数が１つ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の二脚ロボットまたは多脚ロボット用のバランスシステム。
12. 前記バランス流体ポンプ（２）が片方向または双方向のポンプ及び／又はモーターであることを特徴とする、請求項１または１１に記載の二脚ロボットまたは多脚ロボット用のバランスシステム。
13. ロボットの重心の投影点（８）が立っている足の下にあるか、あるいは床面に接触している足により形成される面の中にあるという条件を満たすことにより、バランス流体（７）がバランス流体タンク（５）に配分されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の二脚ロボットまたは多脚ロボット用のバランスシステム。
14. ロボットが動く準備ができているとき、すべてのバランス流体（７）が、１つまたは複数の立っている脚部のタンク（５）に移動させられることを特徴とするバランスシステム。 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の二脚ロボットまたは多脚ロボット用のバランスシステム。
15. タンク（５）が空である１つまたは複数の脚部をモーションモーター（１）により上げることによりロボットの動きを提供することと、重心の投影点（８）が立っている足の下にくるようにするか、あるいは床面に接触している足により形成される面の中にくるようにすることにより、バランス流体（７）が、床面に接触している脚部のタンク（５）に蓄積されることとを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の二脚ロボットまたは多脚ロボット用のバランスシステム。
16. ロボットがその動きを止めるために、バランス流体（７）を、動いている１つまたは複数の脚部に位置決めされたタンク（５）に移動させる必要があること特徴とする、請求項１〜１５のいずれかに記載の二脚ロボットまたは多脚ロボット用のバランスシステム。
17. 車輪を備えるロボットに応用されることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の二脚ロボットまたは多脚ロボット用のバランスシステム。

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