JP2005288561A - ヒューマノイドロボット - Google Patents

Abstract

【構成】 ヒューマノイドロボット１０は、胴体１６の下方に設けられる左右の足３２Ｒ、３２Ｌで２足歩行することができる。各足３２の先端に無限回転ヨー軸関節４４によってゴム車輪４６を取り付け、ロール軸関節４２によって、無限回転ヨー軸関節の軸が直立した状態（図１）と、９０度折れ曲がった状態（図３）とを切り換えることによって、２足歩行で移動し、または、車輪型倒立振子ロボットとして車輪の回転で移動させることができる。
【効果】 ２足歩行での高い踏破性能を確保しつつ、車輪での高速移動も可能となる。
【選択図】 図３

Description

この発明はヒューマノイドロボットに関し、特にたとえば、ヒューマノイドロボットの２本の足先に車輪を取り付けた、車輪型倒立振子ヒューマノイドロボットに関する。

この種の車輪型倒立振子ヒューマノイドロボットの一例が非特許文献１に、紹介されている。この非特許文献１の車輪型倒立振子ヒューマノイドロボットは足の先に車輪を設けたのもので、車輪型倒立振子ロボットでありながら階段歩行を可能にしている。

また、非特許文献２では、Roller-Walker（商品名）と呼ばれる４足歩行ロボットが提案されている。

一方、本件発明者等は、非特許文献３で紹介している２足歩行型のヒューマノイドロボット（商品名：Robovie-M）を提案し、開発した。
http://www.mel.go.jp/soshiki/robot/undo/matsumoto/matsumoto.html http://www-robot.mes.titech.ac.jp/robot/walking/rollerwalker/rollerwalker.html http://www.vstone.co.jp/top/p_info/robot/robovie-m.html

非特許文献１で提案される車輪型倒立振子ヒューマノイドロボットは、股関節に２自由度（同一平面上の運動を生成する関節）を持つだけで、その他に関節がないので、この従来技術では、整地または多少の不整地での高速移動と階段歩行とはできるが、その移動は床面に垂直な平面上の野移動に限られており、３次元的な自由な移動ができない。したがって、踏破性能がやや弱い。また、車輪移動時には多少の不整地でも移動することができない。

非特許文献２の４足歩行ロボットは、足先に受動車輪を付け、４足歩行の駆動系と同じ駆動系で推力を出すロボットで、不整地での４足歩行の他に整地での車輪移動が可能である。ただし、この従来技術のロボットは、車輪移動の場合でも左右の足を順次動かすことによって推力を得る方法で移動する。したがって、倒立振子型のような高速移動はできない。

非特許文献３のヒューマノイドロボットは、２足歩行移動によって溝などの障害物を乗り越えることができるので踏破性能はよいが、その移動速度は緩やかで、より高速での移動が望まれる。

それゆえに、この発明の主たる目的は、高い踏破性能を持ちながら、しかも高速移動もできる、車輪型倒立振子ヒューマノイドロボットを提供することである。

請求項１の発明は、胴体下方に設けた左右の足で２足歩行することができるヒューマノイドロボットにおいて、各足の先端に無限回転ヨー軸関節によって車輪を取り付け、さらに無限回転ヨー軸関節を直立状態と９０度折れ曲がった状態とに切り換えるための機構を設けたことを特徴とする、ヒューマノイドロボットである。

請求項１の発明では、胴体（１６：実施例において相当する部分の参照符号。以下同様。）の下方に２本の足（３２Ｒ、３２Ｌ）を設け、各足の先端に、無限回転ヨー軸関節（４４Ｒ、４４Ｌ）によって、車輪（４６Ｒ、４６Ｌ）を取り付ける。そして、たとえばロール軸関節（４２Ｒ、４２Ｌ）を含む機構によって、無限回転ヨー軸関節の軸が直立した状態と、無限回転ヨー軸関節が９０度折れ曲がった状態とを切り換えることによって、前者の状態では２足歩行で移動し、または、後者の状態では車輪型倒立振子ロボットとして車輪移動できる。

請求項２は、機構はロール軸関節を含む、請求項１記載のヒューマノイドロボットである。

この発明によれば、ヨー軸関節の軸が直立した状態での２足歩行と、ヨー軸関節が９０度折れ曲がった状態での車輪移動とを切り換えることができる。したがって、２足歩行で高い踏破性能が発揮され、かつ車輪での高速移動も可能となる。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

図１はこの発明の一実施例のヒューマノイドロボット（以下、単に「ロボット」ということがある。）１０をモデル表記した図解図であるが、この実施例のロボット１０は、垂直方向または縦方向に間隔を隔てて設けられる２つの横杆１２および１４を含み、この上下横杆１２および１４の間には、胴体１６が形成される。

胴体１６の上部には、胸の自由度を形成する１つのヨー（Ｙａｗ）軸関節１８が設けられ、その下方には腰の自由度を形成する１つのピッチ（Ｐｉｔｃｈ）軸関節２０が設けられる。なお、よく知られているように、ヨー軸とは鉛直回転軸（Ｚ軸）であり、ピッチ軸とはこのヨー軸に直行する２つの軸の一方、たとえばＸ軸であり、そして、後述のロール（Ｒｏｌｌ）軸がヨー軸に直行する２つの軸の他方、たとえばＹ軸である。Ｘ軸（ピッチ軸）は図１の紙面に平行な方向に延びる回転軸であり、Ｙ軸（ロール軸）は図１の紙面に直行する方向に延びる回転軸である。

上横杆１２の両端には、腕２２Ｒおよび２２Ｌがそれぞれ取り付けられる。これら左右の腕２２Ｒおよび２２Ｌは同じ構成である。右左を区別する必要があるときは、右を示す「Ｒ」または左を表す「Ｌ」を付し、また区別する必要がないときはこの「Ｒ」や「Ｌ」を付けないで示すようにして、重複する説明はできるだけ省く。このことは、後述の足についても同様である。

腕２２は、肩の自由度を形成するロール軸関節２４を含み、この肩関節２４によって上横杆１２に、ロール軸周りに回転可能に取り付けられる。この肩関節２４の先には、それぞれ１つずつのピッチ軸関節２６、ヨー軸関節２８、およびロール軸関節３０の直列接続が設けられる。したがって、この実施例のロボット１０の場合、腕２２は、４自由度であり、左右で８自由度である。

また、下横杆１４の両端には、足３２Ｒおよび３２Ｌがそれぞれ取り付けられる。足３２は、股関節の自由度を形成する１つのロール軸関節３４によって下横杆１４に取り付けられ、この股関節３２から先の下端方向には、連続する３つのピッチ軸関節３６、３８および４０、および１つのロール軸関節４２、さらには１つのヨー軸関節４４の直列接続が取り付けられる。そして、最下端のヨー軸関節４４の先端には、このヨー軸関節４４の軸と一体的に回転されるたとえばゴム車輪４６が取り付けられる。したがって、この実施例のロボット１０の場合、足３２は、６自由度であり、左右で１２自由度である。

ただし、ヨー軸関節２８Ｒおよび２８Ｌは有限回転関節であるが、足３２Ｒおよび３２Ｌのそれぞれの先端のヨー軸関節４４Ｒおよび４４Ｌはいずれも無限回転関節に改造されている。

図１の実施例のロボット１０の電気的構成が図２のブロック図に示される。図２に示すように、このロボット１０は、全体の制御のためにマイクロコンピュータまたはＣＰＵ４８を含み、このＣＰＵ４８には、バス５０を通して、メモリ５２，モータ制御ボード５４，およびセンサ入力／出力ボード５６が接続される。

メモリ５２は、図示しないが、ＲＯＭやＲＡＭを含み、ＲＯＭにはこのロボット１０の制御プログラムが予め書き込まれている。ＲＡＭは、一時記憶メモリとして用いられるとともに、ワーキングメモリとして利用され得る。

センサ入力／出力ボード５６には、図１の胴体１６に設けられる１つの２軸加速度センサ５８と、関節角度センサ６０とが接続される。なお、関節角度センサ６０は１つのブロックで示すが、実際には、上で説明した２２個の関節にそれぞれ個別に設けられ、それぞれの関節角を検出する２２個の関節角度センサを含む。２軸加速度センサ５８は、ロボット１０の前後方向および左右方向の２軸で加速度を検出することができる。この２軸加速度センサ５８の出力を用いて、ＣＰＵ４８は、ロボット１０の２足歩行や、倒立振子車輪走行を制御する。

モータ制御ボード５４は、たとえばＤＳＰ(Digital Signal Processor) で構成され、各腕や脚の各関節軸モータを制御する。図２では図の簡略化のために、この実施例に特徴的な４つのモータ６２Ｒ、６２Ｌ、６４Ｒ、および６４Ｌだけを明示するが、実際には、上で説明した２２個の関節のそれぞれに１つのモータ（サーボモータ）が設けられることに留意されたい。

右足下ロール軸モータ６２Ｒは、図１のロール軸関節４２Ｒの関節角度を制御するモータであり、左足下ロール軸モータ６２Ｌは、図１のロール軸関節４２Ｌの関節角度を制御するモータである。同様に、右足ヨー軸モータ６４Ｒは、図１の右足ヨー軸関節４４Ｒの関節角度（回転）を制御するモータであり、左足ヨー軸モータ６４Ｌは、左足ヨー軸関節４４Ｌの関節角度（回転）を制御するモータである。

図１実施例において、ＣＰＵ４８がモータ６２Ｒおよび６２Ｌを制御することによって、右足下部のロール軸関節４２Ｒおよび左足下部のロール軸関節４２Ｌを、それぞれ図３に示すように外側に９０度回転させると、各足３２Ｒおよび３２Ｌの先端にヨー軸関節４４Ｒおよび４４Ｌによって支持されているゴム車輪４６Ｒおよび４６Ｌの周側面（回転面）が、接地する。そして、ＣＰＵ４８によって各ヨー軸モータ６４Ｒおよび６４Ｌを無限回転させることによって、ロボット１０は、ゴム車輪４６Ｒおよび４６Ｌによって地面（床）６６上を移動することができる。このときＣＰＵ４８がこのロボット１０を、同軸２輪倒立振子モデルとして車輪４６すなわちヨー軸モータ６４などを制御すればこの実施例のロボット１０は、車輪型倒立振子ヒューマノイドロボットとなる。

なお、同軸２輪倒立振子モデルとして車輪等を制御する具体的な方法はたとえば特開２００３−２７１２４３号公報などで公知であるため、ここでは記述を省略する。

また、図１実施例において、各ロール軸関節４２Ｒおよび４２Ｌを図１の状態のままにしておけば、当然、この実施例のロボット１０は、先の非特許文献３で示すように、多関節自由度を有する２足歩行ロボットとして動作する。

なお、安定度を考慮すれば、倒立振子ロボットとして機能させるときに、実施例の図３のように車輪４６Ｒ、４６Ｌが外側なるように足下ロール軸関節４２Ｒ、４２Ｌを制御する方がよいが、可能であれば車輪が内側になるようにしてもよいことはもちろんである。

また、実施例では足下ロール軸関節４２Ｒ、４２Ｌによって車輪４６Ｒ、４６Ｌを外側に立てたので、ＣＰＵ４８からこのロール軸４２Ｒ、４２Ｌを制御することによって、自動的に、２足歩行ロボットのモードと、車輪倒立振振子型ロボットのモードとを切り替えることができる。しかしながら、この２つのモードを手動的に切り換えるようにしてもよい。この場合には、２つのロール軸関節４２Ｒ、４２Ｌを用いることなく、車輪４６Ｒ、４６Ｌを図１の状態と図３の状態とを切り換え、または組み替える機構を採用してもよい。

さらにまた、足先以外の実施例の自由度やそれらの具体的構成は単なる例示であり、必ずしも２２自由度なければならないというものではなく、関節軸モータ任意に変更可能である。

図１はこの発明の一実施例のロボットを示す図解図である。 図２は図１実施例の電気的構成を示すブロック図である。 図３は図１実施例のロボットを車輪型倒立振子ロボットとして動作させるときの各関節の状態を示す図解図である。

符号の説明

１０ …ロボット（ヒューマノイド）
１２、１４ …横杆
２２Ｒ、２２Ｌ …腕
２４Ｒ、２４Ｌ、３０Ｒ、３０Ｌ、３４Ｒ、３４Ｌ、４２Ｒ、４２Ｌ …ロール軸関節
２８Ｒ、２８Ｌ …有限ヨー軸関節
４４Ｒ、４４Ｌ …無限ヨー軸関節
４８ …ＣＰＵ
５４ …モータ制御ボード
６２Ｒ …右足下ロール軸関節
６２Ｌ …左足下ロール軸関節
６４Ｒ …右足ヨー軸関節
６４Ｌ …左足ヨー軸関節

Claims (2)

1. 胴体下方に設けた左右の足で２足歩行することができるヒューマノイドロボットにおいて、
   前記各足の先端に無限回転ヨー軸関節によって車輪を取り付け、さらに前記無限回転ヨー軸関節を直立状態と９０度折れ曲がった状態とに切り換えるための機構を設けたことを特徴とする、ヒューマノイドロボット。
2. 前記機構はロール軸関節を含む、請求項１記載のヒューマノイドロボット。

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