JP2008126384A - 脚式移動ロボット - Google Patents
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Abstract
【課題】アクチュエータのパワーを高めることなく、前進方向への移動性能を向上させた脚式移動ロボットを提供すること。
【解決手段】本発明にかかる脚式移動ロボット10は、脚部における複数の関節のそれぞれに設けられたアクチュエータを駆動して揺動軸回りに動作させることによって歩行動作を行うものである。複数の関節のうち、例えば、腰ロール関節42の揺動軸を脚式移動ロボット10の前方向から45度に配置し、腰ピッチ関節43の揺動軸を脚式移動ロボット10の前方向から45度に配置する。
【選択図】 図1
【解決手段】本発明にかかる脚式移動ロボット10は、脚部における複数の関節のそれぞれに設けられたアクチュエータを駆動して揺動軸回りに動作させることによって歩行動作を行うものである。複数の関節のうち、例えば、腰ロール関節42の揺動軸を脚式移動ロボット10の前方向から45度に配置し、腰ピッチ関節43の揺動軸を脚式移動ロボット10の前方向から45度に配置する。
【選択図】 図1
Description
本発明は脚式移動ロボットに関し、特に脚式移動ロボットにおける関節構造に関する。
近年、ロボットの研究が進むにつれて、人間の形状を模したヒューマノイド型のロボットや、人間の脚部の形状を模擬して作成された脚体を有する脚式移動ロボットが開発されつつある(例えば、特許文献1や特許文献2参照)。
図1(a)に、従来の脚式移動ロボットの関節構造を示す。ロボット10において、頭部1、右腕部31、左腕部31を備えたロボット本体2には、脚部が設けられており、その脚部には、6つの関節が配置されている。脚部に設けられた関節には、腰ヨー関節41、腰ロール関節42、腰ピッチ関節43、膝ピッチ関節51、足首ピッチ関節61、足首ロール関節62が含まれる。
従来のロボット10では、腰ヨー関節41は上下方向に、腰ロール関節42は前後方向に、腰ピッチ関節43は左右方向に、膝ピッチ関節51は左右方向に、足首ピッチ関節61は左右方向に、足首ロール関節62は前後方向に、それぞれの揺動軸を備えている。各関節には、揺動駆動するモータ等のアクチュエータが設けられている。
特開2001−9772号公報
特開2006−51558号公報
一般に、脚式移動ロボットは、前後進、左右進、円弧、その場旋回等、任意の方向に移動できなければならないが、最も多い移動は前進である。前進動作を行うためには、主として、腰ピッチ関節43に設けられたモータ、膝ピッチ関節51に設けられたモータや足首ピッチ関節61に設けられたモータが用いられる。
通常、前進方向には、速く移動することが求められるが、速く移動するためには、前進方向への移動に寄与するモータ等のアクチュエータのパワー(即ち、定格トルクや定格回転数)を大きくする必要がある。しかしながら、パワーの大きいアクチュエータは、サイズ・重量ともに大きくなるため、ロボットの移動性能を低下させ、搭載スペースを占領するという問題を生じさせる。また、アクチュエータのパワーを大きくすると、アクチュエータを制御する、いわゆるアンプのサイズも大きくなるため、この点でもさらにロボットの移動性能の低下や搭載スペースの占領を招く。
本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、モーターなどのアクチュエータのパワーを高めることなく、前進方向への移動性能を向上させた脚式移動ロボットを提供することを目的とする。
本発明にかかる脚式移動ロボットは、胴体部に接続され、複数の関節部からなる関節群により揺動可能に接続された複数のリンク部材から構成された脚部を備えており、該リンク部材を前記関節の揺動軸回りに回動させることで歩行動作を行う脚式移動ロボットであって、前記複数の関節群に含まれる第1の関節部が備える第1の揺動軸と、前記複数の関節群に含まれる第2の関節部が備える第2の揺動軸が、互いに交差する方向に伸びており、前記第1の揺動軸と、第2の揺動軸とが該ロボットの前方方向から所定角度傾斜した斜め方向に位置するように、前記第1の関節部と第2の関節部が配置されていることを特徴とするものである。このような構成を有することによって、アクチュエータのパワーを高めることなく、前進方向への移動性能を向上させることができる。
ここで、前記第1の揺動軸と、第2の揺動軸とが略直交するように、前記第1の関節部と第2の関節部が配置されているが望ましい。これにより、任意の方向への移動性能を高めることができる。
特に、前記第1の揺動軸と、第2の揺動軸とが、ロボットの前方方向に対して左右対称に位置するように、前記第1の関節部と第2の関節部が配置されていることが望ましい。これにより、均一性の高い移動性能を実現できる。
また、前記第1の揺動軸および第2の揺動軸が、ロボットの前方方向から約45度傾斜した方向に位置するように、前記第1の関節部と第2の関節部が配置されていることが望ましい。これにより、前進方向のみならず、横進方向への移動性能もアクチュエータのパワーを高めることなく高めることが可能となる。
好適な実施の形態においては、前記第1の揺動軸を備える第1の関節部と、第2の揺動軸を備える第2の関節部とが、ともに前記脚部の一端側に取り付けられ、第1の関節部および第2の関節部を介して、該脚部が前記胴体部に対して接続されている。また、前記脚部が、前記胴体部に接続される側と反対側の他端側において、移動時に地面と接触する足平部を備えており、前記第1の関節部と第2の関節部とが、前記足平部を脚部に接続するように、前記脚部の他端側に取り付けられている。さらに、前記脚式移動ロボットは、2足歩行により移動を行うものである。
ここで、前記第1の揺動軸と前記第2の揺動軸は、前記脚式移動ロボットの前方向から40度以上50度以下の範囲に配置することがさらに望ましい。
ここで、前記第1の揺動軸と前記第2の揺動軸は、前記脚式移動ロボットの前方向から40度以上50度以下の範囲に配置することがさらに望ましい。
本発明によれば、アクチュエータのパワーを高めることなく、前進方向への移動性能を向上させた脚式移動ロボットを提供することができる。
発明の実施の形態1.
まず、図1(b)を用いて、本発明の実施の形態1にかかる脚式移動ロボット10の構造について説明する。図1(c)〜(f)は、それぞれ図1(b)における断面DD,CC,BB,AAにおける揺動軸の配置関係を示している。
まず、図1(b)を用いて、本発明の実施の形態1にかかる脚式移動ロボット10の構造について説明する。図1(c)〜(f)は、それぞれ図1(b)における断面DD,CC,BB,AAにおける揺動軸の配置関係を示している。
本発明の実施の形態1にかかる脚式移動ロボット10は、左右の脚部を交互に持ち上げながら2足歩行を実現する。この方式により2足歩行を行なう場合には、片足が持ち上げられた状態での安定性を確保するために、踏み出し脚の持ち上げ動作に先立って、ロボット10の重心を支持脚側に移動させるなどの、ロボット重心を左右方向に移動させるための動作を行う。
図1(b)に示されるように、ロボット10において、頭部1、右腕部31、左腕部31を備えたロボット本体2には、胴体部に接続された脚部が設けられている。当該脚部は、複数の関節部からなる関節群により揺動可能に接続された複数のリンク部材から構成されている。かかるリンク部材を関節の揺動軸回りに回動させることで歩行動作を行う。この例では、脚部には、6つの関節が配置されている。そして、脚部に設けられた関節には、腰ヨー関節41、腰ロール関節42、腰ピッチ関節43、膝ピッチ関節51、足首ピッチ関節61、足首ロール関節62が含まれる。各関節には、揺動駆動するモータ等のアクチュエータ(例えば、DCサーボモータ)が設けられている。さらに、各関節には角度を検出するセンサ(例えば、ポテンショメータ)が設けられている。
本発明の実施の形態1にかかるロボット10において、腰ヨー関節41、膝ピッチ関節51は従来と同様の構成を有している。腰ヨー関節41では、上下方向を向くy軸を揺動支点として、大腿部がヨー方向に可動状態で保持される。膝ピッチ関節51では、左右方向を向くx軸を揺動支点として、脛部が大腿部に対してピッチ方向に可動状態で保持される。
その一方で、本発明の実施の形態1にかかる腰ロール関節42、腰ピッチ関節43、足首ピッチ関節61、足首ロール関節62は、その揺動軸の方向が図1(a)に示す従来の関節構造と異なる。具体的には、腰ロール関節42の揺動軸と、腰ピッチ関節43の揺動軸が互いに交差する方向に伸びており、腰ロール関節42の揺動軸と、腰ピッチ関節43の揺動軸とがロボット10の前方方向から所定角度傾斜した斜め方向に位置するように、腰ロール関節42と腰ピッチ関節43が配置されている。また、足首ピッチ関節61の揺動軸と、足首ピッチ関節62の揺動軸が互いに交差する方向に伸びており、足首ピッチ関節61の揺動軸と、足首ロール関節62の揺動軸とがロボット10の前方方向から所定角度傾斜した斜め方向に位置するように、足首ピッチ関節61と足首ロール関節62が配置されている。このとき、各揺動軸は、ロボット10の前方方向に対して左右対称に位置されている。
即ち、腰ロール関節42の揺動軸は、図1(c)においても示されるように、ロボット10の前方向に対して45度傾斜している。この例では、右脚の腰ロール関節42の揺動軸は、前方向に対して左側(中央側)に45度の方向に配置し、左脚の腰ロール関節の揺動軸(図示せず)は、前方向に対して右側(中央側)に45度の方向に配置している。
また、腰ピッチ関節43の揺動軸は、図1(d)においても示されるように、ロボット10の前方向に対して45度傾斜している。この例では、右脚の腰ピッチ関節43の揺動軸は、前方向に対して右側(外側)に45度の方向に配置し、左脚の腰ロール関節の揺動軸(図示せず)は、前方向に対して左側(外側)に45度の方向に配置している。腰ロール関節42の揺動軸と腰ピッチ関節43の揺動軸とは互いに直交している(即ち90度の角度に配置されている)。
足首ピッチ関節61の揺動軸は、図1(e)においても示されるように、ロボット10の前方向に対して45度傾斜している。この例では、右脚の足首ピッチ関節61の揺動軸は、前方向に対して右側(外側)に45度の方向に配置し、左脚の腰ロール関節の揺動軸(図示せず)は、前方向に対して左側(外側)に45度の方向に配置している。
また、足首ロール関節62の揺動軸は、図1(f)においても示されるように、ロボット10の前方向に対して45度傾斜している。この例では、右脚の足首ロール関節62の揺動軸は、前方向に対して左側(中央側)に45度の方向に配置し、左脚の腰ロール関節の揺動軸(図示せず)は、前方向に対して右側(中央側)に45度の方向に配置している。足首ピッチ関節61の揺動軸と足首ロール関節62の揺動軸とは互いに直交している(即ち90度の角度に配置されている)。なお、脚部は、胴体部に接続される側と反対側の他端側において、移動時に地面と接触する足平部を備えており、足首ピッチ関節61と足首ロール関節62とが、足平部を脚部に接続するように、脚部の他端側に取り付けられている。
続いて、図2のブロック図を用いて、本発明の実施の形態1にかかるロボットの制御機構について説明する。図2に示されるように、ロボット10は、右脚制御用センサ71R、左脚制御用センサ71L、制御部72、右脚動作用アクチュエータ73R、左脚動作用アクチュエータ73Lを備えている。
右脚制御用センサ71Rには、腰ヨー角センサ711、腰ロール角センサ712、腰ピッチ角センサ713、膝ピッチ角センサ714、足首ピッチ角センサ715、足首ロール角センサ716が含まれる。
腰ヨー角センサ711は、腰ヨー関節41に設けられ、その揺動軸回りの回転角を検出する。腰ロール角センサ712は、腰ロール関節42に設けられ、その揺動軸回りの回転角を検出する。腰ピッチ角センサ713は、腰ピッチ関節43に設けられ、その揺動軸回りの回転角を検出する。膝ピッチ角センサ714は、膝ピッチ関節51に設けられ、その揺動軸回りの回転角を検出する。足首ピッチ角センサ715は、足首ピッチ関節61に設けられ、その揺動軸回りの回転角を検出する。足首ロール角センサ716は、足首ロール関節62に設けられ、その揺動軸回りの回転角を検出する。
左脚制御用センサ71Lにも右脚制御用センサ71Rと同様のセンサが設けられている。右脚制御用センサ71R及び左脚制御用センサ71Lにおいて検出された各関節における回転角信号は、制御部72に入力される。
制御部72は、CPU、ROM、RAM等のコンピュータによって構成され、右脚制御用センサ71R及び左脚制御用センサ71Lから入力された回転角信号に応じて右脚動作用アクチュエータ73R、左脚動作用アクチュエータ73Lを制御する。
右脚動作用アクチュエータ73Rには、腰ヨー角動作用アクチュエータ731、腰ロール角動作用アクチュエータ732、腰ピッチ角動作用アクチュエータ733、膝ピッチ角動作用アクチュエータ734、足首ピッチ角動作用アクチュエータ735、足首ロール角動作用アクチュエータ736が含まれる。
腰ヨー角動作用アクチュエータ731は、腰ヨー関節41に設けられ、制御部72からの制御信号に応じて大腿部をロボット本体2に対してヨー動作させる。腰ロール角動作用アクチュエータ732は、腰ロール関節42に設けられ、制御部72からの制御信号に応じて大腿部をロボット本体2に対してロール動作させる。腰ピッチ角動作用アクチュエータ733は、腰ピッチ関節43に設けられ、制御部72からの制御信号に応じて大腿部をロボット本体2に対してピッチ動作させる。膝ピッチ角動作用アクチュエータ734は、膝ピッチ関節51に設けられ、制御部72からの制御信号に応じて脛部を大腿部に対してピッチ動作させる。足首ピッチ角動作用アクチュエータ735は、足首ピッチ関節61に設けられ、制御部72からの制御信号に応じて足平部を脛部に対してピッチ動作させる。足首ロール角動作用アクチュエータ736は、足首ロール関節62に設けられ、制御部72からの制御信号に応じて足平部を脛部に対してロール動作させる。
左脚動作用アクチュエータ73Lにも右脚動作用アクチュエータ73Rと同様のアクチュエータが設けられている。
続いて、図1(b)に示す本発明の実施の形態1のロボットと、図1(a)に示す従来のロボットのそれぞれにおいて、前進動作させた場合のトルクと回転数の変化について説明する。図3は腰ヨー関節41におけるトルク及び回転数の変化を、図4は腰ロール関節42におけるトルク及び回転数の変化を、図5は腰ピッチ関節43におけるトルク及び回転数の変化を、図6は膝ピッチ関節51におけるトルク及び回転数の変化を、図7は足首ピッチ関節61におけるトルク及び回転数の変化を、図8は足首ロール関節62におけるトルク及び回転数の変化をそれぞれ示すTN線図である。また、図9に消費電力の2乗平均値の比較結果を示す。
図3〜図8において、点線は本発明の実施の形態1にかかる関節構造、太線は従来例の関節構造におけるモータのトルク及び回転数の変化を示す。これらのデータは、LMS International社製の動力学シミュレータ(DADS:Dynamic Analysis and Design System)を用いて算出し、片足分のみを示す。なお、本発明と従来のシミュレーションにおける条件のうち、一歩の歩幅及び1歩の時間は両者とも同じとした。図3〜図8に示すTN線図においてデータが大きく変化し、線図上の面積が大きい場合は、消費電力が大きいことを示す。
図5、図7及び図9を参照すると、腰ピッチ関節43及び足首ピッチ関節61においては従来例よりも本発明の実施の形態1にかかるロボットの方がデータの示す面積が約半分になっているので、腰ピッチ関節43及び足首ピッチ関節61のそれぞれにおける消費電力が約半分に減少しているのがわかる。
その一方で、図4及び図8を参照すると、腰ロール関節42及び足首ロール関節62においては従来例に比べて本発明の実施の形態1にかかるロボットの方が増加していることがわかる。しかしながら、図9に示されるように、本発明の実施の形態1にかかるロボットにおける腰ロール関節42及び足首ロール関節62の消費電力は、腰ピッチ関節43及び足首ピッチ関節61と同程度の大きさである。
ここで、ロール関節とピッチ関節における電力の総和について、本発明の実施の形態1にかかる関節構造と、従来例にかかる関節構造を理論的に比較する。図10に示されるように、従来例の関節構造におけるロール軸をθ1、同ピッチ軸をθ2とし、本発明の実施の形態1の関節構造におけるロール軸をφ1、同ピッチ軸をφ2とし、従来例の関節構造におけるロール軸θ1と本発明の実施の形態1の関節構造におけるロール軸φ1の間の角度をαとする。さらに、ω1,ω2をそれぞれ従来例のロール関節及びピッチ関節における回転数としたとき、本発明の実施の形態1のロール関節の回転数ω* 1及び同ピッチ関節の回転数ω* 2は、次式のように表わすことができる。
また、τ1,τ2をそれぞれ従来例のロール関節及びピッチ関節におけるトルクとしたとき、本発明の実施の形態1のロール関節のトルクτ* 1及び同ピッチ関節のトルクτ* 2は、次式のように表わすことができる。
そうすると、回転数とトルクの積で表わすことができる電力は、次式に示されるように、本発明の実施の形態1の関節構造と従来例の関節構造とで等しくなる。
さらに、この理論を検証するために、上記(1)式及び(2)式に基づき算出した値と、上述のシミュレーションにおける値とを比較した。図11は、従来例のロール関節における回転数ω1を上記(1)式を用いて変換することにより求めた本発明の実施の形態1のロール関節の回転数ω* 1と、上述したシミュレーションにおける本発明の実施の形態1のロール関節の回転数を比較したグラフである。図12は、従来例のピッチ関節における回転数ω2を上記(1)式を用いて変換することにより求めた本発明の実施の形態1のピッチ関節の回転数ω* 2と、上述したシミュレーションにおける本発明の実施の形態1のピッチ関節の回転数を比較したグラフである。図13は、従来例のロール関節のトルクτ1を上記(1)式を用いて変換することにより求めた本発明の実施の形態1のロール関節のトルクτ* 1と、上述したシミュレーションにおける本発明の実施の形態1のロール関節のトルクを比較したグラフである。図14は、従来例のピッチ関節におけるトルク2を上記(1)式を用いて変換することにより求めた本発明の実施の形態1のピッチ関節のトルクτ* 2と、上述したシミュレーションにおける本発明の実施の形態1のピッチ関節のトルクを比較したグラフである。図11〜図14において、実線が(1)式を用いた結果、点線がシミュレーションによる結果をそれぞれ示す。
図11及び図12を参照すると、回転数については、(1)式を用いた結果とシミュレーション結果が正確に一致していることがわかる。また、図13及び図14を参照すると、トルクについては両者が完全に一致しているとは判断しがたいが、上記式(2)を否定する程ではなく、シミュレータの誤差範囲内であると判断される。
以上の結果からすると、本発明の実施の形態1における関節配置は、従来のピッチ関節における仕事をロール関節における仕事に振り分けたものといえる。
従って、ロボットの前進速度に必要なピッチ関節に設けたモータ(アクチュエータ)の出力が300Wであるならば、約半分の150Wのモータをピッチ関節とロール関節に配置すればよい。
さらに、ロボットは、前後進のみならず横に進む、即ち横進必要がある。従来例の関節構造において横進する場合には、ロール関節に設けたモータの出力を大きくする必要がある。従って、前後進と横進の双方に対する動作を同じように実行するためには、従来例の関節構造ではロール関節及びピッチ関節の双方において300Wのモータを搭載する必要があるが、本発明の実施の形態1にかかる関節構造ではそれぞれに150Wのモータを搭載すればよい。これにより、本発明の実施の形態1にかかる関節構造を有するロボットでは、モータを比較的小さいものとすることができるから、省電力化及び軽量化を図ることができ、さらには省スペース化を図ることができる。
その他の実施の形態.
発明の実施の形態1では、ロール関節とピッチ関節に関し、腰部と足首部の双方においてロボット10の前方向に対して揺動軸を45度傾斜するようにしたが、これに限らず、腰部のみであってもよく、足首部のみであってもよい。
発明の実施の形態1では、ロール関節とピッチ関節に関し、腰部と足首部の双方においてロボット10の前方向に対して揺動軸を45度傾斜するようにしたが、これに限らず、腰部のみであってもよく、足首部のみであってもよい。
また、ロール関節とピッチ関節は、ロボット10の前方向に対して45度である必要はなく、45度±10度(即ち35度以上55度以下)であればよく、さらに、45度±5度(即ち40度以上50度以下)であればなおよい。特に、歩行によって生じるZMP(Zero Moment Point)のずれを解消するためには両関節をロボットの前方向に対して45度よりもずらすことが好ましい。
角度の設定に関して図15を用いてさらに説明する。図15に示されるように、2軸の消費電力の分布の方向が消費電力W2の軸に対して30度傾いているように設定したい場合には、この30度傾いた軸に対して45度傾いた位置にそれぞれの関節における揺動軸を配置するとよい。
発明の実施の形態1では、ロール関節における揺動軸とピッチ関節における揺動軸とは、互いに直交していたが、必ずしも直交していなくてもよい。ここで、図16に示されるように、角速度ωx、ωyが互いに直交していてω1、ω2は互いに任意の角度で交わっているとする。ω1のωxからの角度をα、ω2のωxからの角度をβとする。この場合に、ωx及びωyは次のように表わすことができる。
これを行列の形で書くと次のようになる。
これを2×2行列の部分をAと置き換えると次のように表わすことができる。
Aが逆行列を持てば、次式のように変形でき、任意のωx、ωyに対してこれを満たすω1、ω2が存在する。
逆にAが逆行列を持たないときは、ω1、ω2は存在しないことになる。Aが逆行列を持たない条件は、Aの行列式detAが0のときである。
detA=cosαsinβ−cosβsinα=sin(α−β)=0
detA=cosαsinβ−cosβsinα=sin(α−β)=0
従って、α−β=0またはα−β=πのときに、即ち、ω1とω2が同じ方向を向いているか、180度反対を向いているときに、ω1、ω2は存在しない。このことから、ロール関節における揺動軸とピッチ関節における揺動軸とは必ずしも直交している必要はなく、両軸が一致しなければよい。
10 ロボット
41 腰ヨー関節
42 腰ロール関節
43 腰ピッチ関節
51 膝ピッチ関節
61 足首ピッチ関節
62 足首ロール関節
41 腰ヨー関節
42 腰ロール関節
43 腰ピッチ関節
51 膝ピッチ関節
61 足首ピッチ関節
62 足首ロール関節
Claims (7)
- 胴体部に接続され、複数の関節部からなる関節群により揺動可能に接続された複数のリンク部材から構成された脚部を備えており、該リンク部材を前記関節の揺動軸回りに回動させることで歩行動作を行う脚式移動ロボットであって、
前記複数の関節群に含まれる第1の関節部が備える第1の揺動軸と、前記複数の関節群に含まれる第2の関節部が備える第2の揺動軸が、互いに交差する方向に伸びており、
前記第1の揺動軸と、第2の揺動軸とが該ロボットの前方方向から所定角度傾斜した斜め方向に位置するように、前記第1の関節部と第2の関節部が配置されていることを特徴とする脚式移動ロボット。 - 前記第1の揺動軸と、第2の揺動軸とが略直交するように、前記第1の関節部と第2の関節部が配置されていることを特徴とする請求項1記載の脚式移動ロボット。
- 前記第1の揺動軸と、第2の揺動軸とが、ロボットの前方方向に対して左右対称に位置するように、前記第1の関節部と第2の関節部が配置されていることを特徴とする請求項1又は2記載の脚式移動ロボット。
- 前記第1の揺動軸および第2の揺動軸が、ロボットの前方方向から約45度傾斜した方向に位置するように、前記第1の関節部と第2の関節部が配置されていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の脚式移動ロボット。
- 前記第1の揺動軸を備える第1の関節部と、第2の揺動軸を備える第2の関節部とが、ともに前記脚部の一端側に取り付けられ、第1の関節部および第2の関節部を介して、該脚部が前記胴体部に対して接続されていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の脚式移動ロボット。
- 前記脚部が、前記胴体部に接続される側と反対側の他端側において、移動時に地面と接触する足平部を備えており、前記第1の関節部と第2の関節部とが、前記足平部を脚部に接続するように、前記脚部の他端側に取り付けられていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の脚式移動ロボット。
- 前記脚式移動ロボットは、2足歩行により移動を行うものであることを特徴とする請求項1から6いずれかに記載の脚式移動ロボット。
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2006
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