JP4743605B2 - 脚車輪型移動ロボットとその階段歩行方法 - Google Patents

Description

本発明は、一定の歩幅を維持して、多数の階段を上下に歩行する脚車輪型移動ロボットとその階段歩行方法に関する。

人間との共存空間における移動形態として２足歩行ロボットの研究開発が盛んに行われている。また、車輪を利用した走行性能の高い脚車輪型ロボットの開発も並行して数多く行なわれている。
さらに、２足歩行と脚車輪型の両方の利点を備えたロボットとして、脚車輪型移動ロボットも提案されている（例えば特許文献１、２）。

特許文献１の「脚車輪型移動ロボット」は、図５に示すように、本体５１の中央に伸縮自在に中央脚５２を設けると共に、その中央脚５２の下端に中央駆動輪５３を設け、本体５１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５４を設け、その側脚に側部駆動輪５５を設けたものである。

また、特許文献２の「移動ロボットの脚部構造」は、図６に示すように、脚部６１に足首軸６２を介して足部６３を取り付けると共に足部６３に車輪軸６４を介して車輪６５を取り付け、足首軸６２と車輪軸６５を駆動可能な１つのアクチュエータ６６を設け、かつ足部６３に車輪６５の回転を拘束可能な車輪拘束手段６７を設けたものである。

特開２００３−２０５４８０号公報、「脚車輪型移動ロボット」 特開２００５−４６９４９号公報、「移動ロボットの脚部構造」

特許文献１の「脚車輪型移動ロボット」は、脚と脚先端部に車輪を持ち、脚と車輪の両方を使用して歩行するロボットであり、平坦地では車輪走行で高速かつ効率的に移動し、車輪走行が困難な段差、階段、溝等を歩行動作で踏破することで移動全体を効率的に行うことができる特徴がある。
しかし、階段などの幾何学的に制約のある歩行を連続して行う場合、歩行中の足底のすべりや、動的動作からくる誤差などにより、完全に一定の歩幅を維持しながら歩行することが困難である。このため、多段の階段を歩行すると歩幅の誤差や、階段そのものの幾何学的な誤差が累積し、一定の歩幅を設定しただけでは歩行を続けることが困難となる問題点があった。

本発明は上述した種々の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、歩行中の足底のすべり、歩幅の誤差、階段そのものの幾何学的な誤差の影響を受けずに、一定の歩幅を維持して、多数の階段を安定に歩行することができる脚車輪型移動ロボットとその階段歩行方法を提供することにある。

本発明によれば、本体と、本体に水平軸を中心に回動自在に取り付けられ、伸縮又は折曲げ可能な複数の支持脚と、該支持脚の下端に設けられ平坦地で走行可能な車輪を有する足首・車輪駆動部と、前記支持脚と足首・車輪駆動部を制御する歩行制御装置とを備えた脚車輪型移動ロボットであって、
階段歩行時に階段上の所定の位置を非接触で検出する非接触位置センサを有し、
階段歩行時に、一歩毎又は数歩毎に、非接触位置センサが所定の位置を検出するまで、足首・車輪駆動部で並進移動し、
前記非接触位置センサは、階段上の所定の位置に設けられた色分け線を検出する色識別センサ、又は階段上の所定の位置からの反射の有無を検出する反射センサである、ことを特徴とする脚車輪型移動ロボットが提供される。

また本発明によれば、伸縮又は折曲げ可能な複数の支持脚を立脚および遊脚として交互に振り出して歩行し、かつ支持脚の下端に設けられた足首・車輪駆動部の車輪で平坦地を走行する脚車輪型移動ロボットの階段歩行方法であって、
階段を上下する一歩毎又は数歩毎に、次の歩行に適した所定の位置まで、足首・車輪駆動部で並進移動する補正期を有し、
前記補正期において、階段上の所定の位置に設けられた色分け線を検出し、又は階段上の所定の位置からの反射の有無を検出するまで並進移動する、ことを特徴とする脚車輪型移動ロボットの階段歩行方法法が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、階段を上る階段歩行方法において、
複数の支持脚のうち一方が下段に、他方が中段に接地する上り第１両脚支持期と、
前記中段の支持脚を立脚とし、下段の支持脚を遊脚として上段まで振り出す上り片脚支持期と、
複数の支持脚のうち他方が中段に、一方が上段に接地する上り第２両脚支持期と、
前記補正期と、を有し、
上り第１両脚支持期、上り片脚支持期、上り第２両脚支持期、及び補正期を一定の歩幅で繰り返して階段を上り歩行する。

また階段を下る階段歩行方法において、
複数の支持脚のうち一方が上段に、他方が中段に接地する下り第１両脚支持期と、
前記中段の支持脚を立脚とし、上段の支持脚を遊脚として下段まで振り出す下り片脚支持期と、
複数の支持脚のうち他方が中段に、一方が下段に接地する下り第２両脚支持期と、
前記補正期と、を有し、
下り第１両脚支持期、下り片脚支持期、下り第２両脚支持期、及び補正期を一定の歩幅で繰り返して階段を下り歩行する。

上記本発明の装置及び方法によれば、足首・車輪駆動部に非接触位置センサを有し、第１両脚支持期、片脚支持期、第２両脚支持期を一定の歩幅で繰り返し、かつ補正期において、一歩毎又は数歩毎に、次の歩行に適した所定の位置まで、複数の支持脚の足首・車輪駆動部で並進移動するので、歩行中の足底のすべり、歩幅の誤差、階段そのものの幾何学的な誤差の影響を受けずに、一定の歩幅を維持して、多数の階段を安定に歩行することができる。

また、歩行間の接続を車輪による並進移動で繋ぐことで、歩行時の誤差を容易に吸収することができる。従って、一定の歩幅で連続歩行が可能なため、歩幅変更のための複雑な手続きを省略することができる。
また遊脚が階段と接触しない範囲であれば、路面奥行きが段差毎に違う場合にも容易に対応でき、例えば路面奥行きが広い階段の場合、歩幅を広げると動的な影響から一般的に不安定になりやすいが、車輪並進との組合せで最小の歩幅で歩行を行うことも可能となる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の脚車輪型移動ロボットの全体構成図である。この図に示すように、本発明の脚車輪型移動ロボット１０は、本体１２、複数の支持脚１４、１６、足首・車輪駆動部１８、及び歩行制御装置２０を備える。

本発明のロボット１０は、特許文献１の「脚車輪型移動ロボット」であり、本体１２（中央胴体部）に取り付けられた中央脚１４とそれを基準に鉛直面内で回転する左右１対の側脚１６とからなる３脚構造であるのが好ましい。しかし、本発明はこれに限定されず、２本の支持脚１４、１６で歩行する２足歩行ロボット、あるいは４足などのロボットであってもよい。

複数の支持脚１４、１６は、本体１２に水平軸を中心に図示しない駆動装置で回動自在に取り付けられ、かつ図示しない駆動装置で伸縮又は折曲げ可能に構成されている。

足首・車輪駆動部１８は、各支持脚１４、１６の下端に設けられ、平坦地で走行可能な車輪２１を有する。車輪２１は、２〜４輪からなり、図示しない駆動装置で同期して回転駆動される。また、この足首・車輪駆動部１８は、車輪２１の回転を制動する制動装置と各支持脚に対する足首の傾き角を変化させる駆動装置を備える。

歩行制御装置２０は、好ましくは本体１２の内部又は外部に設けられ、支持脚１４、１６と足首・車輪駆動部１８に設けられた各駆動装置と制動装置を数値制御で制御する。

図１において、足首・車輪駆動部１８は、さらに階段歩行時に階段上の所定の位置を非接触で検出する非接触位置センサ２２を有する。この非接触位置センサ２２は、光を所定の位置に照射しその反射光の色を識別する色識別センサであり、階段上の所定の位置２３ａ，２３ｂに設けられた色分け線（例えば、赤色、緑色、青色の境目）を検出するようになっている。

図２は、本発明の足首・車輪駆動部の別の構成図である。この図において、非接触位置センサ２２は、階段上の所定の位置２３ｃ（例えば階段の鉛直面）からの距離を検出する距離センサ、又は階段上の所定の位置２３ｄ（例えば階段の縁部）からの反射の有無を検出する反射センサである。
なお、非接触位置センサ２２の取付位置は、足首・車輪駆動部に限定されず、そのほかの箇所に取り付けてもよい。また、非接触位置センサ２２の代わりに、ロボット本体側にカメラを取り付け、その画像処理データを用いてもよい。

上述した構成により、一定の歩幅で繰り返して階段を歩行する際に、一歩毎又は数歩毎に、非接触位置センサ２２が所定の位置を検出するまで、足首・車輪駆動部１８で階段上面を並進移動することができる。

次に本発明の階段歩行方法を説明する。本発明の階段歩行方法は、伸縮又は折曲げ可能な複数の支持脚１４、１６を立脚および遊脚として交互に振り出して歩行し、かつ支持脚１４、１６の下端に設けられた足首・車輪駆動部１８の車輪２１で平坦地を走行する脚車輪型移動ロボットの階段歩行方法である。

図３は、本発明による階段上り時の説明図であり、図４は下り時の説明図である。

図３の上り時において、本発明の階段歩行方法は、上り第１両脚支持期Ｓ１、上り片脚支持期Ｓ２、上り第２両脚支持期Ｓ３、及び補正期Ｓ４からなり、このＳ１〜Ｓ４を一定の歩幅で繰り返して階段を上り歩行する。なお、補正期Ｓ４は、上り第１両脚支持期Ｓ１の前に実施してもよい。

この図に示すように、上り第１両脚支持期Ｓ１は、図で（１）から（２）までのステップであり、複数の支持脚のうち一方１４が下段に他方１６が中段に接地した状態で、両脚が接地したまま支持脚１４、１６の長さを変化させて前方（図で右方）に重心を移動する。
上り片脚支持期Ｓ２は、図で（２）から（３）を経て（４）までのステップであり、中段の支持脚１６を立脚とし、下段の支持脚１４を遊脚として上段まで振り出す。
上り第２両脚支持期Ｓ３は、図で（４）から（５）までのステップであり、複数の支持脚のうち他方１６が中段に、一方１４が上段に接地したまま支持脚１４、１６の長さを変化させて前方（図で右方）に重心を移動する。
また、補正期Ｓ４は、図で（６）のステップであり、一歩毎又は数歩毎に、次の歩行に適した所定の位置まで、複数の支持脚の足首・車輪駆動部で並進移動する。

補正期Ｓ４において、非接触位置センサ２２（例えば色識別センサ）で、階段上の所定の位置に設けられた色分け線を検出し、又は距離センサで階段上の所定の位置からの距離を検出し、又は反射センサで階段上の所定の位置からの反射の有無を検出するまで並進移動する。

図４の下り時において、本発明の階段歩行方法は、下り第１両脚支持期Ｓ１、下り片脚支持期Ｓ２、下り第２両脚支持期Ｓ３、及び補正期Ｓ４からなり、このＳ１〜Ｓ４を一定の歩幅で繰り返して階段を下り歩行する。なお、補正期Ｓ４は、上り第１両脚支持期Ｓ１の前に実施してもよい。

この図に示すように、下り第１両脚支持期Ｓ１は、図で（１）から（２）までのステップであり、複数の支持脚のうち一方１４が上段に、他方１６が中段に接地する状態で、両脚が接地したまま支持脚１４、１６の長さを変化させて前方（図で左方）に重心を移動する。
下り片脚支持期Ｓ２は、図で（２）から（３）を経て（４）までのステップであり、中段の支持脚１６を立脚とし、下段の支持脚１４を遊脚として下段まで振り出す。
下り第２両脚支持期Ｓ３は、図で（４）から（５）までのステップであり、複数の支持脚のうち他方１６が中段に、一方１４が下段に接地したまま支持脚１４、１６の長さを変化させて前方（図で左方）に重心を移動する。
また、補正期Ｓ４は、図で（６）のステップであり、一歩毎又は数歩毎に、次の歩行に適した所定の位置まで、複数の支持脚の足首・車輪駆動部で並進移動する。

また補正期Ｓ４において、非接触位置センサ２２（例えば色識別センサ）で、階段上の所定の位置に設けられた色分け線を検出し、又は距離センサで階段上の所定の位置からの距離を検出し、又は反射センサで階段上の所定の位置からの反射の有無を検出するまで並進移動する。

上述した本発明の装置及び方法によれば、足首・車輪駆動部１８に非接触位置センサ２２を有し、第１両脚支持期Ｓ１、片脚支持期Ｓ２、第２両脚支持期Ｓ３を一定の歩幅で繰り返し、かつ補正期Ｓ４において、一歩毎又は数歩毎に、次の歩行に適した所定の位置まで、複数の支持脚の足首・車輪駆動部１８で並進移動するので、歩行中の足底のすべり、歩幅の誤差、階段そのものの幾何学的な誤差の影響を受けずに、一定の歩幅を維持して、多数の階段を安定に歩行することができる。

また、歩行間の接続を車輪２１による並進移動で繋ぐことで、歩行時の誤差を容易に吸収することができる。従って、一定の歩幅で連続歩行が可能なため、歩幅変更のための複雑な手続きを省略することができる。
また遊脚が階段と接触しない範囲であれば、路面奥行きが段差毎に違う場合にも容易に対応でき、例えば路面奥行きが広い階段の場合、歩幅を広げると動的な影響から一般的に不安定になりやすいが、車輪並進との組合せで最小の歩幅で歩行を行うことも可能となる。

なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明の脚車輪型移動ロボットの全体構成図である。 本発明の足首・車輪駆動部の別の構成図である。 本発明による階段上り時の説明図である。 本発明による階段下り時の説明図である。 特許文献１の「脚車輪型移動ロボット」の模式図である。 特許文献１の「移動ロボットの脚部構造」の模式図である。

符号の説明

１０ 脚車輪型移動ロボット、１２ 本体、１４ 中央脚、１６ 側脚、
１８ 足首・車輪駆動部、２０ 歩行制御装置、
２１ 車輪、２２ 非接触位置センサ、
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ 階段上の所定の位置

Claims (4)

1. 本体と、本体に水平軸を中心に回動自在に取り付けられ、伸縮又は折曲げ可能な複数の支持脚と、該支持脚の下端に設けられ平坦地で走行可能な車輪を有する足首・車輪駆動部と、前記支持脚と足首・車輪駆動部を制御する歩行制御装置とを備えた脚車輪型移動ロボットであって、
   階段歩行時に階段上の所定の位置を非接触で検出する非接触位置センサを有し、
   階段歩行時に、一歩毎又は数歩毎に、非接触位置センサが所定の位置を検出するまで、足首・車輪駆動部で並進移動し、
   前記非接触位置センサは、階段上の所定の位置に設けられた色分け線を検出する色識別センサ、又は階段上の所定の位置からの反射の有無を検出する反射センサである、ことを特徴とする脚車輪型移動ロボット。
2. 伸縮又は折曲げ可能な複数の支持脚を立脚および遊脚として交互に振り出して歩行し、かつ支持脚の下端に設けられた足首・車輪駆動部の車輪で平坦地を走行する脚車輪型移動ロボットの階段歩行方法であって、
   階段を上下する一歩毎又は数歩毎に、次の歩行に適した所定の位置まで、足首・車輪駆動部で並進移動する補正期を有し、
   前記補正期において、階段上の所定の位置に設けられた色分け線を検出し、又は階段上の所定の位置からの反射の有無を検出するまで並進移動する、ことを特徴とする脚車輪型移動ロボットの階段歩行方法。
3. 階段を上る階段歩行方法において、
   複数の支持脚のうち一方が下段に、他方が中段に接地する上り第１両脚支持期と、
   前記中段の支持脚を立脚とし、下段の支持脚を遊脚として上段まで振り出す上り片脚支持期と、
   複数の支持脚のうち他方が中段に、一方が上段に接地する上り第２両脚支持期と、
   前記補正期と、を有し、
   上り第１両脚支持期、上り片脚支持期、上り第２両脚支持期、及び補正期を一定の歩幅で繰り返して階段を上り歩行する、ことを特徴とする請求項２に記載の脚車輪型移動ロボットの階段歩行方法。
4. 階段を下る階段歩行方法において、
   複数の支持脚のうち一方が上段に、他方が中段に接地する下り第１両脚支持期と、
   前記中段の支持脚を立脚とし、上段の支持脚を遊脚として下段まで振り出す下り片脚支持期と、
   複数の支持脚のうち他方が中段に、一方が下段に接地する下り第２両脚支持期と、
   前記補正期と、を有し、
   下り第１両脚支持期、下り片脚支持期、下り第２両脚支持期、及び補正期を一定の歩幅で繰り返して階段を下り歩行する、ことを特徴とする請求項２に記載の脚車輪型移動ロボットの階段歩行方法。

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