JP5923621B2

JP5923621B2 - 移動体

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Publication number: JP5923621B2
Application number: JP2014546824A
Authority: JP
Inventors: 梓網野; 亮介中村; 泰士上田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2016-05-24
Anticipated expiration: 2032-11-19
Also published as: WO2014076837A1; JPWO2014076837A1

Description

本発明は、本体下部に左右一対の移動手段を備え、さらに跳躍する機能を備えた倒立２輪による移動体に関する。

従来、走行中に段差を踏破するために跳躍を行う移動体は、例えば下記の特許文献１に記載の技術が知られている。

特許文献１に開示されているロボットの跳躍方法は、車輪を支持するアームで車体の下部に取り付けられたバネを圧縮し、圧縮されたバネのクラッチを切断し駆動力をフリーとすることでバネを開放し跳躍を行うものである。

特開２００９−３５１５７公報

しかしながら、特許文献１の従来技術では、跳躍を行うためのバネの解放をクラッチにより行うため、クラッチの摩耗により左右の機構に対する動力伝達にずれが発生し、跳躍の際の左右のバランスを崩す可能性があるという課題があった。

そこで本発明の目的は、簡便な機構でありながら左右のバランスを崩すことなく段差を簡単に乗越えることが可能な移動体を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、胴体部の下部に取り付けられた左右の脚部と、前記胴体部に接続されピッチ方向に回転可能な第１のリンクと、この第１のリンクの長手方向逆端にピッチ方向に回転可能に接続された第２のリンクと、前記第１のリンクと前記第２のリンクの相対運動範囲を決定するためのメカリミットと、前記第２のリンクの前記第１のリンクとの接続の逆端に備えた移動手段とを有し、前記第１のリンクに取り付けられ、ピッチ方向に回転軸を備える第１のアクチュエータと、前記第１のアクチュエータにより駆動される第３のリンクと、この第３のリンクの前記第１のアクチュエータとの接続との長手方向逆端にピッチ方向に回転可能に取り付けられ、その逆端は前記第２のリンクにピッチ方向に回転可能に取り付けられる第４のリンクと、前記第１のリンクと前記第２のリンク間に両者の相対運動により弾性エネルギーを蓄積するバネ手段とを備えたものである。

本発明によれば、簡便な機構でありながら左右のバランスを崩すことなく段差を簡単に乗越えることが可能な移動体（以下、ロボットという）を提供できる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１に係るロボットの斜視図である。実施例１の左脚を進行方向前方左上から見た斜視図である。実施例１の左脚を進行方向後方右上から見た斜視図である。本発明の実施例１に係るロボットの制御ブロック図である。本発明の実施例１に係るロボットの脚部の動作を示す側面図である。本発明の実施例１に係るロボットの脚部の動作を示す側面図である。本発明の実施例１に係るロボットの脚部の動作を示す側面図である。本発明の実施例１に係るロボットの脚部の動作を示す図である。本発明の実施例１に係るロボットの脚部における駆動リンク角と減速比を説明するグラフ図である。本発明の実施例１に係るロボットの脚部のリンク長さの条件を説明する側面図である。本発明の実施例１に係るロボットの動作を示す斜視図である。本発明の実施例２に係るロボットの動作を示す斜視図である。

以下、本発明の一実施例を図にしたがって説明する。

図１は本発明の実施例１に係るロボットの斜視図である。

図１において、本発明のロボット本体１は、２本の脚部となる左脚６と右脚７を胴体３の下部左右に備えている。胴体３の左右両側には、２本の腕部となる左腕４と右腕５を備えている。また、胴体３の上部には頭部２を備えられている。

２本の脚部となる左脚６及び右脚７はロボット１の移動に用いられ、水平面を移動する。左腕４と右腕５は物体の把持、人間とのコミュニケーション等の作業に用いられる。胴体３は各部の動作を制御する制御装置と胴体３の重力方向に対する傾斜角度、角速度を検出するセンサを備える。胴体３または頭部２は距離センサ等の周囲環境を認識するセンサを備える。

ここで、ロボット１の進行方向をX軸とし、X軸の軸回りをロール方向、X軸と直角で進行方向の水平面と平行な軸をY軸、Y軸の軸回りをピッチ方向、X軸とY軸と直交する軸をZ軸、Z軸の軸回りをヨー方向と称し、以降特別な表記のない場合はこれを用いるものとする。

図２は実施例１に記載のロボット１の左脚６を説明する図である。ロボット１が備える左脚６と右脚７は構成要素が等しく、構造がX-Z平面に対して対称であるため、ここでは左脚６について説明する。

図２Ａは左脚を進行方向前方左上から見た斜視図である。

図２Ｂは左脚を進行方向後方右上から見た斜視図である。

図２Ａ、Ｂにおいて、ベースフレーム１０Ｌは、ピッチ軸回りに回転可能に脚上側リンク１１Ｌを備えている。この脚上側リンク１１Ｌは、Ｚ方向に長手方向を備え、下側プーリ２０Ｌを境として上端にベースフレーム１０Ｌを接続し、逆端には脚下側リンク１２Ｌをピッチ方向に回転可能に取り付けられている。脚下側リンク１２ＬはＺ方向に長手方向を備え、上端に脚上側リンク１１Ｌと接続され、逆端は車輪アクチュエータ２２Ｌを出力方向がピッチ軸回りとなるように備えており、車輪アクチュエータ２２Ｌは車輪２３Ｌを駆動する。

駆動リンクアクチュエータ１５Ｌは、脚上側リンク１１Ｌに駆動方向をピッチ軸回りとして取り付けられており、駆動リンク１３Ｌを駆動する。駆動リンク１３Ｌは長手方向の一端を駆動リンクアクチュエータ１５Ｌの駆動部に接続され、逆端は接続リンク１４Ｌにピッチ方向に回転可能に取り付けられている。接続リンク１４Ｌは、駆動リンク１３Ｌとの接続の長手方向逆端を脚下側リンク１２Ｌに取り付けられている。

図２Ｂにおいて、上側バネシャフト１６Ｌは、脚上側リンク１１Ｌのベースフレーム１０Ｌとの接続部近傍にピッチ方向に回転可能に取り付けられる。下側バネシャフト１７Ｌは、脚下側リンク１２Ｌの車輪アクチュエータ２２Ｌとの接続部近傍にピッチ方向に回転可能に取り付けられる。跳躍用バネ１８Ｌは長手方向両端を上側バネシャフト１６Ｌと下側バネシャフト１７Ｌを引き離す方向に力を発生するように取り付けられる。

上側プーリ１９Ｌはベースフレーム１０Ｌと脚上側リンク１１Ｌとの接続と同軸にベースフレームに接続される。下側プーリ２０Ｌは脚上側リンク１１Ｌと脚下側リンク１２Ｌとの接続と同軸に脚下側リンク１２Ｌに取り付けられており、上側プーリ１９Ｌと下側プーリ２０Ｌはタイミングベルト２１Ｌによって互いの回転運動を伝達するように構成されている。

駆動リンクアクチュエータ１５Lおよび車輪アクチュエータ２２Lは例えばモータの様な動力源と減速機と角度検出器（ロータリエンコーダまたはポテンショメータ）を内蔵し、接続された部品を指令値に従って駆動する。

跳躍用バネ１８Lはここでは板ばねで構成したが、上側バネシャフト１６Lと下側バネシャフト１７Lを引き離す方向に力を発生可能なものであれば何でもよく、例えば、コイルスプリングやガススプリング等でも良い。また本実施例では跳躍用バネ１８Ｌを脚上側リンク１１Ｌと脚下側リンク１２Ｌの屈曲表面側（膝表面側）に取り付けたが、必ずしもこれに限定されるものではなく、屈曲内側（膝内側）に取り付けても良い。

図３は本発明の実施例１に係るロボットの制御ブロック図である。

図３において、角度センサ２０１は、胴体３に搭載されており、胴体３の重力方向に対する傾斜角度、角速度を検出するものである。制御装置２０２は、角度センサ２０１が検出した情報を元に、胴体３の傾きと角速度を目標値に一致させるように、車輪アクチュエータ２２L、２２Rのような駆動手段２０３を適切に制御する。

図４は本発明の実施例１に係るロボットの脚部の動作を示す側面図である。

図４において、本図に示す状態から、駆動リンクアクチュエータ１５Lにより駆動リンク１３Lを図中の矢印１Aの方向に回転させると、その回転力が接続リンク１４Lを介して脚下側リンク１２Lに伝達される。回転力が伝達された脚下側リンク１２Lは脚上側リンク１１Lに対して矢印２A方向に回転する。これにより、脚上側リンク１１Lと脚下側リンク１２Lの屈曲運動が行われるようになっている。

また、図４に示す状態から、駆動リンク１３Lを矢印１Aと逆方向に回転させると、その回転力が接続リンク１４Lを介して脚下側リンク１２Lに伝達され、脚下側リンク１２Lは脚上側リンク１１Lに対して矢印２Aと逆方向に回転する。これにより、脚上側リンク１１Lと脚下側リンク１２Lの伸展運動が行われるようになっている。このように、駆動リンク１３Lの回転動作により脚上側リンク１１Lと脚下側リンク１２Lの屈伸運動が可能となっている。

また、脚上側リンク１１Lと脚下側リンク１２Lの屈伸運動に伴い、跳躍用バネ１８Lには弾性エネルギーが蓄えられる。具体的には、上側バネシャフト１６Lは脚上側リンク１１Lにピッチ回転可能に取り付けられており、下側バネシャフト１７Lは脚下側リンク１２Lにピッチ回転可能に取り付けられている。そのため、跳躍バネ１８Lに蓄えられる弾性エネルギーは上側バネシャフト１６Lと下側バネシャフト１７Lとの間の距離にのみ比例する。

すなわち、脚上側リンク１１Lと脚下側リンク１２Lが屈曲運動を行うと跳躍バネ１８Ｌに蓄えられる弾性エネルギーは増加し、逆に伸展運動を行うと弾性エネルギーは減少する。通常走行時の状態では跳躍バネ１８Lは上側バネシャフト１６Lと下側バネシャフト１７Lを引き離す方向に力を発生する。例えば、ベースフレーム１０L上に取り付けられる胴体３等の重量とバランスするように跳躍バネ１８Lのバネ定数を設定することで、駆動リンクアクチュエータ１５Lにかかる負荷を０に近づけ、省エネルギー化が可能になる。

図５Ａは本発明の実施例１に係るロボットの脚部の動作を示す側面図である。

図５Ｂは本発明の実施例１に係るロボットの脚部の動作を示す側面図である。

図５Ａにおいて、脚上側リンク１１Lと脚下側リンク１２Lを屈曲させると、脚下側リンク１２Lに取り付けられている下側プーリ２０Lが屈曲に伴い図中の矢印３Aの方向に回転する。その回転によるトルクはタイミングベルト２１Lを伝わって上側プーリ１９Lを回転させる。この上側プーリ１９Lはベースフレーム１０Lに接続されているため、ベースフレーム１０Lとその上方に取り付けられている胴体３とともに図中の矢印４Aの方向に回転する。

ここで、図５Ａは通常移動の状態であり、車輪２３Lの回転中心を３P、車輪２３Lと地面との接地点を２P、脚上側リンク１１Lとベースフレーム１０Lとの回転中心を４Pとして、３点を通る直線を１Pとする。

ロボット１は倒立振子移動を行うため、通常は重心１Gは接地点２Pの鉛直線上に位置している。このときに重心１Gが３点を通る直線１P上にあるように胴体３の重心等を設計することが望ましい。

図５Ｂにおいて、本図は屈曲した状態であるが、この状態でも重心１Gの位置を３点を通る直線１P上になるべく近づけることが望ましく、そのためには上側プーリ１９Lと下側プーリ２０Lの歯数の比を１.９〜２:１付近に設定すると良い。なお、ここでは脚上側リンク１１Lを基準としたベースフレーム１０Lと脚下側リンク１２Lとの相対運動のための位置伝達手段をタイミングベルト２１Ｌにより実現したが、ギヤトレインによる伝達や、シャフトドライブによる伝達等、タイミングベルト２１Ｌに限るものではない。

図６は本発明の実施例１に係るロボットの脚部の動作を示す図であり、(a)〜(f)は左脚６の一連の動作を説明するものである。

（a）は通常走行時の状態である。駆動リンク１３Lと接続リンク１４Lの接続点を１S、駆動リンク１３Lの脚上側リンク１１Lとの回転中心を点２S、接続リンク１４Lと脚下側リンク１２Lとの接続点を３S、脚上側リンク１１Lと脚下側リンク１２Lとの接続点を４Sとする。

（b）は跳躍準備のために脚上側リンク１１Lと脚下側リンク１２Lを屈曲させ、跳躍のための弾性エネルギーを跳躍用バネ１８Lに蓄積する途中の状態である。

（c）は脚上側リンク１１lと脚下側リンク１２Lを最も屈曲させた状態であり、この状態では跳躍用バネ１８Lに蓄えられる弾性エネルギーは最大となる。このとき跳躍用バネ１８Lは脚上側リンク１１Lと脚下側リンク１２Lを伸展させる方向に復元力を発生しているが、点１S、点２S、点３Sがほぼ一直線上に並ぶため、駆動リンク１３Lは非常に小さい力で跳躍用バネ１８Lによる脚部の伸展に対抗することができる。この状態は、跳躍するための弾性エネルギーの蓄積を終えた跳躍準備姿勢である。

(d)は跳躍動作に入る途中の状態である。跳躍用バネ１８Lに蓄えられる弾性エネルギーを解放するために駆動リンク１３Lを図中の矢印方向に回転させる。

(e)は跳躍動作中の図である。跳躍用バネ１３Lに蓄えられた弾性エネルギーにより、脚上側リンク１１Lと脚下側リンク１２Lは急速に進展し、ベースフレーム１０Lとその上部に備えられる胴体３をZ方向に加速し跳躍動作を行う。

(f)は脚部がもっとも伸展した状態である。脚上側リンク１１Lと脚下側リンク１２Lの逆折れを防ぐためにメカリミットを脚上側リンク１１Lまたは脚下側リンク１２Lのいずれかに備えている。この状態から図中の矢印方向に駆動リンク１３Lを回転させると図６(a)の状態に戻る。

以上のように、本発明の跳躍機構は駆動リンクの一定方向への回転動作のみで跳躍にもちいる弾性エネルギーの蓄積、弾性エネルギーの保持、解放を可能としている。

図７は本発明の実施例１に係るロボットの脚部における駆動リンク角と減速比を説明するグラフ図であり、駆動リンク１３Lの回転角度θdと、脚上側リンク１１Lと脚下側リンク１２とのなす角度を駆動リンク１３Lの回転角度θdで割った減速比との関係を説明するものである。

図７において、横軸には駆動リンク１３Lの回転角度を図６(a)の状態を角度０とし、左回りに駆動する状態を示している。縦軸には角度に対する減速比を示している。図７中の(a)〜(f)はそれぞれ図６の（a）〜(f)の状態を示している。

脚の屈曲が進むとともに、減速比が大きくなっていることがわかる。減速比は図７の（ｃ）で最大値をとるため、僅かな力で駆動リンク１３Lの位置を保持することができる。その後、駆動リンク１３Lを左回りに回転させると、脚は伸展動作を始める。

ここでは、駆動リンク１３Lを駆動する駆動リンクアクチュエータ１５Lはバネの弾性エネルギーの解放による脚の伸展に対して速度が追い付かず、モータが外部から駆動される時に発生する逆起電力によるトルクにより抵抗となることが懸念される。しかし、脚を伸展させ始めると減速比は急速に減少するため、駆動リンクアクチュエータ１５Lの動作角が僅かでも脚の伸展が可能となる。その後、図７の(f)で減速比は最小値をとり、さらに駆動リンク１３Lの駆動を続けると図７の(a)の状態に戻る。

以上の運動を成立させるための動作について図８を使って説明する。

図８は本発明の実施例１に係るロボットの脚部のリンク長さの条件を説明する側面図である。

図８において、駆動リンク１３Lの長さをa、接続リンク１４Lの長さをb、脚上側リンク１１Lと脚下側リンク１２Lの接続点と、脚上側リンク１１Lと駆動リンク１３Lの接続点との距離をc、脚上側リンク１１Lと脚下側リンク１２Ｌの接続点と、脚下側リンク１２Ｌと接続リンク１４Ｌの接続点との距離をｄ、とすると、以下の条件を満たすことが必要である。
c>a …（式１）
b>a …（式２）
a+b≧c+d …（式３）
以上により、バネの弾性エネルギーを蓄える屈曲時には減速比が大きく効率よくエネルギーを蓄えることができ、バネの弾性エネルギーを解放する伸展時には減速比が小さく、駆動アクチュエータの逆起電力による負荷を軽減することが可能な機構を提供できる。

図９は本発明の実施例１に係るロボットの動作を示す斜視図であり、ロボット本体１の跳躍による段差踏破を説明するものである。

（ａ）は左右の脚を屈曲させ跳躍準備状態となっている。左右の脚は２軸方向にのみ跳躍力を発生するため、水平方向の運動を行うには並進速度が必要である。そのため、ロボット１が正面から段差を踏破するためには跳躍距離を考慮した所定の並進速度１Ｖを持っておく必要がある。

（ｂ）では、左脚６と右脚７により跳躍力を発生させ、跳躍を行っている。このとき、水平方向には１Ｖで移動し、垂直方向には左右の脚により発生した跳躍力に対応した速度を持ち、全体的には放物線運動を行っている。

（Ｃ）は着地した状態である。安定を保つために、着地後も水平方向には１Ｖで移動を継続する。以上の様に、ロボット１は走行路面中の段差を踏破することが可能である。

図１０は本発明の実施例２に係るロボットの動作を示す斜視図である。

図１０において、実施例２のロボット１は、胴体３の下部左右両端にロールアクチュエータ３０Ｌ、３０Ｒを備え、ロールアクチュエータ３０Ｌ、３０Ｒの出力軸にそれぞれ左脚６と右脚７を備えている。ロールアクチュエータ３０Ｌ、３０Ｒは図２で説明した駆動リンクアクチュエータ１５Ｌや車輪アクチュエータ２２Ｌと同様のもので、胴体３に対する左脚６および右足７のロール方向の角度を適切に設定できる。

（ａ）〜（ｃ））は走行路面の段差に対して横方向からアプローチし、踏破を行う手順を説明する図である。

（ａ）では、通常の車輪移動とは直角に段差を踏破することを目的として、跳躍準備状態となったロボット本体１が段差１Ｄに対して右側面を正対している。このとき、ロールアクチュエータ３０Ｌ、３０Ｒを同様の角度でロボット本体１から見て左側に回転させ、バネの解放により発生する力の向きを鉛直上向き（５Ａ）から段差の方向（６Ａ）へと変化させている。これにより、水平方向の力と垂直方向の力を跳躍力により発生させている。

（ｂ）では、左脚６と右足７により跳躍力を発生させ、跳躍を行っている状態である。

（ｃ）は着地した状態である。この動作の繰り返しにより、安定的に段差を登ることが可能である。

このように本実施例によれば、いわゆる横飛びによる跳躍によってロボットが段差を乗り越えることが可能となる。

以上のごとく本発明は、簡単な構成と制御によって左右のバランスを崩すことなく容易に段差を乗り越えることが可能なロボットを提供できるものである。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されたものではない。またある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、またある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…ロボット本体、２…頭部、３…胴体、４…左腕、５…右腕、６…左脚、７…右脚、１０Ｌ…ベースフレーム、１１Ｌ…脚上側リンク、１２Ｌ…脚下側リンク、１３Ｌ…駆動リンク、１４Ｌ…接続リンク、１５Ｌ…駆動リンクアクチュエータ、１６Ｌ…上側バネシャフト、１７Ｌ…下側バネシャフト、１８Ｌ…跳躍用バネ、１９Ｌ…上側プーリ、２０Ｌ…下側プーリ、３０Ｌ、３０Ｒ…ロールアクチュエータ、２１Ｌ…タイミングベルト、２２Ｌ…車輪アクチュエータ、２２Ｒ…車輪アクチュエータ、２３Ｌ…車輪、２０１…角度センサ、２０２…制御装置、２０３…駆動手段。

Claims

胴体部の下部に取り付けられた左右の脚部と、前記胴体部に接続されピッチ方向に回転可能な第１のリンクと、この第１のリンクの長手方向逆端にピッチ方向に回転可能に接続された第２のリンクと、前記第１のリンクと前記第２のリンクの相対運動範囲を決定するためのメカリミットと、前記第２のリンクの前記第１のリンクとの接続の逆端に備えた移動手段とを有し、
前記第１のリンクに取り付けられ、ピッチ方向に回転軸を備えるアクチュエータと、前記アクチュエータにより駆動される第３のリンクと、この第３のリンクの前記アクチュエータとの接続との長手方向逆端にピッチ方向に回転可能に取り付けられ、その逆端は前記第２のリンクにピッチ方向に回転可能に取り付けられる第４のリンクと、前記第１のリンクと前記第２のリンク間に両者の相対運動により弾性エネルギーを蓄積するバネ手段とを備え、
以下の関係を満足することを特徴とする移動体。
ｃ＞ａ
ｂ＞ａ
ａ＋ｂ＝ｃ＋ｄ
ただし、前記アクチュエータの回転中心と、前記第３のリンクと前記第４のリンクとの接続点との距離をａ、前記第３のリンクと前記第４のリンクとの接続点と、前記第４のリンクと前記第２のリンクとの接続点との距離をｂ、前記アクチュエータの回転中心と、前記第１のリンクと前記第２のリンクとの接続点との距離をｃ、前記第１のリンクと前記第２のリンクとの接続点と、前記第２のリンクと前記第４のリンクとの接続点との距離をｄとする。