JP4797775B2

JP4797775B2 - ２足型移動機構

Info

Publication number: JP4797775B2
Application number: JP2006118677A
Authority: JP
Inventors: 梓網野; 亮介中村; 淳一玉本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-04-24
Filing date: 2006-04-24
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2026-04-24
Also published as: KR100863028B1; KR20070104847A; JP2007290054A

Description

本発明は、移動装置、特に移動能力を備え、目的とする操作，作業を自動的に行う装置であるロボットに関する。

従来、搬送物を、安定した状態で高速移動させるため、ロボット本体の下肢に股関節，膝関節を有する２本の脚を取り付け、膝関節に膝を折り曲げて接地させて二足走行時よりも重心位置を低くして高速移動することが知られ、例えば特許文献１に記載されている。

特開平５−２８５８６４号公報

上記従来技術においては、移動機構として構造が複雑であるばかりでなく、平地で高速移動すること、安定性、に関して充分でない。また、車輪を用いた移動機構として、３輪以上が接地するものは、移動機構として整地での安定した移動に優れているが、床投影面積が大きく、小回りが苦手である。さらに、倒立２輪を用いた移動機構は整地での移動が容易で、床面積も小さく小回りに優れているが、段差を乗り越える能力が低い。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、より構造が簡単で、かつ平地で安定した高速移動が可能であり、小回り，段差を乗り越える能力も高い２足型移動機構を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、第１脚アクチュエータと、第１脚リンクと、第２脚アクチュエータと、第２脚リンクとを有する左足及び右足と、を備え、前記第１脚リンク及び前記第２脚リンクを揺動することによって移動する２足型移動機構において、被搬送物が載置され胴体アクチュエータの出力軸に取り付けられる第１胴体リンクと、前記胴体アクチュエータを中央部に備え前記左足及び右足が取り付けられる第２胴体リンクと、前記第２脚リンクの前記第１脚リンク側に取り付けられ方向が可変とされたキャスタと、前記第２脚リンクの反前記第１脚リンク側に取り付けられた車輪と、前記胴体アクチュエータで前記第１胴体リンクを揺動して左右方向の重心移動を行う制御手段と、を備えたものである。

本発明によれば、脚リンクに方向が可変とされたキャスタと、車輪と、を取り付けるので、より構造が簡単で、かつ平地で安定した高速移動が可能であり、小回り，段差を乗り越える能力も高いものとすることができる。

以下、図面を参照して一実施の形態を説明する。
図１は２足型移動機構の全体を示し、下図に駆動方向の定義として、ロール方向（矢印Roll），ピッチ方向（矢印Pitch），ヨー方向（矢印Yaw）を示した図であり、胴体アクチュエータ３、第１脚アクチュエータ１ａＬ，１ａＲ、第２の脚アクチュエータ２ａＬ，
２ａＲ、第３の脚アクチュエータ３ａＬ，３ａＲは内蔵された動力源（モータ）と減速機と角度検出器（ロータリエンコーダあるいはポテンショメータ）を備える。
第１胴体リンク２は胴体アクチュエータ３の出力軸に取り付けられ、ロール方向にのみ駆動される。胴体アクチュエータ３は第２胴体リンク４の中央部に取り付けられており、第１胴体リンク２を介して被搬送物１をロール軸方向に所定の角度だけ揺動する。
第２胴体リンク４には、胴体アクチュエータ３を鉛直方向に通過する軸を対称にして両端部に鉛直方向に長手方向を有する左足および右足が略並行に取り付けられる。左足と右足は構成要素が等しく、構造が胴体アクチュエータ３を通過する鉛直軸に対して対象であるため以下では左足について説明する。

左足は、第２胴体リンク４の一端に、胴体アクチュエータ３と直交かつ胴体リンク長手方向と並行に取り付けられた第１脚アクチュエータ１ａＬと、第１脚アクチュエータ1aLの出力軸によってピッチ方向にのみ所定の角度だけ揺動される第１脚リンク１ｄＬと、第１脚アクチュエータとの接続に対して第１脚リンク長手方向逆端に出力軸を介して取り付けられるピッチ方向にのみ駆動する第２脚アクチュエータ２ａＬと、第２脚アクチュエータ２ａＬおよび力センサ２ｃＬを長手方向両端に取り付けられた第２脚リンク２ｄＬと、第２脚リンク２ｄＬに第２脚アクチュエータ２ａＬに近い側に取り付けられた力センサ
１ｃＬと、力センサ１ｃＬに第２脚リンク２ｄＬに対して逆面に取り付けられ自由に方向の変る車輪が設けられたキャスタ１ｂＬと、力センサ２ｃＬを介して第２脚リンク２ｄＬに取り付けられたピッチ方向にのみ駆動する第３の脚アクチュエータ３ａＬと、第３の脚アクチュエータによって駆動される車輪２ｂＬ，３ｂＬから構成される。
第１脚アクチュエータ１ａＬおよび第２の脚アクチュエータ２ａＬはピッチ方向にのみ所定の揺動角を備え、第３の脚アクチュエータ３ａＬは回転可能である。

図１では、キャスタ１ｂＬはＸ軸方向に突出して配置されているが、第２脚アクチュエータ２ａＬと同軸に配してもよい。また、図１では、Ｙ軸方向の安定性を得るために車輪は２ｂＬと３ｂＬの２つとしているが図２のように車輪４ｂＬと車輪４ｂＲのように各脚に車輪１つで構成してもよい。

本体内部には姿勢を計測する為のセンサ、例えば傾斜角センサと、アクチュエータ４，第１脚アクチュエータ１ａＬ,第１脚アクチュエータ１ａＲ,第２脚アクチュエータ２ａＬ，第２脚アクチュエータ２ａＲ，第３脚アクチュエータ３ａＬ，第３脚アクチュエータ
３ａＲを駆動するための制御回路と、前記のアクチュエータを駆動する電源を備えており、２足型移動機構の目標角度と測定値を基にして所定の制御を行う。

２足型移動機構は倒立モードと安定モードに大別され、さらに倒立モードは倒立車輪移動モードと倒立２足歩行移動モードを備える。
車輪２ｂＬと車輪３ｂＬと車輪２ｂＲと車輪３ｂＲのみが地面に接地している状態を倒立モードと定義する。また、車輪２ｂＬと車輪３ｂＬのみが地面に接地している場合、もしくは車輪３ｂＲと車輪３ｂＲのみが地面に接地している場合もある。
車輪２ｂＬと車輪３ｂＬと車輪２ｂＲと車輪３ｂＲおよびキャスタ１ｂＬとキャスタ
１ｂＲが地面に接地している状態を安定モードと定義する。

図１は２足型移動機構が倒立モードの状態である。倒立モード時は、車輪２ｂＬ，３ｂＬを第３の脚アクチュエータ３ａＬで、車輪２ｂＲ，３ｂＲを第３の脚アクチュエータ３ａＲで、本体内部で得られたセンサの値を基にして倒立振子として制御する。このとき、車輪２ｂＬ，３ｂＬと車輪２ｂＲ，３ｂＲは必ずしも同軸上になくてもよく、少なくとも２つ以上の車輪が地面に接地し、かつ片足につき少なくとも１つの車輪が接地していればよい。
第１胴体リンク２と第２胴体リンク４の角度、第２胴体リンク４の角度と第１脚リンク１ｄＬの角度、第１脚リンク１ｄＬと第２脚リンク２ｄＬの角度、第２胴体リンク４の角度と第１脚リンク１ｄＲの角度、第１脚リンク１ｄＲと第２脚リンク２ｄＲの角度、は倒立状態が保たれる範囲で決定する。

図３に示すように胴体アクチュエータ３で第１胴体リンク２を揺動すれば、左右方向の重心移動を行ったことになり、左右どちらかの脚のみで立つことができる。
第１脚アクチュエータ１ａＬ，１ａＲで第２胴体リンク４をピッチ方向に駆動し、前後方向の重心移動を行うこともできる。力センサ２ｃＬ，２ｃＲで左右の脚にかかる荷重を検知し、胴体アクチュエータ３を所定の制御により駆動し、左右方向に重心移動を行い、左右の脚を交互に踏み出し、２足歩行することによって、段差を踏破できる。このように体重移動に１軸、左右の脚にピッチ方向の自由度を持つ軸が少なくとも２軸あれば歩行動作が可能である。

安定モードは、図４に示すように車輪２ｂＬと車輪３ｂＬと車輪２ｂＲと車輪３ｂＲとキャスタ１ｂＬとキャスタ１ｂＲを接地した状態である。なお、６輪が接地し、かつ重心が６つの車輪の内側に入っていれば第１胴体リンク２と第２胴体リンク４の角度、第２胴体リンク４の角度と第１脚リンク１ｄＬの角度、第１脚リンク１ｄＬと第２脚リンク2dLの角度、第２胴体リンク４の角度と第１脚リンク１ｄＲの角度、第１脚リンク１ｄＲと第２脚リンク２ｄＲの角度は自由に決定できる。

キャスタ１ｂＬおよびキャスタ１ｂＲは全方位移動できるものが望ましいがステアリング（方向転換）機能を備えたキャスタでもよい。床が平坦でなく、多少の凹凸がある場合、キャスタ１ｂＬの荷重を力センサ１ｃＬで、キャスタ１ｂＲの荷重を力センサ１ｃＲで、車輪２ｂＬ，３ｂＬの荷重を力センサ２ｃＬ，１ｃＬで、車輪２ｂＲ，３ｂＲの荷重を力センサ２ｃＲで、それぞれ検知することにより、それぞれに所定の荷重を分配するよう各アクチュエータに対して所定の制御を行う。また、急な加減速等で転倒の恐れが生じる場合も各車輪の荷重を検知し、各アクチュエータに対して所定の制御を行う。

２足型移動機構は安定モードと倒立モードを状況に応じて切り替え、常に脚先の車輪を安定モードでは駆動輪、倒立モードでは倒立２輪として駆動に用いることにより、つまり、力センサ１ｃＬ，１ｃＲ，２ｃＬ，２ｃＲからの情報を基とにキャスタ１ｂＬ，１ｂＲと車輪２ｂＬ，３ｂＬ，２ｂＲ，３ｂＲを接地すること、または車輪のみ接地することを選択することにより、少ない自由度の２足型移動機構において整地での安定した移動能力および床投影面積が小さく小回りに優れている能力および段差乗り越え能力を両立できる。

本発明による一実施の形態による倒立モードを示す斜視図。一実施の形態による片足１車輪を示す斜視図。一実施の形態による安定モードを示す斜視図。一実施の形態による接地した安定モードを示す斜視図。

符号の説明

１…被搬送物、２…第１胴体リンク、３…胴体アクチュエータ、４…第２胴体リンク、１ａＬ,１ａＲ…第１脚アクチュエータ、２ａＬ,２ａＲ…第２脚アクチュエータ、３ａＬ，３ａＲ…第３脚アクチュエータ、１ｂＬ，１ｂＲ…キャスタ、１ｃＬ，１ｃＲ，２ｃＬ，２ｃＲ…力センサ、１ｄＬ，１ｄＲ…第１脚リンク、２ｄＬ，２ｄＲ…第２脚リンク、２ｂＬ，３ｂＬ，２ｂＲ，３ｂＲ…車輪。

Claims

第１脚アクチュエータと、第１脚リンクと、第２脚アクチュエータと、第２脚リンクとを有する左足及び右足と、を備え、前記第１脚リンク及び前記第２脚リンクを揺動することによって移動する２足型移動機構において、
被搬送物が載置され胴体アクチュエータの出力軸に取り付けられる第１胴体リンクと、
前記胴体アクチュエータを中央部に備え前記左足及び右足が取り付けられる第２胴体リンクと、
前記第２脚リンクの前記第１脚リンク側に取り付けられ方向が可変とされたキャスタと、
前記第２脚リンクの反前記第１脚リンク側に取り付けられた車輪と、
前記胴体アクチュエータで前記第１胴体リンクを揺動して左右方向の重心移動を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする２足型移動機構。
請求項１記載の２足型移動機構において、
前記キャスタ及び前記車輪を接地して移動を行うことを特徴とする２足型移動機構。
請求項１記載の２足型移動機構において、
前記キャスタは力センサを介して前記第２脚リンクへ取り付けられていることを特徴とする２足型移動機構。
請求項１記載の２足型移動機構において、
前記キャスタは力センサを介して前記第２脚リンクへ取り付けられ、前記力センサで検知される荷重に基づいて前記胴体アクチュエータを制御することを特徴とする２足型移動機構。
請求項１記載の２足型移動機構において、
前記２足型移動機構は、前記キャスタ及び前記車輪を接地する安定モードと、前記車輪のみを接地する倒立モードとを備え、前記キャスタは力センサを介して前記第２脚リンクへ取り付けられ、前記力センサからの情報をもとに前記安定モード又は前記倒立モードの何れか一つのモードで前記２足型移動機構が制御されることを特徴とする２足型移動機構。
請求項１記載の２足型移動機構において、
前記キャスタ及び前記車輪を接地する安定モードと、前記車輪のみを接地する倒立モードと、を備え、車輪が駆動されることにより移動することを特徴とした２足型移動機構。