JPH02256479A - 車輪および走行ロボット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、車輪および歩行ロボットに関する。

（従来の技術） 従来の移動技術は、１）車輪式、２）軌道式、３）クロ
ーラ式、４）歩行式などが通夜適所に用いられている。

建屋内の巡視点検などの作業を人間に代って行なうロボ
ットの走行部においては、 １）車輪式は、移動速度が速く出来、効率も良いが、階
段、堰などの乗越え能力はほとんどない。

２）軌道式は、軌道に案内されるため移動制御が楽であ
るが予想外の点検や異常箇所への移動が出来ない上に、
建屋内すべてに網の目の様に軌道を布設することは、経
済的、スペース的に困難である。

３）クローラ式は、ある程度の階段を登ることが出初る
が、構造が大きくなり、重く、寸法も大きい上に、速度
も遅いため、人間並みのアクセススペースが必要な場所
では、適用出来ない。

４）歩行式は、２足歩行がまだ自律して動歩行出来ない
ため、４足や６足の歩行が主流となっており、多自由度
を有する脚を制御するために移動速度が遅く、搭載能力
も制限があり実用的でない。

そこで、ロボット本体の脚付根に車輪を付加した車輪式
と歩行式を組合せたハイブリット方式が考案されている
。

（発明が解決しようとする課題） このハイブリッド方式は、通常床面上では車輪により移
動し、階段や堰などの障害物のある所では、脚による歩
行に切換えるため一見、機能的に見えるが、次のような
問題がある。

ａ）走行部としては、車輪走行部と脚歩行部を有してい
ることになり、ｆｆｒｆｆｉ及び寸法が増加する。

ｂ）脚を制御するだけでも制御量が多く、大変な上に車
輪走行と脚の収納・展開のための制御が必要となり制御
部が大きくなる。

Ｃ）現状の脚歩行ロボットとでは、搭載量が他の移動方
式に比較して少ない上に車輪走行機能が追加されるため
搭載量が減少し、必要な機器の搭載が困難となる。

等の問題があり、実用的でない。

本発明は、障害物乗越え歩行能力を有する車輪を提供す
るとともに、構造及び制御が簡単であって、軽量小型な
走行部を有する歩行ロボットを提供することを目的とす
る。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 第１の発明による車輪は、車軸に軸着されて直径方向に
延びた柱の一端にこの柱と摺動して径方向に伸縮するア
ームを取付け、このアームの先端に曲げ可能な一対のフ
レームの一端を蝶着し、柱の他端に一対のフレームの他
端を蝶着し、この一対のフレームはアームが縮んだ状態
のときほぼ円形状となり、アームが伸びた状態のとき偏
平なほぼ長円形状となることを特徴とする。

第２の発明による歩行ロボットは、第１の発明の車輪が
走行部に複数個取付けられていることを特徴とする。

（作　用） このように構成された第１の発明の車輪によれば、アー
ムが縮んだ状態のときは一対のフレームがほぼ円形状と
なっていることにより車輪形状となっている。そして、
アームが伸びるにつれてフレームが柱に近づいて行き円
形状から偏平なほぼ長円形状となる。この時、車軸の中
心から柱め他端までの距離、すなわち車輪の半径よりも
車軸の中心からアームの先端までの距離が長くなり、車
軸を回転させることにより車輪の半径よりも高い高さの
障害を乗越えることが可能となるとともに、歩行が可能
となる。

また上述のように構成された本発明の歩行のロボットに
よれば第１の発明の車輪が走行部に複数個取付けられる
ことにより、従来の多自由度の脚よりも軽量化すること
ができるとともに構造および制御を簡単にすることがで
きる。

（実施例） 第１図から第６図を参照して本発明の実施例について説
明する。

第１図は車輪１を斜め側面より見た外観図であり、説明
上タイヤ８を切断して示しているが、実際はタイヤ８は
全周に渡っている。

車輪１は車軸７により走行部に回転自在に取付けられて
いる。

柱２は車軸７に軸着されて直径方向に延びている。そし
てその一端にヒンジ５を介して一対のフレーム６のそれ
ぞれの一端が周設されるように取付けられている。また
、柱２の他端には伸縮部４が設けられている。この伸縮
部４には長手方向に穴が設けられ、アーム３が径方向に
伸縮０在となるように上記穴にアーム３が挿着される。

そして、このアーム３の先端にヒンジ５を介して一対の
フレーム６のそれぞれの他端が取付けられ、アーム３が
縮んだ状態では一対のフレーム６が半円周を形成するよ
うに構成されている。タイヤ８は円周を形成するフレー
ム６の外側を被覆する。またアーム３が伸びた時にフレ
ーム６が柱と干渉するのを防止するため柱２の側面に一
対のガード９が設けられている。

一対のフレーム６は第２図（ａ）、（ｂ）に示すように
、伸縮部４よりアーム３が径方向に伸びることにより、
第２図（ａ）に示す状態から第２図（ｂ）に示す状態に
車輪１を変形させることが可能である。変形させるため
の駆動方法としては、伸縮部４を直接アクチエータにす
る方法とフレーム６を形状記憶合金や形状記憶プラスチ
ック−などの材料によって形成する等の方法が考えられ
る。

第３図はロボット１０の外観で、車輪走行時の状態を示
す。走行部１２は車軸１と４輪を有し、マイクロホン１
８、アンテナ１７、立体ＴＶカメラ１６、マニピュレー
タ１４、外観センサ１３等を有する上腕部１１を搭載し
ている。

第５図はロボット１０のシステム構成の一例を示してい
る。第５図において、制御装置２５はマニピュレータ１
４、雲台１５、ホイル回転駆動部２３、ホイル伸縮駆動
部２４、およびブレーキ２０等の各部を、操作室３３側
からの指示、あるいは外界センサ１３、伸縮位置センサ
２１、接地センサ２１ａ、およびホイル回転位置センサ
２２の検出出力、またはジャイロ２７の情報に基づいて
制御している。

伸縮部４には、アーム３の位置を検出する伸縮位置セン
サ２１とアーム３の接地を検知する接地センサ２１ａが
設けられている。ホイル回転駆動部２３は車輪１の回転
方向、すなわちアーム３の伸縮方向を検知するためのホ
イル回転位置センサ２２を有している。信号伝送装置２
６はマイクロホン１８、立体ＴＶカメラ１６からの点検
情報および制御装置２５からのロボット１０の各部の制
御状態をアンテナ１７から、操作室３３のアンテナ２８
を介して信号伝送部２９へ伝えるとともに、操作部３１
からの操作や制御部３０からの指令をロボット１０側の
制御装置２５に伝える。

次に実施例の作用について説明する。

（形状変形について） 第５図に示すシステム構成図を用い第２図（ａ）に示す
車輪から第２図（ｂ）に示す脚形状へ変形する場合につ
いて、手動モードと自動モードの２通り説明する。

く手動モード〉 手動モードでは、まず、オペレータが操作室３３におい
て操作部３１を操作することにより制御部３０からの指
令が信号伝送部２９、アンテナ２８、およびロボット１
０のアンテナ１７を介して制御装置２６に伝えられる。

制御装置２６は、この指令に基づいて、車軸１を変形す
るのに適した回転位置まで、回転させ、ホイル回転位置
センサ２２からの情報によりホイル回転駆動部２３およ
びブレーキ２０を制御し、各車輪を変形準備状態にする
。

次に、伸縮部４をホイル伸縮駆動部２４により駆動しア
ーム３を伸ばし、ホイル伸縮位置センサ２１の位置情報
により伸びたことを確認して伸びた状態で止める。そし
て完了したことを逆の伝送手順で送り、表示部３２に表
示し、変形動作を完了する。なお、車輪にもどす場合に
も同様の手順で行うが、ただ伸縮の方向が逆なだけであ
る。

く自動モード〉 自動モードは、外界センサ１３、または立体Ｔ■左カメ
ラ６により階段や堰を認識して、この認識結果に基づき
、制御装置２５より指令をだすだけのちがいであり以下
の動作は手動と同様である。

尚、認識機能及び知識データは事前に制御装置２５が有
しているものとする。

階段１９を自動認識して、車輪１の形状を変形させて矢
印す方向に回転させて乗越えようとしているロボット１
０を第４図に示す。

（車輪変形の長さ（ストローク）について）車輪変形の
長さ（ストローク）について、第２図（ｃ）を用い説明
する。

くフレーム６の長さが一定の場合〉 フレーム６の長さが一定で、形状がヒンジ５より曲るだ
けの場合は、伸縮部４のストロークＳは、下記のように
して求められる。

フレーム６は柱２を中心に２個あるため、検討上片側だ
けを注目して考える。１個のフレーム６の長さをａとし
、αをヒンジ５の取付けおよび車軸７との干渉防止上必
要な増加分とすれば、車輪１の半円周の長さはａ＋αと
表される。したがっＡ　　　　　π　−Ｄ となる。ここでＡは車輪１の円周、Ｄは車輪１の直径、
Ｒは車輪１の半径、πは円周率を示す。

そして、αを半径Ｒの０．１４倍にするとａ≠３Ｒとな
る。一方車輪１の変形後の車高ＣはＣ−Ｄ＋５−２Ｒ＋
Ｓ となる。ここでＳは伸縮部４のストロークを表す。

また、車高ＣはＣ≠ａでもあるからＣ：３Ｒとなり、Ｓ
はＳ≠Ｒとなる。したがって車輪１の乗り越え高さＲの
約２倍の高さまではフレーム６の長さを変えなくても可
能となる。なお、フレーム６が伸縮できるような構造で
あれば車高Ｃを高くすることができる。

（障害物乗越え） 障害物乗越えについて説明する。

く階段乗越え〉 第６図（ａ）において従来の車輪３４は、その半径がβ
であるため、ｈ（〉β）の高さの階段３５を登れない。

しかしこの従来の車輪３４と同じ径の本発明の車輪１は
、変形して高さをγ（〉ｈ）とし、車輪１を車軸７を中
心にして矢印のように回転させることによりｈの高さの
階段３５を登ることができる（第６図（ｂ）参照）。

なお、走行部１２の車軸間距離Ａは同じであるものとす
る。

〈堰の乗越え〉 第６図（Ｃ）において、堰３６の高さＨは従来の車輪３
４の高さβより高いため、乗越えられない。しかし、こ
の従来の車輪３４と同じ径の本発明による車輪１は、γ
（〉Ｈ）の高さまで変形して、さらに第６図（ｄ）に示
す矢印のように回転させることにより堰を乗越えること
ができる。

（歩行について） 歩行は、大きく２通りの方法があり、回転のみと回転と
車輪変形を組合せたものとがある。

第６図（ｅ）、（ｆ）を参照して以下説明する。

〈回転歩行〉 回転歩行の例を第６図（ｅ）に示す。この回転歩行には
、ｅ１矢印のように大きく回転して歩く方法と、ｅ２矢
印のように揺動させて正転および反転を繰返す方法の２
通りがある。

実線が、手前の車輪１を示し、２点鎖線が奥の車輪を示
す。床面などの歩行ではｅ２回転の歩行が可能であるが
、高い障害物がある場合は、ｅ。

の回転歩行でなければならない。

く車輪変形歩行〉 車輪変形歩行の例を第６図（ｆ）に示す。

歩行は、接地しているのを車輪状態にもどしながら所定
角度だけ正回転させ、正回転後脚状に変形させ、接地し
てから所定角度だけ逆回転させて歩行する。

障害物３７などの高さが低いものの乗越えや、走行部１
２の上下のブレや姿勢制御は楽に行うことができる。

以上説明したように上記実施例の車輪によれば障害物乗
越え歩行を行うことができる。また上記実施例の歩行ロ
ボットによれば、従来の多自由度の脚よりも軽量にする
ことができるとともに、構造および制御が簡単にするこ
とができる。また、従来の車輪方式の走行部をわずかに
改良するだけで本発明の車輪が取付可能である。

第７図に本発明による車輪の他の実施例を示す。

この実施例の車輪１は、第１図に示す車輪１において柱
２とほぼ直角な径方向に１対のスポーク３８を設けたも
のである。

このスポーク３８は柱２とフレーム６との間でヒンジ５
を介してｈ方向に回転自在に取付けられ、車輪走行時に
矢印ｇ方向に拘束され、床からの荷重を受ける。脚変形
時ｆ矢印の場合にｈ方向に回転しなからｇ方向に縮み脚
となる（図中点線で表示）。

尚、このスポーク３８は複数個であっても良いし、傘状
あるいは、扇状に変形しても良い。

フレーム６を伸縮させるか、あるいはアーム３の多段化
により車高の変形ストロークを長くしても良い。

車輪形状は、円形に限らず楕円、三角形、四角形、六角
形であっても良い。

従来形の車輪と組合せて用いても良い。

〔発明の効果〕 本発明の車輪によれば障害物乗越え歩行を行うことがで
きる。また本発明の歩行ロボットによれば、その走行部
障害物乗越え歩行を行うことのできる車輪を有している
ことにより従来の多自由度の脚よりも軽量にすることが
できるとともに、構造および制御を簡単にすることがで
きる。

１・・・車輪、２・・・柱、３・・・アーム、４・・・
伸縮部、５・・・ヒンジ、６・・・フレーム、７・・・
車軸、８・・・タイヤ、９・・・ガード。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、車軸に軸着されて直径方向に延びた柱の一端にこの
   柱と摺動して径方向に伸縮するアームを取付け、このア
   ームの先端に曲げ可能な一対のフレームの一端を蝶着し
   、前記柱の他端に前記一対のフレームの他端を蝶着し、
   この一対のフレームは前記アームが縮んだ状態のときほ
   ぼ円形状となり、前記アームが伸びた状態のとき偏平な
   ほぼ長円形状となることを特徴とする車輪。 ２、請求項１記載の車輪が走行部に複数個取付けられて
   いることを特徴とする走行ロボット。