JP2008137120A - ４足歩行作業ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 大きな凹凸がある路面６０でも移動可能であって、作業時には４足歩行機構の全ての関節部を同時に固定できるため安定した作業が可能な４足歩行作業ロボット１を提供する。
【解決手段】 ４つの脚機構（２０，３０，４０，５０）における関節部（２１，２２，２３）等の角度を所定のタイミングで制御することによって移動可能な４足歩行機構を備えた下部移動体２と、当該下部移動体２の上部に搭載され作業用装置を備えた上部作業体３と、からなる４足歩行作業ロボットであって、前記下部移動体の４足歩行機構の脚機構（２０，３０，４０，５０）が関節部固定手段を備えており、当該関節部固定手段が前記上部作業体２により作業を行う際に前記４つの脚機構を接地した状態で下部移動体２を現在位置に維持するために必要な関節部の角度を固定可能とした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、４足歩行機構を備えた作業ロボットに関する。

近年直接人が作業するのに代わって、ロボットがその作業を行う作業ロボットが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載された作業ロボットは、無線や移動体通信等の遠隔操作により自走し消火を行う消火ロボットである。当該消火ロボットの走行部は、モータで駆動される動輪と駆動されない従動輪とを備えて構成されている。

一方、路面の状態に関係なく移動可能な４足歩行機構を備えた歩行ロボットが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２に記載された歩行ロボットは、胴体に回動自在に接続されている４つの脚機構における関節部の角度を所定のタイミングで制御する制御手段を有している。そして、歩行ロボットの当該制御手段が上記４つの脚機構を順番に上記胴体の歩行方向に繰り出させることにより４足歩行するようになっている。
特開２００３−２５０９２２号公報（第３−５頁、第１−２図及び第６図） 特開２００５−１９３３２９号公報（第３−６頁、第１−２図）

ところが、特許文献１に記載された作業ロボットの走行部は車輪を回転させて移動するものであるため、凹凸が大きな路面では移動が不可能となるという問題があった。車輪の外径を大きくする、あるいは路面の凹凸に追従するサスペンションを装備する等により走破可能な凹凸路面の範囲は広がるものの、おのずとその限界があった。

一方、特許文献２に記載された歩行ロボットは路面の凹凸に関係なく歩行が可能であるが、当該歩行ロボットを作業ロボットとして使用するためには、作業時の安定性の確保に問題があった。すなわち、特許文献２に記載された歩行ロボットは高速歩行モードで歩行するために、前側の２脚の脚機構あるいは後側の２脚の脚機構の関節部の角度をそれぞれ別々に固定できるものではあるが、４つの脚機構全てを同時に接地した状態で全ての関節部の角度を同時に固定可能なものではなかった。そのため、凹凸の大きな路面上で静止したのち、作業のために４つの脚機構により歩行ロボット全体を支持するということができなかった。

そこで、本発明は、４足歩行機構を備えた作業ロボットとすることにより、大きな凹凸がある路面でも移動可能であって、作業時には当該４足歩行機構の全ての関節部を同時に固定できるため安定した作業が可能な４足歩行作業ロボットを提供しようとするものである。

請求項１の発明は、４足歩行作業ロボットが４つの脚機構における関節部の角度を所定のタイミングで制御することによって移動可能な４足歩行機構を備えた下部移動体と、当該下部移動体の上部に搭載され作業用装置を備えた上部作業体と、からなる４足歩行ロボットが対象であって、前記下部移動体の４足歩行機構の脚機構が関節部固定手段を備えており、当該関節部固定手段が前記上部作業体により作業を行う際に前記４つの脚機構を接地した状態で下部移動体を現在位置に維持するために必要な関節部の角度を固定可能なことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明を前提として、前記下部移動体が前記上部作業体により作業を行う際に前記下部移動体が水平姿勢となるように前記４足歩行作業機の４つの脚機構を接地する水平レベリング手段を備えたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明を前提として、前記下部移動体がクローラ又はタイヤからなる走行機構を備えたことを特徴とする。

請求項１の発明では、４足歩行ロボットの下部移動体が４つの脚機構における関節部の角度を所定のタイミングで制御することによって移動可能な４足歩行機構を備えているので、車輪を回転させて移動する走行部を備えた作業ロボットが移動できないような凹凸路面であっても、問題なく移動することができる。さらに、前記下部移動体の４足歩行機構の関節部固定手段が、前記上部作業体により作業を行う際に４つの脚機構を接地した状態で当該脚機構の全ての関節部の角度を固定できるので、前記４つの脚機構がアウトリガの役割を果たし上部作業体の作業装置による作業を安定して行える。

請求項２の発明では、請求項１の発明の効果に加えて、前記下部移動体の水平レベリング手段が、前記上部作業体により作業を行う際に前記下部移動体が水平姿勢となるように前期４足歩行作業機の４つの脚機構を制御した上で接地するので、上部作業体による作業がよりスムーズに行える。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明の効果に加えて、凹凸のあまり大きくない路面では前記下部移動体クローラ又はタイヤからなる走行機構を使用した走行が可能であるので、４足歩行機構のみの場合よりもより高速で移動することができる。

図１に、本発明を実施するための最良の形態に係る４足歩行作業ロボット１を示す。図において、４足歩行作業ロボット１は４足歩行機構を備えた下部移動体２と当該下部移動体２の上部に搭載された上部作業体３とから構成されている。４は下部移動体２の下部フレームであって、左前脚機構２０、右前脚機構３０、左後脚機構４０及び右後脚機構５０により支持されている。下部フレーム４には脚機構２０〜５０における関節部の角度を所定のタイミングで制御する制御手段や動力装置（図示せず）が内蔵されている。２７は下部フレーム４の下方に配置されたクローラ走行機構である。

左前脚機構２０は関節部２１、２２、２３と上肢フレーム２４、下肢フレーム２５と足部２６とから構成されている。上肢フレーム２４の上端部には、アクチュエータ、減速機構、ブレーキ機構などからなる関節部２１が設置されており、上肢フレーム２４は関節部２１を介して下部フレーム４に回動自在に接続されている。関節部２１は下部フレーム４の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度を有し、上肢フレーム２４を下部フレーム４の前後方向に任意角度回動することが可能な構成となっている。

上肢フレーム２４の下端部には、アクチュエータ、減速機構、ブレーキ機構などからなる関節部２２が設置されており、上肢フレーム２４は関節部２２を介して下肢フレーム２５の上端部に接続されている。関節部２２は下部フレーム４の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度を有し、下肢フレーム２５を下部フレーム４の前後方向に任意角度回動することが可能な構成となっている。

下肢フレーム２５の下端部には、アクチュエータ、減速機構、ブレーキ機構などからなる関節部２３が設置されている。関節部２３は足部２６に接続されており、下部フレーム４の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度を有し、足部２６を下部フレーム４の前後方向に任意角度回動することが可能な構成となっている。

同様に、右前脚機構３０は関節部３１、３２、３３と上肢フレーム３４、下肢フレーム３５と足部３６とから構成されている。さらに、左後脚機構４０は関節部４１、４２、４３と上肢フレーム４４、下肢フレーム４５と足部４６とから構成されている。また、右後脚機構５０は関節部５１、５２、５３と上肢フレーム５４、下肢フレーム５５と足部５６とから構成されている。上記の右前脚機構３０、左後脚機構４０及び右後脚機構５０の構成の詳細は既述の左前脚機構２０と同じであるのでその詳細な説明は省略する。

上述した下部移動体２の歩行動作は以下の通りである。下部移動体２の歩行時には、制御手段が左前脚機構２０、右前脚機構３０、左後脚機構４０及び右後脚機構５０に設置された関節部２１〜２３、３１〜３３、４１〜４３、５１〜５３を制御して、図１に示すように下部フレーム４を支持する。この状態で、左前脚機構２０、右前脚機構３０、左後脚機構４０及び右後脚機構５０の各関節部のアクチュエータをそれぞれ所定のタイミングで回転させると歩行動作を行う。

例えば、図１に示す状態から矢印Ａ方向に移動する場合、まず右前脚機構３０前方に繰り出す動作を行う。すなわち、制御手段が右前脚機構３０の関節部３１、３２、３３を制御して、足部３６を地面６０から離間させる。このとき、左前脚機構２０、左後脚機構４０及び右後脚機構５０が下部フレーム４を支持している。なお、この時には前記クローラ走行機構２７は地面６０より上方に位置するようになっている。

制御手段は、遊脚となる右前脚機構３０の足部３６が地面６０に接触しないように、関節部３１、３２、３３を適切に制御して、前方への繰り出し動作を行う。同時に、下部フレーム４を支持している左前脚機構２０、左後脚機構４０及び右後脚機構５０の関節部２１〜２３、４１〜４３、５１〜５３を適切に制御して、下部フレーム４に対して左前脚機構０、左後脚機構４０及び右後脚機構５０が相対的に後退する方向に移動させることにより、下部フレーム４を前方に送り出すようにする。

制御手段は、右前脚機構３０を所定距離だけ前方に繰り出させたのち、関節部３１、３２、３３を制御して、足部３６を地面６０に接地させ、右前脚機構３０の遊脚動作を終了する。右前脚機構３０の遊脚動作が終了すると、上記と同様にして、左後脚機構４０、左前脚機構２０、左後脚機構５０の順に繰り出し動作を実施しつつ、遊脚以外の脚機構で下部フレーム４を支持して、下部フレーム４を送り出すことにより、図１に示す状態にあった４足歩行作業ロボット１が矢印Ａ方向に移動する。これらの動作を繰り返すことにより、凹凸の大きな地面６０における４足歩行作業ロボット１の歩行による移動が実現する。このように、車輪を回転させて移動する走行部を備えた作業ロボットが移動できないような凹凸路面であっても、問題なく移動することができる。

図２は、４足歩行作業ロボット１の作業時の状態を説明するものである。４足歩行機構の左前脚機構２０、右前脚機構３０、左後脚機構４０及び右後脚機構５０は、その全ての足部２６、３６、４６及び５６を地面６０に接地している。その際に下部移動体２の制御手段に備えられた水平レベリング手段は、前記下部移動体２が水平姿勢となるように前記４つの脚機構を制御している。なお、この時にも前記クローラ走行装置２７は地面６０より上方に位置している。

図２に示した６１は下部フレーム４に装備された左前脚機構２０の作業時ロックレバーである。作業時ロックレバー６１を操作することにより左前脚機構２０の関節部２１、２２及び２３のブレーキ機構（関節部固定手段）を作動させることができる。同様に右前脚機構３０の作業時ロックレバー６２、左後脚機構４０の作業時ロックレバー６３及び右後脚機構５０の作業時ロックレバー６４が下部フレーム４に装備されている。図２に示すように上記作業時ロックレバー６１〜６４を全て操作することにより、４足歩行機構の左前脚機構２０、右前脚機構３０、左後脚機構４０及び右後脚機構５０に含まれる関節部２１〜２２、３１〜３２、４１〜４２及び５１〜５２のブレーキ機構（関節部固定手段）を全て作動させている。これにより、下部移動体２が水平姿勢となるようにし、かつ地面６０の大きな凹凸に適応して足部２６、３６、４６及び５６を接地した上で、しっかりと４足歩行機構がアウトリガの役割を果たすことができる。そのため、後述する上部作業体３による作業をスムーズかつ安定して行うことができる。なお、各脚機構（２０、３０、４０、５０）の足部（２６、３６、４６，５６）の関節部（２３、３３、４３、５３）のブレーキ機構（関節部固定手段）も同時に作動させるようにしてもよい。

図２に示した４足歩行作業ロボット１の上部作業体３は、前記下部移動体２の下部フレーム４に対して旋回自在な旋回フレーム６５を備えている。さらに上部作業体３は、旋回フレーム６５に取付けられた左腕機構７０と右腕機構８０とを備えている。旋回フレーム６５には腕機構７０、８０における関節部の角度を制御する制御装置や上部作業体３のアクチュエータを駆動するための動力装置（図示せず）が内蔵されている。

左腕機構７０は関節部７１、７２、７３と後腕フレーム７４、前腕フレーム７５と手部７６とから構成されている。後腕フレーム７４の基端部には関節部２１が設置されており、後腕フレーム７４は関節部７１を介して旋回フレーム６５に回動自在に接続されている。後腕フレーム７４と旋回フレーム６５との間には後腕油圧シリンダ７７が配置されている。関節部７１は旋回フレーム６５の前後方向を含む鉛直面内で回動する１自由度を有し、前記後腕油圧シリンダ７７を伸縮することにより後腕フレーム７４を旋回フレーム６５の前後方向に任意角度回動することが可能な構成となっている。

前腕フレーム７４の先端部には関節部７２が設置されており、前腕フレーム７４は関節部７２を介して前腕フレーム７５の基端部に接続されている。前腕フレーム７５と後腕フレーム７４との間には前腕油圧シリンダ７８が配置されている。関節部７２は旋回フレーム６５の前後方向を含む鉛直面内で回動する軸１自由度を有し、前記前腕油圧シリンダ７８を伸縮することにより前腕フレーム７５を旋回フレーム６５の前後方向に任意角度回動することが可能な構成となっている。

前腕フレーム７５の先端部には、アクチュエータ、減速機構、ブレーキ機構などからなる関節部７３が設置されている。関節部７３は手部７６に接続されており、旋回フレーム６５の前後方向を含む鉛直面内での回動軸と当該軸に直交する軸回りの２自由度を有し、手部７６を旋回フレーム６５の前後左右方向に任意角度回動することが可能な構成となっている。手部７６は開閉自在な指部７７、７８を備えており、当該指部７７、７８で対象物９０をつかむことが可能な構成となっている。同様に、右腕機構８０は関節部７１、７２、７３と後腕フレーム７４、前腕フレーム７５と手部７６とから構成されている。右腕機構８０の構成の詳細は上述した左腕機構７０と同じであるのでその詳細な説明は省略する。

上述した上部作業体３の作業動作は以下の通りである。旋回フレーム６５に内蔵された制御装置は、左腕機構７０の上記油圧シリンダ７７、７８を伸縮制御して手部７３を対象物９０に移動させ、さらに指部７７、７８により対象物９０をつかむ。同様に、制御装置は、右腕機構８０の上記油圧シリンダ８７、８８を伸縮制御して手部８３を対象物９０に移動させ、さらに指部８７、８８により対象物９０をつかむ。そして、左右の腕機構７０，８０は対象物９０をつかんだまま、油圧シリンダ７７、７８、８７、８８を所定の関係で伸縮させるとともに、旋回台６５を旋回させることにより、対象物９０を目的とする場所へ移動させる。

図３は、上述した４足歩行作業ロボット１が下部移動体２に装備されたクローラ走行機構２７を用いて移動するときの状態を示したものである。４足歩行作業ロボット１の下部移動体２の４足歩行機構（２０、３０、４０、５０）は全てその足部（２６，３６，４６，５６）を地面６０上方に持ち上げた格納姿勢を取っている。また、上部作業体３の腕機構（７０、８０）もその手部（７６，８６）を下部フレーム４上面に位置させた格納姿勢を取っている。下部移動体２のクローラ走行機構２７は地面６０の平坦部６６に接地して走行状態となっている。

クローラ走行機構２７は下部フレーム４に内蔵した４足歩行機構用の動力発生装置を利用して駆動することができる。このように、本願発明の４足歩行作業ロボット１は下部移動体２にクローラ装置２７を備えることにより、凹凸のあまり大きくない路面では４足歩行機構による場合よりもより高速で移動することができる。なお、クローラ走行機構２７に代わってタイヤ走行機構としてもよく、その場合も同様の効果を有することは勿論である。

本発明を実施するための最良の形態に係る４足歩行作業ロボット１である。 ４足歩行作業ロボット１の作業時の状態を説明する図である。 下部移動体２に装備されたクローラ走行機構２７を用いて移動するときの状態を示した図である。

符号の説明

１：４足歩行作業ロボット
２：下部移動体
３：上部作業体
２０：左前脚機構
２１、２２、２３：関節部
２７：クローラ機構
３０：右前脚機構
３１、３２、３３：関節部
４０：左後脚機構
４１、４２、４３：関節部
５０：右後脚機構
５１、５２、５３：関節部

Claims (3)

1. ４つの脚機構における関節部の角度を所定のタイミングで制御することによって移動可能な４足歩行機構を備えた下部移動体と、当該下部移動体の上部に搭載され作業用装置を備えた上部作業体と、からなる４足歩行作業ロボットであって、
   前記下部移動体の４足歩行機構の脚機構が関節部固定手段を備えており、当該関節部固定手段が前記上部作業体により作業を行う際に前記４つの脚機構を接地した状態で下部移動体を現在位置に維持するために必要な関節部の角度を固定可能なことを特徴とする４足歩行作業ロボット。
2. 前記下部移動体が、前記上部作業体により作業を行う際に前記下部移動体が水平姿勢となるように前記４足歩行作業機の４つの脚機構を接地する水平レベリング手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の４足歩行作業ロボット。
3. 前記下部移動体が、クローラ又はタイヤからなる走行機構を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の４足歩行作業ロボット。

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