JP4848828B2

JP4848828B2 - 移動ロボットの脚構造

Info

Publication number: JP4848828B2
Application number: JP2006123558A
Authority: JP
Inventors: 光治曽根原; 弘記村上
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2006-04-27
Filing date: 2006-04-27
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2026-04-27
Also published as: JP2007290102A

Description

本発明は、ロボット本体に取り付けられた複数の脚及びこの脚に設けられた車輪を動作させることにより歩行及び走行が可能な移動ロボットの脚構造に関するものである。

今後、生活、医療福祉、公共分野等へのサービスロボットの需要増加が見込まれている。このような人間が介在、共存する空間で、人間と共に働くロボットにとって、移動は最も重要な機能のひとつであり、２足歩行、多足歩行、車輪、クローラ等のさまざまな移動形態をもつロボットが提案されている。また車輪を利用した高効率な走行性能と脚を利用した高い踏破性能を併せ持つ脚車輪型移動ロボットが数多く提案されている。
このような脚車輪型移動ロボットは、例えば下記特許文献１に開示されている。

図４は、特許文献１に示された脚車輪型移動型ロボット（以下、単に「移動ロボット」という。）の概略構成を示す図である。図４において（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。
この移動ロボットは、ロボット本体７１と、ロボット本体７１内から下方に伸び且つ伸縮可能な中央脚７２と、ロボット本体７１の左右両側に水平軸心を中心に回動自在に連結され且つ伸縮可能な一対の側脚７３，７３とを備えている。中央脚７２と側脚７３，７３の各々の下端には、水平軸心を中心に回動可能な足首部７４が設けられている。足首部７４には、接地面上を転動可能な車輪７５が取り付けられている。

この移動ロボットでは、図４（Ｂ）に示すように、中央脚７２と側脚７３とを開いて３点支持の状態にして車輪７５を回転駆動することで走行を行うことができる。また、中央脚７２に対する側脚７３，７３の開閉動作と、中央脚７２の伸縮と、側脚７３，７３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。

図５は図４に示した移動ロボットの脚構造を示す図である。図５において（Ａ）は断面正面図、（Ｂ）は側面図である。
脚部７２，７３の下端には、左右に設けた足首軸７２ａ，７２ａを介して足首部７４が回動可能に取り付けられている。足首部７４の回動方向前後（移動ロボットの前後方向）には、車輪軸７９を介して２個の車輪７５が取り付けられている。左右の足首軸７２ａ，７２ａには、足首軸の軸中心を貫通して回転可能に支持された駆動軸７７が設けられている。駆動軸７７には駆動プーリ７８が固定され、車輪軸７９には従動プーリ８０が固定されており、駆動プーリ７８と従動プーリ８０との間にはベルト８１が掛け渡されている。脚部７２，７３には１つの駆動モータ８２が設けられている。駆動モータ８２の回転軸には駆動べベルギヤ８３が固定され、駆動軸７７には駆動ベベルギヤ８３と噛合する従動べベルギヤ８４が固定されている。足首部７４には、車輪７５の回転を拘束するようにした車輪拘束手段８５が設けられている。この車輪拘束手段８５は、足首部７４に対して駆動軸７７の回転を拘束するブレーキ装置である。

図５の構成により、車輪拘束手段８５が非作動時には、駆動モータ８２の駆動力が車輪７５に伝達されるため、車輪７５を回転駆動して移動ロボットを走行させることができる。一方、車輪拘束手段８５が作動時には、足首部７４に対する駆動軸７７の回転が拘束されることにより、駆動モータ８２の駆動力は車輪７５に伝達しないから、車輪７５は回転駆動されず、代わりに足首部７４が回動駆動される。なお、走行時における足首部７４の姿勢は、移動ロボットの重量によって車輪７５が地面に接するように回動されることによって自動的に調整される。

特開２００５−４６９４９号公報

一般的に歩行中のロボットの足首関節は姿勢を決定するための重要な関節である。転倒などを回避するため、高い重心が倒れないように足首関節で支える必要があり、非常に高い関節トルクが要求される。一方で移動量も小さいことから、高速な関節速度は必要ない。
車輪走行時には車輪回転速度は走行速度と比例するため、高速回転を要求される。一方、車輪トルクについては機体の設計条件等によるが、平坦地では定常走行時には摩擦トルク分のみを出力すればよく、これに加減速トルク、斜面中など重力分等を考慮することでレベルが決定され、一般的には関節に必要とされるトルクと比べると小さい。

図５に示した従来の移動ロボットの脚構造では、駆動プーリ７８と従動プーリ８０の比は１：１であった。このため、足首部７４の機能を優先し、歩行時の足首関節に必要なトルクを確保するための機構設計をすると、車輪走行時の速度が制限されてしまっていた。すなわち、車輪走行時の高速化が困難であった。
車輪走行速度を上げる手段として、駆動モータの大出力化、車輪の大型化が考えられるが、いずれも駆動力を有効に活用できる施策ではなく、軽量化が求められる移動ロボットで重量増、大出力化によるコスト増、スペース増が発生してしまう。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、駆動モータの大出力化及び車輪の大径化を伴うことなく、車輪走行速度を上げることができる移動ロボットの脚構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明にかかる移動ロボットの脚構造は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる移動ロボットの脚構造は、ロボット本体に取り付けられた複数の脚及び該脚に設けられた車輪を動作させることにより歩行及び走行が可能な移動ロボットの脚構造であって、ロボット本体に連結された脚部の下端に回動可能に連結された足首部と、該足首部に回転可能に支持された車輪と、前記脚部に前記足首部の回動軸心と同心状に回転可能に支持された駆動軸と、該駆動軸を回転駆動する駆動モータと、前記駆動軸の回転を増速して前記車輪に伝達する伝動機構と、前記足首部に設けられ前記足首部に対する前記駆動軸の回転を拘束可能な拘束手段と、を備える、ことを特徴とする。

本発明にかかる移動ロボットの脚構造によれば、拘束手段が非作動時には、駆動モータの駆動力が車輪に伝達されるため、車輪を回転駆動して移動ロボットを走行させることができる。一方、拘束手段が作動時には、足首部に対する駆動軸の回転が拘束されることにより、駆動モータの駆動力は車輪に伝達しないから、車輪は回転駆動されず、代わりに足首部が回動駆動される。
また、伝動機構は駆動軸の回転を増速して車輪に伝達するものとしたので、歩行時には足首部の回動駆動において高トルク性能を与えることができ、走行時には車輪の回転駆動において高回転性能を与えることができる。すなわち、トルク×速度＝一定であるため、足首部と車輪のそれぞれに合わせたギヤ設定が可能となる。これにより、駆動モータの大出力化及び車輪の大径化を伴うことなく、車輪走行速度を上げることができる。
また、１つの駆動モータと１つの拘束手段の作動・非作動の切り替えによって、足首部の回動と車輪の回転を選択的に切り替えることができることに加え、駆動力を有効に活用できるため、小型な装置でこれらを実現することができる。

また、本発明にかかる移動ロボットの脚構造では、前記伝動機構はベルト伝動機構であることを特徴とする。

このようにベルト伝動機構を採用することにより、駆動軸に固定される駆動プーリと車輪軸に固定される従動プーリとの比を増速ギヤ比（１：ｘ，ｘ＜１）に設定することで容易に増速効果が得られる。また、ベルト伝動機構は、比較的容易に大きな増速比を得ることができる。

また、本発明にかかる移動ロボットの脚構造では、前記車輪は、足首部における移動ロボットの前後方向に複数設けられていることを特徴とする。

このように、移動ロボットの前後方向に複数の車輪を設けたので、足首部の安定性が向上する。

本発明にかかる移動ロボットの脚構造によれば、駆動モータの大出力化及び車輪の大径化を伴うことなく、車輪走行速度を上げることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。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、本発明にかかる脚構造を採用した移動ロボット１の一構成例を示したものである。この移動ロボット１は、ロボット本体に取り付けられた複数の脚及びこの脚に設けられた車輪を動作させることにより歩行及び走行が可能な脚車輪型の移動ロボットである。
図１において、ロボット本体１０の中央にはロボット本体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、ハーモニックギヤ等の減速機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、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はロボット本体１０に対して固定されている。固定脚１４には固定ナット１６が固定されている。中央伸縮脚１５は固定ナット１６に螺合するボールネジ１７を有している。ボールネジ１７は、その両端部において軸受によって回転可能に支持されている。中央伸縮脚１５の上部にはボールネジ１７を回転駆動する駆動モータ２０が設けられている。このボールネジ１７には、ボールネジ１７の回転を検出する回転検出センサＳ１が連結されている。
このように構成された中央脚１１では、駆動モータ２０が正逆回転し、ボールネジ１７が回転駆動されると、ボールネジ１７に螺合する固定ナット１６、固定ナット１６が固定された中央伸縮脚１５および中央伸縮脚１５に固定された駆動モータ２０が一体となって上下に摺動する。この動作により中央脚１１が伸縮動作する。

左右両側の側脚１３，１３は、ロボット本体１０の側部に設けた減速機１２，１２により水平軸心を中心に回動可能に構成されている。減速機１２，１２は、ロボット本体１０内に、それぞれ設けた駆動モータ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側脚１３，１３を回動できるようになっている。この駆動モータ２５，２５には、各側脚１３，１３の回動角を検出する回動角度検出センサＳ２が設けられている。

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と、側脚板２７に回転可能に支持されたボールネジ３０と、ボールネジ３０を回転駆動する駆動モータ３２とを有している。減速機１２には固定ナット部３１が固定されている。ボールネジ３０の上部には回転検出センサＳ３が連結されており、側脚板２７の上下スライド移動を検出できるようになっている。
このように構成された側脚１３では、駆動モータ３２が正逆回転し、ボールネジ３０が回転駆動されると、側脚板２７が減速機１２に対して上下スライド移動する。この動作により側脚１３が伸縮動作する。

また、中央脚１１と側脚１３，１３の下端部には、それぞれ足首部２１Ａ，２１Ｂが回動可能に連結され、足首部２１Ａ，２１Ｂの下部には車輪２２Ａ，２２Ｂが回転可能に支持されている。その詳細については後述する。

ロボット本体１０には、図示していないが、上述した各検出センサＳｌ〜Ｓ３及び後述する検出センサＳ４，Ｓ５（図２参照）の検出信号が入力される制御装置が内蔵されている。この制御装置は、検出センサＳｌ〜Ｓ５からの信号に基づいて、各車輪２２Ａ，２２Ｂを正逆回転する駆動モータ２３Ａ，２３Ｂと、中央脚１１を伸縮動作させる駆動モータ２０と、側脚１３，１３を伸縮動作させる駆動モータ３２，３２を、それぞれ制御する。また、ロボット本体１０には、上記の制御装置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が内蔵されている。

図１に示した移動ロボット１では、図４に示したのと同様に、中央脚１１と側脚１３とを開いて３点支持の状態にして車輪２２Ａ，２２Ｂ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。

図２及び図３は、本実施形態にかかる移動ロボットの脚構造の構成を示す図である。図２は正面断面図、図３は側面図である。但し、図３は説明の便宜上、簡略化して示している。なお、以下では、上述した中央脚１１、側脚１３を区別せず、単に「脚部」として説明する。同様に、中央脚１１側と側脚１３側の足首部２１Ａ，２１Ｂ、車輪２３Ａ，２３Ｂ、駆動モータ２３Ａ，２３Ｂを、それぞれ、足首部２１、車輪２２、駆動モータ２３とする。

図２に示すように、脚部９の下端には足首連結部４０が形成されており、足首連結部４０には足首部２１が回動可能に連結されている。足首連結部４０の左右両側には、中空円筒形の足首軸４１が形成され、足首部２１は軸受４２，４２を介して、移動ロボット１の左右方向を向く水平軸心ａ１を中心に回動可能に足首軸４１に連結されている。
足首連結部４０には、軸受４４，４４を介して、足首軸４１の中空部を貫通して駆動軸４６が支持されている。これにより、駆動軸４６は、足首部２１の回動軸心ａ１と同心状に回転可能に支持されている。足首連結部４０には、駆動軸４６を回転駆動する駆動モータ２３が固定されている。駆動モータ２３の出力軸には駆動ベベルギヤ４８が固定され、駆動軸４６には駆動ベベルギヤ４８に噛合する従動ベベルギヤ４９が固定されており、駆動モータ２３の回転力が駆動軸４６に伝達されるようになっている。

足首部２１には、車輪２２が、足首軸及び駆動軸の軸心ａ１と平行な軸心ａ２を中心に回転可能に支持されている。車輪２２は車輪軸５０に固定されており、この車輪軸５０が軸受５１，５１を介して水平軸心ａ２を中心に回転可能に支持されている。
図３に示すように、本実施形態では、車輪２２は、足首部２１における移動ロボットの前後方向に２つ設けられている。なお、車輪２２は、移動ロボットの前後方向に３つ以上設けられていてもよい。このように、移動ロボットの前後方向に複数の車輪２２を設けたので、足首部２１の安定性が向上する。

駆動軸４６と車輪２２との間には、駆動軸４６の回転を増速して車輪２２に伝達する伝動機構５３が設けられている。本実施形態において、伝動機構５３は、駆動軸４６に固定された駆動プーリ５５と、車輪軸５０に固定された従動プーリ５６と、駆動プーリ５５と従動プーリ５６に掛け渡されたベルト５７とからなるベルト伝動機構５３である。駆動プーリ５５と従動プーリ５６の呼び径の比は、１：ｘ（但しｘ＜１）に設定されている。すなわち、この伝動機構５３は、増速ギヤ比に設定されている。本実施形態では駆動プーリ５５と従動プーリ５５の呼び径の比（増速ギヤ比）は、１：０．５に設定されているが、増速ギヤ比となる範囲で他のギヤ比に設定されてもよい。

このようにベルト伝動機構を採用することにより、駆動軸４６に固定される駆動プーリ５５と車輪軸５０に固定される従動プーリ５６との比を増速ギヤ比に設定することで容易に増速効果が得られる。また、ベルト伝動機構は、比較的容易に大きな増速比を得ることができる。

足首部２１には、足首部２１に対する駆動軸４６の回転を拘束可能な拘束手段６０が設けられている。この拘束手段６０は、作動時に足首部２１に対する駆動軸４６の回転を拘束し、非作動時にこの拘束を解除し足首部２１に対する回転軸４６の回転を許容するようになっている。
なお、本実施形態において拘束手段６０はブレーキ装置であるが、ブレーキ装置の代わりに、駆動モータ２３とは別のモータを駆動軸４６に連結し、このモータを拘束手段６０として機能させてもよい。モータによる拘束手段６０により、車輪２２の回転を停止させるブレーキ機能或いは積極的な回転駆動も可能になる。
また本実施形態における拘束手段６０では、駆動軸４６を直接拘束することによってその回転を拘束するようにしているが、例えば、車輪軸５０の回転を拘束することによって間接的に駆動軸４６の回転を拘束するようにしてもよい。

仮に、拘束手段６０が無い場合、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首部２１を回動させてその向きを変えようとしたときに、車輪２２が回転してしまって足首部２１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１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、駆動モータ２３の駆動を停止していても車輪２２が回転されてしまうことによって移動ロボット１が不安定となり転倒する可能性がある。

これに対し、上述した拘束手段６０を備えた場合、拘束手段６０が非作動時には、駆動モータ２３の駆動力が車輪２２に伝達されるため、車輪２２を回転駆動して移動ロボット１を走行させることができる。一方、拘束手段６０が作動時には、足首部２１に対する駆動軸４６の回転が拘束されることにより、駆動モータ２３の駆動力は車輪２２に伝達しないから、車輪２２は回転駆動されず、代わりに足首部２１が回動駆動される。

このように、足首部２１に対する駆動軸４６の回転を拘束可能な拘束手段６０を設けたので、特に段部の乗り越えや階段の昇降を行う際に、車輪２２の回転を拘束手段６０によって拘束することにより、移動ロボット１の姿勢によって脚部９（中央脚１１、側脚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２２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１が転倒するような問題を防止できる。尚、図２、図３に示した構成では、足首部２１の姿勢は、移動ロボットの重量によって車輪２２が地面に接するように回動されることによって自動的に調整される。

なお、図２において、符号Ｓ４は足首部２１の回動角度を検出する回動角度検出センサであり、符号Ｓ５は駆動軸４６の回転を検出する回転検出センサである。これらの検出センサＳ４，Ｓ５からの信号は、上述した制御装置に送信される。

上述した本実施形態にかかる移動ロボットの脚構造によれば、伝動機構５３により、駆動軸４６の回転を増速して車輪２２に伝達するので、歩行時には足首部２１の回動駆動において高トルク性能を与えることができ、走行時には車輪２２の回転駆動において高回転性能を与えることができる。すなわち、トルク×速度＝一定であるため、足首部２１と車輪２２のそれぞれに合わせたギヤ設定が可能となる。これにより、駆動モータ２３の大出力化及び車輪２２の大径化を伴うことなく、車輪走行速度を上げることができる。
また、１つの駆動モータ２３と１つの拘束手段６０の作動・非作動の切り替えによって、足首部２１の回動と車輪２２の回転を選択的に切り替えることができることに加え、駆動力を有効に活用できるため、小型な装置でこれらを実現することができる。

なお、上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。例えば、上記実施形態では、３脚車輪型移動ロボットに本発明を適用した例を説明したが、本発明は、２脚（２足）歩行ロボット、多脚（多足）歩行ロボットの脚構造にも適用することができる。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の実施形態にかかる移動ロボットの脚構造を採用した移動ロボットの一構成例を示す図である。本発明の実施形態にかかる移動ロボットの脚構造を示す断面図である。本発明の実施形態にかかる移動ロボットの脚構造を示す側面図である。従来の移動ロボットの構成を示す図である。従来の移動ロボットの脚構造を示す図である。

符号の説明

１移動ロボット
９脚部
１０ロボット本体
２１足首部
２２車輪
２３駆動モータ
４６駆動軸
５３伝動機構
６０拘束手段

Claims

ロボット本体に取り付けられた複数の脚及び該脚に設けられた車輪を動作させることにより歩行及び走行が可能な移動ロボットの脚構造であって、
ロボット本体に連結された脚部の下端に回動可能に連結された足首部と、
該足首部に回転可能に支持された車輪と、
前記脚部に前記足首部の回動軸心と同心状に回転可能に支持された駆動軸と、
該駆動軸を回転駆動する駆動モータと、
前記駆動軸の回転を増速して前記車輪に伝達する伝動機構と、
前記足首部に設けられ前記足首部に対する前記駆動軸の回転を拘束可能な拘束手段と、
前記回動軸心と平行な軸心を中心に回転可能に前記足首部に支持された車輪軸と、を備え、
前記車輪は、前記車輪軸に固定され、前記平行な軸心を中心に回転可能であり、
前記伝動機構は、前記駆動軸に固定された駆動プーリと、前記車輪軸に固定された従動プーリと、前記駆動プーリと前記従動プーリに掛け渡されたベルトとからなり、前記駆動軸の回転を増速して前記車輪軸に伝達し、
前記駆動モータは、前記拘束手段により前記駆動軸の回転を拘束した状態で、前記足首部を前記回動軸心を中心に回転させ、前記拘束手段による前記駆動軸の回転の拘束を解除した状態で、前記駆動軸と前記伝動機構を介して前記車輪軸を回転させる、ことを特徴とする移動ロボットの脚構造。
前記車輪は、前記足首部における移動ロボットの前後方向に複数設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の移動ロボットの脚構造。