JP5929086B2 - 誘導用脚式ロボット及びグリップ移動機構 - Google Patents

Description

本発明は、盲導犬のように人間を誘導することができる誘導用脚式ロボット及びグリップ移動機構に関する。

盲導犬のように人間を誘導する誘導用脚式ロボットとして、例えば、特許文献１に記載されているものが知られている。この特許文献１のロボットは、ロボット本体に、誘導される人間が把持するグリップ（特許文献１では手綱と称している）が固定されている。この特許文献１のグリップには診断センサが設けられており、人間の手が診断センサに接触すると、その人間の健康状態が診断されるようになっている。
ところで、特許文献２には、階段を昇り降りできる脚式ロボットが記載されており、この脚式ロボットに特許文献１に記載したグリップを固定すると、平坦路の歩行や階段の昇降時に、人間に対して先行して走行し、グリップを把持した人間を誘導することが可能なロボットなる。

特開２００６−３４５９６０号公報 特開２００７−１９０６５４号公報

しかし、特許文献１、２のロボットを組み合わせた誘導用脚式ロボットは、階段の降り動作において人間に対して先行して走行すると、人間に対してロボット本体が階段の下側に位置し、ロボット本体に固定されているグリップも人間に対して階段の下側に位置するので、人間が無理な姿勢でグリップを把持しなければならない。このように、特許文献１、２のロボットを組み合わせた誘導用脚式ロボットは、階段の降り動作時の誘導の面で問題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、段差移動時において人間の誘導を正常な姿勢で確実に行うことができる誘導用脚式ロボット及びグリップ移動機構を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の誘導用脚式ロボットは、基体と、この基体に連結された複数の脚部と、これら脚部を駆動するための動力を付与するアクチュエータと、複数の脚部が段差を移動できるようにアクチュエータを制御する制御手段と、人間を誘導する基体に設けた誘導部と、を備え、誘導部は、グリップと、前記段差を移動する人間が前屈みの姿勢でグリップを把持できるように、該グリップの位置を基体に対して上下方向及びロボット進行方向の前後方向に移動させるグリップ移動機構と、を備え、グリップ移動機構は、基体に設けた基体側支持部材に下端部が回動自在に連結され、ロボット進行方向の前後方向に傾動する第１リンク部材と、この第１リンク部材に対して上下方向に摺動自在に連結し、上端にグリップが固定されている摺動ロッドと、一端が基体側支持部材に回動自在に連結し、一端に対してロボット進行方向の前方に位置する他端がグリップに回動自在に連結している第２リンク部材と、を備えているとともに、基体側支持部材に連結している第１リンク部材の下端部の連結位置と、基体側支持部材に連結している第２リング部材の一端の連結位置とが、垂直方向及びロボット進行方向の前後方向の異なる位置に設けられている。

この発明によると、誘導用脚式ロボット及び人間が階段の降り動作を行っているときには、基体が階段の降り姿勢に変化しても、グリップ移動機構が人間の手に対応する位置までグリップを移動し、グリップを人間の手に対して最適な位置とするので、人間は、前屈みのように無理な姿勢になることなく、階段を降りる姿勢を崩さずに、正常な姿勢でグリップを容易に把持することができる。

また、この発明によると、グリップ移動機構を１自由度を有するリンク機構としており、第１リンク部材、第２リンク部材及び摺動ロッドの簡便な関連動作により、グリップの上下動作及びロボット進行方向の前後方向動作をスムーズに行うことができる。

さらに、請求項２記載のグリップ移動機構は、ロボットの基体に連結したグリップを、基体に対して上下方向及びロボット進行方向の前後方向に移動させるグリップ移動機構であって、基体に設けた基体側支持部材に下端部が回動自在に連結され、ロボット進行方向の前後方向に傾動する第１リンク部材と、この第１リンク部材に対して上下方向に摺動自在に連結し、上端に前記グリップが固定されている摺動ロッドと、一端が基体側支持部材に回動自在に連結し、一端に対してロボット進行方向の前方に位置する他端がグリップに回動自在に連結している第２リンク部材と、を備えているとともに、基体側支持部材に連結している第１リンク部材の下端部の連結位置と、基体側支持部材に連結している第２リング部材の一端の連結位置とが、垂直方向及びロボット進行方向の前後方向の異なる位置に設けられている。
この発明によると、グリップを把持した人間が前屈みの姿勢で段差を移動できるように、第１リンク部材、第２リンク部材及び摺動ロッドの簡便な関連動作により、グリップを基体に対して上下方向及びロボット進行方向の前後方向にスムーズに移動させることができる。

本発明に係る誘導用脚式ロボット及びグリップ移動機構によれば、人間は無理な姿勢になることなくグリップを容易に把持することができる。したがって、人間が段差を移動する際の誘導を確実に行うことができる。

本発明に係る誘導用脚式ロボットを示す斜視図である。 本発明に係る誘導用脚式ロボットを示す正面図である。 本発明に係る誘導用脚式ロボットを示す側面図である。 本発明に係る誘導部３０の平面図である。 本発明に係る誘導部３０の側面図である。 本発明に係る移動制御システムを示すブロック図である。 本発明に係る誘導用脚式ロボットが平地誘導をしている状態を示す図である。 本発明に係る誘導用脚式ロボットが段差を移動する直前の状態を示す図である。 本発明に係る誘導用脚式ロボットが段差である階段の昇り動作行っている状態を示す図である。 本発明に係る誘導用脚式ロボットが段差である階段の降り動作行っている状態を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明に係る誘導用脚式ロボットの１実施形態について説明する。
図１は、誘導用脚式ロボット１００を示す斜視図である。
脚式ロボット１００は、基体１０と、この基体１０の四隅に連結された四本の脚部２０と、人間を誘導する誘導部３０と、を備えている。

基体１０は、図３に示すように、基体前後方向の前側基体１１と、基体前後方向の後側基体１２と、これら前側基体１１及び後側基体１２を、所定の軸回りに相対変位可能な状態で連結する腰関節１３とを備え、前側基体１１及び後側基体１２には、夫々、二本の脚部２０が連結されている。
基体１０と各脚部２０との間には、図２及び図３に示すように、基体側から順に、第一股関節５１と、第二股関節５２とが介装されている。第一股関節５１は、基体１０の上下軸回りに脚部２０を回動させる関節であり、第二股関節５２は、基体１０の上下軸と直行する軸回りに脚部２０を回動させる関節である。すなわち、第二股関節５２は、第一股関節５１の回動位置に応じて、基体１０の左右軸回りや前後軸回りに脚部２０を回動させる関節である。これら第一股関節５１と第二股関節５２とにより、脚部２０の立体的な枢動が可能となる。

各脚部２０は、基体側の基体側脚部２１と、接地側の接地側脚部２２と、基体側脚部２１に対して接地側脚部２２を、第二股関節５２と平行な軸回りに回動可能な状態で連結する膝関節５３と、を備える。したがって、膝関節５３は、第一股関節５１の回動位置に応じて、基体１０の左右軸回りや前後軸回りに脚部２０を回動させる関節である。これら第二股関節５２と膝関節５３とにより、脚部２０の屈伸が可能となる。
各脚部２０の先端には、膝関節５３と平行な軸回りに回転する駆動輪６０が軸支されている。

基体１０の正面には、三次元距離測定装置１４が取り付けられている。三次元距離測定装置１４は、距離センサの測定方向に対して直交する二つの軸回りに距離センサを回転させ、これにより得られた測定結果に基づいて、測定範囲内に存在する物体上の連続面を認識する。
各脚部２０の先端側には、前方物体までの距離を検出する脚先前方センサ２３と、接地面までの距離を検出する脚先下方センサ２４と、が設けられている。
誘導部３０は、図１に示すように、グリップ３１と、グリップ３１を上下移動及び回動させるグリップ移動機構３２と、を備え、グリップ移動機構３２は、基体１０の上部に設けた誘導部支持部３３に連結されている。

誘導部支持部３３は、基体１０に固定され、ロボット進行方向の前後方向に延在している第１下部フレーム３３ａと、この第１下部フレーム３３ａに直交して略水平方向に延在する固定されている第２下部フレーム３３ｂと、第１下部フレーム３３ａの上方に配置され、ロボット進行方向の前後方向に延在している上部フレーム３３ｃとを備えている。
グリップ３１は、図４に示すように、丸棒形状の握り棒３１ａが設けられている。

グリップ移動機構３２は、図４及び図５（ａ）に示すように、第２下部フレーム３３ｂに下端部が回動自在に連結してロボット進行方向の前後方向に傾動する第１リンク部材３２ｂと、上部フレーム３３ｃに一端部が回動自在に連結し、その上部フレーム３３ｃに連結した一端部よりロボット進行方向の前方に位置する他端部がグリップ３１に回動自在に連結している第２リンク部材３２ｃと、上端部がグリップ３１に固定され、第１リンク部材３２ｂの上端部に設けた摺動案内部３２ｄに案内されて第１リンク部材３２ｂに対して平行に移動する摺動ロッド３２ｅと、を備えている。なお、グリップ３１は、握り棒３１ａがロボット進行方向の後方に位置するように、第２リンク部材３２ｃの他端部及び摺動ロッド３２ｅの上端部に固定されている。

第２下部フレーム３３ｂ及び第１リンク部材３２ｂの下端部は、図５（ａ）に示すように、ヒンジ３２ｆを介して回動自在に連結されている。また、上部フレーム３３ｃ及び第２リンク部材３２ｃの一端部は、回転軸３２ｇを介して回転自在に連結されている。さらに、第２リンク部材３２ｃの他端部及びグリップ３１は、図４及び図５（ａ）に示すように、回転軸３２ｈ及び連動部材３２ｉを介して回転自在に連結されている。
なお、ヒンジ３２ｆの可動範囲は、図５（ｂ）において第１リンク部材３２ｂが実線の位置から破線の位置まで回動可能となるように設定されている。そして、図５（ｂ）で示す実線の第１リンク部材３２ｂが、重力によりバランスしている安定点（以下、下端安定点と称する）となっている。

そして、グリップ３１の握り棒３１ａを把持している人間が、グリップ３１に対して引き上げ力を作用すると、上記構成の誘導部３０は、第１リンク部材３２ｂがヒンジ３２ｆを回転中心としてロボット進行方向の後方側に回動し、摺動ロッド３２ｅが摺動案内部３２ｄに案内されながら第１リンク部材３２ｂと平行に上方に移動し、摺動ロッド３２ｅの上方移動により第２リンク部材３２ｃが回転軸３２ｇを回転中心としてロボット進行方向の後方側に回動することで、グリップ３１は、上方移動しながらロボット進行方向の後方に向けてスムーズに移動する。

また、上昇してロボット進行方向の後方に位置しているグリップ３１の握り棒３１ａを把持している人間が、グリップ３１に対して引き下げ力を作用すると、誘導部３０は、第２リンク部材３２ｃが回転軸３２ｇを回転中心としてロボット進行方向の前方側に回動し、摺動ロッド３２ｅが摺動案内部３２ｄに案内されながら第１リンク部材３２ｂと平行に下方に移動し、第１リンク部材３２ｂがヒンジ３２ｆを回転中心としてロボット進行方向の前方側に回動し、グリップ３１は、下方移動しながらロボット進行方向の前方に向けてスムーズに移動する。

また、図６は、誘導用脚式ロボット１００の移動制御システムを示すブロック図である。
腰関節１３のモータＭ１には、回転角を検出するエンコーダ８１と、モータ制御指令及びエンコーダ８１の出力信号に基づいてモータＭ１を駆動するドライバ８２と、が設けられている。

また、各脚部２０において、第一股関節５１のモータＭ２、第二股関節５２のモータＭ２、及び膝関節５３のモータＭ２の夫々には、回転角を検出するエンコーダ８３と、モータ制御指令及びエンコーダ８３の出力信号に基づいてモータＭ２を駆動するドライバ８４と、が設けられている。
さらに、各脚部２０において、駆動輪６０のモータＭ３には、回転角を検出するエンコーダ８５と、モータ制御指令及びエンコーダ８５の出力信号に基づいてモータＭ２を駆動するドライバ８６と、が設けられている。

誘導用脚式ロボット１００は、ＣＰＵ９０と、誘導用脚式ロボット１００の姿勢を検出する三軸姿勢センサ９１と、外部のＰＣ等と無線通信を行う無線通信部９２と、無線通信部９２及びＣＰＵ９０の入出力を中継するハブ９３と、警告音等を出力するスピーカ９４と、を備えている。
三軸姿勢センサ９１は、ジャイロセンサ及び加速度センサの少なくとも一方を備え、地軸に対して誘導用脚式ロボット１００の姿勢（傾き）を検出する。

ＣＰＵ９０は、モータ指令出力Ｉ／Ｆ９５を介してドライバ８２、８４、８６にモータ指令信号を出力し、角度取込Ｉ／Ｆ９６を介してエンコーダ８１、８３、８５の出力信号を入力する。また、センサ入力Ｉ／Ｆ９７を介して、三次元距離測定装置１４、脚先前方センサ２３、脚先下方センサ２４、及び三軸姿勢センサ９１の各センサ信号を入力する。また、通信Ｉ／Ｆ９８を介してハブ９３と信号の入出力を行い、サウンド出力Ｉ／Ｆ９９を介してスピーカ９４に音声信号を出力する。

次に、本実施形態の誘導用脚式ロボット１００の平地誘導及び階段の昇降誘導時における誘導部３０の動作について説明する。
本実施形態の誘導用脚式ロボット１００の平地移動は、図７に示すように、駆動輪６０による車輪走行である。誘導される人間Ｈは、誘導部３０を構成するグリップ３１の握り棒３１ａ（図４参照）を把持し、誘導用脚式ロボット１００が、人間Ｈより先行して平地を移動する。
このとき、グリップ３１は、人間が特別な力を加えない限り、基体１０の垂直軸回りには回転せず、第１リンク部材３２ｂの下端安定点で保持されるので、グリップ３１を保持している人間Ｈはロボットの進行方向がわかる。これにより、ロボットが先行することで人間が誘導される。

次いで、本実施形態の移動制御システムは、脚先前方センサ２３及び脚先下方センサで測定した距離に基づいて階段を認識し、その認識結果に基づいてモータＭ１、Ｍ２、Ｍ３を制御する。
先ず、階段を認識した誘導用脚式ロボット１００は、図８に示すように、駆動輪６０の車輪走行を停止し、脚部２０を曲げた状態とする。このとき、グリップ３１の握り棒３１ａを把持した人間Ｈがグリップ３１に対して小さな引き上げ力を作用すると、グリップ移動機構３２の摺動ロッド３２ｅが上方に僅かに移動し、グリップ３１が基体１０に対して上方に移動する。

そして、三次元距離測定装置１４により連続面の境界が判定され、面データが生成される。次いで、ＣＰＵ９０により、面データが入力され、入力された面データに基づいて階段の特徴点が検出される。そして、検出された階段の特徴点に基づいて階段の幅及び段鼻部の実座標が算出され、算出された階段の幅及び段鼻部の実座標に基づいて脚先の着地位置が決定される。さらに、脚先前方センサ２３及び脚先下方センサ２４から各センサ信号が入力され、蹴込板までの距離及び脚先と踏板の位置関係が算出される。そして、決定された着地位置及び算出された両距離に基づいてモータ指令信号が生成され、生成されたモータ指令信号がドライバ８２、８４、８６に出力される。これにより、駆動輪６０が回転や停止など適切に制御されると共に、腰関節１３、第一股関節５１、第二股関節５２、膝関節５３が駆動し、誘導用脚式ロボット１００が姿勢を適切に保ちつつ、図９及び図１０に示すように、階段の昇降動作を行う。

図９に示すように、誘導用脚式ロボット１００及び人間Ｈが階段の昇り動作を行っているとき、誘導部３０のグリップ３１は人間Ｈに対して近くに位置しており、グリップ３１は、第１リンク部材３２ｂが下端安定点（図５（ｂ）の実線の第１リンク部材３２ｂ）となる位置に配置される。したがって、図８と比較して、人間Ｈとグリップ３１との位置は近くなるが、人間Ｈは肘を曲げることで難なくグリップ３１を把持でき、誘導用脚式ロボット１００の位置を把握できる。したがって、誘導用脚式ロボット１００は、階段の昇り誘導を確実に行う。

また、図１０に示すように、誘導用脚式ロボット１００及び人間Ｈが階段の降り動作を行っているとき、誘導部３０のグリップ３１は人間Ｈに対して階段の下側の遠い位置となり、グリップ３１の握り棒３１ａを把持した人間Ｈはグリップ３１に対して引き上げ力を作用する。そうすると、グリップ移動機構３２は、引き上げ力が作用しなくなる位置まで、グリップ３１を基体１０から離間する上方に上昇させながらロボット進行方向の後方に向けて移動させる。

これにより、基体１０が階段の降り姿勢に変化しても、グリップ移動機構３２が人間Ｈの手に対応する位置まで移動し、グリップ３１を人間Ｈの手に対して最適な位置とするので、人間Ｈは、前屈みのように無理な姿勢になることなく、階段を降りる姿勢を崩さずに、正常な姿勢でグリップ３１の握り棒３１ａを容易に把持することができる。したがって、誘導用脚式ロボット１００は階段の降り誘導を確実に行う。

したがって、本実施形態の誘導用脚式ロボット１００は、階段の昇降の際に、グリップ移動機構３２により、グリップ３１を人間Ｈの手に対して最適な位置とする。特に、誘導用脚式ロボット１００及び人間Ｈが階段の降り動作を行っているときには、基体１０が階段の降り姿勢に変化しても、グリップ移動機構３２が人間Ｈの手に対応する位置まで移動してグリップ３１を人間Ｈの手に対して最適な位置とするので、人間Ｈは、前屈みのように無理な姿勢になることなく、階段を降りる姿勢を崩さずに、正常な姿勢でグリップ３１の握り棒３１ａを容易に把持することができる。これにより、本実施形態の誘導用脚式ロボット１００は、人間Ｈの階段の昇降誘導を確実に行うことができる。

また、本実施形態のグリップ移動機構３２は、下端部が第２下部フレーム３３ｂに回動自在に連結されてロボット進行方向の前後方向に傾動する第１リンク部材３２ｂと、第１リンク部材３２ｂに対して上下方向に摺動自在に連結し、上端にグリップ３１が固定されている摺動ロッド３２ｅと、一端が上部フレーム３３ｃに回動自在に連結し、前記一端に対してロボット進行方向の前方に位置する他端がグリップ３１に回動自在に連結している第２リンク部材３２ｃとを備えた１自由度を有するリンク機構であり、これら第１リンク部材３２ｂ、第２リンク部材３２ｃ及び摺動ロッド３２ｅの簡便な関連動作により、グリップ３１の上下動作及びロボット進行方向の前後方向動作をスムーズに行うことができる。

さらに、１自由度のリンク機構である本実施形態のグリップ移動機構３２は、人間Ｈを誘導する際のブレを防止することができる。
また、本実施形態に係る誘導用脚式ロボット１００は、例えば特開平２０１０−２７１９１１号公報に記載の案内用ロボット及びその制御方法に好適に用いることができる。すなわち、グリップ３１を入力インターフェースとして使用し、グリップ３１への入力により案内用ロボットの移動速度・方向を調整する等、直観的な操作を可能とすることができる。

また、本実施形態は誘導用脚式ロボット１００について説明したが、他の用途のロボット、例えば階段を昇降する荷物運搬用ロボットに、ロボット進行方向の前方にグリップ３１を設けた移動部３０（本実施形態とは取付け位置が逆）を配置した構造にすると、階段の昇る作業員が、荷物運搬用ロボットより先に進行方向に向くことができ、運搬作業を容易に行うことができる。
なお、本発明に係る基体側支持部材が、誘導部支持部３３（第１下部フレーム３３ａ，第２下部フレーム３３ｂ及び上部フレーム３３ｃ）に対応し、本発明に係るロボットが誘導用脚式ロボットに対応している。

１０…基体、１１…前側基体、１２…後側基体、１３…腰関節、１４…三次元距離測定装置、２０…脚部、２１…基体側脚部、２２…接地側脚部、２３…脚先前方センサ、２４…脚先下方センサ、３０…誘導部、３１…グリップ、３１ａ…握り棒、３２…グリップ移動機構、３２ｂ…第１リンク部材、３２ｃ…第２リンク部材、３２ｄ…摺動案内部、３２ｅ…摺動ロッド、３２ｆ…ヒンジ、３２ｇ，３２ｈ…回転軸、３２ｉ…連動部材、３３…誘導部支持部、３３ａ…第１下部フレーム、３３ｂ…第２下部フレーム、３３ｃ…上部フレーム、５１…第一股関節、５２…第二股関節、５３…膝関節、６０…駆動輪、１００…誘導用脚式ロボット

Claims (2)

1. 基体と、この基体に連結された複数の脚部と、これら脚部を駆動するための動力を付与するアクチュエータと、前記複数の脚部が段差を移動できるようにアクチュエータを制御する制御手段と、人間を誘導する基体に設けた誘導部と、を備え、
   前記誘導部は、グリップと、前記段差を移動する人間が前屈みの姿勢でグリップを把持できるように、該グリップの位置を前記基体に対して上下方向及びロボット進行方向の前後方向に移動させるグリップ移動機構と、を備え、
   前記グリップ移動機構は、前記基体に設けた基体側支持部材に下端部が回動自在に連結され、ロボット進行方向の前後方向に傾動する第１リンク部材と、この第１リンク部材に対して上下方向に摺動自在に連結し、上端に前記グリップが固定されている摺動ロッドと、一端が前記基体側支持部材に回動自在に連結し、前記一端に対してロボット進行方向の前方に位置する他端が前記グリップに回動自在に連結している第２リンク部材と、を備えているとともに、
   前記基体側支持部材に連結している前記第１リンク部材の前記下端部の連結位置と、前記基体側支持部材に連結している前記第２リング部材の前記一端の連結位置とが、垂直方向及びロボット進行方向の前後方向の異なる位置に設けられていることを特徴とする誘導用脚式ロボット。
2. ロボットの基体に連結したグリップを、前記基体に対して上下方向及びロボット進行方向の前後方向に移動させるグリップ移動機構であって、
   前記基体に設けた基体側支持部材に下端部が回動自在に連結され、ロボット進行方向の前後方向に傾動する第１リンク部材と、この第１リンク部材に対して上下方向に摺動自在に連結し、上端に前記グリップが固定されている摺動ロッドと、一端が基体側支持部材に回動自在に連結し、前記一端に対してロボット進行方向の前方に位置する他端がグリップに回動自在に連結している第２リンク部材と、を備えているとともに、
   前記基体側支持部材に連結している前記第１リンク部材の下端部の連結位置と、前記基体側支持部材に連結している前記第２リング部材の前記一端の連結位置とが、垂直方向及びロボット進行方向の前後方向の異なる位置に設けられていることを特徴とするグリップ移動機構。

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