JP3705207B2 - 脚車輪型移動ロボット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、段差を乗り越えて移動できる車輪型移動ロボットに係り、特に、脚を備え、階段などの段差を簡単に移動できる脚車輪型移動ロボットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
人が立ち寄れない危険な場所、ホームオートメーション、オフィスの物運びや警備、工場巡回などに種々の無人移動ロボットが提案されている。
【０００３】
ロボットの移動方法として、車輪の高速移動性能と脚の段差乗り越え性能をもつ脚車輪型がある。例えば特開昭５９−１５２０８０号公報には、蜘蛛足型の移動ロボットが提案され、各足に設けた車輪で走行し、階段などの段差は、足を適宜上げ下げして、昇降移動するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、足が４脚以上あると、段差を昇降する際には、それぞれの脚に自由度があるため、各脚の上げ下げのための機構や制御が複雑になってしまう問題がある。
【０００５】
また、人間と同様に２脚とすると、自由度は少なくなり、機構は比較的簡単になるが、ロボット本体の重心を取ることが難しくなり、制御が複雑になると共に平坦面での走行性に安定感がない問題がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、走行性能が良好で、しかも階段等を簡単に昇降できる脚車輪型移動ロボットを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、本体の中央に伸縮自在な中央脚を設けると共に、その中央脚の下端に中央駆動輪を設け、本体の左右両側に本体に対して回動自在に、かつ伸縮自在に側脚を設け、その側脚に側部駆動輪を設けた脚車輪型移動ロボットである。
【０００８】
請求項２の発明は、中央脚に対して側脚を３０〜９０度回動した位置に保持し、中央脚の中央走行輪と側脚の側部駆動輪で平坦面を走行する請求項１記載の脚車輪型移動ロボットである。
【０００９】
請求項３の発明は、階段を昇る時、側脚を中央脚に対して後方に回動した姿勢に保って、階段まで走行し（状態１）、中央脚の中央駆動輪を停止し、側部駆動輪を前進とし、側脚を前方に回動し、中央脚と側脚を伸長（状態２）させて本体を一段目の踏み面より高くし（状態３）、側脚駆動輪を停止し、側脚を更に前方に回動しながら側脚を縮退させて側部駆動輪を一段目の踏み面上に位置させた後、側脚を伸長させて踏み面に着地させ（状態４）、中央脚を伸長させ側脚を縮退させて本体を踏み面上に体重移動させ、側脚を後方に回動させつつ中央脚を縮退させ（状態５）、側脚を後方に回動すると共に側脚を伸長させ、中央脚を伸長させて（状態６）中央脚の中央駆動輪を二段目の踏み面に着地させ（状態７）、中央脚を縮退させつつ側脚を伸長させて本体を二段目の踏み面上に体重移動させ（状態８）、以後、状態５から状態８を順次繰り返すように中央脚と側脚の伸縮と側脚の前後の回動を繰り返して、中央脚と側脚を交互に前方に繰り出しながら階段を昇るようにした請求項１記載の脚車輪型移動ロボットである。
【００１０】
請求項４の発明は、中央脚又は側脚の側板下部に車輪ケースを設け、その車輪ケースに回転可能に支持プレートを設け、その支持プレートの前後に駆動輪を設け、その支持プレートの回転中心に、車輪ケースに設けた駆動モータで駆動される駆動プーリを設けると共に上記駆動輪に従動プーリを設け、かつこれらプーリに駆動ベルトを掛け渡した請求項１〜３いずれかに記載の脚車輪型移動ロボットである。
【００１１】
請求項５の発明は、駆動プーリに一体に従動傘歯車を設け、この従動傘歯車を駆動モータに設けた駆動傘歯車と噛合させて、駆動プーリを回転させる請求項４記載の脚車輪型移動ロボットである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１３】
図１は、本発明の脚車輪型移動ロボットを示し、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は左側面図を示す。
【００１４】
図１において、１０は、移動ロボット本体で、中央には移動ロボット本体１０内から下方に伸びる中央脚１１が設けられ、左右両側には、ハーモニックギア等の減速機１２にて回動自在な一対の側脚１３，１３が設けられる。
【００１５】
中央脚１１は、移動ロボット本体１０内の略中央から下方に延びて設けられた固定脚１４と、その固定脚１４内に上下摺動自在に設けられた中央伸縮脚１５とからなる。固定脚１４には、中央伸縮脚１５の上下移動を許容しつつ、中央伸縮脚１５内に位置して固定ナット１６が設けられ、その固定ナット１６に螺合するボールネジ１７が中央伸縮脚１５内に回転自在に設けられる。このボールネジ１７は、その上下が中央伸縮脚１５に設けた軸受１８，１９で回転自在に支持され、そのボールネジ１８の上部に伸縮駆動モータ２０が連結されると共にその伸縮駆動モータ２０が中央伸縮脚１５の上部に固定して設けられて中央伸縮脚１５と一体に上下動するようにされる。
【００１６】
このボールネジ１８には中央脚１１の伸縮長さを検出する中央脚伸縮検出センサＳ４が連結される。
【００１７】
中央伸縮脚１５の下端には、車輪ケーシング２１が設けられ、その車輪ケーシング２１の両側に一対の中央駆動輪２２，２２が設けられ、中央伸縮脚１５の両側に設けた中央走行駆動モータ２３より、傘歯車装置２４を介して中央駆動輪２２，２２が正逆回転駆動されるようになっている。
【００１８】
この車輪ケーシング２１には、中央駆動輪２２，２２の回転を検出する中央駆動輪回転検出センサＳ１，Ｓ１が設けられる。
【００１９】
左右両側の側脚１３，１３は、移動ロボット本体１０の側部に設けた減速機１２，１２で、前後に回動自在にされ、その減速機１２，１２が、移動ロボット本体１０内に、それぞれ設けた側脚回動モータ２５，２５に連結されて、それぞれ同期して、或いはそれぞれ独立して回動できるようになっている。
【００２０】
この側脚回動モータ２５，２５には、各側脚１３，１３の回動角を検出する側脚回動角度検出センサＳ３が設けられる。
【００２１】
側脚１３は、減速機１２に対して上下スライド自在な側脚板２７が取り付けられると共に、側脚板２７の上下に軸受２８，２９にて回転自在に設けたボールネジ３０が、減速機１２に取り付けた固定ナット部３１に螺合し、そのボールネジ３０に、側脚板２７に取り付けた側脚スライド用駆動モータ３２が連結され、その側脚スライド用駆動モータ３２の回転で、側脚板２７が減速機１２に対して上下スライド移動できるようになっており、そのスライド移動をボールネジ３０の上部に連結した側脚伸縮検出センサＳ５にて検出できるようになっている。
【００２２】
側脚板２７の下部のブラケット３３に、側部駆動輪３４が回転自在に設けられると共にブラケット３３に設けた側部走行駆動モータ３５により、傘歯車装置３６を介して側部車輪３４が正逆転駆動されるようになっており、この側部駆動輪３４の回転をブラケット３３に取り付けた側部駆動輪回転検出センサＳ２で検出されるようになっている。
【００２３】
移動ロボット本体１０の内部には、図示していないが、各検出センサＳ１〜Ｓ５の検出信号が入力される制御装置を備え、これら検出センサＳ１〜Ｓ５に基づいて、制御装置が、中央駆動輪２２を正逆回転する中央走行駆動モータ２３，２３と、側部駆動輪３４，３４を正逆回転する側部走行駆動モータ３５，３５と、側脚１３，１３をそれぞれ回動する側脚回動モータ２５，２５と、中央伸縮脚１５を伸縮させる伸縮駆動モータ２０と、側脚１３，１３を上下動させる側脚スライド用駆動モータ３２，３２を、それぞれ制御すると共に、その制御信号の送信と走行指令を受信するための通信制御装置とを備えている。
【００２４】
本発明の脚車輪型移動ロボットの移動を説明する。
【００２５】
先ず、平面を走行する場合には、図２（Ａ），図２（ｂ）に示すように、側脚１３，１３を、中央脚１１に対して後方に３０〜６０度回動した姿勢に保ち、その状態で、中央走行駆動モータ２３，２３と側脚回動モータ２５，２５とを駆動することで、中央駆動輪２２と側部駆動輪３４，３４が回転して走行する。また、この際、側脚回動モータ２５，２５に回転差を持たせることで左右方向へのステアリングが可能となり、さらに側脚１３，１３の回動角度差を持たせることで、所望の回転半径の左右円運動が可能となる。
【００２６】
次に、階段Ｒを昇降する場合を図２（ｃ）により説明する。
【００２７】
図２（ｃ）は、階段Ｒを２ステップ昇る状態１〜８を示しており、この場合の各駆動部の動きを表１に示した。
【００２８】
【表１】

【００２９】
表１において、説明を簡便にするために、中央走行駆動モータ２３，２３の駆動を中央走行▲１▼とし、側部走行駆動モータ３５，３５の駆動を側脚走行▲２▼とし、側脚１３，１３をそれぞれ回動する側脚回動モータ２５，２５の駆動を側脚回動▲３▼とし、中央伸縮脚１５を伸縮させる伸縮駆動モータ２０の駆動を中央脚伸縮▲４▼とし、側脚１３，１３を上下動させる側脚スライド用駆動モータ３２，３２の駆動を側脚伸縮▲５▼とし、図２（ｃ）には、これら走行▲１▼，▲２▼と、回動▲３▼と、伸縮▲４▼，▲５▼を丸数字で表すと共に、走行▲１▼，▲２▼は、前進方向を＋に、後進方向を−に、回動▲３▼は、側脚１３の前方への回動を＋に、後方への回動を−に、伸縮▲４▼，▲５▼は、伸張方向を＋に、縮退方向を−で示した。
【００３０】
図２（ｃ）に示すように、脚車輪型移動ロボットが階段Ｒまで状態１のように走行したならば、中央走行▲１▼を停止し、側脚走行▲２▼を＋方向（前進）とし、側脚回動▲３▼を＋方向（側脚１３を前方に回動）とし、中央脚伸縮▲４▼と側脚伸縮▲５▼を＋方向（伸張）にすることで、状態２に示すように本体１０を一段目の踏み面１ｓｔより高くして歩行開始状態とする。
【００３１】
次に状態２より、状態３に変移させるには、側脚走行▲２▼を停止、側脚回動▲３▼を＋方向（側脚１３を前方に回動）とし、中央脚伸縮▲４▼を＋方向（伸張方向）に保ったまま、側脚伸縮▲５▼を−方向（縮退方向）にすることで、中央脚１１で立った状態３となり、この状態３で、中央走行▲１▼を前後進させて倒立制御を行って本体１０のバランスを制御する。これにより、側脚１３は、一段目の踏み面ｓ１上に位置し、その状態より、側脚伸縮▲５▼を＋方向（伸張方向）とすると、状態４に示すように、側脚１３が一段目の踏み面１ｓｔに着地する。
【００３２】
この状態４のとき、中央脚１１と側脚１３の伸縮長さにより、本体１０のバランスを保つように側脚回動▲３▼を＋−方向に適宜制御する。
【００３３】
この状態４より、状態５に変移させて踏み面１ｓｔ上に体重移動させるには、中央走行▲１▼と側脚走行▲２▼を停止したまま、側脚回動▲３▼を＋−方向に適宜制御しながら、中央脚伸縮▲４▼を＋方向（伸張方向）にし、側脚伸縮▲５▼を−方向（縮退方向）にすることで、本体１０が踏み面１ｓｔ上に体重移動する。
【００３４】
この状態５より、側脚走行▲２▼を後進させて倒立制御を行って本体１０のバランスを制御しつつ、側脚回動▲３▼を−方向（側脚１３を後方に回動）とし、中央脚伸縮▲４▼を−方向（縮退方向）とし、側脚伸縮▲５▼を＋方向（伸張方向）とすることで、状態６となる。
【００３５】
この状態６より、側脚走行▲２▼を後進させて倒立制御を行いながら、側脚回動▲３▼を−方向（側脚１３を後方に回動）とし、中央脚伸縮▲４▼を＋方向（伸張方向）とし、側脚伸縮▲５▼を−方向（縮退方向）にすることで、中央脚１１が二段目の踏み面２ｎｄ上に着地し、状態７となる。
【００３６】
この状態７で、中央脚伸縮▲４▼を−方向（縮退方向）にし、側脚伸縮▲５▼を＋方向（伸張方向）とし、かつ側脚回動▲３▼を＋−方向に適宜制御することで、本体１０のバランスを保ちながら体重移動し、状態８となる。
【００３７】
この状態８は、中央脚１１と側脚１３との相違はあるが、状態５の状態と基本的に同じであり、状態５〜８の変移を繰り返せば、適宜階段Ｒを昇ることが可能となる。
【００３８】
また、階段Ｒを降りる際には、昇降と逆に状態８から状態１になるように制御すればよい。
【００３９】
この階段Ｒの昇降は、中央脚１１の伸縮と側脚１３の回動と伸縮であり、中央脚１１と側脚１３とを交互に前方に繰り出しながら昇降動する、いわゆる２足歩行による昇降動のため、昇降速度をあげることができる。
【００４０】
また、側脚１３は、左右が独立して回動できるため、左右の回動を制御することで、螺旋階段のように回りながら昇降動することも可能となる。
【００４１】
次に、図３は、本発明の他の実施の形態を示したものである。
【００４２】
図１の実施の形態では、中央脚１１と側脚１３には、前後で１輪の駆動輪２２，３４の例を示したが、本形態では、前後に２輪の駆動輪４０，４０とし、その駆動輪４０，４０を共通の駆動モータ４１で駆動できるようにしたものである。
【００４３】
また、図３では、脚部の構造のみを示したが、全体構成は、脚下部を除いて図１と同じであるため、説明は省略する。
【００４４】
さて、図３（ａ），図３（ｂ）において、中央脚１１または側脚１３の脚板４２の下部には車輪ケース４３が設けられ、その車輪ケース４３上に駆動モータ４１が設けられると共にその駆動モータ４１に駆動傘歯車４６が設けられる。
【００４５】
車輪ケース４３には、軸受フランジ筒４４，４４が対向して形成され、その軸受フランジ筒４４，４４内に軸受４５にて、駆動傘歯車４６に噛合する従動傘歯車４７の軸４８が支承される。
【００４６】
軸受フランジ筒４４，４４の外周には、リング状の軸受４９，４９を介して台形状の車輪支持プレート５０，５０がそれぞれ回転可能に設けられると共に、車輪支持プレート５０，５０間がスペーサ５１で連結される。
【００４７】
この車輪支持プレート５０，５０間には、その前後に一対の駆動輪４０，４０が設けられる。
【００４８】
従動傘歯車４７には、一体に駆動プーリ５３が取り付けられ、また駆動輪４０，４０には、一体に従動プーリ５４，５４が取り付けられ、さらに、図３（ｃ）に示すように車輪支持プレート５０，５０間にアイドルプーリ５５が回転自在に設けられ、これらプーリ５３，５４，５５に駆動ベルト５６が掛け渡される。
【００４９】
また、従動傘歯車４７の軸４８には、その回転を検出するセンサＳ１又はＳ２が連結されると共に、そのセンサＳ１又はＳ２が車輪ケース４３に保持される。
【００５０】
駆動輪４０，４０は、駆動モータ４１にて駆動傘歯車４６を回転し、その駆動傘歯車４６に噛合する従動傘歯車４７が回転され、次いでこれと一体に駆動プーリ５３が回転し、その駆動プーリ５３に巻き掛けた駆動ベルト５６にて従動プーリ５４，５４が回転されることで、駆動される。
【００５１】
また、車輪支持プレート５０，５０は、脚板４２の車輪ケース４３に対して従動傘歯車４７の軸４８を中心に回転可能であるため、階段の昇降の際に、脚板４２が傾斜していても、前後の駆動輪４０，４０は、踏み面に確実に接地することができる
この図３の実施の形態においては、駆動輪４０，４０が前後に多輪（実施の形態では前後１対）となっているため、前後の接地幅が広くなり、図２（ｃ）の状態３，６で説明したように、中央脚１１又は側脚１３の１本で本体１０を起立させているときの安定性が格段に向上する。
【００５２】
また、駆動輪５２，５２は、プーリ５３，５４，５５と駆動ベルト５６にて駆動するため、一台の駆動モータ４１で駆動することができると共に足首にあたる支持プレート５０も同時に動かすことが可能となる。
【００５３】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００５４】
（１）中央脚と左右の側脚の３本にすることにより、接地点に本体の重心が入り、２脚で走行するよりも、車輪で走行する際に静的に安定した走行が可能となる。
【００５５】
（２）歩行時には左右の側脚を同時に動かすことにより、擬似的に２脚と見なせるため、階段を２足歩行で高速に昇降が可能である。
【００５６】
（３）４脚以上の多足脚車輪に比べて、自由度が少なくてすむため、軽量かつ低コストとなる。
【００５７】
（４）脚に設ける駆動輪を前後に多輪とすることで、接地幅が広がり、歩行時の安定性が増すと共にその前後の駆動輪を脚に対して回転自在な支持プレートに設けることで、足首と同様の動きができ、階段昇降がより容易できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す図である。
【図２】図１の脚車輪型移動ロボットで、階段を昇降する際の状態を示す図である。
【図３】本発明の脚車輪型移動ロボットにおいて、脚部の他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１０ 本体
１１ 中央脚
１３ 側脚
２２ 中央駆動輪
３４ 側部駆動輪

Claims (5)

1. 本体の中央に伸縮自在な中央脚を設けると共に、その中央脚の下端に中央駆動輪を設け、本体の左右両側に本体に対して回動自在に、かつ伸縮自在に側脚を設け、その側脚に側部駆動輪を設けたことを特徴とする脚車輪型移動ロボット。
2. 中央脚に対して側脚を３０〜９０度回動した位置に保持し、中央脚の中央走行輪と側脚の側部駆動輪で平坦面を走行する請求項１記載の脚車輪型移動ロボット。
3. 階段を昇る時、側脚を中央脚に対して後方に回動した姿勢に保って、階段まで走行し（状態１）、中央脚の中央駆動輪を停止し、側部駆動輪を前進とし、側脚を前方に回動し、中央脚と側脚を伸長（状態２）させて本体を一段目の踏み面より高くし（状態３）、側脚駆動輪を停止し、側脚を更に前方に回動しながら側脚を縮退させて側部駆動輪を一段目の踏み面上に位置させた後、側脚を伸長させて踏み面に着地させ（状態４）、中央脚を伸長させ側脚を縮退させて本体を踏み面上に体重移動させ、側脚を後方に回動させつつ中央脚を縮退させ（状態５）、側脚を後方に回動すると共に側脚を伸長させ、中央脚を伸長させて（状態６）中央脚の中央駆動輪を二段目の踏み面に着地させ（状態７）、中央脚を縮退させつつ側脚を伸長させて本体を二段目の踏み面上に体重移動させ（状態８）、以後、状態５から状態８を順次繰り返すように中央脚と側脚の伸縮と側脚の前後の回動を繰り返して、中央脚と側脚を交互に前方に繰り出しながら階段を昇るようにした請求項１記載の脚車輪型移動ロボット。
4. 中央脚又は側脚の側板下部に車輪ケースを設け、その車輪ケースに回転可能に支持プレートを設け、その支持プレートの前後に駆動輪を設け、その支持プレートの回転中心に、車輪ケースに設けた駆動モータで駆動される駆動プーリを設けると共に上記駆動輪に従動プーリを設け、かつこれらプーリに駆動ベルトを掛け渡した請求項１〜３いずれかに記載の脚車輪型移動ロボット。
5. 駆動プーリに一体に従動傘歯車を設け、この従動傘歯車を駆動モータに設けた駆動傘歯車と噛合させて、駆動プーリを回転させる請求項４記載の脚車輪型移動ロボット。

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