JP4549627B2 - 二足歩行ロボット - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、二足歩行ロボットに関する。
背景技術
本願出願人等により近年実用化が図られている二足歩行ロボットは、基本的には人型のロボットであり、人間と同様に上体（胴体）の下端部の腰部から二本の脚体を延設すると共に、上体の左右両側部の肩部から二本の腕体を延設し、さらに、上体の上端部に、ロボットの視覚用の撮像装置を備えた頭部を搭載したものが一般的に知られている。
この種のロボットでは、脚体や腕体等の動作を行うための動作用電源は、外部からケーブルを介してロボットに供給するようにするものもあるが、このようなものでは、ロボットの可動範囲等が制限を受け易いと共に、ケーブルの取り回しが煩雑なものとなる。このため、ロボット自身にその動作用電源としてのバッテリ等の蓄電装置を搭載することが望ましい。
ところが、このようにロボットの動作用電源としての蓄電装置をロボット自身に搭載する場合、ロボットの継続的な可動時間を十分に確保するために、比較的大きな容量の蓄電装置を必要とし、該蓄電装置は比較的大型で重量の重いものとなる。また、二足歩行ロボットは、多数の脚体を有するロボット等に比して、本来的に外乱等の影響を受けたときに姿勢の安定性が損なわれやすい。
このため、大型で重量のある蓄電装置を二足歩行ロボットのどのような箇所にどのようなレイアウトで搭載するかは、該ロボットの歩行時や作業時の姿勢の安定性を確保する上で重要な課題となっていた。
本発明はこのような背景に鑑みてなされたものであり、ロボットの歩行時や作業時の姿勢の安定性を容易に確保することが可能となる蓄電装置の搭載構造を有する二足歩行ロボットを提供することを目的とする。
発明の開示
かかる目的を達成するための本発明の二足歩行ロボットは二つの態様がある。その第１の態様は、ロボットの動作用電源としての蓄電装置を備えた二足歩行ロボットにおいて、前記蓄電装置は、その重心点が前記ロボットから前記蓄電装置を除去して該ロボットを直立状態とした場合における該ロボットの重心点よりも上方側の位置に存するように該ロボットの上体に搭載されていることを特徴とするものである。
すなわち、二足歩行ロボットでは、例えば本願出願人が特開平５−３３７８４９号公報もしくは米国特許５４５９６５９に開示しているような倒立振子型動力学モデルに基づきロボットの姿勢安定化制御を行うことが一般に行われる。この姿勢安定化制御は、ロボットの上体位置の摂動分の挙動特性を倒立振子の挙動特性により擬似表現してロボットの足首周りのトルク制御を行うものである。そして、この種の姿勢安定化制御を行うロボットでは、ロボットの全体の重心がより低い位置（ロボットの足平が接地する床面により近い高さ位置）にある場合よりも、該重心がより高い位置にある方がロボットの姿勢の安定性を確保しやすい。
そこで、本発明の第１の態様では、上記のように蓄電装置の重心点が、ロボットから蓄電装置を除去して該ロボットを直立状態とした場合における該ロボットの重心点よりも上方側の位置になるように蓄電装置をロボットの上体に搭載する。ここで、該上体は、詳しくはロボットの脚体や腕体が延設されるロボットの胴体（ボディ）である。
これにより、蓄電装置を含めたロボットの重心が、ロボットのより高い高さ位置に存することとなり、ロボットの歩行時や作業時の姿勢の安定性を高めることができる。
尚、本発明の第１の態様は、上記の如く、倒立振子型動力学モデルに基づく姿勢安定化制御が行われる二足歩行ロボットにおいて最適である。
また、本発明の二足歩行ロボットの第２の態様は、ロボットの動作用電源としての蓄電装置と、該ロボットの上体の肩部から延設された腕体とを備えた二足歩行ロボットにおいて、前記蓄電装置は、その重心点が前記ロボットから前記蓄電装置を除去して該ロボットを直立状態とした場合における該ロボットの重心点よりも該ロボットの前後方向の後方側の位置に存するように該ロボットの上体に搭載されていると共に、前記腕体を連結した前記ロボットの上体の肩部は、該ロボットから前記蓄電装置を除去して該ロボットを直立状態とした場合における該ロボットの重心点よりも該ロボットの前後方向の前方側の位置に設けられていることを特徴とするものである。
尚、本明細書においてロボットの前後方向は、ロボットの直立状態においてロボットの二本の脚体が並列する方向（ロボットの左右方向）と上下方向（鉛直方向）とに直行する方向を意味する。
かかる本発明の第２の態様によれば、ロボットの腕体が連結されたロボットの上体の肩部は、ロボットの前面寄りに存することとなるため、ロボットの前方に腕体を伸ばすことで、ロボットの前方側の比較的遠い箇所の物体を把持する等の作業を行うことが可能となる。このとき、ロボットの腕体を前方に伸ばすことで、前記蓄電装置を除いたロボットの重心は、ロボットの前方側に比較的大きく移動することとなるが、重量物である前記蓄電装置は、ロボットの後方側（背面側）に存する。このため、該蓄電装置を含めたロボットの全体の重心は、ロボットの前方側に大きく移動するようなことはない。この結果、ロボットの腕体を前方に伸ばして作業をするような場合でも、ロボットの姿勢の安定性を容易に確保することが可能となる。つまり、本発明の第２の態様によれば、ロボットの前方側の比較的遠い箇所での腕体による作業を行いながらロボットの姿勢の安定性を容易に確保することが可能となる。
かかる本発明の第２の態様では、前記第１の態様の場合と同様に前記蓄電装置は、その重心点が前記ロボットから前記蓄電装置を除去して該ロボットを直立状態とした場合における該ロボットの重心点よりも上方側の位置に存するように該ロボットの上体に搭載されていることが好適である。
これにより、前記第１の態様に関して説明した如く、ロボットの歩行時や作業時の姿勢の安定性を高めることができる。
また、本発明の第２の態様において、前記ロボットが、該ロボットの上体の上側に存して該上体の上端に支持された撮像装置を備えている場合には、該撮像装置とロボットの上体との連結部は、前記蓄電装置を除去して該ロボットを直立状態とした場合における該ロボットの重心点よりも該ロボットの前後方向の前方側の位置に設けられていることが好適である。
これによれば、前記撮像装置と腕体とがロボットの前面寄りに存することとなるため、該撮像装置及び腕体と、ロボットの背面側の蓄電装置との重量がバランスしやすくなり、その結果、ロボットの姿勢の安定性の確保がより容易になる。
かかる本発明の第１及び第２の態様では、前記蓄電装置を搭載すべく前記ロボットの上体に設けられた蓄電装置搭載部が、そのロボットの直立状態における上端部に開口を有しており、前記蓄電装置は、該開口を介して該蓄電装置搭載部に挿脱可能に搭載されていることが好ましい。
これによれば、ロボットが比較的小さいような場合に、蓄電装置のメンテナンス等の際に、該蓄電装置を前記蓄電装置搭載部の上方から前記開口を介して挿脱することができるため、該蓄電装置の脱着作業が容易になる。また、例えばロボットをしゃがませた状態で、蓄電装置の脱着作業を行うことが可能となるため、ロボットの安定な姿勢を保ちつつ、該蓄電装置の脱着作業を行うことも可能となる。また、蓄電装置搭載部がその上端部に開口を有することで、ロボットが種々様々な姿勢で作業等を行っても、蓄電装置が蓄電装置搭載部から脱落するような虞れを確実に回避できる。特に、蓄電装置がロボットの上部の箇所に搭載されることとなる本発明の第１の態様では、蓄電装置搭載部の開口の蓋の故障等により万が一、蓄電装置が脱落して落下すると、該蓄電装置の損傷等を生じ易いものの、このような不都合を防止することができる。
この場合、前記ロボットの直立状態における前記蓄電装置搭載部の下端部には、該蓄電装置搭載部に前記蓄電装置を搭載した状態で該蓄電装置の給電端子部に着脱自在に接続する受電端子部が設けられていることが好適である。
これによれば、蓄電装置を蓄電装置搭載部に挿入・搭載することで、蓄電装置の給電端子部をロボットの上体側の受電端子部に接続することができると共に、該蓄電装置の自重によって、両端子部の接続を確実なものに保持することができる。
発明を実施するための最良の形態
本発明の一実施形態を図１及び図２を参照して説明する。
図１を参照して、本実施形態の二足歩行ロボットは、上体１（胴体）、脚体２、腕体３、及び頭部４を具備する人型のロボットである。この場合、図１は、ロボットの直立状態における側面図であるため、脚体２及び腕体３がそれぞれ一本づつしか表示されていないが、該脚体２及び腕体３は、それぞれ人間と同様、左右一対づつ備えられている。図示の脚体２及び腕体３は、それぞれロボットの前方に向かって右側の脚体及び腕体である。
このロボットの上体１は、脚体２や腕体３が連結されると共に頭部４を支持するメインボディ５と、ロボットの動作用電源としての蓄電装置６を搭載する蓄電装置搭載部としての第１サブボディ７と、ロボットの作動制御を担うコントロールユニット８（マイコン等を有する電子回路ユニット。以下、ＥＣＵ８という）を搭載する第２サブボディ９とから構成されている。
尚、蓄電装置６は、本実施形態では、例えばリチウムイオン電池等の充電可能な二次電池であるが、電気二重層コンデンサ等の大容量コンデンサであってもよい。
メインボディ５の上部の左右の各側部には肩部１０が形成されており、この肩部１０に内蔵された図示しない肩関節機構から各腕体３が延設されている。各腕体３は、その手先部１１と肩部１０との間に、肩部１０側から順番に肘関節１２及び手首関節１３を有している。
また、メインボディ５の下端部は腰部１４となっており、この腰部１４に内蔵された図示しない平行リンク機構に連結された左右一対の股関節１５から各脚体２が下方に延設されている。各脚体２は、その足平部１６と股関節１５との間に、股関節１５側から順番に膝関節１７及び足首関節１８を有している。
前記第１サブボディ７は、メインボディ５の上部の背面部に装着された筐体状のものである。この第１サブボディ７の内部には前記蓄電装置６を搭載すべくメインボディ５の上部の背面部に固設された支持部材１９が収容されており、この支持部材１９に蓄電装置６が載架されて支持されている。
ここで図２を参照して、第１サブボディ７の上端部には、開閉蓋２０により開閉自在な開口２１が形成されており、開閉蓋２０を図２の仮想線で示すように開いた状態にて該開口２１を介して蓄電装置６を第１サブボディ７の内部に挿脱可能としている。そして、該蓄電装置６を支持する前記支持部材１９の下端部（ロボットの直立状態で蓄電装置６の直下に位置する部分）には、蓄電装置６の下面部に設けられたコネクタ状の給電端子部２２（蓄電装置６の電力を外部に出力する部分）に嵌合するコネクタ状の受電端子部２３が設けられている。該受電端子部２３は、ロボットの各関節の電動モータ（図示しない）や前記ＥＣＵ８等に蓄電装置６の電力を分配・供給する部分である。そして、該受電端子部２３は、蓄電装置６を前記開口２１を介して第１サブボディ７の内部に挿入して支持部材１９に支持せしめたときに、該蓄電装置６の給電端子部２２に嵌合して電気的に接続するようになっている。
尚、開閉蓋２０は、前記開口２１を閉蓋した状態（図２の実線示の状態）では、図示を省略するロック機構によりその閉蓋状態に係止され、その係止状態を解除するためのアクチュエータとしての電動モータ２４が第１サブボディ７に装着されている。
図１を参照して、前記第２サブボディ９は、第１サブボディ７の直下に配置されてメインボディ５の下部に装着された筐体状のものである。この第２サブボディ９の内部には、前記ＥＣＵ８を搭載すべくメインボディ５の下部の背面部に固設された支持部材２５が収容されており、この支持部材２５にＥＣＵ８が装着されて支持されている。
前記頭部４は、その外装体４ａ（筐体）の内部に、ロボットの視覚としての撮像装置（カメラ）２６をその視野方向を前方に向けて収容している。この撮像装置２６は、メインボディ５の上端部の前部寄りの箇所から立設された取付部材２７に取付けられた減速機２８に連結部材２９を介して連結され、該減速機２８の回転作動に連動して該減速機２８の回転軸心回りに揺動可能とされている。この場合、減速機２８は、その回転軸心を左右方向（図１の紙面に垂直な方向）に向けて取付部材２７に取付けられており、撮像装置２６は、図１の矢印Ｙで示すように、その視野が上下するように揺動可能とされている。また、前記取付部材２７には、電動モータ３０が取付られており、この電動モータ３０の回転駆動力がベルト等を介して減速機２８に伝達され、それにより、撮像装置２６の上記の揺動が行われるようになっている。
図示は省略するが、本実施形態の二足歩行ロボットは、上述した構成のほか、各脚体２や腕体３の各関節を駆動するための電動モータや、それらの電動モータの回転位置（各関節の回転位置）を検出するためのセンサ、脚体２の足平部１６や腕体３の手先部１１に作用する荷重及びモーメントを検出するセンサ、上体１の傾斜角及び傾斜角速度を検出するセンサ等も具備している。
そして、前記ＥＣＵ８は、上記の各種センサ（撮像装置２６を含む）から得られる情報やあらかじめ定められたプログラム等に基づいて上記の各電動モータを制御して、ロボットの作動制御（脚体２の動作によるロボットの歩行の制御や、腕体３の動作による作業の制御）を行う。この場合、本実施形態では、ＥＣＵ８は、前記特開平５−３３７８４９号公報もしくは米国特許５４５９６５９に見られるような倒立振子型動力学モデルに基づいて脚体２の各関節の作動を制御することで、ロボットの歩行時や作業時の姿勢安定化制御を行う。
ところで、上述したような構成の本実施形態の二足歩行ロボットでは、蓄電装置６を除去した（取り外した）状態で、且つロボットを図１の示すように直立状態とした場合におけるロボットの重心は、例えば図１の点Ａの位置（メインボディ５の略中心部）に存する（以下、この点Ａを基準重心点Ａという）。尚、ここで、上記直立状態は、詳しくは、左右の脚体２を左右方向に並列させた状態で該脚体２及び上体１を鉛直方向に伸ばして起立し、且つ、左右の腕体３を鉛直下方に伸ばした状態である。
そして、蓄電装置６自体の重心点（これは蓄電装置６の略中心部に位置する）は、該蓄電装置６を前記第１サブボディ７内の支持部材１９に支持してロボットに搭載したとき、図１の点Ｂの位置に存する（以下、この点Ｂを蓄電装置重心点Ｂという）。つまり、蓄電装置重心点Ｂは、前記基準重心点Ａよりも上方で（図１の矢印Ｐを参照）、且つ、該基準重心点Ａよりも後方（図１の矢印Ｑを参照）に存する。別の言い方をすれば、本実施形態のロボットでは、蓄電装置重心点Ｂが、基準重心点Ａに対して上記のような位置関係になるように、第１サブボディ７及び支持部材１９が配設されている。
さらに本実施形態では、前記肩部１０は、図示のようにその中心部Ｃが前記基準重心点Ａよりも前方に存するようにメインボディ５に設けられている（図１の矢印Ｒを参照）。また、前記撮像装置２６は、基準重心点Ａよりも前方でメインボディ５の上端部から立設された前記取付部材２７に支持されて、基準重心点Ａよりも前方でロボットの最前面寄りの位置に配置されている（図１の矢印Ｓを参照）。
かかる本実施形態の二足歩行ロボットでは、重量物である蓄電装置６に係わる蓄電装置重心点Ｂが、上述のように基準重心点Ａよりも上側に存するため、蓄電装置６をロボットに搭載した状態におけるロボット全体の重心は、該ロボット全体における上端寄りの高所（基準重心点Ａよりも高い位置）に存することとなる。このため、ロボットの姿勢の挙動特性が倒立振子の挙動特性により良く合致するものとなる。その結果、姿勢安定化制御を倒立振子型モデルに基づいて行うことにより、ロボットの姿勢安定化制御を適正に行うことができ、該ロボットの姿勢の安定性を良好に確保することができる。
また、肩部１０の中心部Ｃが基準重心点Ａよりも前方側にあり、該肩部１０がロボットの前面寄りに位置している。このため、腕体３を前方に伸ばすことで、該腕体３の手先部１１がロボットの前方の比較的遠方の箇所まで届き、該遠方箇所の物体の把持などを行うことができる。
さらに、撮像装置２６がロボットの最前面寄りに位置しているため、ロボットの頭部４を上下に揺動させる機構を備えたりせずとも、撮像装置２６だけを上下に揺動させることにより、撮像装置２６の視野を上下に幅広い範囲に確保することができ、特に階段昇降時等に足元の撮像が可能となる。
この場合、肩部１０と撮像装置２６が基準重心点Ａよりも前方でロボットの前面寄りに位置しているため、特に両腕体３を前方に伸ばしたときに蓄電装置６を除いたロボットの重心がロボットの前方側に比較的大きく移動するが、蓄電装置６は、肩部１０や撮像装置２６とは逆に、基準重心点Ａの後方側でロボットの背面部に搭載されている。このため、両腕体３を前方に伸ばした状態でも、蓄電装置６を含めたロボット全体の重心は、ロボットの前方側にさほど移動しない。つまり、両腕体３を下方に垂らした状態と、両腕体３を前方に伸ばした状態とでは、それらの状態における蓄電装置６を含めたロボット全体の重心の位置の前後方向の変化は比較的小さい。この結果、腕体３による作業時におけるロボットの姿勢の安定性の確保が容易になる。
また、本実施形態のロボットでは、蓄電装置６のメンテナンス（例えば蓄電装置６の充電や交換）等を行う際には、例えば次のようにして蓄電装置６の脱着作業が行われる。
すなわち、前記ＥＣＵ８は、例えば外部から蓄電装置６のメンテナンスを行う旨の指令が与えられたとき、ロボットの姿勢状態を図２の示すような姿勢状態に制御する。この姿勢状態は、ロボットの各脚体２の足平部１６及び膝関節１７を着床させ、さらに、各腕体３の手先部１１を着床させた姿勢状態（人がひざまずき、且つ手をついてお辞儀をするような姿勢状態）である。このような姿勢状態に制御するのは、ロボットの姿勢の安定性を確実に確保するためである。
そして、ＥＣＵ８は、ロボットの姿勢状態が図２の姿勢状態になったことを、各脚体２や腕体３の各関節を駆動するための電動モータ（図示しない）の回転位置を検出するセンサ（図示しない）の出力信号により確認すると、前記第１サブボディ７の電動モータ２４を作動させて開閉蓋２０の閉位置への係止を解除する。
また、このとき、ＥＣＵ８は、自身や各電動モータ等の電源を、一時動作用の電源としてロボットに搭載されている予備蓄電装置（図示しない）に切換える。該予備蓄電装置は、ロボットの一時的な動作用のものであるため、比較的小さな容量のものでよく、蓄電装置６よりも十分に小型で軽量なものである。
この状態で、作業者等により、開閉蓋２０が開かれ、さらに第１サブボディ７の開口２１を介して蓄電装置６の脱着作業（第１サブボディ７に対する蓄電装置６の挿脱）が行われる。
このようにして、本実施形態では、ロボットの姿勢の安定性を確実に確保できる姿勢状態にロボットを制御した上で、第１サブボディ７の上方から蓄電装置６の脱着作業を容易に行うことができる。
また、蓄電装置６を第１サブボディ７の内部に挿入して搭載するときには、蓄電装置６の給電端子部２２が前記支持部材１９の受電端子部２３に、該蓄電装置６の自重によって嵌合するため、両端子部２２，２３間の電気的接続を確実に確保することができる。
産業上の利用可能性
以上のように本発明の二足歩行ロボットは、動作用の蓄電装置を搭載して、人と同様に二本の脚体で移動すると共に、二本の腕体により種々様々な作業を行うロボットとして有用である。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施形態の二足歩行ロボットの直立状態における側面図、
図２は図１のロボットの蓄電装置の脱着作業を行う際の姿勢状態を示す側面図。

Claims (6)

1. ロボットの動作用電源としての蓄電装置を備えた二足歩行ロボットにおいて、
   前記蓄電装置は、その重心点が前記ロボットから前記蓄電装置を除去して該ロボットを直立状態とした場合における該ロボットの重心点よりも上方側の位置に存するように該ロボットの上体に搭載されていることを特徴とする二足歩行ロボット。
2. ロボットの動作用電源としての蓄電装置と、該ロボットの上体の肩部から延設された腕体とを備えた二足歩行ロボットにおいて、
   前記蓄電装置は、その重心点が前記ロボットから前記蓄電装置を除去して該ロボットを直立状態とした場合における該ロボットの重心点よりも該ロボットの前後方向の後方側の位置に存するように該ロボットの上体に搭載されていると共に、前記腕体を連結した前記ロボットの上体の肩部は、該ロボットから前記蓄電装置を除去して該ロボットを直立状態とした場合における該ロボットの重心点よりも該ロボットの前後方向の前方側の位置に設けられていることを特徴とする二足歩行ロボット。
3. 前記蓄電装置は、その重心点が前記ロボットから前記蓄電装置を除去して該ロボットを直立状態とした場合における該ロボットの重心点よりも上方側の位置に存するように該ロボットの上体に搭載されていることを特徴とする請求項２記載の二足歩行ロボット。
4. 前記ロボットは、該ロボットの上体の上側に存して該上体の上端に支持された撮像装置を備えており、該撮像装置とロボットの上体との連結部は、前記蓄電装置を除去して該ロボットを直立状態とした場合における該ロボットの重心点よりも該ロボットの前後方向の前方側の位置に設けられていることを特徴とする請求の範囲第２項又は第３項記載の二足歩行ロボット。
5. 前記蓄電装置を搭載すべく前記ロボットの上体に設けられた蓄電装置搭載部が、そのロボットの直立状態における上端部に開口を有しており、前記蓄電装置は、該開口を介して該蓄電装置搭載部に挿脱可能に搭載されていることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項記載の二足歩行ロボット。
6. 前記ロボットの直立状態における前記蓄電装置搭載部の下端部には、該蓄電装置搭載部に前記蓄電装置を搭載した状態で該蓄電装置の給電端子部に着脱自在に接続する受電端子部が設けられていることを特徴とする請求の範囲第５項記載の二足歩行ロボット。

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