JP2015070981A - 障害物回避先導ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】凹凸路面を走行しても、前輪駆動部の２つの車輪の両方が凹凸路面に確実に接地することでロボットの位置情報を高精度に得て先導動作を高精度に行うことができる障害物回避先導ロボットを提供する。【解決手段】主脚２の下部に連結されている自走式の前輪駆動部３と、主脚の上部に設けた操作部４と、使用者が操作する前記操作部の指令に基づいて前輪駆動部を制御する制御部８とを備え、前輪駆動部は、車輪支持部９と、この車輪支持部に支持されて独立して回転駆動する２つの車輪１０ａ，１０ｂと、２つの車輪に回転速度差が発生したときに、車輪支持部を旋回させる旋回軸１２と、凹凸路面を走行する際に、２つの車輪の両方が該凹凸路面に接地するように車輪支持部を揺動自在に保持するサスペンション機構１３とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、移動経路上の障害物を回避しながら使用者を先導することが可能な障害物回避先導ロボットに関する。

障害物回避先導ロボットとして、主脚と、主脚の下部に連結されている自走式の前輪駆動部と、主脚の上部に設けた操作部と、使用者が操作する操作部の指令に基づいて前輪駆動部を制御する制御部とを備えており、使用者の歩行補助を行いながら走行するロボットが知られている。
この障害物回避先導ロボットの前輪駆動部を、車輪支持部と、この車輪支持部に支持されて独立して回転駆動する２つの車輪と、２つの車輪に回転速度差が発生したときに車輪支持部を旋回させる旋回軸とを備えた構造にすると、走行時において車輪に滑りが発生せず、車輪の回転量に基づいてロボットの移動情報を高精度に算出し、小型軽量化も図ることができる。

この障害物回避先先導ロボットは、凹凸路面を走行する際に、前輪駆動部の２つの車輪の一方が路面から離れると車輪支持部の旋回動作を行うことができず、意図する方向への走行が不可能となるおそれがある。
そこで、前輪駆動部の２つの車輪が凹凸路面を離れずに走行するように、ロボットの走行方向に対して前後左右に受動的に可動させるサスペンション機構が必要となる。

このようなサスペンション機構として、例えば特許文献１〜３のものが知られている。
特許文献１のサスペンション機構は、脚先が接地した際の走行車輪の衝撃を緩和する装置であり、本体脚に設けた回転軸回りに走行車輪を回動させて、走行車輪が接地する際の傾きを調整するようにしている。
また、特許文献２のサスペンション機構は、補助輪に曲率半径の大きな円弧状パーツを取り付け、段差に接触した際に、円弧状に沿って段差上をスライドすることで駆動輪の設置状態を保持する機構である。

特開２００７−１３０７２５号公報 特開２００８−２５４５８８号公報

しかし、引用文献１のサスペンション機構は、走行車輪の傾きを調節する回動軸を駆動するために駆動源が必要となり、小型軽量化の面で問題がある。
また、引用文献２のサスペンション機構も、駆動輪及び補助輪を必要とするので、小型軽量化の面で問題が有る。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、凹凸路面を走行しても、前輪駆動部の２つの車輪の両方が凹凸路面に確実に接地することでロボットの位置情報を高精度に得て先導動作を高精度に行うことができるとともに、小型軽量化を図ることができる障害物回避先導ロボットを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る障害物回避先導ロボットは、主脚と、この主脚の下部に連結されている自走式の前輪駆動部と、前記主脚の上部に設けた操作部と、使用者が操作する前記操作部の指令に基づいて前記前輪駆動部を制御する制御部とを備え、前記使用者の歩行補助を行いながら走行する障害物回避先導ロボットであって、前記前輪駆動部は、車輪支持部と、この車輪支持部に支持されて独立して回転駆動する２つの車輪と、前記車輪支持部を旋回させる旋回軸と、前記車輪支持部を揺動自在に保持するサスペンション機構と、を備えている。

また、本発明の一態様に係る障害物回避先導ロボットは、前記サスペンション機構が、前記前輪駆動部の前記旋回軸が連結している下部平板と、前記主脚の主脚底板に連結されている上部平板と、これら下部平板及び上部平板との間に連結され、前記上部平板に対して前記車輪支持部を前後左右に揺動自在とする自在継手と、この自在継手の周囲の前記上部平板及び下部平板の間に配置され、前記下部平板に対してばね支持力を作用する支持ばねと、を備えていることが好ましい。

また、本発明の一態様に係る障害物回避先導ロボットは、前記上部平板及び前記下部平板の一方に固定され、上下方向に延在して前記上部平板及び前記下部平板の他方を貫通する回転規制シャフトを設け、この回転規制シャフトの外周に、コイルばねからなる前記支持ばねを配置したことが好ましい。
また、本発明の一態様に係る障害物回避先導ロボットは、前記サスペンション機構は、前記旋回軸の下端に固定した旋回軸固定板と、この旋回軸固定板及び当該旋回軸固定板の下面に対向配置した前記車輪支持部の天板の間に連結され、前記旋回軸固定板に対して前記車輪支持部を前後左右に揺動自在とする自在継手と、この自在継手の周囲の前記旋回軸固定板及び前記天板の間に配置され、前記天板に対してばね支持力を作用する支持ばねと、を備えていることが好ましい。

また、本発明の一態様に係る障害物回避先導ロボットは、前記旋回軸固定板及び前記天板の一方に固定され、上下方向に延在して前記旋回軸固定板及び前記天板の他方を貫通する回転規制シャフトを設け、この回転規制シャフトの外周に、コイルばねからなる前記支持ばねを配置することが好ましい。
また、本発明の一態様に係る障害物回避先導ロボットは、前記サスペンション機構が、前記車輪支持部の揺動を減衰させるダンパを備えていることが好ましい。

また、本発明の一態様に係る障害物回避先導ロボットは、前記主脚の上部に設けたグリップ部に、前記操作部として力センサーを装着し、前記使用者が前記グリップ部を握って前記力センサーに与える力の向きを変化させることで、前記前輪駆動部の前記２つの車輪の回転速度制御が行われるようにすることが好ましい。
さらに、本発明の一態様に係る障害物回避先導ロボットは、自己の周囲の情報を取得する外界センサーを備え、前記制御部は、前記外界センサーの情報を基に該障害物を回避するための走行距離及び走行方向を演算し、走行中は前記走行距離及び前記走行方向の情報と、前記２つの車輪の回転量から得られる自己位置の情報とのいずれか、または両方の情報に基づいて、該障害物を回避する方向に前記前輪駆動部を旋回させる制御を行うことが好ましい。

本発明に係る障害物回避先導ロボットによれば、凹凸路面を走行する際には、前輪駆動部のサスペンション機構が車輪支持部を前後左右に揺動させることで２つの車輪の両方が凹凸路面に接地しており、２つの車輪の正確な回転量に基づいてロボットの走行距離及び走行方向を算出する。これにより、本発明は、自己の位置情報を高精度に得ることができるので、使用者を安全に先導する動作を高精度に行うことができる。

本発明に係る第１実施形態の障害物回避先導ロボットを示す正面図である。 第１実施形態の障害物回避先導ロボットを示す側面図である。 第１実施形態の障害物回避先導ロボットを示す要部正面図である。 第１実施形態のサスペンション機構の自在継手及び支持バネの配置位置を示したサスペンション機構の旋回軸固定板の平面視である 第１実施形態の障害物回避先導ロボットのグリップ部を示す平面図である。 第１実施形態の障害物回避先導ロボットが備えるロボット制御部のブロック図である。 前記ロボット制御部の主制御部を構成する手段のブロック図である。 第１実施形態の障害物回避先導ロボットの動作を説明する図である。 第１実施形態のサスペンション機構に支持された車輪支持部が揺動している状態を示す正面図である。 第１実施形態のサスペンション機構に支持された車輪支持部が揺動している状態を示す側面図である。 自在継手及び支持バネの他の配置例を示したサスペンション機構の上部平板の平面視である。 本発明に係る第２実施形態の障害物回避先導ロボットを示す要部正面図である。 第２実施形態の自在継手及び支持バネの他の配置例を示したサスペンション機構の旋回軸固定板の平面視である。 第２実施形態のサスペンション機構に支持された車輪支持部が揺動している状態を示す正面図である。 第２実施形態のサスペンション機構に支持された車輪支持部が揺動している状態を示す側面図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１から図１１は、本発明に係る第１実施形態の障害物回避先導ロボット１（以下、ロボット１と略称する）を示すものである。
図１及び図２に示すように、本実施形態のロボット１は、上下方向に延在する主脚２と、主脚２の下部の主脚底板２ａに上下方向の軸回りに旋回自在に連結している前輪駆動部３と、主脚２の上部に設けた前輪操作部４と、自己（ロボット１）の周囲の情報を取得するレーザーセンサー等の外界センサーＳと、主脚２の上下方向の略中間位置に関節部５を介して連結し、下方に延在している２本の補助脚６と、各補助脚６の下端に設けたキャスター７と、前輪操作部４の操作により前輪駆動部３を直線走行、或いは旋回させ、外界センサーＳからの情報により障害物を回避するロボット制御部８と、を備えている。

前輪駆動部３は、図３に示すように、車輪支持部９と、左車輪１０ａ及び右車輪１０ｂと、左車輪１０ａを駆動する左車輪駆動モーター１１ａと、右車輪１０ｂを駆動する右車輪駆動モーター１１ｂと、車輪支持部９を旋回させる旋回軸１２と、主脚２の主脚底板２ａと旋回軸１２との間に配置されたサスペンション機構１３と、を備えている。
車輪支持部９は、天板９ａと、天板９ａに固定されて互いに平行に対向する一対の側板９ｂとで構成されており、一対の側板９ｂのそれぞれの内側に２個の車輪１０ａ，１０ｂが回転自在に連結されている。

２個の車輪１０ａ，１０ｂの後方位置の一対の側板９ｂの内側に左車輪駆動モーター１１ａ及び右車輪駆動モーター１１ｂが配置されている。また、図２に示すように、一対の側板９ｂの外側に、２個の車輪１０ａ，１０ｂに同軸に連結して同期回転するプーリー１４と、左車輪駆動モーター１１ａ及び右車輪駆動モーター１１ｂの軸に同軸に連結して同期回転するプーリー１５とが配置されている。

そして、車輪１０ａのプーリー１４及び左車輪駆動モーター１１ａのプーリー１５に、駆動ベルト１６が巻回され、車輪１０ａのプーリー１４及び左車輪駆動モーター１１ａのプーリー１５に、駆動ベルト１６が巻回され、左車輪駆動モーター１１ａ及び右車輪駆動モーター１１ｂの回転駆動力が駆動ベルト１６を介して車輪１０ａ，１０ｂに伝達されるようになっている。ここで、符号ＴＮは、駆動ベルト１６にテンションを付与するテンショナーである。

そして、軸線を上下方向に延在させた旋回軸１２が、車輪支持部９の天板９ａに固定されており、その旋回軸１２の上端が、軸受け部材（不図示）を介してサスペンション機構１３に回転自在に連結されている。
サスペンション機構１３は、図３に示すように、旋回軸１２の上端が軸受け部材を介して回転自在に連結されている下部平板１７ａと、主脚２の主脚底板２ａに固定されている上部平板１７ｂと、下部平板１７ａ及び上部平板１７ｂの間に配置された自在継手１８及びコイルばね１９と、を備えている。

自在継手１８は、凸型球面継手１８ａと、この凸型球面継手１８ａを包囲して当接している凹型球面継手１８ｂとからなる球面軸受であり、凸型球面継手１８ａが上部平板１７ｂの上面中央に設けられ、凹型球面継手１８ｂが下部平板１７ａの上面中央に設けられている。
コイルばね１９は、図４に示すように、自在継手１８を囲むように下部平板１７ａの四隅に寄った位置に、軸線を上下方向に向けた状態で４本配置されている。

ここで、図３に示すように、４本のコイルばね９を配置する下部平板１７ａの四隅位置に、頭部２１ａが上部平板１７ｂの上方に位置し、軸部２１ｂを上部平板１７ｂに形成した貫通穴２０に通過させた回転規制ボルト２１が旋回軸固定板２９に固定され、この回転規制ボルト２１の軸部２１ｂに巻き付くようにコイルばね１９が配置されている。
また、回転規制ボルト２１の頭部２１ａと上部平板１７ｂの上面との間に、ショックアブソーバ等のダンパ２７が介装されている。

一方、自己（ロボット１）の周囲の情報を取得する外界センサーＳは、図２に示すように、主脚２の主脚底板２ａに固定されている。
補助脚６の下端に設けられているキャスター７は、ある程度の角度範囲で旋回する車輪であり、前輪駆動部３の旋回に追従して旋回し、小回りも可能とされている。
関節部５は、固定レバー５ａを備えており、この固定レバー５ａの固定操作を行うことで、主脚２に対して所定の角度で傾斜した状態で補助脚６を固定する。そして、固定レバー５ａの回動操作を行うと、主脚２に沿う位置まで２本の補助脚６を折り畳むことができる。

そして、図２に示すように、関節部５近くの主脚２に、障害物回避先導ロボット１全体を持ち上げる際に使用する把手２２が設けられている。
前輪操作部４は、図５に示すように、グリップ部２３に装着されている力センサーである（以下、力センサー４と称する）。力センサー４は、ｘ，ｙ，ｚ方向の力、及び、ｘ，ｙ，ｚ軸回りのモーメント荷重を測定でき、使用者がグリップ部２３に握り力を加えると力センサー４に力がかかり、ロボット制御部８に力（３軸）、モーメント荷重（３軸）に応じた力信号を出力する。

ロボット制御部８は、図６に示すように、入力ポート２４、主制御部（ＣＰＵ）２５及び出力ポート２６を備えている。
入力ポート２４には、外界センサーＳから自己（ロボット１）の周囲の情報が入力し、力センサー４から力信号が入力し、左車輪１０ａの近傍に配置した左車輪用エンコーダー２８ａから左車輪１０ａの回転量が入力し、右車輪１０ｂの近傍に配置した右車輪用エンコーダー２８ｂから右車輪１０ｂの回転量が入力し、旋回軸１２の近傍に配置した旋回軸用エンコーダー２８ｃから旋回軸１２の回転方向及び回転角度が入力する。

主制御部２５は、外界センサーＳ、力センサー４、左車輪用エンコーダー２８ａ、右車輪用エンコーダー２８ｂ及び旋回軸用エンコーダー２８ｃから入力した信号に基づき、左車輪１０ａ及び右車輪１０ｂの回転速度を演算する。そして、出力ポート２６から左車輪駆動モーター１１ａ、右車輪駆動モーター１１ｂに回転速度指令値に対応した駆動制御信号が出力される。

図５は、主制御部２５の制御をブロック図で示したものであり、走行距離算出手段３０、走行方向算出手段３１、自己（ロボット１）位置認識手段３２、障害物認識手段３３、操作方向認識手段３４、車輪回転速度算出手段３５、外乱判定手段３６及び走行方向補正手段３７を備えている。
走行距離算出手段３０は、左車輪用エンコーダー２８ａ及び右車輪用エンコーダー２８ｂから入力した左車輪１０ａ及び右車輪１０ｂの回転量に基づき、ロボット１の走行距離を算出する。走行方向算出手段３１は、左車輪用エンコーダー２８ａ及び右車輪用エンコーダー２８ｂから入力した左車輪１０ａ及び右車輪１０ｂの回転量に基づき、ロボット１の走行方向を算出する。

また、自己位置認識手段３２は、走行距離算出手段３０で算出した走行距離と、走行方向算出手段３１で算出した走行方向に基づいて、ロボット１の位置を認識する。
また、障害物認識手段３３は、外界センサーＳから取得したロボット１の周囲の情報に基づいて障害物の有無を判断する。
また、操作方向認識手段３４は、力センサー４から取得した使用者が希望する走行方向を認識する。

また、車輪回転速度算出手段３５は、算出したロボット１の位置、障害物の有無、使用者が希望する走行方向に基づいて、左車輪１０ａ の回転速度、右車輪１０ｂの回転速度を算出する。
また、外乱判断手段３６は、旋回軸用エンコーダー２８ｃから入力した旋回軸１２の回転情報と、力センサー４から入力した力信号とに基づいて、外乱の発生により車輪支持部９が旋回軸１２回りに旋回しているか否かを判断する。

さらに、走行方向補正手段３７は、外乱判断手段３６により外乱が発生していると判断したときに、外乱が発生する前の位置に旋回軸１２回りに車輪支持部９が旋回するように、ロボット１の走行方向の補正値を算出する。
次に、本実施形態のロボット１の具体的な動作について、図８及び図９を参照して説明する。

先ず、使用者がグリップ部２３を握って前方に力を加えると、力センサー４に前向きの力がかかる。力センサー４からロボット制御部８に力信号が入力されることで、主制御部２５の操作方向認識手段３４は、操作方向が直進方向であることを認識し、車輪回転速度算出手段３５は、左車輪１０ａ及び右車輪１０ｂが同一速度Ｖ１で回転する回転速度指令値を算出し、この回転速度指令値が、左車輪駆動モーター１１ａ，右車輪駆動モーター１１ｂに送出される。

これにより、図８（ａ）に示すように、主脚２の下端に連結した前輪駆動部３が速度Ｖ１で直線走行し、主脚２を自立支持している補助脚６のキャスター７も前輪駆動部３に追従して直線走行することで、使用者を先導する。
また、使用者がグリップ部２３を握って右側に力を加えると、力センサー４に右側向きの力がかかる。力センサー４からロボット制御部８に右側向きの力信号が入力されることで、主制御部２５の操作方向認識手段３４は、操作方向が右旋回であることを認識し、車輪回転速度算出手段３５は、左車輪１０ａが高速Ｖ２で回転し、右車輪１０ａが低速Ｖ３（Ｖ３＜Ｖ２）で回転する回転速度指令値を算出し、この回転速度指令値が、左車輪駆動モーター１１ａ，右車輪駆動モーター１１ｂに送出される。

これにより、図８（ｂ）に示すように、左車輪１０ａが高速Ｖ２で回転し、右車輪１０ａが低速Ｖ３で回転することで、前輪駆動部３の車輪支持部９が旋回軸１２回りに右旋回する。
次いで、使用者がグリップ部２３を握って前方に力を加えると、図８（ｃ）に示すように、右旋回した前輪駆動部３が速度Ｖ１で直線走行し、主脚２を自立支持している補助脚６のキャスター７も前輪駆動部３に追従して右旋回したのちに直線走行し、使用者を先導する。

一方、使用者がグリップ部２３を握って左側に力を加える場合も、図示しないが、力センサー４からロボット制御部８に左側向きの力信号が入力されることで、主制御部２５の操作方向認識手段３４が、操作方向が左旋回であることを認識し、車輪回転速度算出手段３５が、左車輪１０ａが低速Ｖ３で回転し、右車輪１０ａが高速Ｖ２（Ｖ２＞Ｖ３）で回転する回転速度指令値を算出し、この回転速度指令値が、左車輪駆動モーター１１ａ，右車輪駆動モーター１１ｂに送出されることで、前輪駆動部３の車輪支持部９が旋回軸１２回りに右旋回する。

次に、本実施形態のロボット１が直線走行しているときに前方に障害物がある場合について考える。このとき、主制御部２５の障害物認識手段３３が、外界センサーＳから得た自己の周囲の情報に基づいて障害物の存在を認識し、自己位置認識手段３２がロボット１の位置を認識する。そして、主制御部２５の車輪回転速度算出手段３５は、障害物認識手段３３及び自己位置認識手段３２の情報に基づいて旋回する方向を設定し、左車輪１０ａ及び右車輪１０ｂが異なる回転速度で回転するように回転速度指令値を算出し、これら異なる回転速度指令値を、左車輪駆動モーター１１ａ，右車輪駆動モーター１１ｂに送出することで、前輪駆動部３の車輪支持部９を旋回軸１２回りに右旋回、或いは左旋回させ、障害物を回避する方向に前輪駆動部３を向ける。

また、走行中の本実施形態のロボット１の車輪１０ａ，１０ｂが走行面から離れて、再び接地するときのことを考える。すなわち、ロボット１が段差を乗り越えるとき、段差を降りるとき、及び使用者がロボット１を持ち上げたときなどである。このように車輪１０ａ，１０ｂが走行面から離れた場合、前輪駆動部３の車輪支持部９が旋回軸１２回りに右旋回、或いは左旋回してしまう場合がある。このとき、外乱判定手段３６は、旋回軸用エンコーダー２８ｃから旋回軸１２が回転した情報を得た段階で、力センサー４から走行方向を変更すべき力信号が入力しているか否かを確認する。そして、外乱判定手段３６は、力センサー４から走行方向を変更する力信号が入力していないことを確認した場合、外乱によってロボット１の走行方向が変更されたものと判断する。

そして、走行補正手段３７は、走行方向算出手段３１で算出したロボット１の走行方向と、旋回軸用エンコーダー２８ｃから得た旋回軸１２の回転方向及び回転角に基づいて、ロボット１の走行方向の補正値を算出する。なお、この走行補正手段３７は、外乱判定手段３６においてロボット１には外乱が発生せず走行方向が変更されていないと判断した場合には、走行方向算出手段３１で算出したロボット１の走行方向をそのまま出力する。

これにより、走行中のロボット１の車輪１０ａ，１０ｂが走行面から一時的に離れた際、前輪駆動部３の車輪支持部９が旋回軸１２回りに旋回してしまうという外乱が発生した場合であっても、前輪駆動部３の車輪支持部９を、外乱が発生する前の位置に旋回軸１２回りに旋回させることができる。
次に、本実施形態のロボット１が凹凸路面を走行する場合のサスペンション機構の動作について説明する。

図９（ａ）に示すように、ロボット１の右車輪１０ｂが凹凸路面の凸面４０を走行すると、右車輪１０ｂ側の下部平板１７ａが上部平板１７ｂに近接し、左車輪１０ａ側の下部平板１７ａが上部平板１７ｂから離間するように、自在継手１８を回動中心として車輪支持部９が左右方向に揺動する。この際、右車輪１０ｂ側の下部平板１７ａ上に配置されているコイルばね１９が圧縮し、左車輪１０ａ側の下部平板１７ａ上に配置されているコイルばね１９が伸長しながら、揺動する車輪支持部９を支持する。そして、左車輪１０ａ側の上部平板１７ｂ上に配置されているダンパ２７が回転規制ボルト２１の頭部２１ａと係合することで、車輪支持部９の揺動を減衰させる。

一方、図９（ｂ）に示すように、ロボット１の右車輪１０ｂが凹凸路面の凹面４１を走行すると、右車輪１０ｂ側の下部平板１７ａが上部平板１７ｂから離間し、左車輪１０ａ側の下部平板１７ａが上部平板１７ｂに近接するように、車輪支持部９は自在継手１８を回動中心として左右に揺動する。この際、右車輪１０ｂ側の下部平板１７ａ上に配置されているコイルばね１９が伸長し、左車輪１０ａ側の下部平板１７ａ上に配置されているコイルばね１９が圧縮しながら、揺動する車輪支持部９を支持する。そして、右車輪１０ｂ側の上部平板１７ｂ上に配置されているダンパ２７が回転規制ボルト２１の頭部２１ａと係合することで車輪支持部９の揺動を減衰させる。

なお、図示しないが、ロボット１の左車輪１０ａが凹凸路面の凸面或いは凹面を走行する場合も、図９（ａ）、（ｂ）と同様のサスペンション機構１３の動作が行われる。
また、図１０（ａ）に示すように、ロボット１の左車輪１０ａ（或いは右車輪１０ｂ）が凹凸路面の凸面４０を走行する際に、下部平板１７ａの進行方向前側が上部平板１７ｂに近接し、下部平板１７ａの進行方向後ろ側が上部平板１７ｂから離間するように、自在継手１８を回動中心として車輪支持部９が前後方向に揺動する場合がある。この場合、下部平板１７ａの前側に配置されているコイルばね１９が圧縮し、下部平板１７ａの後ろ側に配置されているコイルばね１９が伸長しながら、前後に揺動している車輪支持部９を支持する。そして、上部平板１７ｂの後ろ側に配置されているダンパ２７が回転規制ボルト２１の頭部２１ａと係合することで、車輪支持部９の揺動を減衰させる。

また、図１０（ｂ）に示すように、ロボット１の左車輪１０ａ（或いは右車輪１０ｂ）が凹凸路面の凹面４１を走行する際に、下部平板１７ａの進行方向前側が上部平板１７ｂから離間し、下部平板１７ａの進行方向後ろ側が上部平板１７ｂに近接するように、自在継手１８を回動中心として車輪支持部９が前後方向に揺動する場合もある。この場合にも、下部平板１７ａの後ろ側に配置されているコイルばね１９が圧縮し、下部平板１７ａの前側に配置されているコイルばね１９が伸長しながら、前後に揺動している車輪支持部９を支持し、上部平板１７ｂの前側に配置されているダンパ２７が回転規制ボルト２１の頭部２１ａと係合することで、車輪支持部９の揺動を減衰させる。

そして、図９（ａ）、（ｂ）、図１０（ａ）、（ｂ）で示した車輪支持部９の揺動動作が行われる際に、下部平板１８ａから上部平板１７ｂに貫通している回転規制ボルト２１が車輪支持部９の旋回を規制する。
次に、本実施形態のロボット１の効果について説明する。
本実施形態のロボット１は、凹凸路面を走行する際には、前輪駆動部３のサスペンション機構１３が車輪支持部９を前後左右に揺動させることで２つの車輪（左車輪１０ａ，右車輪１０ｂ）の両方が凹凸路面に接地しており、これら車輪１０ａ、１０ｂの正確な回転量に基づいてロボット１の走行距離及び走行方向を算出することから自己の位置情報を高精度に得ることができるので、使用者を安全に先導する動作を高精度に行うことができる。

また、サスペンション機構１３は、旋回軸１２の上端が軸受け部材を介して回転自在に連結されている下部平板１７ａと、主脚２の主脚底板２ａに固定されている上部平板１７ｂと、下部平板１７ａ及び上部平板１７ｂの間に配置された自在継手１８及びコイルばね１９とを備えた簡便な構造としているので、ロボット１の小型軽量化を図ることができる
また、自在継手１８を囲むように複数のコイルばね１９を配置したことで、ロボット１の自重を複数のコイルばね１９が受け持つ構造となり、自在継手の小型化も図ることができる。

また、回転規制ボルト２１の頭部２１ａと上部平板１７ｂの上面との間に、ショックアブソーバ等のダンパ２７が介装されており、車輪支持部９が揺動したときにダンパ２７が動作するので、車輪支持部９の揺動を効率よく減衰させることができる。
また、凹凸路面の走行時に車輪支持部９の揺動動作が行われる際、下部平板１８ａから上部平板１７ｂに貫通したる回転規制ボルト２１が車輪支持部９の旋回を規制するので、車輪支持部９が旋回軸１２回りに旋回してしまうという外乱発生を確実に防止することができる。

また、本実施形態のロボット１は、主脚２の上部のグリップ部２３に力センサー４を装着し、使用者がグリップ部２３の握り位置を変化させ、それにより、力センサー４の出力値（力信号）が変化することで、前輪駆動部３の左車輪１０ａ，右車輪１０ｂの回転速度が変化するようにしているので、使用者は自在にロボット１を操作することができる。
また、本実施形態のロボット１は、外界センサーＳが得た障害物の情報と、自己（ロボット１）位置の情報とのいずれか、または両方の情報に基づいて、障害物を回避する方向に前輪駆動部３を向けることができるので、使用者を安全に先導することができる。

さらに、走行中のロボット１の車輪１０ａ，１０ｂが走行面から一時的に離れた際、前輪駆動部３の車輪支持部９が旋回軸１２回りに旋回してしまうという外乱が発生した場合であっても、外乱判定手段３６が、旋回軸用エンコーダー２８ｃから旋回軸１２が回転した情報を得た段階で、力センサー４から走行方向を変更すべき力信号が入力していないことを確認すると、走行補正手段３７が、使用者が意図する走行方向への補正値を算出し、前輪駆動部３の車輪支持部９を、外乱が発生する前の位置に旋回軸１２回りに旋回させることができるので、使用者を安全に先導することができる。

なお、本実施形態の自在継手１８は、凸型球面継手１８ａと凹型球面継手１８ｂとからなる球面軸受で構成したが、ユニバーサルジョイントなどの自在継手を採用してもよい。
また、コイルばね１９及び自在継手１８の配置は図４に示すものに限らず、図１１（ａ）に示すように、自在継手１８をロボット１の前方側の下部平板１７ａ及び上部平板１７ｂの間に配置する場合には、複数のコイルばね１９をロボット１の後方側の左右方向に離れた位置に２組配置し、図１１（ｂ）に示すように、自在継手１８をロボット１の後方側の下部平板１８ａ及び上部平板１７ｂの間に配置する場合には、複数のコイルばね１９をロボット１の前方側の左右方向に離れた位置に２組配置する。その際、コイルばね１９のダンパ２７は、下部平板１７ａに対して上部平板１７ｂが平行位置（中立位置）となるように、回転規制ボルト２１の頭部２１ａと上部平板１７ｂの上面とに接触している。

図１１（ａ）、（ｂ）のように、自在継手１８を前方又は後方に配置すると、車輪１０ａ（１０ｂ）と自在継手１８の中心との進行方向オフセット量が大きくなり、車輪１０ａ（１０ｂ）のストローク方向がより垂直に近づくことで路面追従性が向上する。
次に、図１２から図１５は、本発明に係る第２実施形態のロボット１を示すものである。なお、図１から図１１で示した第１実施形態のロボット１と同一構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態のサスペンション１３は、図１２及び図１３に示すように、旋回軸１２の下端が板上面の中央に固定されている旋回軸固定板２９と、旋回軸固定板２９の下面と車輪支持部９の天板９ａとの間に配置された自在継手１８及びコイルばね１９と、を備えている。
自在継手１８は、凸型球面継手１８ａと、この凸型球面継手１８ａを包囲して当接している凹型球面継手１８ｂとからなる球面軸受であり、凸型球面継手１８ａが旋回軸固定板２９の下面中央に設けられ、凹型球面継手１８ｂが車輪支持部９の天板９ａの上面中央に設けられている
コイルばね１９は、図１３に示すように、自在継手１８を囲むように天板９ａの四隅に寄った位置に、軸線を上下方向に向けた状態で４本配置されている。

ここで、図１２に示すように、４本のコイルばね１９を配置する天板９ａの四隅位置に、頭部２１ａが旋回軸固定板２９の上方に位置し、軸部２１ｂを旋回軸固定板２９に形成した貫通穴２０に通過させた回転規制ボルト２１が旋回軸固定板２９に固定され、この回転規制ボルト２１の軸部２１ｂに巻き付くようにコイルばね１９が配置されている。
また、回転規制ボルト２１の頭部２１ａと旋回軸固定板２９の上面との間に、ショックアブソーバ等のダンパ２７が介装されている。

次に、本実施形態のロボット１が凹凸路面を走行する場合のサスペンション機構の動作について説明する。
図１４（ａ）に示すように、ロボット１の右車輪１０ｂが凹凸路面の凸面４０を走行すると、右車輪１０ｂ側の天板９ａが旋回軸固定板２９に近接し、左車輪１０ａ側の天板９ａが旋回軸固定板２９から離間するように、自在継手１８を回動中心として車輪支持部９は左右方向に揺動する。この際、右車輪１０ｂ側の天板９ａ上に配置されているコイルばね１９が圧縮し、左車輪１０ａ側の天板９ａ上に配置されているコイルばね１９が伸長しながら、揺動する車輪支持部９を支持する。そして、左車輪１０ａ側の旋回軸固定板２９上に配置されているダンパ２７が回転規制ボルト２１の頭部２１ａと係合することで、車輪支持部９の揺動を減衰させる。

一方、図１４（ｂ）に示すように、ロボット１の右車輪１０ｂが凹凸路面の凹面４１を走行すると、右車輪１０ｂ側の天板９ａが旋回軸固定板２９から離間し、左車輪１０ａ側の天板９ａが旋回軸固定板２９に近接するように、車輪支持部９は自在継手１８を回動中心として左右に揺動する。この際、右車輪１０ｂ側の天板９ａ上に配置されているコイルばね１９が伸長し、左車輪１０ａ側の天板９ａ上に配置されているコイルばね１９が圧縮しながら、揺動する車輪支持部９を支持する。そして、右車輪１０ｂ側の旋回軸固定板２９上に配置されているダンパ２７が回転規制ボルト２１の頭部２１ａと係合することで車輪支持部９の揺動を減衰させる。

なお、図示しないが、ロボット１の左車輪１０ａが凹凸路面の凸面或いは凹面を走行する場合も、図９（ａ）、（ｂ）と同様のサスペンション機構１３の動作が行われる。
また、図１５（ａ）に示すように、ロボット１の左車輪１０ａ（或いは右車輪１０ｂ）が凹凸路面の凸面４０を走行する際に、天板９ａの進行方向前側が旋回軸固定板２９に近接し、天板９ａの進行方向後ろ側が旋回軸固定板２９から離間するように、自在継手１８を回動中心として車輪支持部９が前後方向に揺動する場合がある。この場合、天板９ａの前側に配置されているコイルばね１９が圧縮し、天板９ａの後ろ側に配置されているコイルばね１９が伸長しながら、前後に揺動している車輪支持部９を支持する。そして、天板９ａの後ろ側に配置されているダンパ２７が回転規制ボルト２１の頭部２１ａと係合することで、車輪支持部９の揺動を減衰させる。

また、図１５（ｂ）に示すように、ロボット１の左車輪１０ａ（或いは右車輪１０ｂ）が凹凸路面の凹面４１を走行する際に、天板９ａの進行方向前側が旋回軸固定板２９から離間し、天板９ａの進行方向後ろ側が旋回軸固定板２９に近接するように、自在継手１８を回動中心として車輪支持部９が前後方向に揺動する場合もある。この場合にも、天板９ａの後ろ側に配置されているコイルばね１９が圧縮し、天板９ａの前側に配置されているコイルばね１９が伸長しながら、前後に揺動している車輪支持部９を支持し、天板９ａの前側に配置されているダンパ２７が回転規制ボルト２１の頭部２１ａと係合することで、車輪支持部９の揺動を減衰させる。

そして、図１４（ａ）、（ｂ）、図１５（ａ）、（ｂ）で示した車輪支持部９の揺動動作が行われる際に、天板９ａから旋回軸固定板２９に貫通している回転規制ボルト２１が車輪支持部９の旋回を規制する。
次に、本実施形態のロボット１の効果について説明する。
本実施形態のロボット１は、凹凸路面を走行する際には、前輪駆動部３のサスペンション機構１３が車輪支持部９を前後左右に揺動させることで２つの車輪（左車輪１０ａ，右車輪１０ｂ）の両方が凹凸路面に接地しており、これら車輪１０ａ、１０ｂの正確な回転量に基づいてロボット１の走行距離及び走行方向を算出することから自己の位置情報を高精度に得ることができるので、使用者を安全に先導する動作を高精度に行うことができる。

また、サスペンション機構１３は、旋回軸１２の下端に固定した旋回軸固定板２９と、車輪支持部９の天板９ａとの間に配置された自在継手１８及びコイルばね１９とを備えた簡便な構造としているので、ロボット１の小型軽量化を図ることができる。
また、自在継手１８を囲むように複数のコイルばね１９を配置したことで、ロボット１の自重を複数のコイルばね１９が受け持つ構造となり、自在継手の小型化も図ることができる。

また、回転規制ボルト２１の頭部２１ａと旋回軸固定板２９の上面との間に、ショックアブソーバ等のダンパ２７が介装されており、車輪支持部９が揺動したときにダンパ２７が動作するので、車輪支持部９の揺動を効率よく減衰させることができる。
また、凹凸路面の走行時に車輪支持部９の揺動動作が行われる際、天板９ａから旋回軸固定板２９に貫通したる回転規制ボルト２１が車輪支持部９の旋回を規制するので、車輪支持部９が旋回軸１２回りに旋回してしまうという外乱発生を確実に防止することができる。

なお、本実施形態も、自在継手１８を凸型球面継手１８ａと凹型球面継手１８ｂとからなる球面軸受で構成したが、ユニバーサルジョイントなどの自在継手を採用してもよい。

１…障害物回避先導ロボット、２…主脚、２ａ…主脚底板、３…前輪駆動部、４…前輪操作部（力センサー）、５…関節部、５ａ…固定レバー、６…補助脚、７…キャスター、８…ロボット制御部（制御部）、９…車輪支持部、９ａ…天板、９ｂ…側板、１０ａ…左車輪、１０ｂ…右車輪、１１ａ…左車輪駆動モーター、１１ｂ…右車輪駆動モーター、１２…旋回軸、１３…サスペンション機構、１４…プーリー、１５…プーリー、１６…駆動ベルト、１７ａ…下部平板、１７ｂ…上部平板、１８…自在継手、１８ａ…凸型球面継手、１８ｂ…凹型球面継手、１９…コイルばね（支持ばね）、２０…貫通穴、２１…回転規制ボルト（回転規制シャフト）、２１ａ…頭部、２１ｂ…軸部、２２…把手、２３…グリップ部、２４…入力ポート、２５…主制御部、２６…出力ポート、２７…ダンパ、２８ａ…左車輪用エンコーダー、２８ｂ…右車輪用エンコーダー、２８ｃ…旋回軸用エンコーダー、２９…旋回軸固定板、３０…走行距離算出手段、３１…走行方向算出手段、３２…位置認識手段、３３…障害物認識手段、３４…操作方向認識手段、３５…車輪回転速度算出手段、３６…外乱判定手段、３７…走行方向補正手段、４０…凹凸路面の凸面、４１…凹凸路面の凹面、Ｓ…外界センサー

Claims (8)

1. 主脚と、この主脚の下部に連結されている自走式の前輪駆動部と、前記主脚の上部に設けた操作部と、使用者が操作する前記操作部の指令に基づいて前記前輪駆動部を制御する制御部とを備え、前記使用者の歩行補助を行いながら走行する障害物回避先導ロボットであって、
   前記前輪駆動部は、車輪支持部と、この車輪支持部に支持されて独立して回転駆動する２つの車輪と、前記車輪支持部を旋回させる旋回軸と、前記車輪支持部を揺動自在に保持するサスペンション機構と、を備えていることを特徴とする障害物回避先導ロボット。
2. 前記サスペンション機構は、
   前記前輪駆動部の前記旋回軸が連結している下部平板と、
   前記主脚の主脚底板に連結されている上部平板と、
   これら下部平板及び上部平板との間に連結され、前記上部平板に対して前記車輪支持部を前後左右に揺動自在とする自在継手と、
   この自在継手の周囲の前記上部平板及び下部平板の間に配置され、前記下部平板に対してばね支持力を作用する支持ばねと、を備えていることを特徴とする請求項１記載の障害物回避先導ロボット。
3. 前記上部平板及び前記下部平板の一方に固定され、上下方向に延在して前記上部平板及び前記下部平板の他方を貫通する回転規制シャフトを設け、この回転規制シャフトの外周に、コイルばねからなる前記支持ばねを配置したことを特徴とする２記載の障害物回避先導ロボット。
4. 前記サスペンション機構は、
   前記旋回軸の下端に固定した旋回軸固定板と、
   この旋回軸固定板及び当該旋回軸固定板の下面に対向配置した前記車輪支持部の天板の間に連結され、前記旋回軸固定板に対して前記車輪支持部を前後左右に揺動自在とする自在継手と、
   この自在継手の周囲の前記旋回軸固定板及び前記天板の間に配置され、前記天板に対してばね支持力を作用する支持ばねと、を備えていることを特徴とする請求項１記載の障害物回避先導ロボット。
5. 前記旋回軸固定板及び前記天板の一方に固定され、上下方向に延在して前記旋回軸固定板及び前記天板の他方を貫通する回転規制シャフトを設け、この回転規制シャフトの外周に、コイルばねからなる前記支持ばねを配置したことを特徴とする４記載の障害物回避先導ロボット。
6. 前記サスペンション機構は、前記車輪支持部の揺動を減衰させるダンパを備えていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の障害物回避先導ロボット。
7. 前記主脚の上部に設けたグリップ部に、前記操作部として力センサーを装着し、前記使用者が前記グリップ部を握って前記力センサーに与える力の向きを変化させることで、前記前輪駆動部の前記２つの車輪の回転速度制御が行われることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の障害物回避先導ロボット。
8. 自己の周囲の情報を取得する外界センサーを備え、前記制御部は、前記外界センサーの情報を基に該障害物を回避するための走行距離及び走行方向を演算し、走行中は前記走行距離及び前記走行方向の情報と、前記２つの車輪の回転量から得られる自己位置の情報とのいずれか、または両方の情報に基づいて、該障害物を回避する方向に前記前輪駆動部を旋回させる制御を行うことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載の障害物回避先導ロボット。

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