JP5768482B2 - 走行ロボット - Google Patents

Description

本発明は、走行ロボットに関する。

この種の技術として、特許文献１は、車体中央両側に独立した２つの駆動輪と、車体の前後にばね懸架された２つの自在輪とを有し、自動走行が可能な走行部と、車体上面に搭載されたロボット本体と、から成る走行ロボットを開示している。この走行ロボットは、自在輪の上下動をロックするロック機構を有している。以上の構成で、２つの自在輪の存在により、走行路面の凹凸が吸収されるので２つの駆動輪の浮き上がりを防止でき、走破性が良好である。また、ロック機構の存在により、ロボット本体が作業を始める際には、予め車体の上下動をロックしておくことで、ロボット本体の精密作業を可能としており、精密作業性に優れている。

実開平１−１４３３６８号公報

しかし、上記特許文献１の構成では、ロック機構を欠くことができず、走行ロボットの構成が煩雑であった。

本願発明の目的は、簡素な構成で、走破性と精密作業性を両立するための技術を提供することにある。

本願発明の観点によれば、台車と、前記台車に支持される作業アームと、を備えた走行ロボットは、以下のように構成されている。即ち、前記台車は、台車本体と、前記台車本体に取り付けられた２つの駆動輪と、前記２つの駆動輪を平面視で結んだ直線を挟むように、前記台車本体に取り付けられた第１の車輪及び第２の車輪と、を有する。前記第１の車輪は、前記第１の車輪の回転軸と、前記台車本体と、の鉛直方向における相対的な位置関係が変動可能となるように前記台車本体に弾性的に支持されている。前記第２の車輪は、前記第２の車輪の回転軸と、前記台車本体と、の鉛直方向における相対的な位置関係が変動不能となるように前記台車本体に支持されている。前記作業アームによる作業の際は、前記走行ロボット全体のZero Moment Point（ZMP）が、前記２つの駆動輪と、前記第２の車輪と、を平面視で結ぶことで特定される多角形領域の内側に留まるようにした。以上の構成で、前記第１の車輪の存在により、前記２つの駆動輪の起伏路面走行時における浮き上がりが防止される。また、前記走行ロボット全体のZMPが前記多角形領域の内側に留まるようにしたので、前記作業アームによる作業の際に、前記台車が不用意に傾くことなく安定する。従って、以上の構成によれば、前記走行ロボットの起伏路面走破性と精密作業性を両立することができる。
また、前記作業アームの作業領域は、前記２つの駆動輪を平面視で結んだ直線から見て、前記第２の車輪側である。以上の構成によれば、次のような効果が得られる。即ち、仮に前記作業アームの作業領域が前記第１の車輪側であるとすると、ZMPが前記２つの駆動輪と前記第１の車輪とで形成される支持多角形内に移動するため、前記作業アームの高さ方向の位置が変位し易い。これに対し、前記作業アームの作業領域を前記第２の車輪側とすることで、ZMPが前記２つの駆動輪と前記第２の車輪とで形成される支持多角形内で移動するため、前記作業アームの高さ方向の位置が変位し難い。これにより、例えば、前記作業アームが先端にハンドを有する場合は、ハンドが把持物体にアプローチする際に、より精度良くアプローチ可能となる。
また、好ましくは、前記第２の車輪は、複数配置されている。前記作業アームによる作業の際は、前記走行ロボット全体のZMPが、前記２つの駆動輪と、前記複数の第２の車輪と、を平面視で結ぶことで特定される多角形領域の内側に留まるようにした。以上の構成によれば、前記多角形領域の面積を効果的に確保することができる。
また、好ましくは、前記第１の車輪は、従動輪である。
また、好ましくは、前記第２の車輪は、従動輪である。
また、好ましくは、前記第１の車輪と前記第２の車輪は、オムニホイールである。以上の構成によれば、前記走行ロボットの向きをスムーズに変更することができる。
また、好ましくは、前記走行ロボットの主たる走行方向は、前記第１の車輪が前輪となるように設定される。以上の構成によれば、前記走行ロボットが段差を乗り越える際の衝撃が前記第１の車輪によって吸収される。
また、好ましくは、前記作業アームは、複数のアーム部をリンク状に連結して構成されている。前記作業アームの未使用時には、各アーム部は折り畳まれて鉛直方向に沿った状態とされる。以上の構成によれば、前記作業アームの未使用時において、前記走行ロボットを平面視で省スペース化することができる。

本願発明によれば、前記第１の車輪の存在により、前記２つの駆動輪の起伏路面走行時における浮き上がりが防止される。また、前記走行ロボット全体のZMPが前記多角形領域の内側に留まるようにしたので、前記作業アームによる作業の際に、前記台車が不用意に傾くことなく安定する。従って、以上の構成によれば、前記走行ロボットの起伏路面走破性と精密作業性を両立することができる。

図１は、走行ロボットの側面図である。（第１実施形態） 図２は、走行ロボットの平面図である。（第１実施形態） 図３は、台車の平面視のイメージ図である。（第１実施形態） 図４は、台車の側面視のイメージ図である。（第１実施形態） 図５は、走行ロボットのブロック図である。（第１実施形態） 図６は、アームの第１動作説明図である。（第１実施形態） 図７は、アームの第２動作説明図である。（第１実施形態） 図８は、アームの第３動作説明図である。（第１実施形態） 図９は、多角形領域を示す図である。（第１実施形態） 図１０は、多角形領域を示す図である。（第２実施形態）

（第１実施形態）
図１及び図２に示すように、本実施形態において走行ロボット１は、ロボット本体２と、台車３と、アームユニット４（作業アーム）と、を備えて構成されている。ロボット本体２とアームユニット４は、台車３によって支持されている。

（台車３）
台車３は、図３に示すように、台車本体５と、右駆動輪ユニット６と、左駆動輪ユニット７と、前輪ユニット８と、後輪９（第２の車輪）と、によって構成されている。右駆動輪ユニット６と左駆動輪ユニット７、前輪ユニット８、後輪９は、台車本体５に取り付けられている。

台車本体５は、本実施形態において平面視円形に形成された台座である。

右駆動輪ユニット６は、右駆動輪６ａ（駆動輪）と、右駆動輪モータ６ｂと、伝動ベルト６ｃと、によって構成されている。右駆動輪６ａは、右駆動輪６ａの回転軸と、台車本体５と、の鉛直方向における相対的な位置関係が変動不能となるように台車本体５に取り付けられている。そして、右駆動輪モータ６ｂで発生した駆動トルクは、伝動ベルト６ｃを介して右駆動輪６ａに伝達されるようになっている。

左駆動輪ユニット７は、左駆動輪７ａ（駆動輪）と、左駆動輪モータ７ｂと、伝動ベルト７ｃと、によって構成されている。左駆動輪７ａは、左駆動輪７ａの回転軸と、台車本体５と、の鉛直方向における相対的な位置関係が変動不能となるように台車本体５に取り付けられている。そして、左駆動輪モータ７ｂで発生した駆動トルクは、伝動ベルト７ｃを介して左駆動輪７ａに伝達されるようになっている。

本実施形態において、右駆動輪６ａと左駆動輪７ａを図３の平面視で結んだ直線Lは、台車３（走行ロボット１）の中心Cを通過している。これにより、右駆動輪６ａと左駆動輪７ａを逆方向に回転させることで、走行ロボット１は、その場で自在に旋回できるようになっている。なお、本実施形態では直線Lが中心Cを通過しているが、直線Lが中心Cを通過していなくてもよい。

前輪ユニット８は、前輪８ａ（第１の車輪）と、サスペンションユニット８ｂと、によって構成されている。本実施形態において前輪８ａは従動輪であり、オムニホイールによって構成されている。前輪８ａの主回転軸は、直線Lに対して平行に設定されている。前輪８ａは、サスペンションユニット８ｂを介して台車本体５に取り付けられている。サスペンションユニット８ｂは、図４に示すように、鉛直方向に伸縮可能な圧縮コイルばね８ｃを備えている。このサスペンションユニット８ｂの介在により、前輪８ａは、前輪８ａの回転軸と、台車本体５と、の鉛直方向における相対的な位置関係が変動可能となるように台車本体５に弾性的に支持されている。なお、本実施形態において前輪８ａはオムニホイールであるとしたが、自在キャスタであってもよい。

後輪９は、本実施形態において従動輪であり、オムニホイールによって構成されている。後輪９の主回転軸は、直線Lに対して平行に設定されている。後輪９は、直接的に台車本体５に取り付けられている。従って、後輪９は、後輪９の回転軸と、台車本体５と、の鉛直方向における相対的な位置関係が変動不能となるように台車本体５に支持されている。なお、本実施形態において後輪９はオムニホイールであるとしたが、自在キャスタであってもよい。

本実施形態において走行ロボット１の主たる走行方向は、図３において矢印Dで示している。なお、右駆動輪６ａや左駆動輪７ａの回転方向の如何によっては、走行ロボット１は、矢印Dと反対方向に走行することもできるし、旋回しながら走行することもできる。この意味で、「走行ロボット１の主たる走行方向」とは、特段の制約がない場合に最も優先的に選択される走行ロボット１の走行方向と言い換えることができる。

（ロボット本体２）
ロボット本体２は、図１及び図２に示すように一部が切り欠けた円柱状に形成されており、滑らかに湾曲した外周面２ａを有している。この外周面２ａの存在により、走行ロボット１が周囲の人や外部物体に接触した際にこれらに与える影響が軽減される。また、ロボット本体２は、図５に示す制御部５０を有している。制御部５０は、演算器としてのCPU５１（Central Proccessing Unit）と、読み書き自在の記憶手段であるRAM５２（Random Access Memory）と、読み出し専用の記憶手段であるROM５３（Read Only Memory）と、によって構成されている。ROM５３には、アームユニット４を制御するための制御プログラムが記憶されている。そして、この制御プログラムがCPU５１に読み込まれ、CPU５１上で実行されることで、制御部５０は、アームユニット４を適宜に制御するようになっている。

（アームユニット４）
図１に示すように、アームユニット４は、体幹部１０（アーム部）と、上腕部１１（アーム部）と、前腕部１２（アーム部）と、把持部１３と、アーム駆動モータ１４（図５参照）と、によって構成された多リンク構造となっている。即ち、体幹部１０や上腕部１１、前腕部１２はリンク状に連結されている。

体幹部１０は、台車３から上方に向かって延びるように形成されており、台車３上に回転自在に支持されている。上腕部１１は、体幹部１０の先端に対して相対角変位可能に取り付けられている。前腕部１２は、上腕部１１の先端に対して相対角変位可能に取り付けられている。把持部１３は、把持対象物P（図６参照）を把持する部分であって、前腕部１２の先端に取り付けられている。そして、制御部５０がアーム駆動モータ１４を制御することにより、把持部１３は、図６に示すように走行ロボット１から離れたところに置いてある把持対象物Pを把持し、図７に示すように把持対象物Pを持ち上げることができるようになっている。

そして、図１に示すように、アームユニット４の未使用時には、各アーム部（上腕部１１や前腕部１２に相当。）は折り畳まれて鉛直方向に沿った状態とされている。これにより、アームユニット４の未使用時において、走行ロボット１を平面視で省スペース化することができる。

また、図８に示す平面視において、本実施形態においてアームユニット４の作業領域Gは、走行ロボット１の平面視において二点鎖線で示すように、主たる走行方向（矢印D）と反対側に設定されている。換言すれば、図８に示すアームユニット４の作業範囲Gは、図３に示す平面視において、右駆動輪６ａと左駆動輪７ａを結んだ直線Lから見て、後輪９（第２の車輪）側である。

以上の構成で、図６や図７に示すようなアームユニット４による作業の際は、走行ロボット１全体のZero Moment Point（ZMP）が、図９に示すような、右駆動輪６ａと、左駆動輪７ａと、後輪９と、を平面視で結ぶことで特定される多角形領域Aの内側に留まるようにしている。換言すれば、制御部５０は、図６や図７に示すようなアームユニット４による作業の際、走行ロボット１全体のZMPが、図９に示す多角形領域Aの内側に留まるようにアームユニット４を制御する。制御部５０によるアームユニット４の制御は、例えば、走行ロボット１全体のZMPが多角形領域Aの内側に留まるようなオンライン制御（フィードバック制御）であってもよいし、制御開始前に事前に算出されたフィードフォワード制御量による制御であってもよいし、あるいはそれらの組み合わせであってもよい。

以上に本願発明の好適な第１実施形態を説明したが、上記第１実施形態は、要するに、以下の特長を有している。

走行ロボット１は、台車３と、台車３に支持されるアームユニット４（作業アーム）と、を備えている。台車３は、台車本体５と、台車本体５に取り付けられた右駆動輪６ａ及び左駆動輪７ａと、右駆動輪６ａ及び左駆動輪７ａを平面視で結んだ直線Lを挟むように、台車本体５に取り付けられた前輪８ａ（第１の車輪）及び後輪９（第２の車輪）と、を有する。前輪８ａは、前輪８ａの回転軸と、台車本体５と、の鉛直方向における相対的な位置関係が変動可能となるように台車本体５に弾性的に支持されている。後輪９は、後輪９の回転軸と、台車本体５と、の鉛直方向における相対的な位置関係が変動不能となるように台車本体５に支持されている。アームユニット４による作業の際は、走行ロボット１全体のZero Moment Point（ZMP）が、右駆動輪６ａ及び左駆動輪７ａと、後輪９と、を平面視で結ぶことで特定される多角形領域Aの内側に留まるようにした。以上の構成で、前輪８ａの存在により、右駆動輪６ａ及び左駆動輪７ａの起伏路面走行時における浮き上がりが防止される。また、走行ロボット１全体のZMPが多角形領域Aの内側に留まるようにしたので、アームユニット４による作業の際に、台車３が不用意に傾くことなく安定する。従って、以上の構成によれば、走行ロボット１の起伏路面走破性と精密作業性を両立することができる。

また、図８に示すアームユニット４の作業範囲Gを図３に示す平面視において右駆動輪６ａと左駆動輪７ａを結んだ直線Lから見て後輪９（第２の車輪）側に設定したことで、ZMPが多角形領域A内で移動するため、把持部１３（アームユニット４）の高さ方向の位置が変位し難い。これにより、把持部１３が把持対象物Pにアプローチする際に、より精度良くアプローチ可能となる。

なお、本実施形態において走行ロボット１の駆動輪は２つとしたが、３つでもよいし４つ以上であってもよい。

また、前輪８ａと後輪９は従動輪であるとしたが、これに代えて、前輪８ａや後輪９を駆動輪としてもよい。

また、前輪８ａは１つ設けているが、２つ以上設けてもよい。また、後輪９は１つ設けているが、これに代えて、図１０に示すように２つ設けてもよい。これによれば、多角形領域Aの面積を効果的に確保することができる。

また、前輪８ａと後輪９は、オムニホイールである。以上の構成によれば、走行ロボット１の向きをスムーズに変更することができる。

また、走行ロボット１の主たる走行方向は、符号８ａで示す車輪（第１の車輪）が前輪となるように設定される。以上の構成によれば、走行ロボット１が段差を乗り越える際の衝撃が前輪８ａによって吸収される。

また、アームユニット４は、図１及び図２に示すように、走行ロボット１の主たる走行方向と反対側に設けるとよい。以上の構成によれば、走行ロボット１の走行時にアームユニット４を保護するための特別な保護カバーを用意する必要がなくなる。

以上に本願発明の好適な実施形態を説明したが、上記実施形態は、例えば以下のように変更できる。

即ち、台車本体５には、サスペンションユニット８ｂの圧縮コイルばね８ｃによる反発力を調整するための反力調整機構を設けてもよい。

１ 走行ロボット
２ ロボット本体
３ 台車
４ アームユニット（作業アーム）
A 多角形領域

Claims (8)

1. 台車と、前記台車に支持される作業アームと、を備えた走行ロボットであって、
   前記台車は、
   台車本体と、前記台車本体に取り付けられた２つの駆動輪と、前記２つの駆動輪を平面視で結んだ直線を挟むように、前記台車本体に取り付けられた第１の車輪及び第２の車輪と、を有し、
   前記第１の車輪は、前記第１の車輪の回転軸と、前記台車本体と、の鉛直方向における相対的な位置関係が変動可能となるように前記台車本体に弾性的に支持されており、
   前記第２の車輪は、前記第２の車輪の回転軸と、前記台車本体と、の鉛直方向における相対的な位置関係が変動不能となるように前記台車本体に支持されており、
   前記作業アームによる作業の際は、前記走行ロボット全体のZero Moment Point（ZMP）が、前記２つの駆動輪と、前記第２の車輪と、を平面視で結ぶことで特定される多角形領域の内側に留まるようにした、
   走行ロボット。
2. 請求項１に記載の走行ロボットであって、
   前記作業アームの作業領域は、前記２つの駆動輪を平面視で結んだ直線から見て、前記第２の車輪側である、
   走行ロボット。
3. 請求項１又は２に記載の走行ロボットであって、
   前記第２の車輪は、複数配置されており、
   前記作業アームによる作業の際は、前記走行ロボット全体のZMPが、前記２つの駆動輪と、前記複数の第２の車輪と、を平面視で結ぶことで特定される多角形領域の内側に留まるようにした、
   走行ロボット。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の走行ロボットであって、
   前記第１の車輪は、従動輪である、
   走行ロボット。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の走行ロボットであって、
   前記第２の車輪は、従動輪である、
   走行ロボット。
6. 請求項１〜５の何れかに記載の走行ロボットであって、
   前記第１の車輪と前記第２の車輪は、オムニホイールである、
7. 請求項１〜６の何れかに記載の走行ロボットであって、
   前記走行ロボットの主たる走行方向は、前記第１の車輪が前輪となるように設定される、
   走行ロボット。
8. 請求項１〜７の何れかに記載の走行ロボットであって、
   前記作業アームは、複数のアーム部をリンク状に連結して構成されており、
   前記作業アームの未使用時には、各アーム部は折り畳まれて鉛直方向に沿った状態とされる、
   走行ロボット。

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