JP2008119315A - 転動ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】多面体からなる外殻を有する転動ロボットにおいて、簡易な構成により転動のためのトルクを向上させる。
【解決手段】多面体からなるロボット本体ケース２内に、回転軸４にフライホイール５を取り付けたメインモータ３と、その回転軸に直交する方向に延在し、メインモータを回動自在に支持するモータ支持軸６，７と、そのモータ支持軸周りにメインモータを回動駆動するサブモータ８と、それらモータ３，８を制御する制御装置１０とを備えた構成とし、制御装置により、フライホイールの回転中にメインモータを回動させて転動に必要なトルクを発生させるように制御する。
【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。

従来、本体が転動して移動する転動ロボットにおいて、本体を構成する球状の外殻の内面に沿ってレールを設け、そのレール上で重りとなる移動体を移動させるようにしたものが存在する（特許文献１参照）。この転動ロボットは、レール上の移動体を移動させて本体の重心を移動させることにより、その移動方向に本体を転動させることができる。その一方で、そのような転動動作は、転動方向がレールの配置によって規定されてしまうために意外性がなく面白みに欠けるという課題があった。また、そのような転動のための構成は、動作原理上、直方体や三角錐をなす外殻を用いる場合のように、平面視において移動体を外殻の接地面（反力が発生する位置）の外側に位置させることができないものには適用することができなかった。

そこで、意外性を持たせた転動動作を実現し、また、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を可能とするために、多面体の外殻を有する本体内にアウターロータを回転支持し、本体に固設されたステータと協働してモータを構成するようにした転動ロボットが開発されている（特願２００５−２４３１０８（図１及び図２））。この転動ロボットは、立方体等の多面体からなる外殻を有し、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。
実開平０６−４１７９１号公報

しかしながら、上記従来の転動ロボットでは、回転部材の加速のみにより転動に必要なトルクを生じさせるので、回転部材の慣性モーメントやモータのトルクを大きくしないと十分な転動能力を得られない場合があった。また、ロボットを転動させる際に、重力によるモーメントに対抗する反作用モーメントを回転部材の加速により発生させる必要があるが、回転部材の回転数（即ち、モータの回転数）を増大させてその上限付近に達すると、転動を実現するのに必要なトルクを発生することができない場合があった。さらに、回転部材を回転させるための制御装置やバッテリが、回転部材に固定されてその回転とともに高速回転する構成を有するので、制御装置と外殻内に固定されるセンサとの間で通信を行うための構成（例えば、無線通信）が複雑になるという課題があった。

本発明は、このような従来技術の課題を鑑みて案出されたものであり、簡易な構成により発生させたジャイロモーメントを利用して転動のためのトルクを向上させることを可能とした転動ロボットを提供することを主目的とする。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、多面体からなる外殻を有する転動ロボットであって、回転軸を有するモータと、前記回転軸に取り付けられた回転部材と、前記回転軸に直交する方向に延在し、前記モータの本体を回動自在に支持するモータ支持軸と、前記モータ支持軸周りに前記モータの本体を回動駆動する駆動手段と、前記モータおよび前記駆動手段の動作を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、ジャイロモーメントを発生させて転動に必要なトルクを得るように前記モータおよび前記駆動手段の制御を実行することを特徴とする。

これによると、回転部材の回転中にモータ本体をその支持軸周りに回動させることで、回転軸とモータ支持軸の双方に直交する軸線回りにジャイロモーメントを発生させることができ、この簡易な構成により発生させたジャイロモーメントを利用して転動のためのトルクを向上させることができる。

従って、従来技術と比較して、発生トルクがより小さなモータ及び慣性モーメントがより小さな回転部材を用いて転動に必要なトルクを実現することができ、また、回転部材の回転数がその上限付近にあっても、転動を実現するのに必要なトルクを容易に発生することができるという利点がある。

上記課題を解決するためになされた第２の発明は、前記制御手段が、前記モータの本体に対し、前記回転軸が延出する一端側とは反対の他端側に取り付けられたことを特徴とする。

これによると、モータ本体に対し、回転部材（フライホイール等）を取り付ける一端側とは反対の他端側に制御手段を取り付けることにより、回転部材と制御手段との重量をバランスさせてモータの円滑な回動動作を実現することが可能となる。加えて、転動ロボットの重心を外殻の中心付近に位置させて円滑な転動動作を実現することが可能となる。

上記課題を解決するためになされた第３の発明は、転動ロボット本体の姿勢を検出するセンサを更に備え、前記制御手段が前記モータの本体に、前記センサが前記転動ロボット本体に取り付けられたことを特徴とする
これによると、制御手段とモータまたは駆動手段との間の制御信号の送受及び電力供給、並びに制御手段とセンサとの間の通信を簡易な構成で実現することができる。

このように本発明によれば簡易な構成により発生させたジャイロモーメントを利用して転動のためのトルクを向上させることができるという優れた効果を奏する。従って、従来技術と比較して、発生トルクがより小さなモータ及び慣性モーメントがより小さな回転部材を用いて転動に必要なトルクを実現することができ、また、回転部材の回転数がその上限付近にあっても、転動を実現するのに必要なトルクを容易に発生することができるという利点がある。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係る転動ロボットの概略構成を示す縦断面図であり、図２は、その内部構造を示す一部破断斜視図である。

この転動ロボット１は、その外殻をなすロボット本体ケース２を有しており、この本体ケース２の内部には、メインモータ３と、そのモータ３の回転軸４に回転可能に支持されるフライホイール（回転部材）５と、その回転軸４に略直交する方向に延在し、メインモータ３を回動自在に支持するモータ支持軸６，７と、メインモータ３をモータ支持軸６，７回りに回動駆動するサブモータ（駆動手段）８と、転動ロボット１の姿勢を検出するセンサ９と、メインモータ３及びサブモータ８の動作を制御する制御装置１０とを主として備える。

ロボット本体ケース２は、略立方体状をなし、各面の連結部位に形成される角部を円弧状に面取りした構成を有している。この本体ケース２の形状は、ここに示すものに限らず、例えば、直方体や、４面体その他の多面体として形成することもできる。

メインモータ３は、その回転軸４に回転力を発生する周知の電動機であり、フライホイール５を高速回転させる一方で、それ自身がモータ支持軸６，７周りに回動可能となっている。

モータ支持軸６は、その上端側がロボット本体ケース２に設けられた軸孔２１に挿入されて回転自在に支持されるとともに、下端側がモータ３の本体を覆うカバー２２の上部に連結されている。また、モータ支持軸７は、支持軸６と略同軸上に配置され、その下端側がロボット本体ケース２に設けられた支持部材２３によって本体ケース２に固定されるとともに、上端側にはギア２４が取り付けられている。

サブモータ８は、モータ３のカバー２２の下部に連結されたギアボックス２５に固定されている。このサブモータ８の回転軸に取り付けられたピニオンギア２６は、モータ支持軸７のギア２４と噛合された状態にあり、サブモータ８は、その回転軸が回転する際にモータ支持軸６，７周りを旋回するように移動する。これにともない、サブモータ８が固定されたモータ３がモータ支持軸６，７周りを回動することになる。このように、サブモータ８をメインモータ３に連結して一体的に回動させる構成とすることで、制御装置１０からのメインモータ３及びサブモータ８の双方に対する制御信号の送受や電力供給等が容易となるという利点がある。サブモータ８としては、支持軸７の回動動作の角度を高精度に制御可能なサーボモータ等を用いることができる。

なお、別法として、サブモータ８をモータ３ではなくロボット本体ケース２の内面に固定する一方、モータ支持軸７の下端側を本体ケース２に回転可能に支持するとともに、その上端側をモータ３に連結するような構成も可能である。

センサ９は、ロボット本体ケース２の内面に取り付けられ、図示しない通信線を介して制御装置１０と通信可能に接続されている。このセンサ９としては、例えば、前後、左右、上下方向の加速度ベクトルを検出できる３軸加速度センサや、角速度ベクトルを検出できる３軸角速度センサを用いることができる。センサ９の検出結果（重力ベクトルや転動時の加速度や角速度ベクトルの情報）は制御装置１０に送られ、制御装置１０が制御を行う際の転動ロボット１の姿勢や転動時の回転角度や角速度の情報として利用される。

制御装置１０は、モータ３に対し、その回転軸４が延出する一端側とは反対の他端側に取り付けられている。この制御装置１０は、フライホイール５の回転中にメインモータ３をモータ支持軸６，７周りに回動させ、転動に必要なトルクとしてのジャイロモーメントを発生させるように制御を実行することができる。

この場合、制御装置１０は、メインモータ３のケーシングに取り付けられており、モータ３と一体的に回動するが、フライホイール５のように高速回転することはないので、センサ９との間の通信を簡易な構成で実現することができる。例えば、制御装置１０とセンサ９との通信を、制御装置１０の回動範囲を考慮して長さ及び配置を決定した通信線（有線）により実現することも可能である。

なお、別法として転動ロボット１の姿勢を検出するセンサを、制御装置１０内に設ける構成（図１のセンサ９’参照）も可能である。このように、センサ９’を制御装置１０とともにメインモータ３に取り付けることで、制御装置１０とメインモータ３またはサブモータ８との間の制御信号の送受及び電力供給、並びに制御装置１０とセンサ９’との間の通信を簡易な構成で実現することができる。

図３は、転動ロボットの制御装置の概略構成を示すブロック図である。この制御装置１０は、転動ロボットの転動動作を総括的に制御する主コントローラ３１と、メインモータ３を駆動するためのメインモータ用ドライバ３２と、サブモータ８を駆動するためのサブモータ用ドライバ３３とから主として構成される。モータドライバ３２，３３としては、モータ３，８における速度、トルク、位置決め等の制御が可能な周知のドライバを用いることができる。

主コントローラ３１は、オペレータ用の操作キー等を有する外部コントローラ４１からの指令信号Ｓを受信するためのアンテナを有しており、この指令信号Ｓにより指示された転動動作を実行するために、各モータドライバ３２，３３に対する制御信号を生成する。このとき、主コントローラ３１は、センサ９の検出結果を取得することで、転動ロボット１の姿勢や転動時の回転角度や角速度を把握することができる。モータドライバ３２，３３は、主コントローラ３１から受信する制御信号に従ってそれぞれのモータ３，８を駆動し、速度、トルク、位置決め等の制御を行う。

なお、主コントローラ３１が、外部コントローラ４１からの指令信号Ｓによらずに、予め転動ロボット１内に設けたメモリ等に記憶された制御プログラムに従って各モータドライバ３２，３３に対する制御信号を生成する構成も可能である。また、図示していないが、制御装置１０は、メインモータ３及びサブモータ８に対して電力を供給するためのバッテリを備えている。

図４は、転動ロボットの転動原理の概略を説明するための説明図である。上述のように、転動ロボット１は、フライホイール５の回転中にメインモータ３をモータ支持軸６，７周りに回動させることで、ジャイロモーメントを発生させることが可能である。このジャイロモーメントは、図４に示すように、転動ロボット１のフライホイール５の回転軸の方向をｘ軸方向とし、メインモータ３の回動軸であるモータ支持軸６，７の方向をｙ軸方向とすると、それらと略直交するｚ軸方向周りに発生する。ここで、回転部材の回動軸周りの角速度をμ、角運動量をＨとすると、発生するジャイロモーメントＴは、Ｔ＝Ｈ×μで表される。

図１及び図２に示した転動ロボット１においては、例えば、回転軸と一体をなすロータと、当該ロータを囲むステータとを有するインナーロータ型のモータをメインモータ３として用いる場合、そのインナーロータとフライホイール５が、ジャイロモーメントを発生させるための回転部材となり得る。また、例えば、回転軸と一体をなすカップ状のロータと、当該ロータの内部に配置されたステータとを有するアウターロータ型のモータをメインモータ３として用いる場合、そのアウターロータ（場合によっては、アウターロータに連結された制御装置も含む）とフライホイール５が、ジャイロモーメントを発生させるための回転部材となり得る。

この場合、制御装置１０は、例えば、回転部材の角運動量Ｈが一定のとき、ｙ軸方向周りに回転する回転部材の角速度μの大きさを変更することによって、発生するジャイロモーメントＴの大きさを制御することができる。なお、より大きなジャイロモーメントを発生させるためには、回転部材をより高速で回転させ、また、その半径及び質量を増大させるとよい。

図５は、転動ロボットの転動動作の一例を示す模式図である。図５（Ａ）に示すように、フライホイール５を回転軸（ｘ軸）４回りに矢印５１の向きに所定の速度で回転させた際に、メインモータ３をモータ支持軸（ｙ軸）６，７回りに矢印５２の向きに回動させると、ｚ軸回りに矢印５３の向きにジャイロモーメントＴが発生する。

ここで、転動ロボット１の回転中心を点Ｐとし、静止状態における転動ロボット１の重心Ｇと点Ｐを結んだ直線と接地面のなす角度を４５°とし、転動ロボット１の重心Ｇから接地面５４までの距離をＲ、質量をｍ、転動する場合の回転角度をθ、重力加速度をｇとすると、ジャイロモーメントＴが次式を満たす場合に転動を開始することになる。
Ｔ＞ｍｇsin（４５°−θ）・√２・Ｒ
これにより、転動ロボット１が矢印５５の方向に転動すると、図５（Ｂ）で示す状態となる。ただし、転動中、常に上式の条件を満たさなくても図５（Ｂ）で示す状態となる場合もある。

なお、転動ロボット１は、ここに示した転動動作に限らず、上述の転動原理に従って種々の姿勢から転動動作を実行することが可能である。

本発明を特定の実施形態に基づいて詳細に説明したが、これらの実施形態はあくまでも例示であって本発明はこれらの実施形態によって限定されるものではない。例えば、転動ロボット１において、上述のようなジャイロモーメントを発生させる方式とともに、或いはジャイロモーメントを発生させずに、制御装置１０により回転部材（フライホイール５等）をトルク制御して、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転動させる方式を用いることができる。この場合、回転部材に付与する加速度としては、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よい。また、サブモータ８によってメインモータ３の向き（即ち、回転部材の向き）を変えることで、転動方向を変更することができる。

本発明に係る転動ロボットは、簡易な構成により発生させたジャイロモーメントを利用して転動のためのトルクを向上させることを可能とするので、走行する玩具や走行する装置等の本体を転動させて移動する転動ロボットとして有用である。

本発明に係る転動ロボットの概略構成を示す縦断面図 転動ロボットの内部構造を示す一部破断斜視図 制御装置の概略構成を示すブロック図 転動ロボットの転動原理の概略を説明するための説明図 転動ロボットの転動動作の一例を示す模式図

符号の説明

１ 転動ロボット
２ 本体ケース
３ メインモータ
５ フライホイール
６，７ モータ支持軸
８ サブモータ
９ センサ
１０ 制御装置

Claims (3)

1. 多面体からなる外殻を有する転動ロボットであって、
   回転軸を有するモータと、
   前記回転軸に取り付けられた回転部材と、
   前記回転軸に直交する方向に延在し、前記モータの本体を回動自在に支持するモータ支持軸と、
   前記モータ支持軸周りに前記モータの本体を回動駆動する駆動手段と、
   前記モータおよび前記駆動手段の動作を制御する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、ジャイロモーメントを発生させて転動に必要なトルクを得るように前記モータおよび前記駆動手段の制御を実行することを特徴とする請求項１に記載の転動ロボット。
2. 前記制御手段が、前記モータの本体に対し、前記回転軸が延出する一端側とは反対の他端側に取り付けられたことを特徴とする請求項１に記載の転動ロボット。
3. 転動ロボット本体の姿勢を検出するセンサを更に備え、前記制御手段が前記モータの本体に、前記センサが前記転動ロボット本体に取り付けられたことを特徴とする請求項１に記載の転動ロボット。
   

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