JP4175212B2 - 移動ロボットの脚部構造 - Google Patents

Description

本発明は、段差の乗り越え或いは階段の昇降を安定して行えるようにした移動ロボットの脚部構造に関するものである。

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、工場巡回等に種々の無人移動ロボットが提案されている。

ロボットの移動方法としては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。例えば蜘蛛足型の移動ロボットの各足に設けた車輪で走行し、階段等の段差は、足を適宜上げ下げして、昇降移動するようにしたものが特許文献１に示されている。
特開昭５９−１５２０８０号公報

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り、各脚部の重量が増加し、移動速度が低下するという問題がある。

また、人間と同様に２脚の構造とした場合には、機構は比較的簡単になるが、自由度は少なくなり、ロボット本体の重心を取ることが難しく、制御が非常に複雑になり、しかも移動の駆動装置の重量が増加し、駆動装置の簡略化或いは効率的な駆動装置の設計が難しいという問題がある。

本発明は、複数の脚を備えて移動する移動ロボットの脚部の駆動装置の構成を簡略化し、或いは、脚部の駆動装置の駆動力を有効に活用することによって駆動装置の小型化を図り、階段等を容易にしかも安定して昇降できるようにした移動ロボットの脚部構造を提供することにある。

本発明は、脚部に足首軸を介して足部を取り付けると共に該足部に車輪軸を介して車輪を取り付け、前記脚部に２つのアクチュエータを設置し、該２つのアクチュエータの回転方向の切替えにより車輪の回転と足部の回動を切替え得るようにした差動機構を備えており、該差動機構が、前記足首軸の軸中心に貫通配置した駆動軸と、該駆動軸に外嵌した駆動部と、該駆動部と前記車輪軸との間に設けた動力伝達部材と、前記駆動部に固定され前記一方のアクチュエータの回転軸に取り付けた駆動べベルギヤに噛合する第１べベルギヤと、前記駆動軸に固定され前記他方のアクチュエータの回転軸に取り付けた駆動べベルギヤに噛合する第２べベルギヤと、前記第１べベルギヤと第２べベルギヤに噛合し前記足部に枢支された中間べベルギヤとを有することを特徴とする移動ロボットの脚部構造、に係るものである。

本発明によれば、脚部に２つのアクチュエータを設置し、該２つのアクチュエータの回転方向の切替えによって車輪の回転と足部の回動とを切替えるようにした差動機構を構成したので、２つのアクチュエータを同方向に回転駆動すると、車輪を回転させて移動ロボットを走行させることができ、また、２つのアクチュエータを互いに反対の方向に回転駆動すると、車輪の回転は固定して足部を回動することができる。このように、車輪の回転を固定して足部を回動できるので、段部の乗り越えや階段の昇降を行う際に、移動ロボットの姿勢によって脚部に鉛直方向以外の傾いた方向から荷重が作用しても、車輪が回転することがないので、安定して荷重を支持することができ、移動ロボットの姿勢が安定して転倒するような問題を防止できる。更に、２つのアクチュエータの駆動力が、車輪の回転駆動又は足部の回動のために集中されることになるので、装置上の無駄がなく、しかもアクチュエータ自体は小型化できるので、脚部の重量を軽減でき、移動ロボットの設計が有利になる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図３は、本発明の脚部構造を適用する移動ロボットの一例を示したもので、図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は左側面図を示す。図３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。

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１７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。このボールネジ１７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。

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車輪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（アクチュエータ）より、傘歯車装置２４を介して中央駆動車輪２２，２２が正逆回転駆動されるようになっている。この車輪ケーシング２１には、中央駆動車輪２２，２２の回転を検出する中央駆動車輪回転検出センサＳ１，Ｓ１が設けられる。

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。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。

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。

側脚板２７の下部のブラケット３３に、側部駆動車輪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（アクチュエータ）により、傘歯車装置３６を介して側部駆動車輪３４が正逆転駆動されるようになっており、この側部駆動車輪３４の回転がブラケット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。

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Ｓｌ〜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Ｓｌ〜Ｓ５に基づいて、制御装置が、中央駆動車輪２２を正逆回転する中央走行駆動モータ２３，２３と、側部駆動車輪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。

図３に示した移動ロボットでは、図４に示す如く、脚１１と側脚１３とを開いて３点支持の状態にして車輪２２，３４を回転駆動することで走行を行うことができる。また、減速機１２により中央脚１１に対する側脚１３の開閉作動と、中央脚１１の伸縮と、側脚１３の伸縮とを組み合わせることによって、松葉杖を用いた歩行のようにして段部の乗り越え、及び階段の昇降を行うことができる。

一方、図３に示した移動ロボットでは、前記各脚１１，１３からなる脚部の下端の移動方向の前後に一個の車輪２２，３４を設けた構成であるため、充分な安定性が得られない場合があり、従って安定性を保持するためには、図５、図６に示す如く脚部１１，１３の下端に足首軸３７によって回転できる足部３８を設け、該足部３８の回動方向前後に複数の車輪３９ａ，３９ｂを設けることが有効である。

図５、図６では、前記脚１１，１３からなる脚部の下端に足首軸３７を介して足部３８を回動可能に取り付け、該足部３８の回動方向前後に車輪軸４０を介して２個の車輪３９ａ，３９ｂを取り付けている。２個の車輪３９ａ，３９ｂの車輪軸４０間はベルト或いはチェーン等の動力伝達部材４０ａにより連結している。前記脚部１１，１３にはアクチュエータ４１を設け、該アクチュエータ４１の回転軸４２に備えた足部駆動べベルギヤ４３と噛合する従動べベルギヤ４４を前記足首軸３７に設けている。更に、前記足部３８にはアクチュエータ４５を設け、該アクチュエータ４５の回転軸４６に備えた車輪駆動べベルギヤ４７に噛合する従動べベルギヤ４８を前記車輪軸４０に設けている。

図５、図６の構成によれば、足部３８の回動を駆動するアクチュエータ４１と、車輪３９ａ，３９ｂの回転を駆動するアクチュエータ４５を設けているので、足部３８の回動と、車輪３９ａ，３９ｂの回転駆動が別個にできるが、一方のアクチュエータが作動する時には他方のアクチュエータは休止しており、よって上記構成では重量が増加し、軽量化が要求される移動ロボットでは不利となる。

一方、図７、図８では、脚部１１，１３の下端に、左右に設けた足首軸４９を介して足部３８を回動可能に取り付け、更に、該足部３８の回動方向前後に車輪軸４０により２個の車輪３９ａ，３９ｂを取り付ける。更に、前記左右の足首軸４９には、該足首軸４９の軸中心を貫通して回転可能に支持された駆動軸５０を設け、該駆動軸５０と前記車輪軸４０との間をベルト或いはチェーン等の動力伝達部材５１により連結している。更に、前記脚部１１，１３に１つのアクチュエータ５２を設け、該アクチュエータ５２の回転軸５３に備えた駆動べベルギヤ５４と噛合する従動べベルギヤ５５を前記駆動軸５０に設けている。

図７、図８の構成によれば、前記アクチュエータ５２の駆動によって車輪３９ａ，３９ｂの回転が駆動され、一方、足部３８は、移動ロボットの重量によって図８に示すように車輪３９ａ，３９ｂが地面に接するように自動的に回動されることによって姿勢が保持される。

図７、図８の構成では、走行する場合には問題が無いが、歩行する場合に地面から離れた足部３８を回動させて向きを変えようとしたときに、車輪３９ａ，３９ｂが回転してしまって足部３８の向きが調整できない場合がある。また、階段の昇降時に移動ロボットの姿勢によって脚に鉛直方向以外の傾いた方向から荷重が作用したときに、アクチュエータ５２の駆動を停止していても車輪３９ａ，３９ｂが回転されてしまうことによって移動ロボットが不安定となり転倒する可能性がある。

図１は、前記図７に示した移動ロボットの脚部における課題を解決するようにした本発明の脚部構造の一例を示す切断正面図、図２は図１の左側面図である。

図１、図２では、脚部１１，１３に２つのアクチュエータ６１ａ，６１ｂを設置し、該２つのアクチュエータ６１ａ，６１ｂの回転方向の切替えによって車輪３９ａ，３９ｂの回転と足部３８の回動とが切替えられるようにした差動機構６２を構成している。

この差動機構６２は、前記足首軸４９の軸中心に貫通配置した駆動軸５０と、該駆動軸５０に外嵌した駆動部６３と、該駆動部６３と前記車輪軸４０との間に設けた動力伝達部材５１と、前記駆動部６３に固定して前記一方のアクチュエータ６１ａの回転軸６４ａに取り付けた駆動べベルギヤ６５ａに噛合する第１べベルギヤ６６ａと、前記駆動軸５０に固定して前記他方のアクチュエータ６１ｂの回転軸６４ｂに取り付けた駆動べベルギヤ６５ｂに噛合する第２べベルギヤ６６ｂと、前記第１べベルギヤ６６ａと第２べベルギヤ６６ｂに噛合し前記足部３８に軸受６７にて枢支された中間べベルギヤ６８とから構成されている。

図１、図２に示した構成によれば、脚部に２つのアクチュエータ６１ａ，６１ｂを設置し、該２つのアクチュエータ６１ａ，６１ｂの回転方向の切替えによって車輪３９ａ，３９ｂの回転と足部３８の回動とを切替えるようにした差動機構６２を構成しているので、２つのアクチュエータ６１ａ，６１ｂを同方向に回転駆動すると、中間べベルギヤ６８は回転され、且つ第１べベルギヤ６５ａによって駆動部６３が回転し、動力伝達部材５１を介して車輪３９ａ，３９ｂが回転される。従ってこの状態で移動ロボットは走行することができる。

また、２つのアクチュエータ６１ａ，６１ｂを互いに反対の方向に回転駆動すると、中間べベルギヤ６８は回転が固定され、足部３８が足首軸４９を中心に回動される。このように、足部３８を足首軸４９を中心に回動させるときには車輪３９ａ，３９ｂの回転は固定されるので、段部の乗り越えや階段の昇降を行う際に、移動ロボットの姿勢によって脚部１１，１３に鉛直方向以外の傾いた方向から荷重が作用しても、車輪３９ａ，３９ｂが回転することがないので、安定して荷重を支持することができて移動ロボットが転倒するような問題を防止できる。

更に、２つのアクチュエータ６１ａ，６１ｂの駆動力が、車輪３９ａ，３９ｂの回転駆動又は足部３８の回動のために集中されることになるので、装置上の無駄がなく、しかもアクチュエータ６１ａ，６１ｂ自体を小型化できるので、脚部１１，１３の重量を軽減でき、移動ロボットの設計が有利になる。

なお、本発明の移動ロボットの脚部構造は、図３に示した構造の移動ロボット以外にも複数の脚部を備えて移動するようにした種々の移動ロボットの脚部に適用できること、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

移動ロボットの脚部に適用した本発明の脚部構造の一例を示す切断正面である。 図１の左側面図である。 （ａ）は本発明の脚部構造を適用する移動ロボットの一例を示す正面図、（ｂ）は（ａ）の左側面図である。 図３の移動ロボットの作動説明図である。 脚部の下端に車輪を備えた足部を回動可能に取り付け、足部の回動と車輪の回転を独立したアクチュエータで駆動する例を示した切断正面図である。 図５の左側面図である。 足部の回動と車輪の回転を１つのアクチュエータで駆動する例を示した切断正面図である。 図７の左側面図である。

符号の説明

１１ 中央脚（脚部）
１３ 側脚（脚部）
３８ 足部
３９ａ，３９ｂ 車輪
４０ 車輪軸
４９ 足首軸
５０ 駆動軸
５１ 動力伝達部材
６１ａ，６１ｂ アクチュエータ
６２ 差動機構
６３ 駆動部
６４ａ 回転軸
６４ｂ 回転軸
６５ａ 駆動ベベルギヤ
６５ｂ 駆動ベベルギヤ
６６ａ 第１ベベルギヤ
６６ｂ 第２ベベルギヤ
６８ 中間ベベルギヤ

Claims (1)

1. 脚部に足首軸を介して足部を取り付けると共に該足部に車輪軸を介して車輪を取り付け、前記脚部に２つのアクチュエータを設置し、該２つのアクチュエータの回転方向の切替えにより車輪の回転と足部の回動を切替え得るようにした差動機構を備えており、該差動機構が、前記足首軸の軸中心に貫通配置した駆動軸と、該駆動軸に外嵌した駆動部と、該駆動部と前記車輪軸との間に設けた動力伝達部材と、前記駆動部に固定され前記一方のアクチュエータの回転軸に取り付けた駆動べベルギヤに噛合する第１べベルギヤと、前記駆動軸に固定され前記他方のアクチュエータの回転軸に取り付けた駆動べベルギヤに噛合する第２べベルギヤと、前記第１べベルギヤと第２べベルギヤに噛合し前記足部に枢支された中間べベルギヤとを有することを特徴とする移動ロボットの脚部構造。

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