JP4988522B2 - 移動ロボット及びその移動方法 - Google Patents

Description

本発明は、不整地や災害現場などの走行の妨げになる要素が多い地帯において、運搬作業や牽引作業に用いたり、救助活動や監視活動や情報収集活動を行う際に用いたりするのに好適な移動ロボット及びその移動方法に関するものである。

従来、上記したような移動ロボットとしては、例えば、車体と、この車体に配置された複数の多関節脚と、各多関節脚に設置された車輪を備えたものがあり、この移動ロボットにおいて、平坦地では車輪を用いて高速で移動し、一方、不整地では各多関節脚を駆使して歩行をすることにより、例えば、高い段差を乗り越えるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開平9-142347号公報

ところが、上記した従来の移動ロボットにおいて、車輪を用いた走行時にロボット自身の機械要素や搭載機器などが衝撃で破損するのを防止するべく、多関節脚の各関節に衝撃吸収用ダンパを設置して衝撃を吸収したり、モータ出力を制御することで関節にコンプライアンスを持たせて衝撃を吸収したりすることが好ましいと考えられるが、衝撃吸収用ダンパを設置する場合には、多関節脚の歩行時に自重によって衝撃吸収用ダンパが撓み、その撓み分だけ姿勢が変化して関節が予期せぬ方向に曲がってしまい、脚先を正確に制御することができない。
一方、関節にコンプライアンスを持たせる場合には、モータに減速比が大きい減速機が付いていると、衝撃の速度に追従できずに減速機を破損する可能性があり、また、減速比が小さい減速機を使用するかあるいは減速機を使用しないとすると、自重を支えるために常時大トルクを出力し得るモータを採用する必要があり、その分だけ重量が増加してしまうと共に消費エネルギも増大してしまう。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、自身の機械要素を破損したり、重量や消費エネルギの増加を招いたりすることをなく、平坦地での移動時における走行性能及び衝撃吸収性の向上を実現でき、加えて、不整地における歩行時の脚先位置決め精度の向上をも実現が可能である移動ロボット及びその移動方法を提供することを目的としている。

本発明の請求項１に係る発明は、車体と、この車体の少なくとも前後左右の四箇所に配置されて、基端部分が前記車体に対して水平方向で且つ適宜位置で固定可能に回動する第一関節駆動軸を介して支持された回動脚部と、この回動脚部を介して前記車体に支持されて適宜位置で固定可能に正逆回転する駆動輪を具備した脚車輪を備え、前記車体の前部及び後部のうちの少なくともいずれか一方に配置した脚車輪を、両端部分に前記駆動輪が配置されていると共に中央部分が前記回動脚部の先端部分に対して水平方向で且つ適宜位置で固定可能に回動する第二関節駆動軸を介して支持されて、前記回動脚部の回動により前記第一関節駆動軸回りに旋回する旋回脚部を具備した多関節脚車輪とし、この多関節脚車輪の前記第一関節駆動軸及び第二関節駆動軸を固定して走行する段階で前記車体に対する前記回動脚部の回動及び前記第二関節駆動軸に対する前記旋回脚部の回動を許容する衝撃吸収モードと、前記多関節脚車輪の前記第一関節駆動軸及び第二関節駆動軸を回動させて歩行する段階で前記第一関節駆動軸に対する前記回動脚部の固定及び前記第二関節駆動軸に対する前記旋回脚部の固定を行う固定モードとを切り替え可能なサスペンション機構を前記多関節脚車輪の第一関節駆動軸部分及び前記第二関節駆動軸部分にそれぞれ設けた構成としたことを特徴としており、この構成の移動ロボットを前述の従来の課題を解決するための手段としている。

また、本発明の請求項２に係る移動ロボットは、前記車体の前部及び後部の双方に配置した脚車輪をいずれも前記多関節脚車輪とした構成としている。
一方、本発明の請求項３に係る移動ロボットの移動方法は、上記移動ロボットを移動させるに際して、前記脚車輪による走行時には、すべてのサスペンション機構をそれぞれ衝撃吸収モードとし、且つ、すべての駆動輪を接地させた状態で前記多関節脚車輪の第一関節駆動軸及び第二関節駆動軸をそれぞれ固定して、すべての駆動輪を作動させ、前記脚車輪による歩行時には、すべてのサスペンション機構をそれぞれ固定モードとし、且つ、前記旋回脚部を有する左右の多関節脚車輪の前記回動脚部を第一関節駆動軸とともに交互に回動させつつ適宜位置で固定した前記旋回脚部の適宜選択される駆動輪を固定状態で接地させる構成としている。

本発明に係る移動ロボットにおいて、車体の前部及び後部のうちの少なくともいずれか一方に配置した脚車輪を回動脚部の回動により第一関節駆動軸回りに旋回する旋回脚部を有する多関節脚車輪とし、この多関節脚車輪の旋回脚部を支持する第二関節駆動軸を旋回脚部の両端部分に配置した駆動輪間に配置しているので、ロボットの自重で駆動輪が地面に倣うこととなり、その結果、地面に対する追従性がよくなって、駆動輪による走行性能が向上することとなる。

また、衝撃吸収モードと固定モードとを切り替え可能なサスペンション機構を多関節脚車輪の第一関節駆動軸部分及び第二関節駆動軸部分にそれぞれ設けているので、駆動輪による走行時には、サスペンション機構を作動させることで衝撃吸収性が向上することとなり、脚車輪による歩行時には、サスペンション機構を固定することで脚先位置決め精度が向上することとなる。

そして、多関節脚車輪の第一関節駆動軸及び第二関節駆動軸をコンプライアンス制御する必要がないので、自身の機械要素が破損したり、重量や消費エネルギが増加したりするのを回避し得ることとなる。

本発明に係る移動ロボット及びその移動方法では、上記した構成としているので、自身の機械要素を破損したり、重量や消費エネルギの増加を招いたりすることがないのは言うまでもなく、平坦地での移動時における走行性能及び衝撃吸収性の向上を実現しつつ、不整地における歩行時の脚先位置決め精度の向上をも実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

以下、本発明に係る移動ロボットを図面に基づいて説明する。
図１〜図７は、本発明に係る移動ロボットの一実施形態を示している。
図１及び図２に示すように、この移動ロボット１は、車体２と、この車体２の前部の左右二箇所に配置した多関節脚車輪１０と、車体２の後部の左右二箇所に配置した脚車輪４０を備えている。

車体２の前部に位置する多関節脚車輪１０は、基端部分１１ａが車体２に対して水平方向で且つ適宜位置で固定可能に回動する第一関節駆動軸１２を介して支持された回動脚部１１と、車輪本体１３ａ及びこの車輪本体１３ａを適宜ポジションで固定可能に正逆回転させる駆動機構１３ｂを一体で有する駆動輪１３が両端部分２０ａ，２０ａに配置され且つ中央部分２０ｂが回動脚部１１の先端部分１１ｂに対して水平方向で且つ適宜位置で固定可能に回動する第二関節駆動軸１５を介して支持されて、回動脚部１１の回動により第一関節駆動軸１２回りに旋回する旋回脚部２０を具備している。

この多関節脚車輪１０の第一関節駆動軸１２は、図３に示すように、車体２内に配置したモータ３から歯車群４及び減速機５を介して伝達される出力により回動するようになっており、一方、多関節脚車輪１０の第二関節駆動軸１５は、車体２内に配置したモータ６から歯車群７及び回動脚部１１内に収容したベルト１７を介して伝達される出力により回動するようになっている。

また、多関節脚車輪１０の第一関節駆動軸１２の周囲には、図４にも示すように、モータ３，６が固定されて車体２に対して軸受８を介して回動可能に取り付けた浅底円筒形状を成すモータ取付用ベース９と、車体２にシリンダ３１の基端を枢支させてシリンダロッド３２の先端をモータ取付用ベース９の周縁部分に回動自在に連結したサスペンション機構を構成するサスペンションダンパ３０と、車体２に一端を枢支させ且つ他端をモータ取付用ベース９上においてシリンダロッド３２の先端に連結した同じくサスペンション機構を構成する戻しバネ３８が設けてあり、この戻しバネ３８のモータ取付用ベース９の中心を間にした反対側にも同じ戻しバネ３８が線対称を成すようにして配置してある。

上記サスペンションダンパ３０は、図７に示すように、シリンダ３１内のピストン３３の両側を連通する流路３４上に、蓄圧器３７を挟むようにして可変オリフィス３５，３５を配置すると共に、一方の可変オリフィス３５とシリンダ３１との間に電磁バルブ３６を配置した構成を成している。
つまり、上記したサスペンション機構は、第一関節駆動軸１２を固定して走行する場合において、サスペンションダンパ３０の電磁バルブ３６を開状態にしてシリンダロッド３２が動作する衝撃吸収モードを選択するように成すことによって、モータ取付用ベース９、すなわち、回動脚部１１全体の軸受８を介した第一関節駆動軸１２回りの若干の回動を許容し、一方、第一関節駆動軸１２を回動させて歩行する場合において、電磁バルブ３６を閉状態にしてシリンダロッド３２を固定する固定モードを選択するように成すことによって、回動脚部１１の全体を第一関節駆動軸１２と一体で回動させるようにしている。

そして、上記したサスペンション機構では、衝撃吸収モードにおいてサスペンションダンパ３０のシリンダロッド３２がストロークエンドまで伸びきったり縮みきったりしたとしても、モータ取付用ベース９の中心を間にして両側に配置した戻しバネ３８によって、シリンダロッド３２を常に中立位置に戻すことができるようになっている。
一方、第二関節駆動軸１５に支持される旋回脚部２０は、図５及び図６にも示すように、第二関節駆動軸１５に軸受２１を介して回動可能に取り付けた駆動輪保持フレーム２２と、第二関節駆動軸１５に固定したアーム２３と、駆動輪保持フレーム２２にシリンダ３１の基端を枢支させてシリンダロッド３２の先端をアーム２３に回動自在に連結したサスペンションダンパ（サスペンション機構）３０を具備している。

この場合も、サスペンション機構は、第二関節駆動軸１５を固定して駆動輪１３により走行する場合において、サスペンションダンパ３０の電磁バルブ３６を開状態にしてシリンダロッド３２が動作する衝撃吸収モードを選択するように成すことによって、駆動輪保持フレーム２２、すなわち、旋回脚部２０全体の軸受２１を介した第二関節駆動軸１５回りの若干の回動を許容し、一方、第二関節駆動軸１５を回動させて歩行する場合において、電磁バルブ３６を閉状態にしてシリンダロッド３２を固定する固定モードを選択するように成すことによって、第二関節駆動軸１５の回動動作をアーム２３及びサスペンション３０を介して駆動輪保持フレーム２２に確実に伝達することで、旋回脚部２０全体を第二関節駆動軸１５と一体で回動させるようにしている。

さらに、車体２の後部に位置する脚車輪４０は、基端部分４１ａが車体２に対して水平方向で且つ適宜位置で固定可能に回動する第一関節駆動軸４２を介して支持された回動脚部４１と、この回動脚部４１の先端部分４１ｂに配置されて適宜位置で固定可能に正逆回転する上記駆動輪１３と同じ駆動輪１３を具備している。
上記した移動ロボット１を移動させるに際して、脚車輪１０，４０による走行時には、多関節脚車輪１０側に配置したすべてのサスペンションダンパ３０のシリンダロッド３２がそれぞれ動作する衝撃吸収モードとすると共に、すべての駆動輪１３を接地させた状態で多関節脚車輪１０の第一関節駆動軸１２及び第二関節駆動軸１５並びに脚車輪４０の第一関節駆動軸４２をそれぞれ固定して、すべての駆動輪１３を作動させる。

この脚車輪１０，４０による走行時において、多関節脚車輪１０の旋回脚部２０を支持する第二関節駆動軸１５を旋回脚部２０の両端部分２０ａ，２０ａに配置した駆動輪１３，１３間に配置しているので、自重で駆動輪１３，１３が地面に倣うこととなり、その結果、地面に対する追従性がよくなって、走行性能が向上することとなる。
また、脚車輪１０，４０による走行時において、衝撃吸収モードを選択してサスペンション機構におけるサスペンションダンパ３０や戻しバネ３８をそれぞれ作動させるようにしているので、衝撃吸収性が向上することとなる。

一方、脚車輪１０，４０による歩行時には、多関節脚車輪１０側に配置したすべてのサスペンションダンパ３０のシリンダロッド３２をそれぞれ固定する固定モードとしたうえで、図８（ａ）に示すように、左右の多関節脚車輪１０における旋回脚部２０を直立させると共に左右の脚車輪４０における回動脚部４１を直立させて歩行状態とするのに続いて、左右の多関節脚車輪１０の回動脚部１１を第一関節駆動軸１２とともに交互に回動させつつ適宜位置で固定した旋回脚部２０の適宜選択される駆動輪１３を固定状態で接地させる。

この脚車輪１０，４０による歩行時において、固定モードを選択してサスペンションダンパ３０のシリンダロッド３２をそれぞれ固定するようにしているので、脚先位置決め精度が向上することとなる。
そして、この脚車輪１０，４０による歩行時において、図８（ｂ）に示すように、段差Ａを乗り越える場合には、左右の多関節脚車輪１０の回動脚部１１を第一関節駆動軸１２とともに交互に回動させて、図８（ｂ）に仮想線で示すように、旋回脚部２０の適宜選択される駆動輪１３を固定状態で段差Ａ上に接地させた後、回動脚部１１を回動させたり、駆動輪１３を回転させたりするように成せば、車体２を段差Ａ上に引き上げることが可能になり、必要に応じて、図９に示すように、多関節脚車輪１０における回動脚部１１及び旋回脚部２０をいずれも直立させたりすれば、車輪走行や通常歩行だけでは移動不可能な高段差や急斜面に対する踏破性能が向上することとなる。

上記した実施形態による移動ロボット１では、車体２の前部の左右二箇所に多関節脚車輪１０を配置すると共に、車体２の後部の左右二箇所に脚車輪４０を配置するようにしているが、多関節脚車輪１０を車体２の後部に配置すると共に、脚車輪４０を車体２の前部に配置するようにしてもよい。
また、上記した実施形態では、車体２の前部の左右二箇所に多関節脚車輪１０を配置し、車体２の後部の左右二箇所には単関節の脚車輪４０を配置するようにしているが、これに限定されるものではなく、図１０に示すように、車体２の前後左右の四箇所のすべてに多関節脚車輪１０を配置してなる移動ロボット１とすることが可能である。

さらに、上記した実施形態による移動ロボット１では、駆動輪１３が、車輪本体１３ａ及びこの車輪本体１３ａを適宜ポジションで固定可能に正逆回転させる駆動機構１３ｂを一体で有している場合を示したが、これに限定されるものではなく、車輪本体１３ａと駆動機構１３ｂとが別体を成していてもよい。
さらにまた、上記した実施形態による移動ロボット１では、多関節脚車輪１０の旋回脚部２０の両端部分２０ａ，２０ａに配置した駆動輪１３，１３及び脚車輪４０の回動脚部４１の先端部分４１ｂに配置した駆動輪１３が互いに同じ大きさを成している場合を示したが、これに限定されるものではなく、旋回脚部２０の駆動輪１３，１３の径を互いに違えたり、多関節脚車輪１０の駆動輪１３及び脚車輪４０の駆動輪１３の径を互いに違えたりしてもよい。

本発明に係る移動ロボットの一実施形態を簡略的に示す多関節脚車輪における旋回脚部を寝かせた走行状態の側面説明図である。 図１における移動ロボットを部分的に破断して示す平面説明図である。 図１に示した移動ロボットの多関節脚車輪における回動脚部の基端部分周辺の拡大横断面説明図である。 図１に示した移動ロボットの多関節脚車輪における回動脚部の基端部分周辺に配置したサスペンション機構の拡大説明図である。 図１に示した移動ロボットの多関節脚車輪における旋回脚部の拡大横断面説明図である。 図１に示した移動ロボットの多関節脚車輪における旋回脚部の拡大縦断面説明図である。 図１に示した移動ロボットの多関節脚車輪におけるサスペンションダンパの概略構成説明図である。 図１に示した移動ロボットの多関節脚車輪における旋回脚部を直立させた歩行状態の側面説明図（ａ）及び旋回脚部を旋回させて段差を乗り越える状態の側面説明図（ｂ）である。 図１に示した移動ロボットの多関節脚車輪における回動脚部及び旋回脚部を直立させた状態の側面説明図である。 本発明に係る移動ロボットの他の実施形態を簡略的に示す多関節脚車輪における旋回脚部を寝かせた走行状態の側面説明図（ａ）及び旋回脚部を直立させた歩行状態の側面説明図（ｂ）である。

符号の説明

１ 移動ロボット
２ 車体
１０ 多関節脚車輪
１１ 回動脚部
１２ 第一関節駆動軸
１３ 駆動輪
１５ 第二関節駆動軸
２０ 旋回脚部
２０ａ 旋回脚部の両端部分
２０ｂ 旋回脚部の中央部分
３０ サスペンションダンパ（サスペンション機構）
３８ 戻しバネ（サスペンション機構）
４０ 脚車輪
４１ 回動脚部
４２ 第一関節駆動軸

Claims (3)

1. 車体と、
   この車体の少なくとも前後左右の四箇所に配置されて、基端部分が前記車体に対して水平方向で且つ適宜位置で固定可能に回動する第一関節駆動軸を介して支持された回動脚部と、この回動脚部を介して前記車体に支持されて適宜位置で固定可能に正逆回転する駆動輪を具備した脚車輪を備え、
   前記車体の前部及び後部のうちの少なくともいずれか一方に配置した脚車輪を、両端部分に前記駆動輪が配置されていると共に中央部分が前記回動脚部の先端部分に対して水平方向で且つ適宜位置で固定可能に回動する第二関節駆動軸を介して支持されて、前記回動脚部の回動により前記第一関節駆動軸回りに旋回する旋回脚部を具備した多関節脚車輪とし、
   この多関節脚車輪の前記第一関節駆動軸及び第二関節駆動軸を固定して走行する段階で前記車体に対する前記回動脚部の回動及び前記第二関節駆動軸に対する前記旋回脚部の回動を許容する衝撃吸収モードと、前記多関節脚車輪の前記第一関節駆動軸及び第二関節駆動軸を回動させて歩行する段階で前記第一関節駆動軸に対する前記回動脚部の固定及び前記第二関節駆動軸に対する前記旋回脚部の固定を行う固定モードとを切り替え可能なサスペンション機構を前記多関節脚車輪の第一関節駆動軸部分及び前記第二関節駆動軸部分にそれぞれ設けた
   ことを特徴とする移動ロボット。
2. 前記車体の前部及び後部の双方に配置した脚車輪をいずれも前記多関節脚車輪とした請求項１に記載の移動ロボット。
3. 請求項１又は２に記載の移動ロボットを移動させるに際して、
   前記脚車輪による走行時には、すべてのサスペンション機構をそれぞれ衝撃吸収モードとし、且つ、すべての駆動輪を接地させた状態で前記多関節脚車輪の第一関節駆動軸及び第二関節駆動軸をそれぞれ固定して、すべての駆動輪を作動させ、
   前記脚車輪による歩行時には、すべてのサスペンション機構をそれぞれ固定モードとし、且つ、前記旋回脚部を有する左右の多関節脚車輪の前記回動脚部を第一関節駆動軸とともに交互に回動させつつ適宜位置で固定した前記旋回脚部の適宜選択される駆動輪を固定状態で接地させる
   ことを特徴とする移動ロボットの移動方法。

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