JP4055736B2 - 搭乗型ロボット - Google Patents

Description

本発明は、搭乗型ロボットに関するものである。詳しくは、搭乗型ロボットの搭乗部の姿勢を制御する技術に関するものである。

人が搭乗する搭乗部を有するとともに、上腿と下腿と足平を有する一対の脚リンクで歩行する搭乗型ロボットが知られている。搭乗型ロボットでは、電力供給が不足したりして脚リンクの各関節駆動用モータを制御できなくなった場合に、搭乗部の姿勢を持したまま、搭乗部を降下させる必要がある。
特許文献１には、ロボットが転倒しそうになったときに、ロボット腰を下げて重心を低くする技術が記載されている。

特開平１１−４８１７０号公報

上述した特許文献１に記載の技術では、動力供給が断たれた場合に、搭乗部の姿勢を維持したまま、搭乗部を降下させることができない。
本発明は、動力供給が断たれた場合においても、搭乗部の姿勢を維持したまま、搭乗部を降下させることを可能とし、より安全性が高い搭乗型ロボットを提供することを課題とする。

本発明の搭乗型ロボットは、足平部と、足平部に足首関節を介して接続されている下腿と、下腿に膝関節を介して接続されている上腿と、上腿に股関節を介して接続されている搭乗部を有し、モータによって足首関節と膝関節と股関節を駆動して歩行する。搭乗型ロボットは、足平部に相対回転不能に固定された足平部円板と、上腿に相対回転可能に取付けられた搭乗部円板と、帯束を介して足平部円板と搭乗部円板を連結して両者の相対回転を禁止する回転禁止機構を備えている。そして、搭乗部円板と搭乗部の相対回転を拘束するロック機構を備えている。
この搭乗型ロボットは、転倒しそうなときに、ロック機構によって搭乗部円板と搭乗部の相対回転を拘束するとともに前記モータを非通電状態にする。これによって、動力供給が断たれた場合に、搭乗部の姿勢を維持したまま搭乗部を降下させることができる。

回転禁止機構は、下腿に相対回転可能に取付けられた下腿円板と、足平部円板と下腿円板の間に架け渡されて両者の回転比を「１：１」に拘束する第１帯体と、上腿に相対回転可能に取付けられた上腿円板と、上腿円板と搭乗部円板の間に架け渡されて両者の回転比を「１：１」に拘束する第２帯体と、下腿円板と上腿円板に噛み合って両者の回転比を「１：１」に拘束する歯車を備えていることが好ましい。

上記の搭乗型ロボットにおいて、前記の歯車が膝関節の回転軸と同軸に配置されており、足平部円板が足首関節の回転軸と同軸に配置されており、搭乗部円板が股関節の回転軸と同軸に配置されていることが好ましい。

後述する実施例の主要な特徴を記載する。
（１）ロボット１０は、脚部１２と、脚部１２上に設けられた搭乗部８０を備えている。脚部１２は、一対の脚リンク１４を有している。脚リンク１４は、股関節２２によって搭乗部８０と接続された上腿１６と、膝関節２４によって上腿１６と接続された下腿１８と、足首関節２６によって下腿１８と接続された足平２０を備えている。上腿１６の上部には、搭乗部プーリ３４が回転自由に装着されている。搭乗部プーリ３４には、ロック穴３４ａが形成されている。
（２）搭乗部８０には、ロック機構２９が設けられている。ロック機構２９のソレノイド２８が非通電の状態では、ロック部材３７のロックピン３７ａが搭乗部プーリ３４のロック穴３４ａに入り込み、搭乗部プーリをロックする。
上腿１６の下部には、上腿プーリ３６が回転自由に取付けられている。搭乗部プーリ３４と上腿プーリ３６には、ベルト３５が架け渡されている。上腿プーリ３６には、上腿歯車３９が固定されている。下腿１８の上部には、膝関節歯車４０が回転自由に取付けられている。
（３）膝関節歯車４０の下方の下腿１８には、下腿歯車４２が回転自由に取付けられている。下腿歯車４２は、膝関節歯車４０と噛み合わされている。下腿歯車４２には、下腿プーリ４３が固定されている。足平２０には、足平プーリ４５が固定されている。下腿プーリ４３と足平プーリ４５には、ベルト４４が架け渡されている。

本発明のロボット１０に係わる一実施例について、図面を参照しながら説明する。
図１に示されているように、ロボット１０は、脚部１２と、脚部１２上に設けられた搭乗部８０を備えている。搭乗部８０は、座席８２や、座席８２の後に装着された収容ボックス８３等を有している。搭乗者８４は、座席８２に座った状態で、座席８２に装着されている操作スティック（図示省略）を操作してロボット１０を操縦する。収容ボックス８３は、ロボット１０を制御するコントローラや、バッテリー等を内蔵している。
脚部１２は、一対の脚リンク１４を有している。脚リンク１４は、股関節２２によって搭乗部８０と接続された上腿１６と、膝関節２４によって上腿１６と接続された下腿１８と、足首関節２６によって下腿１８と接続された足平２０を備えている。脚リンク１４は、下腿１８が上腿１６の延長線よりも前方側に、膝関節２４回りに回転する「鳥足型」である。
図２に示されているように、股関節２２は、股関節モータ３０によって駆動される。膝関節２４は、膝関節モータ３１によって駆動される。足首関節２６は、足首関節モータ３２によって駆動される。なお、股関節２２、膝関節２４、足首関節２６は、それぞれの関節を揺動回転させる機械的構成を有しているが、図２ではそれらの図示を省略している。
図２、図３に良く示されているように、上腿１６の上部には、搭乗部プーリ３４が回転自由に装着されている。搭乗部プーリ３４は、その軸が股関節２２のｙ軸と一致する位置に配置されている。なお、ｙ軸とは、ロボット１０の側方方向に延びる軸を意味する。搭乗部プーリ３４には、ロック穴３４ａが形成されている。

図４に示されているように、搭乗部プーリ３４の側方の搭乗部８０には、ロック機構２９が設けられている。ロック機構２９は、ロック部材３７、ソレノイド２８、スプリング３８を有している。ロック部材３７は、ロックピン３７ａが形成されているとともに、ｙ軸方向にスライドすることができる。スプリング３８は、ロック部材３７と搭乗部８０との間に介装されており、ロック部材３７を搭乗部プーリ３４側に付勢する。ソレノイド２８のプランジャ２８ａは、ロック部材３７と結合されている。ソレノイド２８は、通電状態ではプランジャ２８ａを収縮させ、非通電状態ではプランジャ２８ａをフリーにしておく。このため、ソレノイド２８が非通電の状態では、ロック部材３７がスプリング３８に付勢され、ロックピン３７ａが搭乗部プーリ３４のロック穴３４ａに入り込む。図４は、ロックピン３７ａがロック穴３４ａに入り込んだ状態を図示している。ロックピン３７ａがロック穴３４ａに入り込むと、搭乗部プーリ３４がロックされる。すると、搭乗部８０と搭乗部プーリ３４が相対的に回転することができなくなる。ソレノイド２８は、通電されるとスプリング３８の付勢力に抗してプランジャ２８ａを収縮させ、搭乗部プーリ３４のロックを解除する。この状態が図２に図示されている。搭乗部プーリ３４をロックするのに、ロック穴３４ａとロックピン３７ａ以外の構成を用いることもできる。例えば、クラッチ等の機構によって搭乗部プーリ３４をロックすることもできる。
上腿１６の下部には、上腿プーリ３６が回転自由に取付けられている。搭乗部プーリ３４と上腿プーリ３６には、ベルト３５が架け渡されている。
搭乗部プーリ３４と上腿プーリ３６の呼び径（ベルト３５が接触する部位の経）は、同寸法に形成されている。このため、搭乗部プーリ３４と上腿プーリ３６の回転比は「１：１」になる。ここで、回転比とは、歯車同士あるいはプーリ同士の減／増速比を意味する。

上腿プーリ３６には、上腿歯車３９が固定されている。このため、上腿歯車３９は上腿プーリ３６とともに回転する。上腿歯車３９は、その軸が上腿プーリ３６と一致する位置に配置されている。
下腿１８の上部には、膝関節歯車４０が回転自由に取付けられている。膝関節歯車４０は、上腿歯車３９と噛み合わされているとともに、その軸は膝関節２４のｙ軸と一致する位置に配置されている。膝関節歯車４０は、上腿１６に回転自由に取付けてもよい。
膝関節歯車４０の下方の下腿１８には、下腿歯車４２が回転自由に取付けられている。下腿歯車４２は、膝関節歯車４０と噛み合わされている。
上腿歯車３９と膝関節歯車４０は、歯数が同数になるように形成されている。膝関節歯車４０と下腿歯車４２は、歯数が同数になるように形成されている。このため、上腿歯車３９と膝関節歯車４０、および膝関節歯車４０と下腿歯車４２の回転比は「１：１」になる。
下腿歯車４２には、下腿プーリ４３が固定されている。足平２０には、足平プーリ４５が固定されている。足平プーリ４５は、その軸が足首関節２６のｙ軸と一致する位置に配置されている。下腿プーリ４３と足平プーリ４５には、ベルト４４が架け渡されている。下腿プーリ４３と足平プーリ４５は、呼び径が同寸法に形成されている。このため、下腿プーリ４３と足平プーリ４５の回転比は「１：１」になる。
上述したように、搭乗部プーリ３４と上腿プーリ３６の回転比、上腿歯車３９と膝関節歯車４０の回転比、膝関節歯車４０と下腿歯車４２の回転比、下腿プーリ４３と足平プーリ３６の回転比は「１：１」に設定されている。従って、搭乗部プーリ３４と足平プーリ４５の回転比も「１：１」になる。

本ロボット１０は、歩行するときにはソレノイド２８に通電して搭乗部プーリ３４のロックを解除する。そして、転倒しそうになると、ソレノイド２８を非通電状態にして搭乗部プーリ３４をロックするとともに、関節モータ３０、３１、３２を非通電状態にする。ロボット１０が転倒しそうな状態とは、例えば、バッテリーの残量が少なくなって関節モータ３０、３１、３２の駆動制御ができなくなった場合、他の物体と接触した場合、予期しない突起や窪みを踏んだ場合等である。
本ロボット１０は、転倒しそうになった場合に、搭乗部８０の姿勢を歩行しているときと同じに維持しながら、搭乗部８０を降下させることができる。以下、搭乗部８０がどのようにして、姿勢を維持しながら降下するかについて、詳細に説明する。膝関節モータ３１と足首関節モータ３２が非通電状態にされると、それらはフリーに回転できるようになる。膝関節モータ３１と足首関節モータ３２がフリーに回転できるようになると、搭乗部８０の自重によって、下腿１８は足首関節２６のｙ軸回りに回転する。下腿１８と上腿１６は膝関節２４のｙ軸回りに回転する。上腿１６は股関節２２のｙ軸回りに回転する。搭乗部８０と搭乗部プーリ３４の位置関係は、搭乗部プーリ３４がロックされていることによって、そのまま維持される。
図５は、搭乗部８０が降下している途中の状態を図示している。本図では、下腿１８は、図３に示す状態から足首関節２６回りに角度θ時計方向に回転している。足平プーリ４５は、足平２０に固定されているので、下腿１８が足首関節２６回りに回転しても、そのままの回転位置に止まる。ベルト４４が下腿プーリ４３と足平プーリ４５に架け渡され、かつ下腿プーリ４３と足平プーリ３６の回転比が「１：１」なので、下腿１８が足首関節２６回りに回転すると、下腿プーリ４３は、下腿１８に対して反時計方向に角度θ回転する。下腿１８が足首関節２６回りに時計方向に角度θ回転しているので、下腿プーリ４３は、空間（接地面）に対して回転しない。下腿プーリ４３が空間に対して回転しないと、下腿プーリ４３に固定されている下腿歯車４２も空間に対して回転しない。

下腿歯車４２が空間に対して回転しないと、それと噛み合っている膝関節歯車４０も空間に対して回転しない。このため、膝関節歯車４０と噛み合っている上腿歯車３９も空間に対して回転しない。よって、上腿歯車３９に固定されている上腿プーリ３６も空間に対して回転しない。従って、ベルト３５によって上腿プーリ３６と接続されている搭乗部プーリ３も空間に対して回転しない。すなわち、足首関節２６と膝関節２４と股関節２２が回転して図３から図５の状態に移行しても、搭乗部プーリ３４のロック穴３４ａの位置は変化しない。ロック穴３４ａの位置が変化しないと、搭乗部プーリ３４にロックされている搭乗部８０の姿勢も変化しない。すると、搭乗部８０は水平な姿勢を維持しながら降下する。図６は、搭乗部８０が姿勢を維持して降下した状態を模式的に図示している。

プーリの代わりにスプロケットを用いることもできる。この場合には、ベルトに代えてチェインを用いる。
搭乗部プーリ３４と足平プーリ４５のそれぞれの代わりにギアを用い、それらギアの回転を複数のギアが伝達するように構成することもできる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

ロボットが立脚している状態の模式的側面図。 搭乗部と脚部の断面図。 図２のIII−III線矢視／断面図。 ロック機構の詳細図。 搭乗部が降下している状態の脚部の側面図。 搭乗部が降下した状態の模式的側面図。

符号の説明

１０：ロボット
１２：脚部
１４：脚リンク
１６：上腿
１８：下腿
２０：足平
２２：股関節
２４：膝関節
２６：足首関節
２８：ソレノイド、２８ａ：プランジャ
２９：ロック機構
３０：股関節モータ
３１：膝関節モータ
３２：足首関節モータ
３４：搭乗部プーリ、３４ａ：ロック穴
３５：ベルト
３６：上腿プーリ
３７：ロック部材、３７ａ：ロックピン
３８：スプリング
３９：上腿歯車
４０：膝関節歯車
４２：下腿歯車
４３：下腿プーリ
４４：ベルト
４５：足平プーリ
８０：搭乗部
８２：座席
８３：収容ボックス

Claims (3)

1. 足平部と、足平部に足首関節を介して接続されている下腿と、下腿に膝関節を介して接続されている上腿と、上腿に股関節を介して接続されている搭乗部を有し、モータによって足首関節と膝関節と股関節を駆動して歩行する搭乗型ロボットであり、
   足平部に相対回転不能に固定された足平部円板と、
   上腿に相対回転可能に取付けられた搭乗部円板と、
   帯束を介して足平部円板と搭乗部円板を連結して両者の相対回転を禁止する回転禁止機構と、
   搭乗部円板と搭乗部の相対回転を拘束するロック機構を備えており、
   転倒しそうなとき、ロック機構によって搭乗部円板と搭乗部の相対回転を禁止するとともに前記モータを非通電状態にすることを特徴とする搭乗型ロボット。
2. 前記回転禁止機構は、
   下腿に相対回転可能に取付けられた下腿円板と、
   足平部円板と下腿円板の間に架け渡されて両者の回転比を「１：１」に拘束する第１帯体と、
   上腿に相対回転可能に取付けられた上腿円板と、
   上腿円板と搭乗部円板の間に架け渡されて両者の回転比を「１：１」に拘束する第２帯体と、
   下腿円板と上腿円板に噛み合って両者の回転比を「１：１」に拘束する歯車を備えている請求項１の搭乗型ロボット。
3. 前記歯車が膝関節の回転軸と同軸に配置されており、前記足平部円板が足首関節の回転軸と同軸に配置されており、前記搭乗部円板が股関節の回転軸と同軸に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の搭乗型ロボット。

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