JP4258456B2

JP4258456B2 - ロボット

Info

Publication number: JP4258456B2
Application number: JP2004266487A
Authority: JP
Inventors: 敬介菅
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2024-09-14
Also published as: JP2006082142A

Description

本発明は、ロボットに関するものである。詳しくは、２足歩行する人型のロボットに関するものである。

一対の脚リンクで歩行する人型のロボットが知られている。脚リンクは、上腿と、上腿に膝関節を介して接続された下腿と、下腿に足首関節を介して接続された足平を有している。
特許文献１には、人型のロボットを高速で移動させる技術が記載されている。このロボットは、膝関節に設けられた従動転動体と、足平に設けられた駆動転動体を備えている。従動転動体と駆動転動体は、膝関節が折り曲げられたときに接地する。駆動転動体は、足平に配された走行駆動部に駆動されて回転する。従動転動体は、自由に回転することができる。駆動転動体が回転すると、ロボットは走行する。従動転動体は、ロボットの走行にともなって回転する。ロボットは、走行することによって高速で移動できる。

特開平５−２８５８６４号公報

特許文献１に記載のロボットは、駆動転動体と走行駆動部が足平に設けられている。従って、脚リンクの先端部分が重くなる。脚リンクの先端部分が重くなると、脚リンクの慣性モーメントが大きくなる。ロボットが歩行するときには、脚リンクは加減速を繰り返す。このため、脚リンクの慣性モーメントが大きいと、ロボットの歩行安定性が低下してしまう。
本発明は、その問題を解決するためになされたものであり、安定して歩行することができる走行可能なロボットを提供することを課題とする。

本発明のロボットは、上腿と、上腿に膝関節を介して接続された下腿と、下腿に足首関節を介して接続された足平を有する脚リンクを一対備え、その一対の脚リンクで歩行する人型のものである。そして、膝関節近傍に設けられ、ロボットが膝を折り曲げたときに接地する膝車輪と、膝車輪を駆動する装置を備えている。
このロボットは、駆動装置によって駆動される膝車輪が膝関節近傍に設けられている。このため、脚リンクの慣性モーメントが小さくなり、ロボットは安定して歩行することができる。

上記のロボットにおいて、駆動装置は、膝車輪の駆動と膝関節の駆動に兼用されることが好ましい。
このように構成すると、膝車輪用の駆動装置と、膝関節用の駆動装置を別々に設ける必要がない。

上記のロボットは、足平に設けられ、膝車輪とともに接地する自由回転可能な足平車輪を備える。
このロボットのように、膝車輪とともに接地する自由回転可能な足平車輪を備えていると、走行安定性が向上する。

上記のロボットにおいて、足首関節はピッチ軸とロール軸の２つの回転軸を有しており、足平車輪のキャスター角度が可変である。そして、上記のロボットは、足平車輪が接地しているときに、足平車輪を旋回させるときにはトレール値をゼロとし、旋回が終了したらトレール値が付与されるように足首関節を制御する。
足平車輪のキャスター角度が可変であると、小さい操舵力で足平車輪の舵角を変化させることができるとともに、走行時の直進安定性を確保することができる。

上記のロボットにおいて、膝車輪が接地した状態で、人間が立つことが可能な部位が下腿に設けられていることが好ましい。
このロボットは、人間が立って搭乗することができる。

上記のロボットにおいて、膝車輪が接地した状態で、人間が座ることが可能な部位が胴体に設けられていることが好ましい。
このロボットは、人間が座って搭乗することができる。

上記のロボットにおいて、胴体に人間が把持する取っ手が設けられていることが好ましい。
取っ手を人間が把持すると、ロボットに搭乗している人間の姿勢が安定する。

上記のロボットにおいて、胴体にロボット操縦用の装置が設けられていることが好ましい。
操縦装置が設けられていると、人間がロボットを操縦することができる。

後述する実施例の主要な特徴を記載する。
（１）ロボットは２足歩行する人型であり、左脚、右脚、胴体、左腕、右腕、頭を備えている。左脚と右脚は、それぞれ上腿、膝関節、下腿、足首関節、足平を有している。
（２）膝関節は、膝車輪、駆動部、駆動切替部を備えている。駆動切替部は、駆動部が膝車輪を駆動する場合と、駆動部が膝関節を駆動する場合とを切替える。足平の爪先には、自由回転可能な足平車輪が装着されている。足平車輪は、ロボットが歩行するときには、接地しない位置に配されている。
（３）ロボットは、左脚と右脚の膝関節を折り曲げることによって、膝車輪と足平車輪の計４輪を地面に接地させる。駆動部が膝車輪を回転駆動すると、ロボットは走行する。ロボットの走行にともなって、足平車輪も回転する。

本発明のロボットに係る一実施例について、図面を参照しながら説明する。
図１、図２に示すように、ロボット１０は２足歩行する人型であり、左脚１２、右脚１４、胴体１５、左腕１６、右腕１７、頭１８を備えている。なお、以下においては、ｘ、ｙ、ｚ軸からなる座標系を設定して説明を進める。ｘ軸（ロール軸）は、ロボット１０の前後方向に延びている。ｙ軸（ピッチ軸）は、ロボット１０の左右方向に延びている。ｚ軸（ヨー軸）は、ロボット１０の上下方向に延びている。左脚１２は、左上腿２０、左膝関節２１、左下腿２２、左足首関節２３、左足平２４を有している。左上腿２０は、左股関節２７を介して胴体１５と接続されている。左股関節２７は、駆動機構（図示省略）に駆動されて、ｘ、ｙ、ｚ軸回りの関節角を変化させる。図３に良く示すように、左下腿２２は、左膝関節２１を介して左上腿２０と接続されている。左膝関節２１は、ｙ軸回りの関節角を変化させる。左膝関節２１は、回転軸がｙ軸方向に延びる左膝車輪２５を有している（左膝関節２１については、後述にて詳細に説明する）。
図１、図２に示すように、左足平２４は、左足首関節２３を介して左下腿２２と接続されている。左足首関節２３は、駆動機構（図示省略）に駆動されて、ｘ、ｙ軸回りの関節角を変化させる。左足平２４の爪先３０には、回転軸がｙ軸方向に延びるとともに自由回転可能な左足平車輪２６が装着されている。左足平車輪２６は、ロボット１０が歩行するときには、接地しない位置に配されている。
右脚１４は、右上腿３１、右膝関節３２、右下腿３３、右足首関節３４、右足平３５を備えている。右上腿３１は、右股関節３８を介して胴体１５と接続されている。右膝関節３２は、右膝車輪４０を有している。右足平３５の爪先には、右足平車輪３７が装着されている。右脚１４は、左脚１２と同構成、かつ対称な形状を有している。従って、以下においては、左脚１２と右脚１４の説明は、左脚１２で代表して行うこととし、必要がない限り左右の区別は省略する。例えば、「左膝関節２１」を「膝関節２１」と記載する。

図４に示すように、膝関節２１は、ベアリング４１、４２、４３、膝車輪２５、駆動部４４、駆動切替部４５を備えている。下腿２２は、ベアリング４１、４２によって、上腿２０に回転可能に取り付けられている。膝車輪２５は、ベアリング４３によって、上腿２０に回転可能に取り付けられている。駆動部４４は、電動のモータ５９と、減速機４６を有している。モータ５９は、コントローラ（図示省略）に制御されて回転する。モータ５９のシャフト４７は、減速機４６と連結されている。減速機４６は、複数のギアを内蔵しており、モータ５９の回転数を減速して、シャフト４８から出力する。
駆動切替部４５は、ソレノイド４９、ロック部材５０、スライド部材５１、下腿２２に形成されたアーム部５２を有している。ソレノイド４９は、コントローラに制御されてプランジャ５３を伸縮させる。ロック部材５０は、ソレノイド４９のプランジャ５３とスライド部材５１との間に介装されている。ロック部材５０には、掛止部５４が形成されている。ロック部材５０は、上腿２０に形成された案内部（図示省略）に案内されて、ｙ軸方向にのみスライドすることができる。

スライド部材５１は、減速機４６のシャフト４８に沿って、図４に示されている位置と、図９に示されている位置との間をスライドすることができる。まず、スライド部材５１が図４に示す位置に配されている場合について説明する。図５に示すように、スライド部材５１は略円筒状に形成されている。スライド部材５１の外周部には、ｙ軸方向に延びるスプライン５５が形成されている。アーム部５２には、スライド部材５１のスプライン５５に対応した形状のスプライン５６が形成されている。従って、スライド部材５１とアーム部５２は、スプライン５５とスプライン５６が嵌合することによって、相対回転不能な状態とされている。
図５に示すように、アーム部５２には、凹部６０が形成されている。なお、図５に示す位置にアーム部材５２が配された場合には、図４の断面では、正しくは凹部６０が図示されないが、説明の便宜上、それを図示している。
減速機４６のシャフト４８は、スライド部材５１を貫通している。シャフト４８には、ｙ軸方向に延びるキー５７が形成されている。スライド部材５１の内周部には、シャフト４８のキー５７に対応した形状のキー溝５８が形成されている。すなわち、シャフト４８とスライド部材５１は、キー５７とキー溝５８によって嵌合しており、シャフト４８が回転すると、スライド部材５１も回転する。スライド部材５１は、シャフト４８の軸方向にスライドすることができる。
このように構成されているので、モータ５９が正転と逆転を繰り返すと、膝関節２１は揺動回転する。股関節２７、３８と、膝関節２１、３４と、足首関節２３、３４がコントローラによって統合的に制御されて揺動回転することで、ロボット１０は歩行する。

図４に示すように、膝車輪２５は、略円板状のホイール６１と、ホイール６１の外周部に装着された弾性体であるタイヤ６２を有している。ホイール６１の中心部には、貫通孔６３が設けられている。貫通孔６３の内周部には、スライド部材５１のスプライン５５と対応した形状のスプライン６４が形成されている（図４では、スプライン６４の溝の図示を省略している。同様に、後述する図９でも、アーム部５２に形成されたスプライン５６の溝の図示を省略している）。

図６、図７に示すように、ロボット１０は、脚１２、１４の膝関節２１、３２を折り曲げることによって、膝車輪２５、４０と足平車輪２６、３７を地面６５に接地させることができる。
図８は、膝車輪２５が接地したときのアーム部５２を示している。この状態では、アーム部５２の凹部６０は、図５に示す状態から時計方向に回転して、シャフト４８の上方であるとともに、ロック部材５０の掛止部５４と対向する位置に配される。ソレノイド４９が駆動され、プランジャ５３が伸長すると、ロック部材５０の掛止部５４がアーム部５２の凹部６０に入り込む。掛止部５４が凹部６０に入り込むと、膝関節２１はロックされ、ｙ軸回りに回転できなくなる。
また、プランジャ５３が伸長すると、ロック部材５０がスライド部材５１を押し、スライド部材５１を膝車輪２５側にスライドさせる。スライド部材５１がスライドすると、スライド部材５１のスプライン５５と、アーム部５２のスプライン５６との嵌合が解除される。そして、図９に示すように、スライド部材５１のスプライン５５と膝車輪２５のホイール６１のスプライン６４が嵌合する。上述したように、減速機４６のシャフト４８が回転すると、それと嵌合しているスライド部材５１も回転する。よって、モータ５９が回転すると、膝車輪２５が回転する。

左膝車輪２５と同様に、右膝車輪４０もモータに駆動されて回転する。膝車輪２５、４０が回転駆動されると、ロボット１０は走行する。ロボット１０の走行にともなって、足平車輪２６、３７も回転する。膝車輪２５、４０を駆動するモータの回転方向を変化させることにより、ロボット１０を前進させたり後進させたりすることができる。
左膝車輪２５と右膝車輪４０の回転数を異ならせると、ロボット１０を旋回させることができる。例えば、左膝車輪２５よりも右膝車輪４０の回転数を速くすると、ロボット１０は左旋回する。この場合、図１０に示すように、足首関節２３、３４がｚ軸回りに自由に回転できるようにすることが好ましい。このようにしておくと、ロボット１０が旋回するときに、足平車輪２６、３７の車輪中心面が旋回方向に沿うように足平２４、３５がｚ軸回りに回転し、旋回をスムーズに行うことができる。
足首関節２３、３４を駆動して、足平車輪２６、３７を操舵することもできる。具体的には、足首関節２３、３４を駆動して足平車輪２６、３７の車輪中心面が旋回方向に向くように足平２４、３５をｚ軸回りに回転させる。このようにすると、ロボット１０はより安定して旋回することができる。
脚１２、１４は、一歩毎に加減速を繰り返す。このため、脚１２、１４の慣性モーメントが大きいと、歩行安定性が低下してしまう。本実施例のロボット１０は、膝関節２１、３２に駆動部が設けられている。このため、足平２４、３５に駆動輪を装着し、足平２４、３５に駆動部を設ける場合に比べて、脚１２、１４の慣性モーメントを小さくすることができる。よって、歩行安定性に優れている。また、脚１２、１４の慣性モーメントが小さいので、股関節２７、３８や膝関節２１、３２の駆動負荷を小さくすることもできる。

図１１に示すように、足首関節２３、２４をｙ軸回りに回転し、足平車輪２６、３７にキャスター角度αを持たせることもできる（足平車輪２６，３７にトレール値βを持たせる）。足平車輪２６、３７にキャスター角度αを持たせると、ロボット１０が走行するときの直進安定性が向上する。
足首関節２３、２４を駆動して足平車輪２６、３７を操舵する場合には、足平車輪２６、３７がキャスター角度を持たない状態（図１０の状態）で行うことが好ましい。足平車輪２６、３７がキャスター角度を持たない状態では、小さい操舵力で足平車輪２６、３７の舵角を変化させることができるからである。従って、足平車輪２６、３７がキャスター角度を持たない状態で操舵して旋回し、旋回が終了したら足平車輪２６、３７がキャスター角度を持つ状態（図１１の状態）として直進安定性を確保するのが効果的である。
図１２に示すように、足平車輪２６、３７を接地させずに、膝車輪２５、４０の２輪のみでロボット１０を走行させることもできる。膝車輪２５、４０の２輪のみで走行すると、傾斜地を走行しやすくなるとともに、機動性も向上する。
図１３に示すように、左腕１６の左掌７０に自由回転可能な左掌車輪７１を設けることもできる。右腕１７の右掌にも、同様に右掌車輪を設ける。このように構成すると、ロボット１０は、左掌車輪７１、右掌車輪、膝車輪２５、４０、足平車輪２６、３７の計６輪で走行することになるので、走行安定性がより向上する。

図１４に示すように、ロボット１０の下腿２２の脹ら脛部分に、人間７３が立つことができる足載台７２を設けることもできる。足載台７２を設けると、人間７３は立った状態でロボット１０に搭乗することができる。この場合、足平車輪２６、３７を設けなくてもよい。膝車輪２５、４０の２輪で走行するロボット１０でも、前後のバランスを適切に制御することにより、足載台７２に人間を立たせた状態で走行することができる。
また、図１５に示すように、ロボット１０の肩部８３に取っ手８２と操縦装置８１を設けてもよい。取っ手８２は、人間７３が握るためのものである。人間７３が取っ手８２を握ることにより、ロボット１０が走行しているときの人間７３の姿勢が安定する。
操縦装置８１は、人間７３が走行するロボット１０を操縦するためのものであり、コントローラと接続されている。操縦装置８１には、例えば、ジョイスティックや、ハンドルや、ボタンや、タッチパネルを用いることができる。操縦装置８１がジョイスティックの場合、操縦装置８１を前方に倒すと、ロボット１０は前進する。操縦装置８１を後方に倒すと、ロボット１０は後進する。操縦装置８１を前方、かつ右方に倒すと、ロボット１０は前進しながら右に曲がる。

図１６に示すように、左掌車輪７０、右掌車輪、膝車輪２５、４０、足平車輪２６、３７の６輪で走行するロボット１０の胴体１５に、人間７３が座る座面７４を設けることもできる。座面７４を設けると、人間７３は座った状態でロボット１０に搭乗することができる。胴体１５に座面７４を設ける場合、左掌車輪７１と右掌車輪を必ずしも備えなくても良い。車輪２５、４０、足平車輪２６、３７の４輪で走行するロボット１０でも、胴体を前屈みにすることによって、座面７４に人間を座らせることができる。この形態の場合にも、ロボット１０に取っ手と操縦装置を備えることが好ましい。取っ手と操縦装置は、例えば、胴体１５の腰部に設ける。
掌車輪、膝車輪、足平車輪の代わりに、他の転動体（例えば、ローラや球体）を採用することもできる。

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。

ロボットの正面図。ロボットの側面図。膝関節の詳細側面図。図３のIV−IV線断面図。図４のV−V線断面図。４車輪走行姿勢をとったロボットの側面図。４車輪走行姿勢をとったロボットの正面図。アーム部の側面図。膝関節の断面図。足平車輪の動きを説明する図。同上。２輪走行姿勢をとったロボットの側面図。６輪走行姿勢をとったロボットの側面図。ロボットに人間が搭乗した状態の側面図。ロボットに人間が搭乗した状態の正面図。ロボットに人間が搭乗した状態の側面図。

符号の説明

１０：ロボット
１２：左脚
１４：右脚
１５：胴体
１６：左腕
１７：右腕
１８：頭
２０：左上腿
２１：左膝関節
２２：左下腿
２３：左足首関節
２４：左足平
２５：左膝車輪
２６：左足平車輪
２７：左股関節
３０：爪先
３１：右上腿
３２：右膝関節
３３：右下腿
３４：右足首関節
３５：右足平
３７：右足平車輪
３８：右股関節
４０：右膝車輪
４１、４２、４３：ベアリング
４４：駆動部
４５：駆動切替部
４６：減速機
４７、４８：シャフト
４９：ソレノイド
５０：ロック部材
５１：スライド部材
５２：アーム部
５３：プランジャ
５４：掛止部
５５、５６：スプライン
５７：キー
５８：キー溝
５９：モータ
６０：凹部
６１：ホイール
６２：タイヤ
６３：貫通孔
６４：スプライン
６５：地面
７０：左掌
７１：左掌車輪
７２：足載台
７３：人間
７４：座面
８１：操縦装置
８２：取っ手
８３：肩部

Claims

上腿と、上腿に膝関節を介して接続された下腿と、下腿に足首関節を介して接続された足平を有する脚リンクを一対備え、その一対の脚リンクで歩行する人型のロボットであって、
膝関節近傍に設けられ、ロボットが膝を折り曲げたときに接地する膝車輪と、
膝車輪を駆動する装置と、
足平に設けられ、膝車輪とともに接地する自由回転可能な足平車輪と、
を備えており、
足首関節は、ピッチ軸とロール軸の２つの回転軸を有しており、
足平車輪が接地しているときに、足平車輪を旋回させるときにはトレール値をゼロとし、旋回が終了したらトレール値が付与されるように足首関節を制御することを特徴とするロボット。
駆動装置は、膝車輪の駆動と膝関節の駆動に兼用されることを特徴とする請求項１に記載のロボット。
膝車輪が接地した状態で、人間が立つことが可能な部位が下腿に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のロボット。
膝車輪が接地した状態で、人間が座ることが可能な部位が胴体に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のロボット。
胴体に人間が把持する取っ手が設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載のロボット。
胴体にロボット操縦用の装置が設けられていることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のロボット。