JP5171290B2 - 脚式移動ロボット - Google Patents
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Description
[2足移動ロボットの構成]
第1実施形態に係る2足移動ロボットについて図1を参照して説明する。図1は、第1実施形態に係る2足移動ロボットを模式的に示す側面図である。なお、位置、方向等に関する表現は、2足移動ロボットの前後方向にX軸(ロボットRの正面が向いた方向を前とする)、左右方向にY軸(ロボットRを基準に左を正とする)、上下方向にZ軸(ロボットRを基準に上を正とする)をとり、2足移動ロボットが起立姿勢をとった状態を基準として説明する。
ロボットRの脚部R1の関節構造について図2を参照して説明する。図2は、図1に示した脚部の関節構造を模式的に示す図である。
図2に示すように、ロボットRは、左右それぞれの脚部R1に6個の関節11R(11L)〜16R(16L)を備えている(右側をR、左側をLと表記する。以下同じ。)。これら左右合計12個の関節は、股部に設けられた脚回旋用(Z軸まわり)の股関節11R,11Lと、股部のロール軸(X軸)まわりの股関節12R,12Lと、股部のピッチ軸(Y軸)まわりの股関節13R,13Lと、膝部のピッチ軸(Y軸)まわりの膝関節14R,14Lと、足首のピッチ軸(Y軸)まわりの足首関節15R,15Lと、足首のロール軸(X軸)まわりの足首関節16R,16Lとから構成されている。そして、脚部R1の下には足部17R,17Lが取り付けられている。
図2に示した足部17R(17L)のうち、6軸力センサ32以外の構成、すなわち、足平部31と、センサ固定フレーム(可動部)33と、衝撃吸収機構34とについて図3ないし図6を参照(適宜図2参照)して説明する。図3は、第1実施形態に係る2足移動ロボットの足部を模式的に示す斜視図であり、図4は、図3に示した衝撃吸収機構を模式的に示す図である。また、図5は、図3に示した衝撃吸収機構を模式的に示す分解斜視図であり、図6は、図5に示したダンパの内部を模式的に示す一部断面図である。ここで、図3は、図2に示した足部17Rの詳細な構成例を示している。また、図4は、ロボットRの直立(起立)時において図3に示した足部17RをX軸の正の方向からセンサ固定フレーム33を透過して視た(右足を前から視た)正面および一部断面の左半分を示している。これら図3および図4は、ロボットRの足部17Rについて、説明の都合上、図1に示したロボットRの外装部分を適宜取り除いた状態で一部の構成を省略して示している。左の足部17Lと右の足部17Rとは左右対称であるため、以下、必要のない場合にはR,Lを表記しないで説明する。なお、図3および図4では、R,Lの表記を省略している。
足平部31は、衝撃吸収機構34と共にロボットRの自重を支持し、床面と接地するものである。この足平部31は、図4に示すように、下から順に、足底部41と、足平本体42と、減衰部材43とを備えている。
足平本体42は、底面に足底部41が固定されており、例えば、金属部材(鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金等)、カーボン、樹脂等から形成されている。
減衰部材43は、支持期の踏み込み時に生じるセンサ固定フレーム33の衝撃を減衰させるものであり、例えば、発泡樹脂やゴム等から形成される。なお、図3では、足平部31の構成のうち、足底部41と減衰部材43とを省略し、足平本体42だけ示している。
センサ固定フレーム(可動部)33は、足首関節(第2関節)15,16に連結されて足平部31に対して足部17の接地端に垂直な方向に移動可能に構成されている。このセンサ固定フレーム33は、6軸力センサ32を固定するための台座であって、6軸力センサ32と、足平部31の減衰部材43との間に設けられており、センサ固定フレーム33と6軸力センサ32とは複数のボルトにより固定されている。本実施形態では、センサ固定フレーム33は、衝撃吸収機構34を固定するための台座も兼ねている。そのため、図3の斜視図に示すように、センサ固定フレーム33は、平面視矩形の中央に6軸力センサ32を固定する領域を有すると共に、その中央の領域を挟んだ前後に、衝撃吸収機構34を固定する領域を有している。なお、図示は省略したが、センサ固定フレーム33の上下動を案内するガイド部材がセンサ固定フレーム33の周囲に形成されている。また、センサ固定フレーム33は、例えば、金属部材(鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金等)、カーボン、樹脂等から形成されている。また、図4に示すように、センサ固定フレーム33は、足平部31から、ロボットRの直立時の所定距離d0だけ離間している。このセンサ固定フレーム33と足平部31との間の隙間の高さは、後記するように、ロボットRの移動に伴う足部17の踏み込みによって変化する。
衝撃吸収機構34は、センサ固定フレーム33の上に固定されており、移動ロボットRの着地期および支持期の衝撃を吸収するものである。本実施形態では、図3の斜視図に示すように、足部17には、4つの衝撃吸収機構34(34a,34b,34c,34d)が設けられている。ただし、図4では説明上、1つの衝撃吸収機構34(34d)のみを示している。なお、衝撃吸収機構34の個数はこれに限定されるものではなく、1個以上であればよい。
緩衝装置51は、伸縮方向が足平部31に対して水平となる方向に配置されてセンサ固定フレーム33に伸縮方向の一端が連結されている。本実施形態では、緩衝装置51は、圧縮または引張による剛性あるいは粘性抵抗がセンサ固定フレーム33の変位(圧縮方向)に対して非線形に変化する。この緩衝装置51は、流体が密封されたダンパ61と、このダンパ61の周囲に併設されたスプリング62とを備えている。また、図5に示すように、ダンパ61は、ピストンを有し、このピストンの変位方向が足平部31に対して水平となる方向に配置されている。そして、ダンパ61は、ダンパ61の先端に設けられた先端側軸穴61aと、ベルクランク53の第1軸穴53aとに第1可動軸63aが挿入されて止め輪64aで止められている。また、ダンパ61の基端61b(図5参照)は、センサ固定フレーム33の上部軸穴33a(図3参照)に回動自在とするピンを介して支持されている。なお、ダンパ61の基端61b(図5参照)は、図4において仮想線で示す足首関節リンク部材55に接続される。
また、本実施形態では、スプリング62は、ばね鋼等のダンパ61に巻かれたコイルスプリングから構成され、引張り荷重に耐えられるように、その両端が加締めてある。なお、スプリング62は、コイルスプリングに限定されず、例えば、竹の子ばねや皿ばね等で構成するようにしてもよい。
また、スプリング62を線形ばねとしてダンパ61に用いる流体の種類やレイノルズ数を適宜選択するようにしてもよいし、スプリング62を非線形ばね特性を有するものとしてもよい。
球面軸(リンク部材)52は、基端が球面軸受54を介して足平部31に対して回動可能に接続されている。球面軸52の連結部52aと、ベルクランク53の第2軸穴53bとに第2可動軸63bが挿入されて止め輪64bで止められている。なお、図4では、球面軸受54のY軸方向の中心線をLKで示している。
ベルクランク53は、球面軸52の連結部(先端)52aおよび緩衝装置51の他端に対してそれぞれ回動可能に接続されている。このベルクランク53は、緩衝装置51のダンパ61に連結された第1可動軸63aと、球面軸52の連結部52aに連結された第2可動軸63bとは異なる第3可動軸63cを介して、センサ固定フレーム33の側底縁部に軸支されている。すなわち、図3および図5に示すように、第3可動軸63cがセンサ固定フレーム33の端部を介してベルクランク53の第3軸穴53cに挿入されてナット64cで固定されている。
衝撃吸収機構34の設定値について図7を参照(適宜図3ないし図5参照)して説明する。図7は、図3に示した衝撃吸収機構の構造を模式的に示す図である。この図7は、図4に示した衝撃吸収機構34に備わる回転軸または軸穴を、点O、点O1、点A(Y1,Z1)、点B(Y2,Z2)、点C(Y3,Z3)で示したものである。なお、以下では、点A、点Bおよび点Cの座標値を省略する。
第1実施形態に係る2足移動ロボットの動作として主に足部の衝撃吸収機構の動作について図8ないし図10を参照(適宜図3ないし図7参照)して説明する。図8ないし図10は、図4に示した衝撃吸収機構の動作を示す図であって、図8は、図4に示した直立時の状態から足部を踏み込み始めたときの状態を示し、図9は、図8に示した状態から進行して足部を最も踏み込んだときの状態を示している。また、図10は、図4に示した直立時の状態から、接地した足部を持ち上げたときの状態を示している。
図4と図8とを対比したときに、Z軸方向の相違点は以下の通りである。
図4に示すように、ロボットRの直立時では、センサ固定フレーム33は、足平部31から所定距離d0だけ離間している。一方、図8に示すように、ロボットRが足部17を踏み込み始めたときには、センサ固定フレーム33が足部17の中で下降し、足平部31から所定距離d1(<d0)だけ離間した状態となる。つまり、センサ固定フレーム33と足平部31との間の隙間が狭くなる。
図4と図10とを対比したときに、図4に示す状態から、図10に示す状態へのZ軸方向の変化は以下の通りである。すなわち、図10に示すように、ロボットRが図4に示した直立時の状態から、接地した足部17を持ち上げたときには、センサ固定フレーム33が足部17の中で上昇し、足平部31から所定距離d2(>d0)だけ離間した状態となる。つまり、センサ固定フレーム33と足平部31との間の隙間が広がる。
図4に示した状態になったとき、すなわち、足部17が接地したときには、衝撃吸収機構34において、位置決めされた球面軸52と、センサ固定フレーム33と共に所定位置に下降している緩衝装置51と、この緩衝装置51に連動して回転したベルクランク53とがロボットRの自重、詳しくはロボットRの衝撃吸収機構34よりも上部の構造による荷重全体を支持すると共に、ベルクランク53の回転に連動して弾性変形した緩衝装置51が着地時の衝撃を吸収する。そのため、簡易な構成でありながらロボットRの自重を支持し、さらに床反力による衝撃を吸収することができる。また、衝撃吸収機構34は、ゴムブッシュと比較して衝撃吸収能が高いので、ロボットRの移動(歩行、走行)速度を高めることが可能となる。
衝撃吸収機構34の特性について、図11および図12を参照して説明する。図11は、衝撃吸収機構の接地面に垂直な方向に対する圧縮量とその圧縮に対する衝撃吸収機構の剛性との関係を示したグラフであり、図12は、衝撃吸収機構の接地面に垂直な方向に対する圧縮量と接地面からの反力との関係を示したグラフである。ここで、衝撃吸収機構の剛性とは、接地面に垂直な方向(Z軸方向)の圧縮力に対する衝撃吸収機構の変形しにくい性質を示す物理量であり、例えば、ゴムブッシュの剛性に相当する。この剛性は、例えば、[N/mm]を単位として表すことができる。
第2実施形態に係る2足移動ロボットは、足部17の衝撃吸収機構34に四節リンクを利用した点を除いて図1ないし図4を参照して説明した第1実施形態と同じ構成である。したがって、同じ構成には同じ符号を付して説明を省略し、足部の衝撃吸収機構について図13を参照(適宜図3および図4参照)して説明する。
ロボットRが直立時から足部17を踏み込むと、センサ固定フレーム133は、足部17の中で下降し、センサ固定フレーム133と足平部131との間の隙間が狭くなる。すると、リンク217,219がシャフト203を中心に図中時計回り(右回転)し、シャフト209,211がYZ平面で回転する。これによって、ダンパ161のピストンロッド165がピストン163を押圧する。つまり、ダンパ161の長さが短くなる。このように、ロボットRが直立した状態から足部17を踏み込んだときには、センサ固定フレーム133の下降というZ軸方向の運動が、ダンパ161の収縮というY軸方向の運動に変換されると共に、リンク213,215に軸支されたシャフト211の回転運動へと変換されることとなる。
ロボットRが直立時の状態から、接地した足部17を持ち上げたときには、センサ固定フレーム133が足部17の中で上昇し、センサ固定フレーム133と足平部131との間の隙間が広がる。すると、リンク217,219がシャフト203を中心に図中反時計回り(左回転)し、シャフト209,211がYZ平面で回転する。このとき、センサ固定フレーム133の上昇に対応してシャフト203が上昇することに伴って、リンク221が図中時計回り(右回転)する。これらによって、ダンパ161のピストンロッド165がシャフト209によって引っ張られる。つまり、ダンパ161の長さが長くなる。このように、ロボットRが直立した状態から接地した足部17を持ち上げたときには、センサ固定フレーム133の上昇というZ軸方向の運動が、ダンパ161の伸長というY軸方向の運動に変換されると共に、リンク213,215に軸支されたシャフト211の回転運動へと変換されることとなる。
第3実施形態に係る2足移動ロボットは、図3に示した足部17において、6軸力センサ32の前後方向(X軸方向)にそれぞれ並設された2つの衝撃吸収機構34c,34dによる衝撃吸収力と、2つの衝撃吸収機構34a,34bによる衝撃吸収力とが異なっている点を除いて、第1実施形態と同じ構成である。したがって、同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。ここで、6軸力センサ32の前後方向(X軸方向)は、足平部31において足首関節(第2関節)15、16を挟んだ前後方向と同じ意味である。また、衝撃吸収機構34による衝撃吸収力には、緩衝装置51(図5参照)の特性が反映される。本実施形態では、緩衝装置51の特性を、緩衝装置51の伸縮方向の外力に反発する反発力で表すこととする。なお、足平部31において足首関節15、16を挟んだ前後方向としては、足平部31において踵側が先に着地するときの移動方向を前、足平部31においてつま先側が先に着地するときの移動方向を後ろとする。
R1 脚部
R2 上体
R3 腕部
R4 頭部
R5 制御装置搭載部
15R,15L 関節(足首関節、第2関節)
16R,16L 関節(足首関節、第2関節)
17(17R,17L) 足部
31,131 足平部
32 6軸力センサ
33,133 センサ固定フレーム(可動部)
33a 上部軸穴
34(34a〜34d) 衝撃吸収機構(運動方向変換機構および緩衝装置の組み)
41 足底部
42 足平本体
43 減衰部材
51 緩衝装置
52 球面軸(リンク部材)
52a 連結部
52b 軸部
53 ベルクランク
53a 第1軸穴
53b 第2軸穴
53c 第3軸穴
54 球面軸受
55 足首関節リンク部材
61,161 ダンパ
61a 先端側軸穴
61b 基端
614 変位センサ
616 スペーサ
62 スプリング
63a 第1可動軸
63b 第2可動軸
63c 第3可動軸
163 ピストン
165 ピストンロッド
161b 基端
201,203,205,207,209,211,223 シャフト
213,215,217,219,221 リンク
630 ピストン
631 オリフィス
640 バイパス
641 バルブ
651 フリーピストン
652 エア注入管
653 バルブ
670 弾性部材
Claims (10)
- 上体と、前記上体に第1関節を介して駆動可能に連結される複数本の脚部と、前記脚部の先端に第2関節を介して連結される足部とを備える脚式移動ロボットにおいて、
予め記憶されたデータおよび入力検出信号に基づいて前記第1関節および第2関節を含む関節の駆動制御値を算出し、各関節を駆動することで、前記脚部を動かして当該脚式移動ロボットを自律移動させる制御装置を備え、
前記足部は、
前記足部の接地端を含む足平部と、
前記第2関節に連結されて前記足平部に対面して設けられ、前記自律移動に伴う前記足部の接地時と前記足部の持ち上げ時とで前記足平部までの距離が変化するように一方向に移動可能に構成された可動部と、
前記一方向とは異なる他方向に両端を有し、シリンダ内のピストンロッドが前記他方向へ伸縮可能に配置されて、一端が前記可動部の第1地点に連結された緩衝装置と、
前記緩衝装置の他端と、前記可動部の第2地点とに対してそれぞれ回動可能に連結されると共に前記足平部に連結されて設けられ、前記可動部が前記一方向へ移動するときの移動量の変位を変換して前記緩衝装置の他端に伝達することで、前記緩衝装置の前記ピストンロッドを前記他方向へ伸縮させる運動方向変換機構とを備えることを特徴とする脚式移動ロボット。 - 前記運動方向変換機構は、前記足平部に連結されるリンク部材を備え、
前記リンク部材は、基端が前記足平部に回動可能に連結され、先端が前記可動部の前記第2地点に所定距離をあけて配設された回転軸に回動可能に連結され、
前記運動方向変換機構において、前記リンク部材の先端が連結された前記回転軸と、前記可動部の第2地点に設けられる回転軸との距離が所定部材により固定されていることを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。 - 前記緩衝装置は、前記足部の接地端に水平な方向へ伸縮可能に配置され、
前記運動方向変換機構は、前記可動部が前記足平部に対して前記足部の接地端に垂直な方向へ移動する運動を、前記足部の接地端に水平な方向へ移動する運動に変換することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の脚式移動ロボット。 - 前記緩衝装置は、前記足部の接地端に対して鋭角の傾斜を有した方向へ伸縮可能に配置され、
前記運動方向変換機構は、前記可動部が前記足平部に対して前記足部の接地端に垂直な方向へ移動する運動を、前記足部の接地端に対して鋭角の傾斜を有した方向へ移動する運動に変換することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の脚式移動ロボット。 - 前記足部に前記運動方向変換機構および前記緩衝装置の組みを複数個備え、
前記運動方向変換機構および前記緩衝装置の組みは、それぞれ、前記第2関節の中心を通って前記足部の接地端に垂直な方向に切断した断面に対して対称となる位置に配置されていることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の脚式移動ロボット。 - 前記複数個の運動方向変換機構および前記緩衝装置の組みにおいて、各緩衝装置は、伸縮方向の外力に反発する反発力が、前記足部に配設された位置において床面から当該緩衝装置に作用する床反力に応じて互いに調整可能に構成されていることを特徴とする請求項5に記載の脚式移動ロボット。
- 前記反発力が互いに調整された複数個の運動方向変換機構および前記緩衝装置の組みは、それぞれ、前記足平部においてつま先側および踵側を前後として、前記第2関節を挟んで前後方向に配置され、
前記緩衝装置の反発力は、後ろに配置された緩衝装置よりも前に配置された緩衝装置の方が大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項6に記載の脚式移動ロボット。 - 前記緩衝装置は、バネ・ダンパ機構で構成されることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の脚式移動ロボット。
- 前記バネ・ダンパ機構は、前記足部の接地する接地面から前記足平部に作用する反力を検出する変位センサを備えていることを特徴とする請求項8に記載の脚式移動ロボット。
- 前記足平部は、前記可動部に対向する面に、前記可動部の接触による衝撃を減衰させる減衰部材を備えていることを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか一項に記載の脚式移動ロボット。
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