JP2024061082A - ロボットシステムおよびロボットの駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フットプリントの増加を抑えつつロボットの重心位置を移動させることができるロボットシステムおよびロボットの駆動方法を実現する。【解決手段】本開示の一形態に係るロボットシステムは、ロボット１を有する。ロボット１は、移動可能な移動部１１と、移動部１１の上部に設けられた上体部１２と、上体部１２を傾斜させるとともに、上体部１２の下端を上体部１２の傾斜方向に移動させることができるように構成される。【選択図】図６

Description

本開示は、ロボットシステムおよびロボットの駆動方法に関する。

特許文献１は、被載置物を載置可能なベースマウントを常時水平に維持できる車両を開示している。

特開２０００－１９０８７９号公報

ところで、バランスをとるために、ロボットが上体部を傾ける場合がある。この場合、ロボットのフットプリントが増加してしまうという問題があった。

本開示は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、フットプリントの増加を抑えつつロボットの重心位置を移動させることができるロボットシステムおよびロボットの駆動方法を実現する。

本開示の一態様のロボットシステムは、
ロボットを有するロボットシステムであって、
前記ロボットは、
移動可能な移動部と、
前記移動部より上方に設けられた上体部と、
前記上体部を傾斜させるとともに、前記上体部の下端を前記上体部の傾斜方向に移動させる駆動機構と
を備える。

本開示の一態様のロボットの駆動方法は、
移動可能な移動部と、前記移動部より上方に設けられた上体部とを有するロボットの駆動方法であって、
前記上体部を傾斜させるとともに、前記上体部の下端を前記上体部の傾斜方向に移動させるステップ
を含む。

本開示によれば、フットプリントの増加を抑えつつロボットの重心位置を移動させることができるロボットシステムおよびロボットの駆動方法を実現することができる。

実施形態１にかかるロボットを説明する斜視図である。 実施形態１にかかるロボットの機能構成を説明するブロック図である。 実施形態１にかかる球面リンク機構の構成を説明する斜視図である。 実施形態１にかかる減速機の構成を説明する正面図である。 従来技術にかかるロボットの動作を説明する図である。 実施形態１にかかるロボットの動作を説明する図である。

以下、本開示を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本開示が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

実施形態１
以下、図面を参照して実施形態１にかかるロボットシステムについて説明する。ロボットシステムは、ロボット１を含む。図１はロボット１の外形を説明する斜視図であり、図２はロボット１の機能構成を説明するブロック図である。ロボット１は、例えば、家屋内で居住者の家事等を支援する生活支援ロボットであってもよい。

実施形態１にかかるロボットシステムは、ロボット１に動作を指示する図示しないサーバを備えていてもよい。ただし、ロボット１内で処理が完結した、サーバを含まないシステムも実施形態１にかかるロボットシステムには含まれ得る。

ロボット１は、移動可能な移動部１１と、上体部１２と、駆動機構１３と、制御部１４とを備えている。ロボット１は、ロボット１の姿勢を検出する姿勢センサを備えていてもよい。

移動部１１は、ベース１１１、車輪１１２、およびモータ１１３を備えている。車輪１１２は、ベース１１１の下側に回転可能に設けられる。ベース１１１の内部には、駆動機構１３が配置される。モータ１１３は、車輪１１２を回転駆動する。モータ１１３は、制御部１４からの制御信号に応じて車輪１１２を回転させることで、ベース１１１を任意の位置に移動させることができる。車輪１１２の数は任意である。また、移動部１１は従動車輪を備えていてもよい。ベース１１１を任意の位置に移動させることができれば、任意の構成が適用可能である。

上体部１２は、移動部１１より上方に設けられる。上体部１２は、駆動機構１３によって下から支持されていてもよい。上体部１２は、胴体部１２１および頭部１２２を備えている。

胴体部１２１は、駆動機構１３によって駆動される。駆動機構１３が胴体部１２１を傾斜させることで、上体部１２が傾斜する。胴体部１２１は、駆動機構１３が備える支持台に下から支持されていてもよい。

胴体部１２１は、アーム１２１１およびその先端部に設けられたハンド１２１２を備えている。アーム１２１１とハンド１２１２は、制御部１４からの制御信号によって図示しないモータを介して駆動され、様々な物体を把持する。アーム１２１１の基端部は、肩とも言う。

胴体部１２１は、上下方向に伸縮する機能を備えていてもよい。胴体部１２１を収縮させることで、ロボット１のサイズを小さくすることができる。胴体部１２１を伸長させることで、ロボット１は高所で作業を実行できる。伸長させた胴体部１２１を傾斜させると、ロボット１のフットプリントが増加するリスクが高い。

頭部１２２は、胴体部１２１の上部に設けられている。頭部１２２の構成は任意であるが、頭部１２２はカメラや表示パネルを備えることができる。

駆動機構１３はベース１１１の内部や上部に配置される。駆動機構１３は、制御部１４からの制御信号に応じて上体部１２を駆動する。駆動機構１３は、上体部１２を傾斜させるとともに、上体部１２の下端を上体部１２の傾斜方向に移動させる。例えば、駆動機構１３は上体部１２を前傾させ、上体部１２の下端をロボット１の前方に移動させる。これにより、ロボット１の重心位置が移動する。ロボット１は、勾配を移動する際、物体を把持する際、加速度を受けた場合などに重心位置を移動させてバランスを保つ必要がある。実施形態１にかかるロボット１は、上体部１２の傾斜角度を大きく変えずにロボット１の重心位置を移動させることができる。

従来技術にかかるロボットは、上体部１２の下端を通る軸（第１の回動軸と言う）の周りに上体部１２を回動させることのみによって重心位置を移動させていた。この場合、ロボット１の重心位置を変えるためには、上体部１２を大きく傾斜させなければならない。一方、ロボット１は上体部１２の下端を上体部１２の傾斜方向に移動させるため、上体部１２の傾斜角度を大きく変えずに、ロボット１の重心位置を変えることができる。

このような駆動機構１３の構成例として、球面リンク機構が存在する。球面リンク機構の中心は上体部１２の下端（第１の回動軸）よりも低い位置に存在し、上体部１２は、第１の回動軸よりも低い軸の周りを回動する。この場合、上体部１２の下端は、上体部１２を傾斜させた方向に移動する。球面リンク機構の球面中心は、地面上に位置してもよい。この場合、ロボット１の安定性を向上できる。例えば、ロボット１が勾配を移動する際、上体部１２の上下方向を略鉛直方向にすることで、ロボット１が転倒することを防止できる。スチュワートプラットフォームを用いて上体部１２を傾ける場合と比べて、球面リンク機構を用いる場合の方が、必要なアクチュエータの数は少ない。

なお、駆動機構１３は、球面リンク機構には限定されない。例えば、駆動機構１３は、第１の回動軸の周りに上体部１２を回動させつつ、上体部１２の傾斜方向に上体部１２を平行移動させてもよい。例えば、ロボット１が上り勾配を移動する場合、上体部１２の上下軸が略鉛直方向になるように上体部１２を回動させた後、上体部１２を勾配方向に水平移動させてもよい。この場合も、ロボット１の重心位置を容易に変えることができる。

制御部１４は、移動部１１、上体部１２、および駆動機構１３を制御する。制御部１４は、移動部１１の各モータ１１３に制御信号を送信することで、各車輪１１２の回転を制御し、ベース１１１を任意の位置に移動させることができる。制御部１４は、胴体部１２１に制御信号を送信することで、ハンド１２１２に様々な物体を把持させる。制御部１４は、胴体部１２１に制御信号を送信することで、胴体部１２１を上下方向に伸縮させる。制御部１４は、頭部１２２等に設けられたディスプレイに情報を表示させる機能をさらに備えていてもよい。

制御部１４は、車輪１１２に設けられた回転センサにより検出された車輪１１２の回転情報などに基づいて、フィードバック制御、ロバスト制御等の周知の制御を行うことで、ロボット１の移動を制御してもよい。制御部１４は、ロボット１に設けられたカメラ（例：頭部１２２に設けられたカメラ）や超音波センサなどの距離センサにより検出された距離情報、移動環境の地図情報などの情報に基づいて、移動部１１、上体部１２、および駆動機構１３を制御することで、ロボット１を自律的に移動させてもよい。

また、制御部１４は、姿勢センサの出力等に基づいて、ロボット１が転倒しないように駆動機構１３を動作させる。制御部１４は、ロボット１の重心位置を所定領域（例：ロボット１と地面との接点で囲まれる領域）内に制御する。制御部１４は、ロボット１の姿勢、つまり上体部１２の傾斜角度を制御することで、ロボット１の重心位置を制御できる。

制御部１４は、例えば、制御処理、制御処理、演算処理等を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）１４１、ＣＰＵ１４１によって実行される制御プログラム、演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ１４２、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）１４３、などからなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ１４１、メモリ１４２、及びインターフェイス部１４３は、データバスなどを介して相互に接続されている。

次に、図３を参照して駆動機構１３の具体例について説明する。球面リンク機構１３ａは、駆動機構１３の具体例である。球面リンク機構１３ａは、５節球面パラレルリンクとも言う。

球面リンク機構１３ａは、第１リンク１３１、第２リンク１３２、第３リンク１３３、第４リンク１３４、および支持台１３５を備えている。支持台１３５は、上体部１２を下から支持する支持面１３５１を有する。球面リンク機構１３ａは、支持面１３５１を球面に沿って移動させる。支持台１３５は、載置台とも言う。白抜き矢印で示すように、支持面１３５１には上体部１２の重量に対応する荷重がかかる。上体部１２は、前面が（＋Ｘ）方向または（－Ｘ）方向を向くように配置される。

第１リンク１３１、第２リンク１３２、第３リンク１３３、および第４リンク１３４は球面上を運動する。第１リンク１３１、第２リンク１３２、第３リンク１３３、および第４リンク１３４は、球面に沿った形状に形成されていてもよい。

第１リンク１３１は、基端側に設けられた回転中心を中心に、シャフト等を介して正逆回転される。第２リンク１３２も、基端側に設けられた回転中心を中心に、シャフト等を介して正逆回転される。

第３リンク１３３の基端は、第１リンク１３１の先端に回転対偶で連結される。第３リンク１３３は、第１リンク１３１に重ねられてもよい。第４リンク１３４の基端は、第２リンク１３２の先端に回転対偶で連結される。第４リンク１３４は、第２リンク１３２に重ねられてもよい。第３リンク１３３および第４リンク１３４は、一対のリンクとも言う。

第３リンク１３３の先端部と第４リンク１３４の先端部とは回転対偶で連結される。支持台１３５は、支持面１３５１に垂直な回転軸Ａ１の周りに回転可能な状態で、第３リンク１３３と第４リンク１３４の連結部に固定される。回転軸Ａ１は、第３リンク１３３と第４リンク１３４の回転対偶の軸心であってもよい。上面視における上体部１２の向きが、第３リンク１３３の向きと第４リンク１３４の向きの中間の向きになるように、支持台１３５が回転される。なお、リンクの向きは、リンクの先端から基端に向かう方向であってもよく、リンクの基端から先端に向かう方向であってもよい。リンクの向きが先端から基端に向かう方向である場合、上体部１２は（＋Ｘ）方向を向き、リンクの向きが基端から先端に向かう方向である場合、上体部１２は（－Ｘ）方向を向く。

第１リンク１３１を右回転し、第２リンク１３２を左回転すると、上体部１２が（＋Ｘ）方向に傾く。第１リンク１３１を左回転し、第２リンク１３２を右回転すると、上体部１２が（－Ｘ）方向に傾く。第１リンク１３１を右回転し、第２リンク１３２を右回転すると、上体部１２が（－Ｙ）方向に傾く。第１リンク１３１を左回転し、第２リンク１３２を左回転すると、上体部１２は（＋Ｙ）方向に傾く。

次に、支持台１３５を回転させる理由について説明する。支持面１３５１を球面に沿って移動させる方法として、支持台１３５を第３リンク１３３または第４リンク１３４に固定することが考えられる。支持台１３５を第３リンク１３３に固定した場合、第３リンク１３３に対する上体部１２の向きが固定されるため、上体部１２を（＋Ｘ）方向または（－Ｘ）方向に傾けた場合、つまり上体部１２を前傾または後傾させた場合、上面視における上体部１２の向きが変わってしまうという問題がある。正面を向いた上体部１２を前傾または後傾させた場合、上体部１２の向きが正面から左右にずれてしまう。例えば、上体部１２の肩の向きなども変わってしまうため不都合である。支持台１３５を第４リンク１３４に固定した場合も同様である。

支持台１３５は、（＋Ｘ）方向および（－Ｘ）方向に傾斜した上体部１２の向きが変わらないように回転される。具体的には、第３リンク１３３に対する支持台１３５の回転速度が、第３リンク１３３に対する第４リンク１３４の回転速度の半分に減速される。第４リンク１３４に対する支持台１３５の回転速度が、第４リンク１３４に対する第３リンク１３３の回転速度の半分に減速されてもよい。

図４は、支持台１３５の回転速度を減速する減速機１３６の構成例を説明する正面図である。減速機１３６は、プーリーＰ１、プーリーＰ２、および２段プーリーＰ３を備えている。第３リンク１３３の先端部と第４リンク１３４の先端部とが回転対偶で接続されている。支持台１３５は、回転軸Ａ１周りに回転可能な状態で固定されている。第３リンク１３３上には、回転軸Ａ１を中心軸とするプーリーＰ１が固定されている。また、支持台１３５の下側には、回転軸Ａ１を中心軸とするプーリーＰ２が固定されている。

２段プーリーＰ３は、回転軸Ａ２周りに回転可能に固定されている。回転軸Ａ２は、第４リンク１３４上の一点を通り、かつ、回転軸Ａ１と平行に設けられる。２段プーリーＰ３は、下段に配置されたプーリーＰ３１および上段に配置されたプーリーＰ３２を含んでいる。プーリーＰ３１の径は、プーリーＰ３２の径の半分である。ベルトＢ１を介して、プーリーＰ１からプーリーＰ３１へ回転を伝達する。ベルトＢ２を介して、プーリーＰ３２からプーリーＰ２へ回転を伝達する。

第３リンク１３３に対する第４リンク１３４の回転速度に応じて、プーリーＰ３が回転する。プーリーＰ３２の直径はプーリーＰ３１の直径の半分であるため、プーリーＰ３は、第４リンク１３４の回転速度の半分の回転速度で支持台１３５を回転させる。

なお、減速機１３６の構成は、図４に示した構成には限定されない。第３リンク１３３と第４リンク１３４の位置は逆であってもよい。プーリーの代わりに歯車が用いられてもよい。

次に、図５および図６を参照して、実施形態１が奏する効果について説明する。図５は、従来技術にかかるロボット２が上り勾配３を移動する方法を説明する図である。ロボット２が上り勾配３を移動する際、ロボット２が転倒することを防止するため、上体部１２の重心Ｇを前方に移動させる必要がある。ロボット２は、上体部１２の下端を通る回動軸Ｃ１周りに上体部１２を回動させる。前傾角度が大きい場合、ロボット２全体のフットプリントＦ１が大きくなってしまい、移動部１１のフットプリントＦ２より大きくなってしまう恐れがあった。

図６は、実施形態１にかかるロボット１が上り勾配３を移動する方法を説明する図である。ロボットは、回動軸Ｃ１より低い位置に位置する球面中心Ｃ２周りに上体部１２を前傾させる。符号Ｓは、球面中心Ｃ２を中心とする球面を表している。上体部１２の下端も前方に移動するため、上体部１２の前傾角度は図５に比べて小さくてもよい。例えば、上体部１２の上下方向が略鉛直方向になるように上体部１２を駆動するだけで、ロボット１が転倒することを防止できる。この場合、ロボット１全体のフットプリントは移動部１１のフットプリントＦ２になる。実施形態１によれば、上体部１２を大きく傾けないで重心位置を移動させることができる。したがって、フットプリントの増加を抑えつつロボットの重心位置を移動させることができる。

なお、既に述べた通り、勾配を移動するときだけでなく、物品を把持するときや加速度がかかるときにも、ロボット１はバランスをとる必要がある。実施形態１によれば、ロボット１が家庭内などの狭い環境で稼働することが容易になる。

また、実施形態１によれば、上体部１２の傾斜角度を小さくすることができるため、ロボット１のバランスを取るために必要なアクチュエータの出力を低減できる。

なお、本開示は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１、２ ロボット
１１ 移動部
１１１ ベース
１１２ 車輪
１１３ モータ
１２ 上体部
１２１ 胴体部
１２１１ アーム
１２１２ ハンド
１２２ 頭部
１３ 駆動機構
１３ａ 球面リンク機構
１３１ 第１リンク
１３２ 第２リンク
１３３ 第３リンク
１３４ 第４リンク
１３５ 支持台
１３５１ 支持面
１３６ 減速機
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３１、Ｐ３２ プーリー
Ｐ３ 二段プーリー
Ｂ１、Ｂ２ ベルト
Ａ１、Ａ２ 軸
１４ 制御部
１４１ ＣＰＵ
１４２ メモリ
１４３ インターフェイス部
３ 上り勾配
Ｃ１ 回動軸
Ｃ２ 球面中心
Ｆ１、Ｆ２ フットプリント

Claims (8)

1. ロボットを有するロボットシステムであって、
   前記ロボットは、
   移動可能な移動部と、
   前記移動部より上方に設けられた上体部と、
   前記上体部を傾斜させるとともに、前記上体部の下端を前記上体部の傾斜方向に移動させる駆動機構と
   を備える
   ロボットシステム。
2. 前記駆動機構は、前記上体部を下から支持する支持面を球面に沿って移動させる球面リンク機構である
   請求項１に記載のロボットシステム。
3. 前記球面の中心が地面上に位置する
   請求項２に記載のロボットシステム。
4. 前記球面リンク機構は、先端部同士が回転対偶で連結された一対のリンクと、前期支持面を有する支持台とを含み、
   前記支持台は、前記支持面に垂直な回転軸の周りに回転可能な状態で前記一対のリンクの連結部に固定され、
   上面視における前記上体部の向きが前記一対のリンクの向きの中間の向きになるように、前記支持台が回転される
   請求項２または３のいずれかに記載のロボットシステム。
5. 前記一対のリンクに含まれる一方のリンクに対する前記支持台の回転速度を、前記一方のリンクに対する他方のリンクの回転速度の半分に減速する減速機を含む
   請求項４に記載のロボットシステム。
6. 前記上体部は、上下方向に伸縮可能に構成される
   請求項１または２のいずれかに記載のロボットシステム。
7. 前記ロボットが上り勾配を移動するとき、前記駆動機構は、前記上体部の上下方向が略鉛直方向になるように前記上体部を駆動する
   請求項１または２のいずれかに記載のロボットシステム。
8. 移動可能な移動部と、前記移動部より上方に設けられた上体部とを有するロボットの駆動方法であって、
   前記上体部を傾斜させるとともに、前記上体部の下端を前記上体部の傾斜方向に移動させるステップ
   を含むロボットの駆動方法。

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