JP2012157968A - 多形態ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】平地では姿勢を変えることなくすべての方向に移動でき、転倒しても移動可能な姿勢に復帰でき、凹凸の激しい路面で常に重心を安定させて移動でき、また狭い場所への進入、パイプ等の内部移動、円柱を挟み込むことで昇降動作を行なうことができる多形態ロボットを提供する。
【解決手段】上下・前後・左右対称な形状とするボディとボディ２を支持する移動機構と移動機構に使用する全方向移動部材と、駆動輪を脚の先に結合しそして駆動輪の結合部に関節を１つ設ける脚部９と、脚先の関節６以外また可移動範囲を歩行動作時に必要な関節角度の２倍とする３つの関節３、４、５と、四足の脚部、を備える。
【選択図】図２

Description

発明の詳細な説明

本発明は、平地では効率良い移動、凹凸の激しい路面では安定した移動、障害物を回避するための移動、狭い所に進入できる移動、昇降移動を行うための多形態ロボットに関する。

近年、様々な路面状況を移動するために多種多様な移動ロボットの研究が盛んに行われている。移動ロボットを開発する要素としては、形状・大きさ・重量・機構が挙げられる。現在開発されている移動ロボットのほとんどは単一の移動機構しか備えていない。移動ロボットの移動機構は、駆動輪やクローラを用いた車輪型と四足や六足などの多脚を用いた多脚式に大別することができる。

車輪型移動ロボットは、平地では効率的に移動することができるが、不整地では転倒する恐れがある。多脚式に比べ、移動する際に使用する駆動源が少ないため、移動速度・エネルギー効率が良い。凹凸な路面でも駆動輪の半径以下であれば、移動速度やエネルギー効率は落ちるが移動することができる。また、駆動輪の構造を複雑にすることで、全方向移動を可能にし、階段の昇降を可能にすることがきるが、駆動輪の半径を超える段差が多数存在する路面では、乗り越えることができなくなる。多脚式は、平地や荒地ともに移動することができる。特に荒地では、多脚であるため重心位置を一定に保つことができるので、複雑な地形も安定して移動することができる。しかし、平地を移動する場合、車輪型と比べると多脚であるため駆動する部分が多いので、移動速度やエネルギー効率の面において劣ると言える。また、多脚式は各関節に特異点があるため取得できる姿勢が決まっている。

しかし、車輪型と多脚式に共通している欠点としては、凹凸の激しい路面や崖地などの荒地を移動した場合、横転または転倒してしまうことにより移動機構が本来の能力を発揮することができない状態となり、結果としてはロボットの移動能力を消失してしまう。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであって、アクティブ的な駆動輪と多脚を結合し、ボディを上下対称にすることで平地・不整地ともに従来の移動ロボットよりも対応能力を増やし、平地では車輪のみで走行するため、移動効率だけではなくエネルギー効率も向上でき、不整地では４足歩行移動を行なうことで移動路面に対応することができ、転倒した場合には脚の反転動作を行なうことで転倒復帰が容易になり、すなわち車輪型移動ロボットと多脚式移動ロボットを組み合わせることで、それぞれの利点を生かした多形態ロボットを提供するものである

請求項１に係る発明は、上下・前後・左右対称な形状とするボディとボディを支持する移動機構と前記移動機構に使用する全方向移動部材とを備えていることを特徴とする多形態ロボットに関する。

請求項２に係る発明は、前記移動機構が、駆動輪を脚の先に結合しそして駆動輪の結合部に関節を１つ設けることによってロボットの姿勢をかえることなくすべての方向に移動することができる脚部からなることを特徴とする請求項１記載の多形態ロボット。
に関する。

請求項３に係る発明は、前記移動機構に脚先の関節以外また３つの関節を備えており、関節の可移動範囲を歩行動作時に必要な関節角度の２倍とすることを特徴とする請求項１と請求項２いずれかに記載の多形態ロボットに関する。

請求項４に係る発明は、前記移動機構に常に重心を安定させて移動することができる四足の脚部を備えていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の多形態ロボットに関する。

請求項５に係る発明は、前記ボディが上下・前後・左右方向に同質の性質を持つ部材からなり、脚の根元をボディの中間に配置することによって上下に同等の移動能力を持たせることができることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の多形態ロボットに関する。

請求項１に係る発明によれば、多形態ロボットが各要素を取り入れているため、状況に応じてさまざまな形態になることが可能になる。
請求項２に係る発明によれば、駆動輪を脚の先に結合しそして駆動輪の結合部に関節を１つ設けるため、平地では駆動輪に付属している関節により脚先の駆動輪を任意の方向に向けることができ、姿勢を変えることなくすべての方向に移動することができる。
請求項３に係る発明によれば、前記移動機構に脚先の関節以外また３つの関節を備えており、関節の可移動範囲を歩行動作時に必要な関節角度の２倍とするため、移動方向が直進方向のみに限られず、転倒しても脚の角度を調整して可動させることにより、転倒した状態のままで移動可能な姿勢に復帰することができる。
請求項４に係る発明によれば、前記移動機構に四足の脚部を備えているため、凹凸の激しい路面では四足による静的歩行動作を行なうことにより常に重心を安定させて移動することができる。
請求項５に係る発明によれば、前記ボディが上下・前後・左右方向に同質の性質を持つ部材からなり、脚の根元をボディの中間に配置するため、前後・左右・上下の方向において同等の移動能力を持たせることができ、状況に応じて移動形態を変えることができる。

本発明の多形態ロボットの例を示す図である。 本発明の多形態ロボットの狭所での移動を示す図である。 本発明の多形態ロボットの円柱での移動を示す図である。 本発明の多形態ロボットのパイプ内での移動を示す図である。 本発明の多形態ロボットの転倒復帰動作を示す図である。 本発明の多形態ロボットの脚部の簡略図である。

１ 多形態ロボット
２ ボディ
３ 関節１
４ 関節２
５ 関節３
６ 関節４
７ 脚の元
８ 駆動輪
９ 脚部

以下、本発明に係る多形態ロボットの実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係る本発明の多形態ロボット（１）の実施例、図２は多形態ロボットの狭所での移動、図３は多形態ロボットの円柱での移動、図４は多形態ロボットのパイプ内での移動を示す図である。

車輪型移動ロボットと足型歩行ロボットの特性を得るために、駆動輪（８）を脚の先（７）に結合する。そして駆動輪の結合部に関節（６）を１つ設けることで駆動輪（８）を任意の方向に向けることができる。これにより、ロボットの姿勢をかえることなくすべての方向に移動することができる。４足歩行を行なう際に使用する脚の関節は、犬や猫のような４足動物の脚の関節を模倣しない。なぜなら、これを模した場合、移動方向が直進方向のみに限られてしまい、脚の構造が限定され関節の可動範囲に制限がかかってしまうからである。そのため、脚の構造はＴＩＴＡＮ ＶＩＩＩの脚のように機械的性質を利用した３つの関節を有する構造とする。そして転倒時を考慮した場合、ＡＳＴＥＲＩＳＫのように転倒復帰を行なう方が効率がよいため、関節の可動範囲は最低でも歩行動作時に必要な関節角度の２倍となる。そのため、各々の関節は関節１（３）＝±４５°、関節２（４）＝±４５°、関節３（５）＝±１３５°、関節４（６）＝±４５°となる。図６に脚の簡略モデル示す。ボディ（２）の構造は前後左右対称な形状とすることで前後左右の方向において、同等の移動能力を持たせることができる。そして、脚の根元（７）をボディ（２）の中間に配置することで上下対称にすることができ、上下に同等の移動能力を持たせることができる。これらの要素により、状況に応じて移動形態を変えることができると考えられる。

図１に示す状態を初期形態として、様々な動作に変化する。基本的な動作は、平地では脚先の駆動輪により移動を行い円滑に走行することが出来る。凹凸の激しい路面では、４足歩行を行なうことで安定した移動を行なう。この他の動作としては、障害物を回避するために全ての方向に移動を行ったり、脚を伸ばしロボットの姿勢を低くすることで狭い所に進入したりできる（図２）。また、円柱を挟み込むことで昇降動作を行い（図３）、脚を伸ばし壁面に接地させることでパイプの中を進む（図４）ことも可能であると想定している。そして転倒した場合、ロボットの構造が上下対称であるため脚の反転動作を行なうことで移動能力を回復することが可能である。

また、ほとんどの移動ロボットは転倒した場合、移動機構が本来の機能を果たすことができなくなるため、移動能力を失ってしまう。本ロボットでは図５のように転倒しても脚の角度を調整して可動させることにより、転倒した状態のままで移動可能な姿勢に復帰することができる。歩行動作は静的歩行と動的歩行に大別することができる。静的歩行とは歩行時において、支持脚は常に３本以上で重心の投影は常に支持脚により形成される支持多辺形内にある状態を指す。静的歩行は、常に安定しており低速歩行時に用いられる。動的歩行は歩行時では、静的歩行の条件が成り立たない歩行状態が存在する歩行を指す。動的歩行は、動作中一時的に不安定になるが、転倒しようとする方向の脚が次の支持脚となるため、すばやい歩行動作が必要になる。本ロボットは、不整地を移動するときに歩行動作を用いるため、静的歩行を選択する。四足歩行の静的歩行には、主にクロール歩容や間欠クロール歩容が用いられる。クロール歩容は歩行中、重心を進行方向に移動を行ないながら３脚支持・１脚遊脚を行なう。間欠クロール歩容は歩行中、重心を安定余裕の最も大きくなる位置に静止させ、３脚支持・１脚遊脚を行なう。本ロボットでは、安定性を重視するため間欠クロール歩容を用いる。

本ロボットの脚の手先位置の制御するために逆運動学を導出する。本ロボットの脚は４自由度だが、手先位置の導出には関節４は関係ないため省力する。まず、はじめにｘｙ平面より関節１を求める。次に各リンクの関係をｒを用いて求める。この各リンクの関係を用いてｙ方向より関節２・関節３を求める。導出した式を式１に示す。

本ロボットの各関節に必要なトルクを導出する。ロボットの関節に加わる最大の負荷が生じるのは、動的歩行時の２脚支持の場合である。そして、ボディの質量による負荷の向きが関節２・関節３の可動方向と同じであることから、この関節に最もトルクが必要であると考えられる。関節１・関節４は加わる負荷の方向がほとんどの場合、軸方向であるため関節１・関節４の負荷は無視できるものと考える。また、駆動輪に関しては動的歩行時に使用せず、負荷がかかっても回転しないと考える。

各関節トルクを導出ために各関節の幾何学関係をモデルにする。幾何学関係より重心加速度と角加速度の関係を導出する。
以上のことを用いて、各リンクの重心に与えなければならない力ｆ_１Ｇ，ｆ_２Ｇとモーメントｎ_１Ｇ，ｎ_２Ｇを導出する。

次に各関節の目標トルクを求める。導出した式を式４に示す。

Claims (5)

1. 上下・前後・左右対称な形状とするボディと、
   前記ボディを支持する移動機構と、
   前記移動機構に使用する全方向移動部材と
   を備えていることを特徴とする多形態ロボット。
2. 前記移動機構が、駆動輪を脚の先に結合しそして駆動輪の結合部に関節を１つ設けることによってロボットの姿勢をかえることなくすべての方向に移動することができる脚部からなることを特徴とする請求項１記載の多形態ロボット。
3. 前記移動機構に脚先の関節以外また３つの関節を備えており、関節の可移動範囲を歩行動作時に必要な関節角度の２倍とすることを特徴とする請求項１と請求項２いずれかに記載の多形態ロボット。
4. 前記移動機構に常に重心を安定させて移動することができる四足の脚部を備えていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の多形態ロボット。
5. 前記ボディが上下・前後・左右方向に同質の性質を持つ部材からなり、脚の根元をボディの中間に配置することによって上下に同等の移動能力を持たせることができることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の多形態ロボット。