JP5179138B2 - 多脚型走行装置 - Google Patents

Description

本発明は、歩行移動と段差の乗り越えができる多脚型走行装置に関する。

脚の下端に車輪を有する「脚車輪型」、又は４脚以上の脚を有する「多脚型」の走行装置として、特許文献１〜３が既に開示されている。

特許文献１の「走行車」は、平地だけでなく障害物や階段を移動することができ、構造が簡単かつ軽量で、制御性が良く、適用範囲が広いことを目的とする。
そのため、この走行車は、図６に示すように、下面に階段等と係合する係止段差５２の形成された車体５１と、この車体の前後に取り付けられ進行方向に直交する１対の水平軸５５，５６と、各水平軸の両端に取り付けられ水平軸の周りに回転可能な脚５３，５４と、各脚の先端部に取り付けられた車輪５７，５８とを有し、各車輪は独立的に駆動されるように構成されているものである。

特許文献２の「階段キャリヤー」は、キャリヤーで荷物を運搬する時、階段でも軽々と運搬できることを目的とする。
そのため、この階段キャリヤーは、図７に示すように、荷台の下に、６０〜７０ｃｍ長のキャタピラ６１を取り付け、キャタピラを駆動する歯車６２にはラチェットがついていて、階段を上がる方向しか回転しないものである。

特許文献３の「走行装置」は、走行面に段差がある場合、その段差を検知し、段差を昇降することができることを目的とする。
そのため、この走行装置は、図８に示すように、センサ７０を有する本体７１と、前記本体７１の側面からアーム７２を介して取り付けた車輪７３，７４と、前記車輪を駆動する車輪駆動モータと、前記アームを駆動するアーム駆動モータと、前記本体７１の下部に配置した補助輪７５と、前記センサ７０の出力信号によって自動走行を制御する制御部７６とを有する。そして、前記アーム駆動モータによって前記アーム７２を開閉させ、前記前輪７３と前記後輪７４を用いた走行から、前記前輪７３と前記補助輪７５を用いた走行、または前記後輪７４と前記補助輪７５を用いた走行に切り替えて段差の昇降を行うものである。

特開昭６０−１６６５７３号公報、「走行車」 登録実用新案第３０３８４２２号公報、「階段キャリヤー」 特開２００５−２８９７１号公報、「走行装置」

図１は、従来の脚車輪型走行装置による段差移動の模式図であり、（Ａ）は脚が短く段差の低い場合、（Ｂ）は脚が長く段差も高い場合を示している。この図において、１は車体、２は脚、３は車輪、４は路面、５は段差である。
脚２は、４脚以上であり、それぞれ上端が車体１に揺動可能に取り付けられ、かつ１以上の関節を有し、脚を交互に揺動又は屈曲させて歩行移動ができるようになっている。また、各脚２の下端に車輪３が取り付けられ、その回転により、車体１を走行移動できるようになっている。

図１の走行装置において、（Ａ）ａ１〜ａ７に示すように、脚長に比べ段差５が低い場合には、前側の脚２及び車輪３を段差５の上に載せ（ａ２）、その状態で車輪３で前進し（ａ３，ａ４）、次いで後側の脚２及び車輪３を段差５の上に載せる（ａ５，ａ６）ことにより、段差５を乗り越えて移動することができる。
このように１本１本脚を動作させて段差５を乗り越える動作を、以下「静歩行」と呼ぶ。
また、段差５が高い場合、すなわち路面４からの車体底部までの高さとほぼ同等、もしくはそれ以上の段差を移動する場合には、（Ｂ）のように脚長を長くすることで、同様に静歩行により段差５を乗り越えて移動することができる。

しかし、上述した従来の走行装置には、以下の問題点があった。
（１） 段差の乗り越え能力を上げるため、脚長を延長した場合、延長前と同様の制御性を得るには、関節部や脚部の強度と剛性を高める必要があり、装置重量が増大する。
また、長い脚によって発生する大きなモーメント荷重に耐えるため、アクチュエータ容量も大きくしなければならず、総重量が増大し、製作コストも増大する。
（２） 長い脚は大きな段差、不整地走行には有効だが、通常の移動時には必ずしも必要ではなく、狭い場所の通過においては、脚部が邪魔になる場合もある。

（３） 図２は、車体が段差に接触する場合の従来の脚車輪型走行装置による段差移動の模式図である。
従来の脚車輪型走行装置で高い段差を移動する場合、前脚２を段差上部に載せたあとに、車体１の底部が段差５に接触（接地）する場合がある。この時、図２（５）のように接地点より前方に重心６があれば、底部を接地し、車体を倒すことで進行が可能である（図２（６）〜（８））。しかし、重心６が接地点より後方にある場合はそれ以上進むことができない（図２（５−２））。
また、重心６が接地点より前にあっても必ずしも進行可能ではない。車体１の地面に対しての傾斜角度が大きく、接地点で静止摩擦力が十分に得られない場合は、車体１が前方に傾く途中で滑り落ちてしまうからである（図２（５−３〜５−４））。
（４） 動作速度について、上述した静歩行では１本１本脚を動作させるため時間がかかってしまう。
（５） 姿勢の安定性について、脚が５脚以上であれば、１脚が浮いても安定した姿勢を取り易いが、４脚の場合は不安定になり易い。

本発明は、上述した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、歩行移動ができ、かつ前方に車体底部高さに匹敵する高い段差がある場合でも、従来の静歩行よりもスムーズに、かつ段差から滑り落ちることなく、その段差を乗り越えることができる多脚型走行装置を提供することにある。

本発明によれば、フラットな底面を有する車体と、
該車体を支持し前後に揺動又は屈曲させて車体を歩行移動する４以上の脚とを備え、
前記各脚は、一端が移動方向に直交する水平軸を中心に車体に揺動可能に取り付けられ、中間部に関節を有し、他端に路面と接する足部を有し、
さらに前記車体の底面より下方に位置し、路面と接触する際に車体の後方への移動を防止する後退防止機構と、
車体の進行方向前面に、その上部が前方に延びた接地補助部材とを備える、ことを特徴とする多脚型走行装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記後退防止機構は、車体の底面に沿って移動方向に延びるクローラであり、該クローラは、ワンウェイクラッチにより一方向のみに回転可能であり、路面と接触して、車体の前進時に空転し、後進時に回転せずに後方移動に抵抗する。

また、本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記後退防止機構は、車体の底面に沿って配置された複数の回転ローラであり、回転ローラは、ワンウェイクラッチにより一方向のみに回転可能であり、路面と接触して、車体の前進時に空転し、後進時に回転せずに後方移動に抵抗する。

前記足部は、回転駆動可能な車輪である、ことが好ましい。

上記本発明の構成によれば、車体と４以上の脚を備えているので、４以上の脚で車体を支持し前後に揺動又は屈曲させて車体を歩行移動（足部１５が車輪ならば、車輪走行）できる。
また、車体の底面より下方に位置する後退防止機構を備えるので、路面前方に路面が高くなる段差があり、この段差が車体底部に接触する場合に、後退防止機構が段差に接触して車体の後方への移動を防止するので、前側の２以上の脚と足部を同時に段差の上に載せ、その状態で脚を揺動又は屈曲させて（足部１５が車輪ならば、車輪走行によって）前進することができる。
従って、従来の静歩行よりもスムーズに、かつ段差から滑り落ちることなく、その段差を乗り越えることができる。

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、重複した説明は省略する。

図３は、関連発明の多脚型走行装置の第１実施形態図である。この図において、関連発明の多脚型走行装置１０は、車体１２、４以上の脚１４、および後退防止機構１６を備える。

車体１２は、フラット（平ら）な底面１２ａを有する。
４以上の脚１４は、車体１２の移動方向（図で右方向）に直交する水平軸（紙面に垂直軸）を中心に一端１４ａが揺動可能に取り付けられ、中間部に関節１４ｂを有し、他端に路面４と接する足部１５が取り付けられている。
足部１５は、この例では回転駆動可能な車輪である。なお、関連発明はこれに限定されず、路面４との摩擦係数が路面４に対して滑らないように十分大きいかぎり、単なる高摩擦部材（例えばゴム部材）であってもよい。
脚１４と関節１４ｂは、それぞれ図示しない駆動装置により、前後に揺動又は屈曲できるようになっており、この揺動又は屈曲により車体１２を支持しながら移動方向に歩行移動するようになっている。

後退防止機構１６は、車体１２の底面１２ａより下方に位置し、路面と接触する際に車体１２の後方への移動を防止する機能を有する。
後退防止機構１６は、この例では、車体１２の底面１２ａに沿って移動方向に延びるクローラである。このクローラはワンウェイクラッチを内蔵し、ワンウェイクラッチにより一方向のみに回転可能であり、路面と接触して、車体の前進時に空転し、後進時に回転せずに後方移動に抵抗するようになっている。

上述した関連発明の多脚型走行装置１０が、歩行移動又は車輪走行により、路面が高くなる段差５の位置まで移動すると、この段差５が移動中の路面４と車体底部１２ａの高さよりは低い限り、図３Ａに示すように、車体底部１２ａの前縁部が段差５の前縁部に接触する状態となる。なお、この接触時には、車体後部を下げ前部を上向きにするのがよい。

図３Ａの状態から、後側の脚１４を伸ばして車体１２を水平に近づけ、前側の脚１４を縮めると、車体前部が段差５の前縁部に載る（図３Ｂ）。その状態で前側の２以上の脚１４と足部１５を同時又は順に段差５の上に載せ（図３Ｃ）、その状態で、脚１４を揺動又は屈曲させて前進し、後退防止機構１６（クローラ）を段差５に接触させることができる（図３Ｄ）。
この状態において、後退防止機構１６が段差５に接触して車体１２の後方への移動を防止するので、重心６が段差５より後方にある場合でも、脚１４と足部１５を揺動又は屈曲させて（足部１５が車輪ならば、車輪走行によって）前進し、重心６を段差５より前方まで移動させることができる（図３Ｅ）。
この状態でさらに前進し、後側の脚１４を段差５の上に移動させれば（図３Ｆ）、段差５の乗り越えが完了する。
従って、従来の静歩行よりもスムーズに、かつ段差５から滑り落ちることなく、その段差を乗り越えることができる。

図４は、関連発明の多脚型走行装置の第２実施形態図である。
この図において、後退防止機構１６は、車体１２の底面に沿って配置された複数（この図で５つ）の回転ローラである。各回転ローラは、ワンウェイクラッチにより一方向のみに回転可能であり、路面と接触して、車体の前進時に空転し、後進時に回転せずに後方移動に抵抗するようになっている。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

上述した関連発明の多脚型走行装置１０が、歩行移動又は車輪走行により、路面が高くなる段差５の位置まで移動すると、この段差５が移動中の路面４と車体底部１２ａの高さよりは低い限り、図４Ａに示すように、車体底部１２ａの前縁部が段差５の前縁部に接触する状態となる。なお、この接触時には、車体後部を下げ前部を上向きにするのがよい。

図４Ａの状態から、後側の脚１４を伸ばして車体１２を水平に近づけ、前側の脚１４を縮めると、車体前部が段差５の前縁部に載る（図４Ｂ）。その状態で前側の２以上の脚１４と足部１５を同時又は順に段差５の上に載せ（図４Ｃ）、その状態で、脚１４を揺動又は屈曲させて（足部１５が車輪ならば、車輪走行によって）前進し、後退防止機構１６（回転ローラ）を段差５に接触させることができる（図４Ｄ）。
この状態において、後退防止機構１６が段差５に接触して車体１２の後方への移動を防止するので、重心６が段差５より後方にある場合でも、脚１４と足部１５を揺動又は屈曲させて（足部１５が車輪ならば、車輪走行によって）前進し、重心６を段差５より前方に移動させることができる（図４Ｅ）。
この状態でさらに前進し、後側の脚１４を段差５の上に移動させれば（図４Ｆ）、段差の乗り越えが完了する。
従って、従来の静歩行よりもスムーズに、かつ段差５から滑り落ちることなく、その段差を乗り越えることができる。

図５は、本発明の多脚型走行装置の実施形態図である。
この例において、車体１２の進行方向前面に、その上部が前方に延びた接地補助部材１８を備える。その他の構成は、第１実施形態と同様である。

この構成により、段差５が移動中の路面４と車体底部１２ａの高さより高い場合でも、接地補助部材１８の接地面と路面４との高さより低い限り、図５Ａ〜Ｃに示すように、第１実施形態と同様にその段差を乗り越えることができる。

上述したように、本発明では、脚長の延長はデメリットが多いため、脚長は伸ばさず、積極的に車体底部を利用して移動する。すなわち、車体底部に設けた後退防止機構１６（クローラ、回転ローラ）を接地に利用することで、特に脚数が４脚の場合において、姿勢が安定し、２脚同時に動作が可能となるため、動作速度が向上するメリットが得られる。なお、車体底部は接地可能な状態に補強する。

車体の重心６の位置を接地点（段差５の前縁部）より前方に位置する状態（図３Ｅ，図４Ｅ）となるまで、車体底部の後退防止機構１６（クローラ、回転ローラ）が段差５の前縁部に接地したまま前進する状態がある。
この場合、段差５が高くなるほど、車体１２を傾斜させることとなり、接地点で滑りやすくなる。
本発明では、重心６の位置が十分に接地点より前方に位置するまでは、後退防止機構１６（クローラ、回転ローラ）が滑らかに滑り、車体を傾斜させる場合は十分な静止摩擦力が得られる機構を有する。
上述したワンウェイクラッチを利用したクローラ及び回転ローラは、この２点を満足する。ワンウェイクラッチにより、前進時にクローラ及び回転ローラが接地している場合は空転し、滑り落ちる方向には回転しない。

従って、本発明では、脚長を伸ばさないので、脚を延長する場合と比較して、脚部重量が軽量となる。また回転部にかかるモーメントが減少するため、脚部にかかる負荷も軽減される。さらに、駆動用アクチュエータの小容量化が可能となる。
また車体全体の大きさが、脚長が短い分コンパクトになり、より狭い場所での移動が可能となる。

また、本発明では、車体底部の後退防止機構１６（クローラ、回転ローラ）を接地させるので、脚数が４脚の場合においても、姿勢が安定し、２脚同時に動作が可能となるため、移動速度が向上する。

ワンウェイクラッチの特徴は、電源不要で制御する必要がなく、小型軽量かつトルク容量は大きいことである。この機構の代わりに、ブレーキを使って同じ機能を実現することは可能だが、同じトルクを得られるブレーキに代替すると、機構の大型化と重量増、電源も別途必要となる。アクチュエータでの代替は能動的にクローラ又は回転ローラを駆動するメリットが得られるが、ブレーキと同様のデメリットもある。
以上をまとめると、車体底部と、ワンウェイクラッチを利用したクローラ又は回転ローラを積極的に接地させる移動手段をとることで、コンパクトな車体でより高い段差を、短時間で走行することが可能となる。
また特に脚数が４本のとき、姿勢の安定化が得られ、移動速度が大きく向上する。

なお、本発明は、上述した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に変更することができることは勿論である。

従来の脚車輪型走行装置による段差移動の模式図である。 車体が段差に接触する場合の従来の脚車輪型走行装置による段差移動の模式図である。 関連発明の多脚型走行装置の第１実施形態図である。 関連発明の多脚型走行装置の第２実施形態図である。 本発明の多脚型走行装置の実施形態図である。 特許文献１の「走行車」の模式図である。 特許文献２の「階段キャリヤー」の模式図である。 特許文献３の「走行装置」の模式図である。

符号の説明

１ 車体、２ 脚、３ 車輪、４ 路面、５ 段差、６ 重心、
１０ 多脚型走行装置、１２ 車体、１２ａ 底面、
１４ 脚、１４ａ 一端、１４ｂ 関節、
１５ 足部（車輪）、
１６ 後退防止機構（クローラ、回転ローラ）、
１８ 接地補助部材

Claims (4)

1. フラットな底面を有する車体と、
   該車体を支持し前後に揺動又は屈曲させて車体を歩行移動する４以上の脚とを備え、
   前記各脚は、一端が移動方向に直交する水平軸を中心に車体に揺動可能に取り付けられ、中間部に関節を有し、他端に路面と接する足部を有し、
   さらに前記車体の底面より下方に位置し、路面と接触する際に車体の後方への移動を防止する後退防止機構と、
   車体の進行方向前面に、その上部が前方に延びた接地補助部材とを備える、ことを特徴とする多脚型走行装置。
2. 前記後退防止機構は、車体の底面に沿って移動方向に延びるクローラであり、該クローラは、ワンウェイクラッチにより一方向のみに回転可能であり、路面と接触して、車体の前進時に空転し、後進時に回転せずに後方移動に抵抗する、ことを特徴とする請求項１に記載の多脚型走行装置。
3. 前記後退防止機構は、車体の底面に沿って配置された複数の回転ローラであり、回転ローラは、ワンウェイクラッチにより一方向のみに回転可能であり、路面と接触して、車体の前進時に空転し、後進時に回転せずに後方移動に抵抗する、ことを特徴とする請求項１に記載の多脚型走行装置。
4. 前記足部は、回転駆動可能な車輪である、ことを特徴とする請求項１に記載の多脚型走行装置。
   

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